CN104218820A - 四象限变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四象限变频器，四象限变频器在电机电动时，电网三相交流电流经电抗器单元，控制电路控制整流单元将交流电转化成直流电，再流经直流滤波单元后到达逆变单元，控制电路控制逆变单元将直流电转化为驱动电机工作的三相交流电；在电机发电时，电机产生三相交流电流向逆变单元，控制电路控制逆变单元将交流电转化为直流电，回馈至直流滤波单元，控制电路根据检测电路的检测结果输出脉宽调制波控制整流单元将回馈的直流电流经电抗器单元回馈到电网。本发明电机作四象限运行，回馈至直流侧的电流经整流测的开关管回馈至电网，回馈电流对电网无谐波污染，同时有效减小电抗器的电感量和体积，节约成本，具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电梯变频器技术领域，特别是涉及一种四象限变频器。
背景技术
目前电梯变频器应用最多的方案是无能量回馈单元的变频器，该变频器的主电路拓扑图如图1所示。在应用这类变频器的变频调速电气传动系统中，对于位能型负载、大转动惯量负载和快速制动类负载，电机难免在制动过程中处于再生发电状态，此时系统的机械能经电机转化为电能，IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)自带的6个续流二极管利用主管断开时电机漏感产生的泵升作用将电机的再生电能回馈到直流回路中。制动单元和制动电阻的工作原理是通过检测变频器的直流侧电压来实现，当直流侧电压超过某一个设定数值时，打开制动单元的开关将大功率制动电阻连接到直流侧，释放储存在变频器内滤波电容上的电能，此时电阻将电能变成热能。
这种制动方式的缺点是：(1)浪费能量，降低系统效率；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，制动响应慢，制动转矩不足。
为了克服能耗制动的缺点，为了达到回馈制动的目的，回收利用电机再生发电时的电能同时又尽量减少改造的成本，变频器能量回馈技术应运而生。能量回馈技术是指变频调速系统将电机处于再生发电状态时产生的再生电能传输到电网上，通常做法是使用能量回馈单元取代原先并联在直流侧电容两端的制动单元和制动电阻，主电路的拓扑如图2所示，在原来的变频器的基础上增加一组逆变单元。能量回馈单元首先通过变频器内置的直流电压观测和电流运算电路实时检测变频器直流环节电压，判断电机是否进入发电状态，当电机进入发电状态导致变频器直流环节电压升高到一定值时，再通过交流电压观测和同步发生电路控制由六个IGBT组成的有源逆变模块把变频器直流环节的电能变换成一个和电网电源相接近的交流正弦波，把电能反馈回电网再生利用。
上述技术存在以下缺点：(1)通用变频器本身不能实现能量的双向传递，电机不能作四象限运行，电机再生发电的电能传输到直流侧必定会产生泵升电压，过高的泵升电压有可能损坏耐压较低的全控型器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘；(2)电网电压的波动会导致中问直流环节电压不稳定，影响能量回馈单元的正常工作；(3)回馈电流对电网有谐波污染。
发明内容
基于上述情况，本发明提出了一种四象限变频器，电机作四象限运行，回馈至直流侧的电流经整流测的开关管回馈至电网，回馈电流对电网无谐波污染，同时有效减小电抗器的感量和体积，节约成本，具有很高的应用价值。
为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：
一种四象限变频器，所述四象限变频器包括主电路、控制电路、检测电路；
所述主电路包括依次连接的电抗器单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元；所述电抗器单元包括三个分别与电网的三相电源线连接的电抗；所述整流单元包括三路并联设置的整流支路，每一整流支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一整流支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路整流支路经导线分别与所述电抗器单元的三个电抗连接；所述直流滤波单元包括电容；所述逆变单元包括三路并联设置的逆变支路，每一逆变支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一逆变支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路逆变支路经导线分别与电机的三相电源线连接；所述电容一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的另一个二极管负极和所述逆变单元的三路逆变支路中的另一个二极管负极连接；
所述四象限变频器在电机电动时，电网的三相交流电通过所述电抗器单元的三个电抗流向所述整流单元，所述控制电路控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管关闭，电网的三相交流电通过所述整流单元的三路整流支路中与开关管反并联的二极管转化成直流电，所述直流电流经所述直流滤波单元后到达所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将所述直流电转化为驱动电机工作的三相交流电；
所述四象限变频器在电机发电时，电机产生的三相交流电流向所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将电机产生的三相交流电转化为直流电，回馈至所述直流滤波单元，所述检测电路检测所述直流滤波单元电压、电网三相电源线各相电压和所述整流单元电流，当所述直流滤波单元电压达到设定值时，所述控制电路根据检测电路的检测结果输出脉宽调制波控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管将回馈至所述直流滤波单元的直流电流经所述电抗器单元回馈到电网。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明四象限变频器，控制电路控制整流单元、逆变单元中开关管的开通和关闭实现整流和逆变，在电机发电时，控制电路输出脉宽调制波将回馈至直流侧的电流经整流测的开关管回馈至电网，回馈电流对电网无谐波污染，利于实现四象限变频器在电梯中的应用；主电路结构有效减小电抗器的感量和体积，节约成本，具有很高的应用价值。
附图说明
图1为现有无能量回馈单元的变频器主电路拓扑图；
图2为现有具有能量回馈单元的变频器主电路拓扑图；
图3为一个实施例中四象限变频器的主电路拓扑图；
图4为基于图3所示变频器一个具体示例中四象限变频器的主电路拓扑图；
图5为图4所示四象限变频器在电机电动时流经电抗器单元的电流波形图；
图6为图4所示四象限变频器在电机发电时回馈至电抗器单元的电流波形图；
附图标记说明：1电抗、2开关管、3二极管、4电容。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
一个实施例中四象限变频器，其特征在于，所述四象限变频器包括主电路、控制电路、检测电路；
如图3所示，所述主电路包括依次连接的电抗器单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元；所述电抗器单元包括三个分别与电网的三相电源线连接的电抗；所述整流单元包括三路并联设置的整流支路，每一整流支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一整流支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路整流支路经导线分别与所述电抗器单元的三个电抗连接；所述直流滤波单元包括电容；所述逆变单元包括三路并联设置的逆变支路，每一逆变支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一逆变支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路逆变支路经导线分别与电机的三相电源线连接；所述电容一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的另一个二极管负极和所述逆变单元的三路逆变支路中的另一个二极管负极连接；
所述四象限变频器在电机电动时，电网的三相交流电通过所述电抗器单元的三个电抗流向所述整流单元，所述控制电路控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管关闭，电网的三相交流电通过所述整流单元的三路整流支路中与开关管反并联的二极管转化成直流电，所述直流电流经所述直流滤波单元后到达所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将所述直流电转化为驱动电机工作的三相交流电；
所述四象限变频器在电机发电时，电机产生的三相交流电流向所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将电机产生的三相交流电转化为直流电，回馈至所述直流滤波单元，所述检测电路检测所述直流滤波单元电压、电网三相电源线各相电压和所述整流单元电流，当所述直流滤波单元电压达到设定值时，所述控制电路根据检测电路的检测结果输出脉宽调制波控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管将回馈至所述直流滤波单元的直流电流经所述电抗器单元回馈到电网。
从以上描述可知，本发明四象限变频器，电机作四象限运行，回馈至直流侧的电流经整流测的开关管回馈至电网，回馈电流对电网无谐波污染，节约成本，同时有效减小电抗器的感量和体积，具有很高的实际应用价值。
作为一个实施例，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管或场效应晶体管，性能稳定，损耗低，适合实际应用。
作为一个实施例，所述控制电路包括DSP(digital signal processing，数字信号处理)处理器或微控制器MCU(Micro Control Unit，微控制单元)，性能高、功耗低，满足实际需求。
作为一个实施例，所述检测电路包括电压传感器或采样电路，根据需要获取参数，应用价值高。
作为一个实施例，所述直流滤波单元还包括电感，所述电感一端与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述电容的一端和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，保证四象限变频正常工作，适合应用。
作为一个实施例，所述直流滤波单元还包括开关，所述开关与所述电感并联，当开关两侧电压大于设定电压值时，开关闭合；当开关两侧电压小于设定电压值时，开关断开，电感对电流进行缓冲，保护变频器中各个组成器件的用电安全。
作为一个实施例，所述直流滤波单元还包括电阻，所述电阻与所述电感串联，电容、电感、电阻协同工作，保证四象限变频器的正常工作。
作为一个实施例，所述直流滤波单元还包括电阻，所述电阻一端与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述电容的一端和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，增加了变频器的安全性，符合实际应用。
作为一个实施例，所述电抗为一个或多个独立磁芯的电抗，耐热等级高，散热性能好，适合使用。
作为一个实施例，所述电抗为一个或多个三相共绕磁芯的电抗，稳定性好、性能高，符合应用要求。
为了更好地理解上述四象限变频器，以下详细阐述一个本发明四象限变频器的应用实例：
一种四象限变频器，包括主电路、控制电路、检测电路；
如图4所示，上述主电路包括依次连接的电抗器单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元；该电抗器单元包括三个分别与电网的三相电源线连接的电抗LA，LB，LC；该整流单元包括三路并联设置的整流支路，每一整流支路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，每一个绝缘栅双极型晶体管反并联有二极管，每一整流支路中两个绝缘栅双极型晶体管间的连接节点连接有导线，三路整流支路经导线分别与电抗器单元的三个电抗LA，LB，LC连接，整流单元的六个绝缘栅双极型晶体管为Q1～Q6；上述直流滤波单元包括电容C、电感L、开关S；上述逆变单元包括三路并联设置的逆变支路，每一逆变支路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，每一个绝缘栅双极型晶体管反并联有二极管，每一逆变支路中两个绝缘栅双极型晶体管间的连接节点连接有导线，三路逆变支路经导线分别与电机的三相电源线连接，逆变单元的六个绝缘栅双极型晶体管为Q7～Q12；上述电容C一端分别与电感L和逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，另一端分别与整流单元的三路整流支路中的二极管负极和逆变单元的三路逆变支路中的另一个二极管负极连接；上述电感L与开关S并联，电感L一端与整流单元的三路整流支路中的二极管正极连接，另一端分别与上述电容C和逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，当开关S两侧电压大于设定电压值时，开关S闭合，当开关S两侧电压小于设定电压值时，开关S断开，电感L对电流进行缓冲，保护变频器中各个组成器件的用电安全；
上述控制电路包括控制整流单元和逆变单元中绝缘栅双极型晶体管开通和关闭的DSP处理器；
上述检测电路包括检测电网三相电源线各相电压、直流滤波单元电压和整流单元电流的电压传感器；
上述四象限变频器在电机电动时，如图5所示，电网的三相交流电通过电抗器单元的三个电抗LA，LB，LC的电流波形，上述控制电路的DSP处理器控制整流单元的三路整流支路中的绝缘栅双极型晶体管Q1～Q6关闭，电网的三相交流电通过整流单元的三路整流支路中与绝缘栅双极型晶体管反并联的二极管转化成直流电，该直流电流经直流滤波单元后到达逆变单元，控制电路的DSP处理器输出6路脉宽调制波控制逆变单元的三路逆变支路中的绝缘栅双极型晶体管Q7～Q12开通和关闭，将该直流电转化为驱动电机工作的三相交流电；
上述四象限变频器在电机发电时，电机产生的三相交流电流向逆变单元，控制电路的DSP处理器输出6路脉宽调制波控制逆变单元的三路逆变支路中的绝缘栅双极型晶体管Q7～Q12开通和关闭，将电机产生的三相交流电转化为直流电，回馈至直流滤波单元，检测电路的电压传感器检测直流滤波单元电压、电网三相电源线各相电压和整流单元电流，当直流滤波单元电压达到设定值时，控制电路的DSP处理器根据检测电路的检测结果输出脉宽调制波控制整流单元的三路整流支路中的绝缘栅双极型晶体管Q1～Q6将回馈至直流滤波单元的直流电流经电抗器单元回馈到电网，如图6所示，电能回馈时流经电抗器单元三个电抗LA，LB，LC的电流波形。
上述四象限变频器控制电路控制整流单元、逆变单元中绝缘栅双极型晶体管的开通和关闭实现整流和逆变，在电机发电时，控制电路输出脉宽调制波将回馈至直流侧的电流经整流测的绝缘栅双极型晶体管回馈至电网，回馈电流对电网无谐波污染；主电路结构有效减小电抗器的感量和体积，节约成本，符合实际应用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种四象限变频器，其特征在于，所述四象限变频器包括主电路、控制电路、检测电路；
所述主电路包括依次连接的电抗器单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元；所述电抗器单元包括三个分别与电网的三相电源线连接的电抗；所述整流单元包括三路并联设置的整流支路，每一整流支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一整流支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路整流支路经导线分别与所述电抗器单元的三个电抗连接；所述直流滤波单元包括电容；所述逆变单元包括三路并联设置的逆变支路，每一逆变支路包括两个串联的开关管，每一个开关管反并联有二极管，每一逆变支路中两个开关管间的连接节点连接有导线，三路逆变支路经导线分别与电机的三相电源线连接；所述电容一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述整流单元的三路整流支路中的另一个二极管负极和所述逆变单元的三路逆变支路中的另一个二极管负极连接；
所述四象限变频器在电机电动时，电网的三相交流电通过所述电抗器单元的三个电抗流向所述整流单元，所述控制电路控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管关闭，电网的三相交流电通过所述整流单元的三路整流支路中与开关管反并联的二极管转化成直流电，所述直流电流经所述直流滤波单元后到达所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将所述直流电转化为驱动电机工作的三相交流电；
所述四象限变频器在电机发电时，电机产生的三相交流电流向所述逆变单元，所述控制电路输出6路脉宽调制波控制所述逆变单元的三路逆变支路中的开关管开通和关闭，将电机产生的三相交流电转化为直流电，回馈至所述直流滤波单元，所述检测电路检测所述直流滤波单元电压、电网三相电源线各相电压和所述整流单元电流，当所述直流滤波单元电压达到设定值时，所述控制电路根据检测电路的检测结果输出脉宽调制波控制所述整流单元的三路整流支路中的开关管将回馈至所述直流滤波单元的直流电流经所述电抗器单元回馈到电网。
2.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管或场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述控制电路包括DSP处理器或微控制器MCU。
4.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述检测电路包括电压传感器或采样电路。
5.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述直流滤波单元还包括电感，所述电感一端与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述电容的一端和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接。
6.根据权利要求5所述的四象限变频器，其特征在于，所述直流滤波单元还包括开关，所述开关与所述电感并联。
7.根据权利要求5或6所述的四象限变频器，其特征在于，所述直流滤波单元还包括电阻，所述电阻与所述电感串联。
8.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述直流滤波单元还包括电阻，所述电阻一端与所述整流单元的三路整流支路中的二极管正极连接，另一端分别与所述电容的一端和所述逆变单元的三路逆变支路中的二极管正极连接。
9.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述电抗为一个或多个独立磁芯的电抗。
10.根据权利要求1所述的四象限变频器，其特征在于，所述电抗为一个或多个三相共绕磁芯的电抗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141217 |