CN102510235A - 电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，其技术特点是：基本电路包括由六个电子开关构成的三相可控桥CB、三相进线电抗器X和直流贮能电容Cd，该三相可控桥中的每个电子开关由一个IGBT器件或IGCT器件及一个反并联续流二极管构成。本发明三相可控桥中电子开关采用与交流进线电源同步的控制方式，不需要采用脉宽调制，也无任何闭环调节，其控制及调试方式简单、运行安全可靠，可通过增设二极管整流桥DB满足整流功率大于回馈功率的要求，在应用时，可2套或4套基本电路串/并联工作，构成12或24脉波整流电路以减小谐波。
Description
技术领域
本发明属于电机控制用电压型交-直-交变频技术领域，特别涉及电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源。
背景技术
电压型交-直-交变频器包括两电平低压变频器、中点钳位三电平中压变频器及H桥级联中压变频器，已在交流电动机调速传动领域得到广泛应用。电压型交-直-交变频器通常由交-直变换电源及直-交逆变器两部分组成。在快速制动或位势负载下放重物时，电动机处于再生发电工作状态，机械的动能或重物的势能将通过电动机转变成电能返回电源。电压型逆变器允许双向功率流动，可以把电动机的再生能量回送至直流母线上的贮能电容，能否进一步回馈交流电网则取决于交-直变换电源的型式，看它是否允许双方向功率流动。本发明只涉及允许双向功率流的变换器。
目前，常用的双向功率流交-直变换电源有两类：晶闸管整流/回馈电源和IGBT(或IGCT)PWM整流电源(常称有源前端AFE)。下面分别对两种类型的双向功率流交-直变换电源的特点进行说明：
晶闸管整流/回馈电源由正反两个可控整流桥组成。这种电源使用晶闸管，价格相对较低，其最大问题是存在回馈桥逆变失败的可能，若在回馈桥工作期间突然交流电源故障，进线电压降低过多，将导致逆变颠覆，直流电源短路，烧毁熔断器，这种故障曾在现场多次发生。另外，晶闸管整流/回馈电源的结构和控制也较为复杂。
IGBT(或IGCT)PWM整流电源(AFE)由IGBT(或IGCT)桥和交流进线电抗构成，采用PWM控制，是逆变器的逆应用。这种电源具有理想的性能：双方向功率流；正弦波网侧电流(一个开关周期平均值)；功率因数超前/滞后可控，可以为1；电网异常降低时关断全部可控开关器件，无颠覆问题。该类电源存在的主要问题是：价格高(使用IGBT或IGCT器件，进线电抗大)、控制和调试麻烦，从而影响其应用；在用于大功率中压变频器时，由于开关器件的开关频率低， 网侧谐波加大，效果将打折扣；很多应用场合希望装置的逆变功率小于整流功率，这种电源难实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、运行可靠且性价比高的电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，包括由六个电子开关构成的三相可控桥、三相进线电抗器和直流贮能电容，三相进线电抗器一端与三相交流进线电源相连接，三相进线电抗器另一端连接到三相可控桥的交流侧，三相可控桥的直流侧与直流贮能电容相连接，该三相可控桥中的每个电子开关由一个IGBT器件或IGCT器件及一个反并联续流二极管构成，整流时功率从交流进线电源流向直流母线，回馈时功率从直流母线流回交流进线电源。
而且，通过在三相可控桥旁并联一个二极管整流桥使得整流功率大于回馈功率。
而且，三相可控桥的控制方式是每个开关被用作交流进线电源的同步开关，每个交流进线电源周期只开通和关断一次。
本发明的优点和积极效果是：
1、本交-直变换电源在进线交流电压高于直流母线电压时，电流经与IGBT(或IGCT)反并联的续流二极管从交流电源流向直流母线实现整流功能；当进线交流电压低于直流母线电压时，电流经IGBT(或IGCT)从直流母线流向交流电源实现回馈功能，实现整流/回馈双方向功率流动。
2、本交-直变换电源的三相可控桥CB桥中每个开关被用作交流进线电源的同步开关，每周期只开通和关断一次，不用PWM控制，无闭环调节，控制和调试简单。
3、本交-直变换电源在交流电源故障或进线电压降低过多时，可通过关断所有IGBT(或IGCT)来避免逆变颠覆发生。
4、本交-直变换电源通过在三相可控桥旁并联一个二极管整流桥使得整流功率大于回馈功率，可满足整流功率大于回馈功率的要求，特别适用于作为公共直流母线的交-直电源。
5、本交-直变换电源的网侧功率因数及电流谐波与二极管整流电源基本相同，可通过采用12或24脉波整流方法来减小谐波。
6、本交-直变换电源与晶闸管整流/回馈电源相比：解决了晶闸管整流/回馈电源的逆变颠覆问题，并且控制和调试简单。
7、本交-直变换电源与AFE相比：由于进线电抗小及控制和调试简单，因此价格较AFE更低；开关频率仅50Hz，比AFE低很多，可提高变换器出力，特别是使用高压开关器件的变换器；在24脉波整流状态的谐波含量较中压AFE更低。
8、本交-直变换电源适合用于四象限H桥级联中压变频器，比目前常用的AFE方案简单许多。
附图说明
图1为本发明的基本电路图，图中X是三相进线电抗器，CB是由6个电子开关(SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2)构成的三相可控桥，每个电子开关S由一个可控开关器件V(IGBT或IGCT)及一个反并联续流二极管D构成，Cd是直流贮能电容；Id.R和Id.I分别是交-直变换电源和逆变器的直流电流；Ud是直流母线电压；uA、uB、uC是三相交流进线相电压；是A相相电流；
图2为图1所示电路的三相交流进线相电压(uA、uB、uC)及六个电子开关的门极驱动信号(GA1、GA2、GB1、GB2、GC1、GC2)示意图；
图3为图1所示电路在空载、整流和回馈三种状态下开关SA1导通期间的直流母线电压(Ud)、三相交流进线线电压(uAB和uAC)及A相电流(iA)波形图；
图4为在图1所示电路的基础上并联二极管桥DB的电路图，图中XB1和XB2是均流电抗器，X是三相交流进线电抗器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，如图1所示，包括三相可控桥CB、三相进线电抗器X和直流贮能电容Cd，三相进线电抗器X一端与三相交流进线相电压相连接，三相进线电抗器X另一端连接到三相可控桥CB的输入端，三相可控桥CB的输出端与直流贮能电容Cd相连接，三相可控桥CB由六个电子开关SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2构成，其中每个电子开 关S由一个可控开关器件V及一个反并联续流二极管D构成，该可控开关器件V可以采用IGBT或IGCT器件。
如图2所示，三相可控桥CB的控制不需要脉宽调制(PWM)，也没有任何闭环调节，三相可控桥CB桥中每个开关被用作交流进线电源的同步开关，每周期只开通和关断一次，于自然换流点(a＝0°)处开始导通，持续120°后关断。由于电路中开关器件的开关频率只有50Hz，远低于现在常用的AFE装置，因此，有助于提高变换器出力。在进线交流电压高于直流母线电压时，电流经与IGBT(或IGCT)反并联的续流二极管从交流电源流向直流母线实现整流功能；当进线交流电压低于直流母线电压时，电流经IGBT(或IGCT)从直流母线流向交流电源实现回馈功能。
在图1所示电路的基础上，还可以在三相可控桥CB旁并联一个二极管整流桥DB来扩展装置的整流功率，如图4所示。该电路的整流功率大于回馈功率，从而满足整流功率大于回馈功率的要求，特别适用于公共直流母线的交-直电源。
本交-直变换电源的交流进线功率因数及相电流谐波与二极管三相整流器基本相同，属于6脉波整流电路，对大容量装置，和二极管整流器一样，也可使用如图1或图4所示的2套或4套电路串/并联工作，构成12或24脉波整流电路以减小谐波，这时要求各套交流进线电源之间彼此隔离并相移30°或15°。
本交-直变换电源与二极管整流方式不同，在电网线电压瞬时值小于直流母线电压Ud时，本交-直变换电源允许电流从直流母线，经开关器件和进线电抗器流向电网。图3给出了在空载、整流和回馈三种状态下开关器件SA1导通期间的Ud、线电压uAB和uAC及A相电流iA波形。在这期间uAB或uAC与直流正母线接通，它们与Ud之差加至进线电抗X，线电压大于Ud时iA向正方向变化，线电压小于Ud时iA向负方向变化。空载状态时(图3a)，IdI＝0(IdI-直流母线上逆变器侧直流电流，它是本交-直变换电源的负载电流)，直流电压Ud＝Ud0＝1.35UL(Ud0-理想空载整流电压，UL-电网线电压有效值)，线电压与Ud之差的正负伏-秒面积相同，iA时正时负，平均值＝0，没有功率从电网流向直流母线或返回。整流状态时(图3b)，IdI＞0，整流电压Ud略降，略低于Ud0(＜5％)，正伏-秒面积加大、负伏-秒面积减小，iA正向增大反向减小，直至无反向电流，平均值大于0，由于这时线电压大于0，故功率从电网流向直流母线。回馈状态时(图3c)，IdI＜0， 整流电压Ud略微升高，大于Ud0(＜5％)，负伏-秒面积加大、正伏-秒面积减小，iA反向加大正向减小，直至无正向电流，平均值小于0，由于这时线电压大于0，故功率从直流母线流向电网。从上述三种状态分析知，整流和回馈状态的转换及流过功率的大小都取决于Ud的变化，依据变换器的负载要求(IdI值)自动实现，不需要任何闭环调节，控制电路特别简单。
从图3中还可以看出，加在本交-直变换电源进线电抗X上的脉动电压的幅值很小，故需要的进线电抗值较小，这些值都与相应容量的通用变压器的漏抗值相同，因此可采用通用变压器作为整流变压器，不必像AFE那样必须使用高漏抗变压器。
在电网出现故障时，电压突然降低过多或完全掉电時，立即关断本发明变换器中所有可控电力电子开关，该交-直变换电源变成二极管整流桥工作方式，不存在逆变颠覆问题，不会出事故。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，其特征在于：包括由六个电子开关构成的三相可控桥、三相进线电抗器和直流贮能电容，三相进线电抗器一端与三相交流进线电源相连接，三相进线电抗器另一端连接到三相可控桥的交流侧，三相可控桥的直流侧与直流贮能电容相连接，该三相可控桥中的每个电子开关由一个IGBT器件或IGCT器件及一个反并联续流二极管构成，整流时功率从交流进线电源流向直流母线，回馈时功率从直流母线流回交流进线电源。
2.根据权利要求1所述的电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，其特征在于：通过在三相可控桥旁并联一个二极管整流桥使得整流功率大于回馈功率。
3.根据权利要求1所述的电压型交-直-交变频器中的双向功率流交-直变换电源，其特征在于：三相可控桥的控制方式是每个开关被用作交流进线电源的同步开关，每个交流进线电源周期只开通和关断一次。
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