CN103515977A

CN103515977A - 单相一体化能量回馈装置

Info

Publication number: CN103515977A
Application number: CN201310090035.4A
Authority: CN
Inventors: 王林兵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明公开了一种单相一体化能量回馈装置，前级电路包括并联的限流电阻及开关、滤波器、两个正向串联的开关管、多组串联的直流母线电容、电网电压检测电路、输入电流检测电路、母线电压检测电路、控制电路，还包括了一个双向开关，所述双向开关一端与正向串连开关管的公共连线连接在一起，另一端连至串联电容的串联线及电网的N线；后级电路包括三相逆变器及电机。当直流母线电压低于设定值时，双向开关与两个正向串联开关管的反并二极管构成升压整流器，进行功率因数校正，给负载供电；母线电压高于设定值时，双向开关断开，一个半桥逆变器向电网输入交流电。本装置实现了整流逆变一体化，具有功率因数高，装置成本低、电路效率高等优点。

Description

单相一体化能量回馈装置

技术领域

本发明涉及一种能量回馈装置，特别是使用单相供电的整流逆变一体化的电力电子装置。

背景技术

在全球发展绿色经济、倡导低碳生活的趋势下，节能环保低碳产业是节能降耗的必然选择。电机系统节能改造工程已经成为国家节能减排的一个重点。

在一些电机快速起停、频繁正反转的场合，当电机制动和带动位能性负载下降时，电机处于发电状态。会向电机的变频器母线注入电流，使变频器母线电压上升，这种泵升电压达到一定数值，就会击穿变频器的工作元件。

为了防止变频器母线泵升电压过高，通常采用如图1所示的在变频器直流母线并联能耗单元的方法，把直流母线上接收的电能通过能耗电阻以热的方式释放掉。这种解决方案的能耗单元需要占用较大的空间，而且浪费了电机发出的电量。

为了能够利用电机发电产生的电能，通过在变频器母线并联能量回馈装置的办法，可以实现把回馈能量转换为交流电送入电网，如图2所示。但是，这种方案存在以下缺点：

（1）对于电机来说，整流和回馈是两个装置，系统复杂，元器件多，成本高；

（2）实际应用时，经常存在回馈装置和变频器不匹配，回馈装置干扰变频器，导致变频器不能正常工作而无法实际应用的情况；

（3）当电网电压降低时，变频器直流母线电压随着降低，母线电压降低到一定程度，电机工作性能下降，甚至无法正常工作。

因此，在单相供电的有能量回馈的电机调速系统中，现有方案存在能耗大、占用空间大或者装置复杂、成本高、应用范围受限等缺点。

发明内容

本发明是针对以上现有技术的缺点，在单相供电的场合提供一种可以用一套装置实现整流供电和回馈逆变发电的单相一体化能量回馈装置。

一种单相一体化能量回馈装置，前级电路包括并联的限流电阻及开关、滤波器、两个正向串联的开关管、多组串联的直流母线电容、电网电压检测电路、输入电流检测电路、母线电压检测电路、控制电路，还包括了一个双向开关，所述双向开关一端与正向串联开关管的公共连线及滤波器的一端连接在一起，另一端连至串联电容的串联线及电网的N线；所述滤波器另一端经限流电阻连接电网L线；所述正向串联的开关管、串联的电容组及三相逆变器并联接到正负母线上；

所述电网电压检测电路、输入电流检测电路、直流母线电压检测电路的输出信号送入控制电路，控制电路根据检测信号进行闭环控制，输出驱动信号、驱动开关管及双向开关的导通与关断；

所述滤波器由电感和电容组成；

后级电路包括三相逆变器及电机。

所述双向开关的功能是，根据驱动信号的控制能够按照要求实现电流正向或者反向的流通和断开，采用能完成此功能的器件来实现。

所述双向开关采用二极管、IGBT、MOSFET、整流桥等半导体器件通过正确的组合来构成。

所述的多组串联的直流母线电容的连接方法是：电容先两两串联，然后再并联接在正负直流母线上，并把串联点连接起来，形成母线电压的中点。向电网送电时，串联电容构成了逆变器的一个桥臂。

所述的并联的限流电阻及开关的功能是在装置启动时限制启动电流，启动结束后短路限流电阻。

所述单相一体化能量回馈装置的控制电路检测母线电压，当母线电压低于设定值时，正向串联的开关管Q1和Q2不导通，其反并二极管与双向开关构成升压整流器，由控制电路发出驱动信号控制双向开关的导通与关断，进行功率因数校正，给负载供电；母线电压高于设定值时，双向开关断开，电路构成一个半桥逆变器，控制电路板根据检测得到的电压和电流信号进行闭环反馈控制，控制Q1和Q2 的开通与关断，向电网输出与电网同频率和同相位的正弦电流。

所述的单相一体化能量回馈装置在整流模式时，若电网电压处于正半周，Q2的反并二极管不导通，Q1的反并二极管参与功率因数校正；若电网电压处于负半周，Q1的反并二极管不导通，Q2 的反并二极管参与功率因数校正。进行功率因数校正，保证了装置在整流状态具有高的功率因数和低的谐波，达到绿色环保的目的。

所述装置工作在整流状态时，双向开关只承受一半的母线电压值，具有较低额定电压值的双向开关的导通损耗大大降低；系统中较多的二极管参与工作，二极管的开关损耗、驱动损耗和导通损耗与相同功率等级的开关管相比得到了较大的降低。因此，装置的效率得到了提高。

所述三相述逆变器在系统处于整流状态时，给电机提供电能，驱动电机工作；当电机回馈发电时，三相逆变器把电机回馈产生的电能通过直流母线传送给单相逆变器。

本发明的优点是：把功率因数校正电路、回馈逆变发电功能集成在一个电路中，实现了整流逆变一体化，提高了功率因数、减小了硬件复杂性，降低了系统成本，提高了可靠性，而且使电路效率有了较大的提高。

附图说明

图1是第一种现有单相供电的变频器电路和能耗制动方案原理图。

图2是第二种现有单相供电的变频器电路和回馈方案原理图。

图3是本发明的实现方案原理图。

图4是本发明的第一实施例电路原理图。

图5是本发明的第二实施例电路原理图。

图6是本发明的第一实施例在整流模式时的输入电流仿真波形。

图7是本发明的回馈与整流状态转换控制流程图。

具体实施方式

本说明书实施例所述的内容，仅仅是对本发明思想实现形式的有限列举，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

图4是本发明第一实施例电路原理图，前级电路包括并联的限流电阻及开关、滤波器、两个正向串联的开关管、多组串联的直流母线电容、电网电压检测电路、输入电流检测电路、母线电压检测电路、控制电路，还包括了一个双向开关，所述双向开关一端与正向串联开关管的公共连线及滤波器的一端连接在一起，另一端连至串联电容的串联线及电网的N线；所述滤波器另一端经限流电阻连接电网L线；所述正向串联的开关管、串联的电容组及三相逆变器并联接到正负母线上；

所述滤波器由电感和电容组成；

后级电路包括三相逆变器及电机。

所述双向开关采由两个IGBT开关管（Q3，Q4）反向串联构成。

所述的并联的限流电阻及开关放在装置的输入端，功能是在装置启动时的限制启动电流，启动结束后短路限流电阻。

所述单相一体化能量回馈装置的控制电路检测母线电压，当母线电压低于设定值730V时，正向串联的开关管Q1和Q2不导通，其反并二极管与双向开关构成升压整流器，由控制电路发出驱动信号控制双向开关的导通与关断，进行母线电压平衡控制和功率因数校正，并给负载供电；母线电压高于设定值730V时，双向开关断开，电路构成一个半桥逆变器，控制电路板根据检测得到的电压和电流信号进行闭环反馈控制，控制Q1和Q2 的开通与关断，把母线上的回馈能量转换为与电网同频率和同相位的正弦电流送入电网。

所述的单相一体化能量回馈装置在整流模式时，若电网电压处于正半周，Q2的反并二极管不导通，Q1的反并二极管参与功率因数校正；若电网电压处于负半周，Q1的反并二极管不导通，Q2 的反并二极管参与功率因数校正。在一个电网周期内Q3和Q4 工作情况是：当电网电压大于零时，电流从L线流出，通过滤波电感，Q3，Q4的反并二极管，电网N线，形成一个回路；当电网电压小于零时，电流从N线流出，通过Q4，Q3的反并二极管，滤波电感，电网L线，形成一个回路。

图5是第二实施例电路，与图3和图4相比，区别主要是双向开关的构成形式不同，图5的双向开关用四个整流二极管串联成一个整流桥，然后把一个IGBTT开关管并联在桥臂中间组合实现，双向开关只需要一个驱动电路。在整流状态时，在一个电网周期内双向开关的工作情况是：当电网电压大于零时，电流从L线流出，通过滤波电感，二极管d3,开关管Q3，二极管d6，电网N线，形成一个回路；当电网电压小于零时，电流从N线流出，通过二极管d5,开关管Q3，二极管d4，滤波电感，电网L线，形成一个回路。图5实施例在回馈逆变发电时的情况与图4的一样。

图6是本发明的第一实施例电路在整流模式时，输入电流仿真波形。从仿真波形看出，本单相一体化能量回馈装置在整流模式时具有较好的输入电流波形。

Claims

1.一种单相一体化能量回馈装置，前级电路包括并联的限流电阻及开关、滤波器、两个正向串联的开关管、多组串联的直流母线电容、电网电压检测电路、输入电流检测电路、母线电压检测电路、控制电路，还包括了一个双向开关，所述双向开关一端与正向串联开关管的公共连线及滤波器的一端连接在一起，另一端连至串联电容的串联线及电网的N线；所述滤波器另一端经限流电阻连接电网L线；所述正向串联的开关管、串联的电容组及三相逆变器并联接到正负母线上；

所述电网电压检测电路、输入电流检测电路、直流母线电压检测电路的输出信号送入控制电路，控制电路根据检测信号进行闭环控制，输出驱动信号，驱动开关管及双向开关的导通与关断；

所述滤波器由电感和电容组成；

后级电路包括三相逆变器及电机。

2.根据权利要求1所述的单相一体化能量回馈装置，其特征是，所述双向开关的功能是，根据驱动信号的控制能够按照要求实现电流正向或者反向的流通和断开，采用能完成此功能的器件来实现。

3.根据权利要求1或者2所述的单相一体化能量回馈装置，其特征是，所述双向开关采用二极管、IGBT、MOSFET、整流桥等半导体器件通过正确的组合来构成。

4.根据权利要求1所述的单相一体化能量回馈装置，其特征是，所述多组串联的直流母线电容的连接方法是：电容先两两串联，然后再并联接在正负直流母线上，并把串联点连接起来，形成母线电压的中点。

5.根据权利要求1所述的单相一体化能量回馈装置，其特征是，并联的限流电阻及开关的功能是在装置启动的时候限制启动电流，启动结束后短路限流电阻。

6.根据权利要求1或者2或者3所述的单相一体化能量回馈装置的电路工作模式，其特征是：控制电路检测母线电压，当母线电压低于设定值时，正向串联的开关管Q1和Q2不导通，其反并二极管与双向开关构成升压整流器，由控制电路发出驱动信号控制双向开关的导通与关断，进行功率因数校正，给负载供电；母线电压高于设定值时，双向开关断开，电路构成一个半桥逆变器，控制电路板根据检测得到的电压和电流信号进行闭环反馈控制，控制Q1和Q2 的开通与关断，向电网输出与电网同频率和同相位的正弦电流。

7.根据权利要求1或者6所述的单相一体化能量回馈装置系统，其特征是：在整流模式时，若电网电压处于正半周，Q2的反并二极管不导通，Q1的反并二极管参与功率因数校正；若电网电压处于负半周，Q1的反并二极管不导通，Q2 的反并二极管参与功率因数校正。

8.根据权利要求1或者6所述的单相一体化能量回馈系统，其特征是，所述三相述逆变器在系统处于整流状态时，给电机提供电能，驱动电机工作；当电机回馈发电时，三相逆变器把电机的回馈电能通过直流母线传送给单相逆变器。