CN103944439B - 无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统及控制方法，包括在第一级联多电平逆变器和第二级联多电平逆变器的功率单元间级联能量回馈耦合单元；能量回馈耦合单元包括第一逆变电路、第二逆变电路、中间直压电容、电流可逆斩波电路、缓冲电感、缓冲电阻和蓄电池，电流可逆斩波电路包括降压斩波电路和升压斩波电路，可根据中间直压电容两端电压大小选择运行降压斩波模式或升压斩波模式，从而实现能量回馈蓄电池和循环利用驱动电机运行。本发明无需引入基于三相PWM整流电路的双向变换器，避免了移相变压器的绕组重制，能量回馈耦合单元也无需连接电网，可降低系统复杂性和成本，避免向电网馈入能量和注入谐波，适合大规模应用。

Description

无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术发展，高压变频器作为电力电子技术发展的主要成果之一，由于其功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，已广泛应用于生产、生活、交通、医疗卫生等各个领域，以驱动电动机运行，并发挥着越来越重要的作用。

目前，市场上通用的高压变频器多由基于三相不控整流电路的功率单元构成的级联多电平逆变电路结构，传统级联型高压变频器的电路拓扑结构见图1，基于三相不控整流电路的功率单元电路拓扑结果见图2，从图1～2中可以看出：传统级联型高压变频器输入侧采用的是二极管整流电路，二极管整流电路不能直接用于需要快速起动、制动和频繁正反转的调速场合。因为当电动机减速制动时，电动机处于再生发电状态，频繁正反转的调速系统要求电动机四象限运行。图2所示功率单元中的能量传输是不可逆的，只能从电网传递到电动机，电动机再生制动产生的能量只能传输到功率单元直流侧的储能兼滤波电容C上，形成泵升电压，若不及时释放，势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。

为避免再生制动发电时变频器主电路发生过电压，现有的处理方案是在功率单元的直流回路中并联大功率电阻将再生的能量以热的形式消耗掉。这种方式不仅造成能量的浪费，还将使得功率单元温度上升，成为故障隐患。

除此之外，还有人提出了基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元级联构成的能实现能量回馈的级联多电平逆变电路。虽然能够满足能量双向流动的性能要求，但是引入PWM整流电路需要绕制结构更加复杂的移相变压器，而移相变压器的成本较高，不利于工业上的大规模应用。此外，PWM整流器控制电路需要检测交流侧电流和直流侧电压等信息量用来实 现PWM整流控制算法，既增加检测环节的成本，又增加控制系统的复杂性性。此外，三相PWM整流电路(即有源前端)连接电网，在将能量回馈到电网的同时，还将部分谐波注入电网，给系统的可靠性带来了不利影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种不增加系统复杂性、成本低、无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统及控制方法，该系统可实现电机再生制动能量回馈到蓄电池以及释放蓄电池储能驱动电机运行。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统，在第一级联多电平逆变器和第二级联多电平逆变器的A相功率单元间级联能量回馈耦合单元；所述的能量回馈耦合单元包括第一逆变电路、第二逆变电路、中间直压电容、电流可逆斩波电路、缓冲电感、缓冲电阻和蓄电池，电流可逆斩波电路进一步包括降压斩波电路和升压斩波电路，可根据中间直压电容两端电压大小选择运行降压斩波模式或升压斩波模式；

第一逆变电路和第二逆变电路共中间直压电容并联连接构成逆变电路组合，逆变电路组合通过电流可逆斩波电路与缓冲电感、缓冲电阻和蓄电池串联；能量回馈耦合单元通过第一逆变电路与第一级联多电平逆变器A相功率单元中的逆变电路级联连接，能量回馈耦合单元通过第二逆变电路与第二级联多电平逆变器A相功率单元中的逆变电路级联连接。

上述第一逆变电路和第二逆变电路均为H桥逆变电路。

上述电流可逆斩波电路的一种具体实施方式为：包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管和第二续流二极管，其中，第一绝缘栅双极型晶体管集电极连接第二续流二极管阴极，第二绝缘栅双极型晶体管发射极连接第一续流二极管阳极，第一绝缘栅双极型晶体管发射极、第二续流二极管阳极、第二绝缘栅双极型晶体管集电极和第一续流二极管阴极相连。

二、无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统的控制方法，包括：

电动机工作在制动状态时，使电动机回馈能量通过能量回馈耦合单元的逆变电路储存到中间直压电容，其两端电压升高，当中间直压电容两端电压大于第一预设值时，使电流可逆斩波电路运行在降压斩波模式；

电动机工作在电动状态时，使能量回馈耦合单元中间直压电容储能通过逆变电路传输至电动机，其两端电压降低，当中间直压电容两端电压小于第二预设值时，使电流可逆斩波电路运行在升压斩波模式。

作为优选，第一预设值为中间直压电容的额定电压和直压偏差之和。

作为优选，第二预设值为中间直压电容的额定电压和直压偏差之差。

上述使电流可逆斩波电路运行在降压斩波模式具体为：

保持第二绝缘栅双极型晶体管始终关断，采用PWM方式控制第一绝缘栅双极型晶体管的导通和关断。

上述使电流可逆斩波电路运行在升压斩波模式具体为：

保持第一绝缘栅双极型晶体管始终关断，采用PWM方式控制第二绝缘栅双极型晶体管的导通和关断。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、在传统级联多电平逆变电路基础上增加了能量回馈耦合单元，可将电机再生制动能量回馈到蓄电池储存以及释放蓄电池储能驱动电机运行，不仅避免了功率单元直流电容上的泵升电压，提高电机快速制动的安全稳定性，还能实现制动能量的循环利用，提高能量利用效率，节能效果明显。

2、采用能量回馈耦合单元来实现能量回馈，无需在级联多电平逆变电路中引入基于三相PWM整流电路的功率单元，避免了移相变压器的绕组重制，降低了复杂性和成本，适合大规模应用。

3、采用能量回馈耦合单元来实现能量回馈，无需在级联多电平逆变电路中引入三相SPWM双向变换器有源前端，避免了向电网馈入能量和注入谐波。

附图说明

图1为传统级联多电平逆变器的拓扑结构图；

图2为基于三相不控整流电路和H桥逆变电路的功率单元电路结构；

图3为本发明两电机驱动级联多电平逆变系统电路结构示意图；

图4为本发明中能量回馈耦合单元电路结构示意图；

图5为本发明控制方法原理示意图，其中，图(a)为基于降压斩波电路模式的控制原理示意图；图(b)为基于升压斩波电路模式的控制原理示意图。

具体实施方式

为使本发明技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细阐述。其中，假定电动机M1工作在制动状态，电动机M2工作在电动状态。

图3为本发明两电机驱动级联多电平逆变系统，在图1所示的传统级联多电平逆变器中增加了能量回馈耦合单元。见图1，传统级联多电平逆变器由3n个基于三相不控整流电路和H桥逆变电路的功率单元级联构成，功率单元电路结构见图2，n个功率单元级联为三相逆变器中的一相。

图4为能量回馈耦合单元电路结构示意图，由H桥逆变电路1、H桥逆变电路2、中间直压电容C_P、电流可逆斩波电路、缓冲电感L、缓冲电阻R和蓄电池组成，H桥逆变电路1和H桥逆变电路2共中间直压电容并联连接构成H桥逆变电路组合，H桥逆变电路组合通过电流可逆斩波电路与缓冲电感L、缓冲电阻R和蓄电池串联。本具体实施方式中，H桥逆变电路1和H桥逆变电路2均由四只绝缘栅双极型晶体管构成。能量回馈耦合单元通过H桥逆变电路1与电动机M1功率单元中的H桥逆变电路级联连接，通过H桥逆变电路2与电动机M2功率单元中的H桥逆变电路级联连接。

电流可逆斩波电路由绝缘栅双极型晶体管V₁、V₂和续流二极管VD₁、VD₂组成，其中，绝缘栅双极型晶体管V₁的集电极连接续流二极管VD₂阴极；绝缘栅双极型晶体管V₂的发射极连接续流二极管VD₁阳极；绝缘栅双极型晶体管V₁发射极、续流二极管VD₂阳极、绝缘栅双极型晶体管V₂集电极和续流二极管VD₁阴极相连。该电流可逆斩波电路中，绝缘栅双极型晶体管V₁和续流二极管VD₁构成降压斩波电路，绝缘栅双极型晶体管V₂和续流二极管VD₂构成升压斩波电路。当电路作降压斩波运行时，绝缘栅双极型晶体管V₂和续流二极管VD₂总处于断态；当电路作升压斩波运行时，绝缘栅双极型晶体管V₁和续流二极管VD₁总处于断态，且绝缘栅双极型晶体管V₁和绝缘栅双极型晶体管V₂不能同时导通。

设定能量回馈耦合单元的中间直压电容C_P额定电压为U₀，直压偏差为±ΔU₀，通过检测电容CP两端的实际电压值U_cp来控制绝缘栅双极型晶体管V1、 V₂的导通和关断，使得电流可逆斩波电路在降压斩波和升压斩波两种运行模式间交替切换。

图5(a)为降压斩波运行模式的控制原理图；当电动机M1工作在制动状态时，通过控制功率单元A1、A2、…、An逆变电路和H桥逆变电路1中相应绝缘栅双极型晶体管的导通和关断，使回馈电流不流入功率单元A1、A2、…、An的中间直压电容C，而是通过H桥逆变电路1流入能量回馈耦合单元的中间直压电容C_P。保持绝缘栅双极型晶体管V₂关断，采用PWM方式控制绝缘栅双极型晶体管V₁的导通和关断，使电流可逆斩波电路工作在降压斩波运行模式，从而实现电机再生制动产生的能量回馈到蓄电池。

以电动机回馈电流处于交流正半周期为例来具体说明降压斩波运行模式的控制过程：通过控制功率单元A1的逆变电路中绝缘栅双极型晶体管S₄导通以及绝缘栅双极型晶体管S₁、S₂、S₃关断，使电动机M1回馈能量通过a1→S₄→S₂→b1→m1→S₇→C_P路径储存到能量回馈耦合单元中间直压电容CP上，从而使得中间直压电容CP两端电压值U_cp逐渐升高。当U_cp大于U₀+ΔU₀时，控制绝缘栅双极型晶体管V₂保持关断，采用PWM方式控制绝缘栅双极型晶体管V₁，使电流可逆斩波电路工作在降压斩波运行模式，当绝缘栅双极型晶体管V₁导通时，中间直压电容C_P会将储存的电动机回馈能量通过绝缘栅双极型晶体管V₁、缓冲电感L、缓冲电阻R储存到蓄电池中；当绝缘栅双极型晶体管V₁关断时，缓冲电感L中积蓄的能量会通过续流二极管VD₁继续向蓄电池充电，最终实现电动机M1再生制动全部能量回馈到蓄电池。

图5(b)为升压斩波运行模式的控制原理图；当电动机M2工作在电动状态时，通过控制功率单元A1*、A2*、…、An*逆变电路和H桥逆变电路2中相应绝缘栅双极型晶体管的导通和关断，使中间直压电容C_P储能释放至电动机M2。控制绝缘栅双极型晶体管V₁保持关断，采用PWM方式控制绝缘栅双极型晶体管V₂的导通和关断，使电流可逆斩波电路工作在升压斩波运行模式，蓄电池释放储能驱动电动机M2运行。

升压斩波运行模式的具体控制过程为：由于中间直压电容C_P释放储能供电动机M2运行，从而导致中间直压电容CP两端电压U_cp逐渐降低。当U_cp小于U₀-ΔU₀时，控制绝缘栅双极型晶体管V₁保持关断，采用PWM方式控制绝缘 栅双极型晶体管V₂，使电流可逆斩波电路工作在升压斩波运行模式。蓄电池通过R→L→V₂路径向缓冲电感L充电，缓冲电感L积蓄能量。待绝缘栅双极型晶体管V₂关断后，缓冲电感L积蓄的能量和蓄电池电动势E共同作用使VD₂导通，此时蓄电池通过续流二极管VD₂给中间直压电容C_P反送能量，再通过能量回馈耦合单元的H桥逆变电路2向电动机M2输送能量，从而实现释放蓄电池储能驱动电动机M2运行。

以上对本发明所提供的一种无需有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统进行了详细的介绍，本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统，其特征在于：

在第一级联多电平逆变器和第二级联多电平逆变器的A相功率单元间级联能量回馈耦合单元；所述的能量回馈耦合单元包括第一逆变电路、第二逆变电路、中间直压电容、电流可逆斩波电路、缓冲电感、缓冲电阻和蓄电池，电流可逆斩波电路进一步包括降压斩波电路和升压斩波电路，根据中间直压电容两端电压大小选择运行降压斩波模式或升压斩波模式；

第一逆变电路和第二逆变电路共中间直压电容并联连接构成逆变电路组合，逆变电路组合通过电流可逆斩波电路与缓冲电感、缓冲电阻和蓄电池串联；能量回馈耦合单元通过第一逆变电路与第一级联多电平逆变器A相功率单元中的逆变电路级联连接，能量回馈耦合单元通过第二逆变电路与第二级联多电平逆变器A相功率单元中的逆变电路级联连接。

2.如权利要求1所述的无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统，其特征在于：

所述的第一逆变电路和第二逆变电路均为H桥逆变电路。

3.如权利要求1所述的无有源前端的两电机驱动级联多电平逆变系统，其特征在于：

所述的电流可逆斩波电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管和第二续流二极管，其中，第一绝缘栅双极型晶体管集电极连接第二续流二极管阴极，第二绝缘栅双极型晶体管发射极连接第一续流二极管阳极，第一绝缘栅双极型晶体管发射极、第二续流二极管阳极、第二绝缘栅双极型晶体管集电极和第一续流二极管阴极相连。