CN103825470A - 一种四象限变频器 - Google Patents

Abstract

本发明属于变频器技术领域，提供了一种四象限变频器，变频器设置在电网和感应电机之间，在变频器直流母线侧设置能量回馈单元，变频器上直流母线的负极端DC-与能量回馈单元的DC-电气连接，变频器上的DC+与能量回馈单元的DC+端电气连接，能量回馈单元的三相交流输出并接在变频器的输入侧R、S、T，能量回馈单元的端子PE端子可靠接地，能量回馈装置检测到变频器母线电压达到其设定值时，便会将回馈电能转换为工频频率传送至电网进行节能调节。本发明的优点在于外接能量回馈装置，将电机产生的电能通过反馈再加到，变频器的输入端，加装电抗器，避免了谐波污染，使得功率因数大幅提升，实现了电能的高效利用率。

Description

一种四象限变频器

技术领域

本发明属于变频器控制技术领域，涉及一种在一些快速制动的场合，如电梯、起重、矿山提升机、离心机、油田抽油机、风力并网发电等场合用的四象限变频器。

背景技术

变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域，采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益，通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，即三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器虽然在工业中获得广泛应用，但是不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围；为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点:(1)浪费能量，降低了系统的效率；(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种四象限变频器，使得通用变频器频率及电压可控、易操作等特点，而且能够实现对电机制动产生电能的重复利用，功率因数大幅提高，最终达到理想的节能效果。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种四象限变频器，变频器设置在电网和感应电机之间，其特征在于，在变频器直流母线侧设置有用于实时监视及控制母线并使四象限稳定运行达到节能的能量回馈单元，所述的变频器上直流母线的负极端DC-与能量回馈单元的DC-电气连接，变频器上的DC+与能量回馈单元的DC+端电气连接，能量回馈单元的三相交流输出并接在变频器的输入侧R、S、T，能量回馈单元的端子PE端子可靠接地，所述的能量回馈装置检测到变频器母线电压达到其设定值时，便会将回馈电能转换为工频频率传送至电网进行节能调节。

为优化上述方案采取的措施具体包括：

在上述的一种四象限变频器中，所述的变频器的电气设计部分包括依次电连接的整流部分、充电回路、滤波部分、逆变部分、控制回路部分和人机界面部分，所述的整流部分包括六个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，所述的充电回路用于对冲击电流的抑制、缓冲以及上电作用，所述的滤波部分用于将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板、开关电源板和主控板，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，所述的隔离驱动板用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，所述的开关电源板用于达到对电压、频率的实时控制，主控板用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，所述的人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示。

在上述的一种四象限变频器中，所述的充电回路由充电电阻和接触器组成，充电电阻用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器会继而吸合，将充电电阻短路，完成变频器的上电。

在上述的一种四象限变频器中，所述的滤波部分采用大容量电解电容组并用于负责将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压。

在上述的一种四象限变频器中，所述的能量回馈单元的电气设计部分包括为逆变部分、直流滤波部分、交流滤波部分以及能量回馈电源板部分，所述的能量回馈单元的直流逆变部分用来将直流电转变为幅值可调而频率跟电网相同的过程，所述的能量回馈单元的滤波部分采用大容量电解电容，并用于将脉动的直流电变得平缓同时消除尖峰电流，所述的能量回馈单元的交流滤波部分用于LC滤波处理，防止谐波干扰，能量回馈电源板主要由驱动电路、开关电源、保护电路组成，完成整个运行过程中的控制、调节和报警功能。

在上述的一种四象限变频器中，所述的能量回馈单元的交流滤波部分由输出电抗器、交流接触器和交流滤波电容加在回馈单元的三相输出上组成，并用于LC滤波处理防止回馈产生的谐波干扰电网。

在上述的一种四象限变频器中，所述的能量回馈单元的逆变部分由逆变模块组成，并用于实现直流电转换为电压幅值可调且频率跟电网侧相同的交流电输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）此方案采用开放式设计理念来设计，变频器没有外壳机箱，故可以减少生产成本且安装灵活性较高；

2）可以实现电机的软启动，减小瞬间大电流对电机的冲击以及消除对电网的巨大波动；

3）变频器的过压、过流、过载、短路等多重保护功能及远程监控功能，从而使得电机运行的稳定性、可靠性得到保证；

4）变频器的直流母线端加能量回馈装置使变频器处于四象限运行，可以避免采用制动电阻带来的发热严重问题，可以避免制动电阻有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压等问题，极大地提高了系统的稳定性、可靠性；

5）外接能量回馈装置，将电机产生的电能通过反馈再加到，变频器的输入端，加装电抗器，避免了谐波污染，使得功率因数大幅提升，实现了电能的高效利用率。

附图说明

图1为本变频器部分的电气连接图；

图2为本能量回馈单元的电气连接图；

图3为本变频器和能量回馈单元的整体结构电气连接图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

图中，整流部分1；接触器2；充电电阻3；电解电容4；逆变部分5；开关电源板6；主控板7；熔断器8；大容量电解电容9；能量回馈电源板10；逆变模块11；霍尔传感器12；交流电抗器13；交流滤波电容14；交流接触器15；变频器16；能量回馈单元17；隔离驱动板18。

如图3所示，本四象限变频器，变频器16设置在电网和感应电机之间，在变频器16直流母线侧设置有用于实时监视及控制母线并使四象限稳定运行达到节能的能量回馈单元17，变频器16上直流母线的负极端DC-与能量回馈单元17的DC-电气连接，变频器16上的DC+与能量回馈单元17的DC+端电气连接，能量回馈单元17的三相交流输出并接在变频器16的输入侧R、S、T，能量回馈单元17的端子PE端子可靠接地，所述的能量回馈装置检测到变频器16母线电压达到其设定值时，便会将回馈电能转换为工频频率传送至电网进行节能调节，当电动机工作在发电状态时，电机产生的能量通过变频器逆变侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定值时，能量回馈控制部分启动，将直流逆变为交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。

具体来说，变频器16采用开放式设计为将变频器16的电气部件固定在散热器上，而没有独立的外壳罩住，结构整体采用壁挂式设计，一是变频器16的电气设计，二是能量回馈的电气设计，三是两者之间的电气连接。

变频器16的电气设计部分包括依次电连接的整流部分1、充电回路、滤波部分、逆变部分15、控制回路部分和人机界面部分。

整流部分1包括六个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，充电回路由充电电阻3和接触器2组成，充电电阻3用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器2会继而吸合，将充电电阻3短路，完成变频器16的上电。

滤波部分采用电解电容4组并用于负责将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分15再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板18、开关电源板6和主控板7，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，所述的隔离驱动板18用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，开关电源板6用于达到对电压、频率的实时控制，主控板7用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，所述的人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示。

能量回馈单元17的电气设计部分包括为逆变部分、直流滤波部分、交流滤波部分以及能量回馈电源板10部分，能量回馈单元17的逆变部分用来将直流电转变为幅值可调而频率跟电网相同的过程。

能量回馈单元17的直流滤波部分采用大容量电解电容9，并用于将脉动的直流电变得平缓同时消除尖峰电流，所述的能量回馈单元17的交流滤波部分用于LC滤波处理，防止谐波干扰，能量回馈单元17的交流滤波部分由输出电抗器、交流接触器15和交流滤波电容14加在回馈单元的三相输出上组成，并用于LC滤波处理防止回馈产生的谐波干扰电网。

所述的能量回馈单元17的逆变部分由逆变模块11组成，并用于实现直流电转换为电压幅值可调且频率跟电网侧相同的交流电输出

能量回馈的电源板主要由驱动电路、开关电源电路、检测电路、保护电路组成，完成整个运行过程中的控制、调节和报警功能，能量回馈单元17采用全硬件设计理念，实时跟踪母线电压及电网相位频率，电流闭环处理，从而控制IGBT门极的开关速率，使通用变频器16可在四象限运行。

其中，检测电路主要通过运算放大器及辅助电路对采样电阻进行信号的放大和比较，实现多项保护功能，其中，开关电源电路主要由3844芯片、开关管、变压器及其他稳压和校准电路组成，负责主控回路及外部高速散热风机的正常运转，其中，控制电路主要在信号的运算处理及各项模拟量、开关量和温度检测的输出上完成变频器16的各项控制功能，其中，人机界面负责使用者在变频器16运行或停机中参数的设定、更改和监视，其中，显示部分为发光二极管组成的指示运行、回馈、报警三组工作状态。

本发明的整个工作原理如下：

如图1所示，当输入测通入三相交流电后，变频器16的整流部分1通过六个二极管的整流作用，将交流电转换为脉动的直流电，再通过充电电阻3给电解电容4充电，电解电容4开始进行储能，待充电完成后，接触器2接收到主控板7的吸合信号，将充电电阻3短路，此时，便完成变频器16的上电动作。之后，滤波部分对直流电进行平波，逆变部分将直流电转换为大小和频率可调的交流电输出，开关电源板6和主控板7在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，其中开关电源板6会通过驱动电路、开关电源部分、检测电路、保护电路等达到对电压、频率的实时控制，其中主控板7会以DSP主控芯片为核心、其他运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，从而达到实现各项控制效果的目的。

如图2所示的实施例中，当电动机工作在发电状态时，产生的电能通过变频器16逆变侧的续流二极管回馈到变频器16直流母线处，先经过熔断器8送给回馈单元的直流母线，以便在回馈单元故障时也能保护变频器16侧；再经过大容量电解电容9进一步滤波；当能量回馈电源板10检测到回馈单元的直流母线电压超过交流接触器15吸合设置点时，交流接触器15将会吸合，此时整个系统将会进入回馈监示状态；当能量回馈电源板10进一步检测到回馈单元的直流母线电压超过回馈设置点且电网侧的电压正常时，能量回馈电源板10的驱动电路将会发控制脉冲给逆变模块11，以便实现直流电转换为电压幅值可调且频率跟电网侧相同的交流电输出，霍尔传感器12将会实时地检测逆变后的电流，并将电流值回馈至能量回馈电源板10进行闭环控制；交流电抗器13及交流滤波电容14组成LC滤波系统，防止回馈产生的谐波干扰电网。其内部检测电路完成其过流、过压、过载、短路等保护和报警功能。

如图3所示的实施例中，变频器16上直流母线的负极端DC-与能量回馈单元17的DC-电气连接；DC+与变频器16上的P端电气连接，它即为直流母线的正极端；能量回馈的三相交流输出并接在变频器16的输入侧R、S、T端子；PE端子可靠接地。当能量回馈单元17检测到变频器16母线电压达到其设定值时，便会通过图二所示实施例的工作原理，将回馈电能转换为工频频率传送至电网，最终达到可观的节能效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神所定义的范围。

Claims (7)

1.一种四象限变频器，变频器设置在电网和感应电机之间，其特征在于，在变频器直流母线侧设置有用于实时监视及控制母线并使四象限稳定运行达到节能的能量回馈单元，所述的变频器上直流母线的负极端DC-与能量回馈单元的DC-电气连接，变频器上的DC+与能量回馈单元的DC+端电气连接，能量回馈单元的三相交流输出并接在变频器的输入侧R、S、T，能量回馈单元的端子PE端子可靠接地，所述的能量回馈装置检测到变频器母线电压达到其设定值时，便会将回馈电能转换为工频频率传送至电网进行节能调节。

2.根据权利要求1所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的变频器的电气设计部分包括依次电连接的整流部分、充电回路、滤波部分、逆变部分、控制回路部分和人机界面部分，所述的整流部分包括六个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，所述的充电回路用于对冲击电流的抑制、缓冲以及上电作用，所述的滤波部分用于将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板、开关电源板和主控板，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，所述的隔离驱动板用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，所述的开关电源板用于达到对电压、频率的实时控制，主控板用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，所述的人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示。

3.根据权利要求2所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的充电回路由充电电阻和接触器组成，充电电阻用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器会继而吸合，将充电电阻短路，完成变频器的上电。

4.根据权利要求2所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的滤波部分采用大容量电解电容组并用于负责将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压。

5.根据权利要求1所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的能量回馈单元的电气设计部分包括为逆变部分、直流滤波部分、交流滤波部分以及能量回馈电源板部分，所述的能量回馈单元的直流逆变部分用来将直流电转变为幅值可调而频率跟电网相同的过程，所述的能量回馈单元的滤波部分采用大容量电解电容，并用于将脉动的直流电变得平缓同时消除尖峰电流，所述的能量回馈单元的交流滤波部分用于LC滤波处理，防止谐波干扰，能量回馈电源板主要由驱动电路、开关电源、保护电路组成，完成整个运行过程中的控制、调节和报警功能。

6.根据权利要求5所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的能量回馈单元的交流滤波部分由输出电抗器、交流接触器和交流滤波电容加在回馈单元的三相输出上组成，并用于LC滤波处理防止回馈产生的谐波干扰电网。

7.根据权利要求5所述的一种四象限变频器，其特征在于，所述的能量回馈单元的逆变部分由逆变模块组成，并用于实现直流电转换为电压幅值可调且频率跟电网侧相同的交流电输出。

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