CN103051281A - 一种高性能四象限变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能四象限变频器，以实现输出直流电压可控，网侧电流谐波含量小，能量可以双向流动，变频器具备间歇性运行规律，更加节能。不论重载、轻载、甚至能量回馈时，直流侧电压都能通过控制将其保持在一个设定值。其控制方法是将整流器和逆变器结合起来进行统一协调控制，整流器利用逆变器侧的信息进行前馈控制以获得更好的直流母线电压控制性能和快速动态响应速度，且整流器的运行规律与逆变器侧的电机运行规律相配合达到间歇性运行的目的，能够实现能量的双向流动，从而节约电能。本发明具有网侧电流谐波含量低、正弦度高、对电网无谐波污染，整流器的单位功率因数运行，且具有自动升压功能并且能控制直流母线电压稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种驱动永磁同步直线电机的高性能四象限变频器。
背景技术
传统的电机驱动用变频器前端多使用二极管整流桥将交流电变换成直流电，这种变频器结构存在的主要问题是：
1) 输入电流含有较大的谐波。由于二极管整流桥的特点，输入电流无法直接控制，电流THD（总谐波畸变率）一般在40%以上，造成输入线路损耗增大和电磁干扰问题，是造成目前电网污染的重要原因，该污染问题将随着电网设备中变流器应用的不断增加变得越来越严重。
2）从电网吸收无功功率、输入功率因数较低，且不可控。
3）无法实现能量的双向流动。由于二极管整流桥只允许电流单向流动，能量只能由输入向输出传递，无法反向流动。
4）输出直流电压不可控。重载时直流母线电压会有所跌落，而能量回馈时又会抬升直流电压，存在直流过压的危险，从而危及功率开关器件，因此需要加装大功率的直流过压吸收电阻和开关器件，这样又会造成能量的浪费。
另外，目前国际上许多大公司已纷纷推出了能量回馈四象限变频器。如ABB 公司的ACS800，ACS1000，ACS2000，ACS5000等系列四象限变频器, 西门子公司的GM150， SM150，GL150等产品，但其性能参数与国内行业标准有一定差异，而且不适合应用于驱动特殊的永磁同步直线电机负载。
如：中国专利ZL02104139.3 ，提供了一种无谐波污染高压变频器能量回馈装置，它包括多个反馈桥和反馈桥控制电路。但是，它仅仅是一个能量回馈装置，无法改善二极管整流之谐波污染问题，同时也无法实现对直流侧电压、输入功率因数的控制。
再如：中国专利ZL200810120160.4 ，提出了一种直流侧电压可控型四象限变频器及其方法。它实现直流电压控制，改善网侧电流品质并将再生电能回馈至电网，但是其仅侧重于前端整流器的控制，尤其侧重直流电压的控制方法。但是，并没有涉及对整个变频系统进行总体设计的技术方案。
还如：中国专利ZL200910107449.7 ，提出了一种三相同步整流电路并提供了一种同步整流电路的控制方法。但其仅仅针对同步整流器本身，并无涉及电机驱动相关内容。
发明内容
鉴于上述现状，本发明的目的旨在提供一种高性能的四象限变频器，克服了传统电机驱动用变频器输入谐波大、能量不能双向流动、功率因数不可调、直流电压不受控、整流侧和逆变侧不协调的问题。
本发明的另一目的还提供了整流器和逆变器协调起来进行控制的方法，使整个控制系统根据电机的运行特性实现间歇性运行规律。
本发明的技术解决方案是通过以下措施来实现的。一种高性能四象限变频器，包括：
依次连接的主接触器、预充电电阻、三相电抗器、整流器、逆变器，该逆变器和永磁同步直线电机连接，在所述预充电电阻的两端并联有辅接触器，及整流器与逆变器之间设有电解电容，通过主接触器与三相交流电源连接；
具有电网电压检测、输入电流检测、直流母线电压检测、直流电流检测的输出端均与控制系统中的采样模块相连，控制系统的整流触发脉冲和逆变触发脉冲均通过光纤或双绞线分别与所对应的全控型开关器件的控制端连接；
由整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，整个控制系统根据永磁同步直线电机负载的运行特性具有间歇性运行规律，整流器利用逆变器侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，同时整流器利用逆变器侧电机的运行规律，实现整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能的间歇性运行。
本发明中，用于驱动永磁同步直线电机的功率电路中的整流器和逆变器在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；整流器和逆变器中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在可控整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
本发明中，用于驱动永磁同步直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测放在主接触器的二次侧或一次侧，输入电流检测串联在电抗器的输入线路中，直流母线电压检测并联在电解电容两端，直流电流检测串联在可控整流器的正极输出线路中。
本发明的控制方法，将整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，根据电机的运行特性具有间歇性运行规律，该控制系统中包括整流器的直流母线电压控制环节，有功电流和无功电流控制环节，功率前馈环节，整流器和逆变器的联合控制环节，给定间歇运行规律环节；其中直流母线电压控制环节将母线电压给定值与反馈值做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值，加上功率前馈环节的计算值得到整流器的最终有功电流给定值，然后将整流器实际输入电流的有功分量和无功分量分别与有功电流给定值和无功电流给定值进行比较，其差值分别送入PI调节器G2(s)得到整流器的参考电压给定值，再利用网侧电压前馈得到最终的调制波电压给定值，最后将其送入PWM脉冲发生器控制整流器按指令可靠运行；根据永磁同步直线电机负载的特殊工作特性，提前预设定好电机的不同间歇运行规律和给定运行频率，逆变器控制算法根据这些设定值生成控制指令，然后PWM脉冲发生器根据控制指令产生需要的触发脉冲，驱动逆变器侧的功率开关器件动作，控制永磁同步直线电机的周期往复动作。
本方法的整流器和逆变器的联合运行控制包括，整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。
本发明的四象限变频器具有的积极效果是：
1）能够实现网侧电流正弦化，总谐波畸变率（THD）可以控制在5%以下，对电网无谐波污染。
2）能量可以双向流动，不再需要耗能电阻，降低损耗、节约能源。
3）能实现整流器的单位功率因数运行。
4）输出直流电压可控。不论重载、轻载、甚至能量回馈时，直流侧电压都能通过控制将其保持在一个设定值。
5）整流器和逆变器具有协调工作的能力，整个系统根据电机的特殊运行特性具备间歇性工作的特性。
附图说明
图1 是本发明的功率电路原理图；
图2 是图1的系统控制原理图；
图3 是图2的运行规律图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，一种高性能四象限变频器，包括功率电路的三相交流电源1，及与三相交流电源1连接的主接触器2，通过主接触器2与预充电电阻3输入端相连接，辅接触器4并联在预充电电阻3两端，预充电电阻3输出端与三相电抗器5输入端相连接，三相电抗器5输出端与整流器6相连接，可控整流器6的输出端并联电解电容7，给变频装置提供需要的直流电源。电解电容7的输出端和逆变器8的输入端相连接，逆变器8输出端与永磁同步直线电机9相连接构成的功率电路。本实施例中，还包括电网电压检测10、输入电流检测11、直流母线电压检测12、直流电流检测13，所述的电网电压检测10、输入电流检测11、直流母线电压检测12、直流电流检测13的输出端均与控制系统14的采样模块15相连。控制系统14的整流触发脉冲16和逆变触发脉冲17均通过光纤或双绞线连接到全控型器件的控制端上。
本实施例中，用于驱动永磁同步直线电机的功率电路中的整流器6和逆变器8在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；整流器6和逆变器8中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
本实施例中，用于驱动永磁同步直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测10放在主接触器2的二次侧或一次侧，输入电流检测11串联在电抗器5的输入线路中，直流母线电压检测12并联在电解电容7两端，直流电流检测13串联在可控整流器3的正极输出线路中。
本实施例中的电解电容7还可以是多个电解电容的串并联组合，每个电解电容7上均并联有静态均压电阻。在本实施例中可控整流器6 和逆变器8都由全控型器件(如IGBT)加反并联二极管组成的桥式电路结构。
如图2给出了系统控制原理图，本实施例的控制系统14，是将整流器6和逆变器8统一起来协调控制，整个控制系统根据永磁同步直线电机的运行特性具有间歇性运行规律。
所述的控制系统包括整流器6的直流母线电压控制环节18，有功电流和无功电流控制环节19，功率前馈控制环节20，以及整流器6和逆变器8的联合运行控制环节21。
本实施例中，直流母线电压控制环节18将母线电压给定值Udcr与反馈值Udc做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值ird，加上功率前馈环节给定值ifd得到整流器6的最终有功电流给定值(ird+ifd)，然后将可控整流器6实际输入电流的有功分量isd和无功分量isq分别与有功电流给定值(ird+ifd)和无功电流给定值irq进行比较，其差值送入PI调节器G2(s)得到整流器6的参考电压给定值Urd和Urq，再利用网侧电压前馈值Usd和Usq得到最终的调制波电压给定值Urefd和Urefq，最后将其送入PWM脉冲发生器得到整流器触发脉冲16，控制整流器6按指令可靠运行，达到稳定直流母线电压和保证输入电流单位功率因数的目的。整流器6利用功率前馈环节提高直流母线电压的可控性能，利用逆变器8的给定运行规律控制整流器6的启停时刻达到间歇运行目的。
本实施例的逆变器8的控制指令主要包括，永磁同步直线电机的给定运行规律和运行频率。根据运行规律和运行频率逆变器的PWM脉冲发生器就能产生需要的逆变器触发脉冲17，控制永磁同步直线电机按指令运行。同时将逆变器的间歇运行规律传递给整流器6达到系统协调运行目的。
本发明的整流器和逆变器的联合运行控制方法，整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。
本发明的逆变器的控制方法，根据永磁同步直线电机负载的特殊工作特性，提前预预设定好永磁同步直线电机的不同间歇运行规律和运行频率，然后逆变器侧的PWM脉冲发生器利用这些设定值产生需要的触发脉冲17，驱动逆变器侧的功率开关器件动作，从而控制直线电机的间歇运行。
如图3给出了运行规律环节22的逆变器和整流器的运行规律图。根据给定间歇运行规律确定逆变器的运行时间(t3-t2)和停止时间(t6-t3)，整流器利用这一时间信息，它将在t1时刻就启动，先于逆变器的启动时刻t2；同时整流器将在t4时刻停止运行，滞后于逆变器的停止运行时刻t3，从而确保逆变器运行前及整个运行过程中整流器已经建立起直流母线电压，也达到了根据电机运行特性整个系统具备间歇运行的目的。其中t1- t2- t3- t4- t5为一个运行周期, t5- t6- t7- t8- t9- t10为下一个运行周期，运行特性相同。在整流器和逆变器停止运行期间，整个变频器装置不消耗电能，因此相对于传统变频器，本发明变频器具有更加节能的特点。
Claims (5)
1.一种高性能四象限变频器，其特征在于，包括：
依次连接的主接触器（2）、预充电电阻（3）、三相电抗器（5）、可控整流器（6）、逆变器（8），该逆变器（8）和永磁同步直线电机（9）连接，在所述预充电电阻的两端并联有辅接触器（4），及可控整流器(6)与逆变器（8）之间设有电解电容(7)，通过主接触器（2）与三相交流电源（1）连接；
具有电网电压检测（10）、输入电流检测（11）、直流母线电压检测（12）、直流电流检测（13）的输出端均与控制系统(14)中的采样模块(15)相连，控制系统(14)的整流触发脉冲（16）和逆变触发脉冲（17）均通过光纤或双绞线分别与所对应的全控型功率器件的控制端连接；
由可控整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，整个控制系统根据永磁同步直线电机负载的运行特性具有间歇性运行规律，可控整流器利用逆变器侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，同时可控整流器利用逆变器侧电机的运行规律（22），实现可控整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能的间歇性运行。
2.根据权利要求1所述的一种高性能四象限变频器，其特征在于，用于驱动永磁同步直线电机的功率电路中的可控整流器（6）和逆变器（8）在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；可控整流器（6）和逆变器（8）中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在可控整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
3.根据权利要求1所述的一种高性能四象限变频器，其特征在于，用于驱动永磁同步直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测(10)放在主接触器（2）的二次侧或一次侧，输入电流检测(11)串联在电抗器(5)的输入线路中，直流母线电压检测(12)并联在电解电容(7)两端，直流电流检测（13）串联在可控整流器（3）的正极输出线路中。
4.根据权利要求1所述的一种高性能四象限变频器的控制方法，其特征在于，整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，根据电机的运行特性具有间歇性运行规律，该控制系统中包括整流器的直流母线电压控制环节（18），有功电流和无功电流控制环节（19），功率前馈环节（20），整流器和逆变器的联合控制环节(21)，给定间歇运行规律环节(22)；其中直流母线电压控制环节将母线电压给定值与反馈值做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值，加上功率前馈环节的计算值得到整流器的最终有功电流给定值，然后将整流器实际输入电流的有功分量和无功分量分别与有功电流给定值和无功电流给定值进行比较，其差值分别送入PI调节器G2(s)得到整流器的参考电压给定值，再利用网侧电压前馈得到最终的调制波电压给定值，最后将其送入PWM脉冲发生器控制整流器按指令可靠运行；根据永磁同步直线电机负载的特殊工作特性，提前设定好电机的不同间歇运行规律(22)和给定运行频率，逆变器控制算法根据这些设定值生成控制指令，然后PWM脉冲发生器根据控制指令产生需要的触发脉冲（17），驱动逆变器侧的功率开关器件动作，控制永磁同步直线电机的周期往复动作。
5.根据权利要求4所述的一种高性能四象限变频器的控制方法，其特征在于，整流器和逆变器的联合运行控制包括，整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。
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