CN101976957A - 一种四象限变流器电路及控制方法 - Google Patents

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耿辉
马惠春
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Abstract

本发明公开了一种四象限变流器电路及控制方法，与传统的不控整流和相控整流相比具有本质的区别。本发明所述的四象限变流器包括IGBT、二极管、限流电感L、电容器C，其中所述的IGBT和二极管每一组反并联构成一个功率开关，每两个功率开关串联构成一个桥臂，两个桥臂并联构成一个功率开关组4QS，功率开关组4QS的输入端串联限流电感L、输出端并联中间直流环节支撑电容器C共同构成四象限变流器。所述方法的可以实现交流侧和直流侧能量的双向流动；采用了输出直流电压闭环控制和输入功率因数闭环控制的双闭环控制方式，从而稳定直流电压并具有很高的基波功率因数，较低的谐波电流干扰和优异的再生制动性能。

Description

一种四象限变流器电路及控制方法 
技术领域
本发明涉及一种新型变流器电路及其控制方法，特别是涉及用于电力机车或工业设备中的交-直-交传动系统中的四象限变流器电路及其控制方法。 
背景技术
随着电力电子技术的迅猛发展，交-直-交传动系统的应用已经非常广泛。传统的方法是在输入侧经不可控或相控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上在连接电网一侧，但是传统的交-直-交传动系统存在以下缺点： 
1、在电网侧(交直交传动系统由两部分组成，一端连接电网一侧，一端连接电机一侧)采用不控整流或者相控整流的方式为后端提供直流电，这两种方式的弊端在于无法提供稳定的直流电压输出，尤其是在再生制动工况下，多余的能量无法回馈电网，只能通过电阻消耗掉。 
2、不控整流和相控整流电网输入侧的功率因数低，大量能量无法有效利用。 
3、较高的谐波含量对电网产生了极大的污染。 
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种输出电压稳定、输入功率因数高和谐波含量小的四象限变流器电路及控制方法。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
一种四象限变流器电路及控制方法，所述的四象限变流器包括IGBT、二极管、限流电感L、电容器C，其中所述的IGBT和二极管每一组反并联构成一个功率开关，每两个功率开关串联构成一个桥臂，两个桥臂并联构成一个功率开关组4QS，功率开关组4QS的输入端串联限流电感L、输出端并联中间直流环节支撑电容器C共同构成四象限变流器； 
所述的四象限变流器控制方法是：采用了输出直流电压闭环控制和输入功率因数闭环控制的双闭环控制方法，根据负载情况控制变流器电流的方向，实现电能在交流侧和直流侧的双向传递。 
通过双闭环对电压矢量Us进行控制，连续调整Us的幅值和相角，从而稳 
定中间电压Ud和保证电网功率因数为1，并能根据中间直流环节的能量平衡情况，完全自动地进行牵引工况和再生制动工况的相互转换。 
其中所述的双闭环是中间电压Ud控制闭环和功率因数闭环。 
所述的中间电压Ud控制闭环步骤是：系统给定直流中间电压，这个给定电压与直流母线电压反馈的误差送到电压闭环的PI调节器。电压闭环的PI调节器输出Us的幅角ψ，从而控制四象限变流器，在牵引和制动状况下均能保证稳定的直流电压输出。 
所述的功率因数闭环步骤是：通过将采集到的功率因数角θ送到功率因数闭环的PI调解器，计算出Us相应的幅值，便可以使θ趋近于零，大大提高四象限脉冲整流器的功率因数。 
本发明的有益效果是：采用上述的双闭环连续控制，四象限变流器所需的主电路结构简单，系统工作稳定。这种方法通过双闭环对电压矢量Us进行控制，连续调整Us的幅值和相角，从而稳定中间电压Ud和保证电网功率因数为1，并能根据中间直流环节的能量平衡情况，完全自动地进行牵引工况和再生制动工况的相互转换。 
附图说明
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的描述。 
本发明共有2张附图，其中： 
图1是本发明四象限变流器电路示意图。 
图2是本发明四象限变流器电路交流回路的电压矢量原理图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。如图1所示，所述的四象限变流器包括IGBT、二极管、限流电感L、电容器C，其和所述的IGBT和二极管每一组反并联构成一个功率开关，每两个功率开关串联构成一个桥臂，两个桥臂并联构成一个功率开关组4QS，功率开关组4QS的输入端串联限流电感L、输出端并联中间直流环节支撑电容器C共同构成四象限变流器； 
如忽略主电路电阻压降，交流回路的电压矢量方程为： 
∪ ρ N = ∪ ρ S + jω N L I ρ N
其电压矢量原理图见图2。 
由电压矢量原理图分析可知，UL的长度与电网电流成正比，代表电网提供负载能量的大小，调节Us的幅角ψ可以改变In和流向负载的直流电流Id的大小，使电网和负载之间的能量供求平衡，达到稳定Ud的目的。所以第一个闭环就是中间电压Ud控制闭环。系统给定直流母线电压，这个给定电压与直流母线电压反馈的误差送到电压闭环的PI调节器。电压闭环的PI调节器输出Us的幅角ψ，从而控制四象限脉冲整流器在牵引和制动状况下均能保证稳定的直流电压输出。 
同时，因为在电感L中，In垂直于UL，所以要保证In和Un同相，Us的幅值也必须相应调节。第二个闭环是功率因数闭环，通过将采集到的功率因数角θ送到功率因数闭环的PI调解器，计算出Us相应的幅值，便可以使θ趋近于零，大大提高四象限脉冲整流器的功率因数。 
这种方法通过双闭环对电压矢量Us进行控制，连续调整Us的幅值和相角，从而稳定中间电压Ud和保证电网功率因数为1，并能根据中间直流环节的能量平衡情况，完全自动地进行牵引工况和再生制动工况的相互转换。 
本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种四象限变流器电路及控制方法，其特征在于：所述的四象限变流器包括IGBT、二极管、限流电感L、电容器C，其中所述的IGBT和二极管每一组反并联构成一个功率开关，每两个功率开关串联构成一个桥臂，两个桥臂并联构成一个功率开关组4QS，功率开关组4QS的输入端串联限流电感L、输出端并联中间直流环节支撑电容器C共同构成四象限变流器；
所述的四象限变流器控制方法是：采用了输出直流电压闭环控制和输入功率因数闭环控制的双闭环控制方法，根据负载情况控制变流器电流的方向，实现电能在交流侧和直流侧的双向传递。
2.如权利要求1所述的一种四象限变流器电路及控制方法，其特征在于：
所述的四象限变流器控制方法是通过双闭环对电压矢量Us进行控制，连续调整Us的幅值和相角，从而稳定中间电压Ud和保证电网功率因数为1，并根据中间直流环节的能量平衡情况，完全自动地进行牵引工况和再生制动工况的相互转换；
其中所述的双闭环是中间电压Ud控制闭环和功率因数闭环；所述的中间电压Ud控制闭环步骤是：系统给定直流中间电压，这个给定电压与直流母线电压反馈的误差送到电压闭环的PI调节器；电压闭环的PI调节器输出Us的幅角ψ，从而控制四象限变流器，在牵引和制动状况下均能保证稳定的直流电压输出；
所述的功率因数闭环步骤是：通过将采集到的功率因数角θ送到功率因数闭环的PI调解器，计算出Us相应的幅值，使θ趋近于零。
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