CN104767419A - 一种智能整流回馈设备及其启动控制方法 - Google Patents

一种智能整流回馈设备及其启动控制方法 Download PDF

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Abstract

一种智能整流回馈设备及其启动控制方法，设备包括母线电容、软启动开关、软启动电阻、控制器、驱动板和分别配置二极管的可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F，可开关半导体器件与对应的二极管反向续流连接，开关半导体器件A、B、C、D、E、F构成三相整流桥，驱动板分别与开关半导体器件A、B、C、D、E、F驱动连接；软启开关与软启电阻串联并连接在与三相整流桥三相交流电网之间；控制器与驱动板、软启开关、并网开关控制连接，其采样端连接三相整流桥输出端；方法包括启动控制和正常工作状态控制。本发明整流回馈设备结构简单、控制方法启动逻辑、控制步骤简单，降低了系统硬件成本，并大大提高了控制的有效性和安全性。

Description

一种智能整流回馈设备及其启动控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能整流回馈设备，还涉及对该设备的启动控制方法。
背景技术
变频器在驱动位能性负荷、或需要快速制动的场合、或需要正反转快速切换等场合时，电机轴上的机械能转化为电能，通过变频器的逆变回路回馈到直流母线，使变频器的直流母线电压快速上升。如果不将回馈能量快速消耗掉，则可能引起直流母线过压等故障。
为了抑制直流母线回路电压升高，一般有两种措施，一种方式是通过在变频器母线回路中设置制动回路，把回馈的能量消耗到制动回路的制动电阻上，转化为热能消耗。另外一种方式是，通过在变频器中配置能量回馈电路，把直流回路的能量回馈到交流电网，实现节能的目的。
目前，整流回馈电路主要有两种方式。一种方式是采用PWM整流器，实现变频器的四象限运行，如图1所示。该种方式能很好地实现能量的回馈，但是系统的控制驱动复杂，前端还需要配置较大容量的三相滤波器，成本高，一般只应用于高端应用场合。另外一种方式是二极管整流的变频器配置单独的PWM回馈装置，如图2所示。该种方式通过变频器本身的二极管实现整流，通过外置的PWM回馈装置进行能量回馈，能量回馈装置的容量可以根据实际回馈能量的大小合理配置，但是系统的控制驱动也非常复杂，前端还需要配置较大容量的三相电抗器，成本也比较高，一般只应用于小容量变频器或者高端行业等应用场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是，提供一种智能整流回馈设备，克服抑制直流母线回路电压升高的现有整流回馈电路存在的控制复杂、要求前端配置设备成本高的缺点。
本发明要解决的技术问题之二是，提供一种智能整流回馈设备启动控制方法，实现对本发明的智能整流回馈设备的控制。
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种智能整流回馈设备，其特征在于，包括母线电容、软启动开关、软启动电阻、控制器、驱动板和分别配置二极管的可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F；
每个所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管的连接关系为：二极管的正极连接可控型开关半导体器件的电流输出端，二极管的负极连接可控型开关半导体器件的电流输入端；其中，可控型开关半导体器件A、B、C为上管，可控型开关半导体器件D、E、F为下管；上管A的电流输出端与下管D的电流输入端连接，上管B的电流输出端与下管E的电流输入端连接，上管C的电流输出端与下管F的电流输入端连接，所述上管的电流输入端分别连接所述母线电容的正极，所述下管的电流输出端分别连接所述母线电容的负极；所述上、下管相连接端通过三相电抗器连接三相交流电网；
所述驱动板的驱动端分别连接可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F的驱动控制端；
所述软启动开关与所述软启动电阻串联后，连接在所述上、下管相连接端与三相交流电网之间，或连接在三相电抗器与三相交流电网之间；
所述控制器控制端分别连接所述驱动板控制端、所述软启动开关控制端和连接在三相交流电网和三相电抗器之间的并网开关控制端，所述控制器采样端分别连接所述上、下管相连接端。
在本发明的智能整流回馈设备中，所述可控型开关半导体器件为IGBT、SCR、IGCT、IEGT或MOSFET。
在本发明的智能整流回馈设备中，所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管为自带反向续流二极管的IGBT。
在本发明的智能整流回馈设备中，包括陷波器，该陷波器包括采用星形接法连接的三相串联的电容与电感，该陷波器的三相对应连接所述上、下管相连接端。
本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，该智能整流回馈设备包括母线电容、软启动开关、软启动电阻、控制器、驱动板和分别配置二极管的可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F；
每个所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管的连接关系为：二极管的正极连接可控型开关半导体器件的电流输出端，二极管的负极连接可控型开关半导体器件的电流输入端；其中，可控型开关半导体器件A、B、C为上管，可控型开关半导体器件D、E、F为下管；上管A的电流输出端与下管D的电流输入端连接，上管B的电流输出端与下管E的电流输入端连接，上管C的电流输出端与下管F的电流输入端连接，所述上管的电流输入端分别连接所述母线电容的正极，所述下管的电流输出端分别连接所述母线电容的负极；所述上、下管相连接端通过三相电抗器连接三相交流电网；
所述驱动板的驱动端分别连接可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F的驱动控制端；
所述软启动开关与所述软启动电阻串联后，连接在所述上、下管相连接端与三相交流电网之间，或连接在三相电抗器与三相交流电网之间；
所述控制器控制端分别连接所述驱动板控制端、所述软启动开关控制端和连接在三相交流电网和三相电抗器之间的并网开关控制端，所述控制器采样端分别连接所述上、下管相连接端；
所述方法包括启动控制和正常工作状态控制；
启动控制包括：所述控制器发出命令闭合软起动开关，三相交流电网开始通过所述二极管给母线电容充电；母线电容达到设定目标点后，控制器发出命令闭合并网开关，断开软起动开关，实现系统的软起动；
正常工作状态控制包括：所述可控型开关半导体器件上管A导通的条件为A相相电压UA大于B相相电压UB，同时大于C相相电压UC；下管D导通的条件为A相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于C相相电压UC；上管B导通的条件为B相相电压UB大于A相相电压UA，同时大于C相相电压UC；下管E导通的条件为B相相电压UB小于A相相电压UA，同时小于C相相电压UC；上管C导通的条件为C相相电压UC大于B相相电压UB，同时大于A相相电压UA；下管F导通的条件为C相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于A相相电压UA。
在本发明的智能整流回馈设备启动控制方法中，在正常工作状态控制中，所述可控型开关半导体器件可以通过电压触发，也可通过锁相角触发。
在本发明的智能整流回馈设备启动控制方法中，所述可控型开关半导体器件为IGBT、SCR、IGCT、IEGT或MOSFET。
在本发明的智能整流回馈设备启动控制方法中，所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管为自带反向续流二极管的IGBT。
在本发明的智能整流回馈设备启动控制方法中，包括陷波器，该陷波器包括采用星形接法连接的三相串联的电容与电感，该陷波器的三相对应连接所述上、下管相连接端。
实施本发明的智能整流回馈设备及其启动控制方法，与现有技术比较，其有益效果是：
1.本发明的智能整流回馈设备结构简单，与本发明智能整流回馈设备配合的三相电抗器量级小，价格低，降低了系统的硬件成本；
2.本发明的智能整流回馈设备启动控制方法启动逻辑、控制方法简单，大大提高了控制的有效性和安全性。
附图说明
图1是现有采用PMW整流器的整流回馈电路图。
图2是现有采用二极管整流变频器配置单独PWM回馈装置的电路图。
图3是本发明智能整流回馈设备实施例一的电路图。
图4是本发明智能整流回馈设备启动控制方法采用电压触发的示意图。
图5是本发明智能整流回馈设备启动控制方法的启动和工作逻辑。
图6是本发明智能整流回馈设备启动控制方法采用锁相角触发的示意图。
图7是采用本发明的智能整流回馈设备后，电网侧的电流波形图。
图8是是本发明智能整流回馈设备实施例二的电路图。
图9是未加入本发明智能整流回馈设备的网侧电流波形。
图10是本发明智能整流回馈设备实施例二的网侧电流波形。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明的智能整流回馈设备40包括母线电容C1、软启动开关S4、软启动电阻R1-R3、控制器U1、驱动板D1和自带反向续流二极管的IGBT：S5、S6、S7、S8、S9、S10。
其中，将S5、S7、S9作为上管，将S6、S8、S10作为下管；上管S5的发射极与下管S6的集电极连接，上管S7的发射极与下管S8的集电极连接，上管S9的发射极与下管S10的集电极连接。上管S5、S7、S9的集电极分别连接母线电容C1的正极，下管S6、S8、S10的发射极分别连接母线电容C1的负极；上、下管S5-S6、S7-S8、S9-S10的相连接端通过三相电抗器30(L1)连接三相交流电网10。其中，上管S5、下管S6对应于A相，上管S7、下管S8对应于B相，上管S9、下管S10对应于C相。
驱动板D1的驱动端分别连接IGBT：S5、S6、S7、S8、S9、S10的基极。
软启动开关S4与软启动电阻R1-R3串联后，连接在上、下管S5-S6、S7-S8、S9-S10的相连接端与三相交流电网10之间。在其他实施例中，软启动开关S4与软启动电阻R1-R3串联后，也可连接在三相电抗器30与三相交流电网10之间。
控制器U1的控制端分别连接驱动板D1的控制端、软启动开关S4的控制端和连接在三相交流电网10和三相电抗器30(L1)之间的并网开关20(S1)的控制端，控制器U1的采样端分别连接上、下管S5-S6、S7-S8、S9-S10的相相连接端，进行电压数据采样。
在其他实施例中，自带反向续流二极管的IGBT：S5、S6、S7、S8、S9、S10可以采用独立的IGBT加上独立的二极管组合来替代，IGBT与其对应的二极管的连接关系是：二极管的正极连接IGBT的发射极，二极管的负极连接IGBT的集电极。
上述IGBT也可以采用SCR(Silicon Controlled Rectifier可控硅)，IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors集成门极换流晶闸管)，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属-氧化物半导体场效应晶体管)，IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强门极晶体管)等可控型开关半导体器件来代替。采用上述可控型开关半导体器件时，其连接关系参照上述IGBT的连接关系，其驱动控制端相当与IGBT的基极，其电流输入端相对于IGBT的集电极，其电流输出端相对于IGBT的发射极。
如同8所示，对于用于对入网侧电流谐波要求比较高的场合，在另一个实施例中，本发明的智能整流回馈设备50在上述实施例的基础上增加了陷波器51，该陷波器51包括采用电容(C2-C4)与电感(L2-L4)两两串联(即C2-L2串联、C3-L3串联、C3-L3串联)后，再采用星形接法连接而成，该陷波器51的三相对应连接上、下管S5-S6、S7-S8、S9-S10的相连接端。陷波器的谐振频率一般为网侧需要消除的谐波电流的频率。加入陷波器的整流回馈设备的启动和工作逻辑没有任何差异。
如图4、图5所示，本发明的智能整流回馈设备启动控制方法对上述本发明的智能整流回馈设备进行控制。
该控制方法包括启动控制和正常工作状态控制。其中，
启动控制包括：控制器U1发出命令闭合软起动开关S4，三相交流电网10开始通过IGBT自带的反向续流二极管(或与独立IGBT配合的独立二极管)给母线电容C1充电。母线电容C1达到设定目标点后，控制器U1发出命令闭合并网开关20(S1)，断开软起动开关S4，实现系统的软起动。
正常工作状态控制包括：IGBT S5导通的条件为A相相电压UA大于B相相电压UB，同时大于C相相电压UC；IGBT S6导通的条件A相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于C相相电压UC；IGBT S7导通的条件为B相相电压UB大于A相相电压UA，同时大于C相相电压UC；IGBT S8导通的条件B相相电压UB小于A相相电压UA，同时小于C相相电压UC；IGBT S9导通的条件为C相相电压UC大于B相相电压UB，同时大于A相相电压UA；IGBT S10导通的条件C相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于A相相电压UA。
如图4所示，在智能整流回馈设备的正常工作状态控制中，IGBT：S5、S6、S7、S8、S9、S10通过电压进行触发。如图6所示，IGBT：S5、S6、S7、S8、S9、S10也可通过锁相角进行触发。
图7所示是采用本发明的智能整流回馈设备后，电网侧的电流波形图，由电流波形图可知，当电网进线电压大于母线电压时，IGBT S5、S6、S、S8、S9、S10的反向续流二极管导通，电网能量通过二极管给母线电容C1充电，实现整流。当电网进线电压小于母线电压时，IGBT S5、S6、S7、S8、S9、S10导通，母线能量通过IGBT向电网回馈，实现回馈。
如图9所示为未加入陷波器的智能整流回馈单元网侧电流波形。如图10所示为加入5次谐波陷波器的整流回馈设备电网侧电流波形。比较图9、图10的电流波形可知，陷波器降低了输入电流的THDI(电流总谐波失真)，满足对THDI要求严苛的场合。

Claims (9)

1.一种智能整流回馈设备，其特征在于，包括母线电容、软启动开关、软启动电阻、控制器、驱动板和分别配置二极管的可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F；
每个所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管的连接关系为：二极管的正极连接可控型开关半导体器件的电流输出端，二极管的负极连接可控型开关半导体器件的电流输入端；其中，可控型开关半导体器件A、B、C为上管，可控型开关半导体器件D、E、F为下管；上管A的电流输出端与下管D的电流输入端连接，上管B的电流输出端与下管E的电流输入端连接，上管C的电流输出端与下管F的电流输入端连接，所述上管的电流输入端分别连接所述母线电容的正极，所述下管的电流输出端分别连接所述母线电容的负极；所述上、下管相连接端通过三相电抗器连接三相交流电网；
所述驱动板的驱动端分别连接可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F的驱动控制端；
所述软启动开关与所述软启动电阻串联后，连接在所述上、下管相连接端与三相交流电网之间，或连接在三相电抗器与三相交流电网之间；
所述控制器控制端分别连接所述驱动板控制端、所述软启动开关控制端和连接在三相交流电网和三相电抗器之间的并网开关控制端，所述控制器采样端分别连接所述上、下管相连接端。
2.如权利要求1所述的智能整流回馈设备，其特征在于，所述可控型开关半导体器件为IGBT、SCR、IGCT、IEGT或MOSFET。
3.如权利要求1所述的智能整流回馈设备；其特征在于，所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管为自带反向续流二极管的IGBT。
4.如权利要求1至3之一所述的智能整流回馈设备，其特征在于，包括陷波器，该陷波器包括采用星形接法连接的三相串联的电容与电感，该陷波器的三相对应连接所述上、下管相连接端。
5.一种智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，该智能整流回馈设备包括母线电容、软启动开关、软启动电阻、控制器、驱动板和分别配置二极管的可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F；
每个所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管的连接关系为：二极管的正极连接可控型开关半导体器件的电流输出端，二极管的负极连接可控型开关半导体器件的电流输入端；其中，可控型开关半导体器件A、B、C为上管，可控型开关半导体器件D、E、F为下管；上管A的电流输出端与下管D的电流输入端连接，上管B的电流输出端与下管E的电流输入端连接，上管C的电流输出端与下管F的电流输入端连接，所述上管的电流输入端分别连接所述母线电容的正极，所述下管的电流输出端分别连接所述母线电容的负极；所述上、下管相连接端通过三相电抗器连接三相交流电网；
所述驱动板的驱动端分别连接可控型开关半导体器件A、B、C、D、E、F的驱动控制端；
所述软启动开关与所述软启动电阻串联后，连接在所述上、下管相连接端与三相交流电网之间，或连接在三相电抗器与三相交流电网之间；
所述控制器控制端分别连接所述驱动板控制端、所述软启动开关控制端和连接在三相交流电网和三相电抗器之间的并网开关控制端，所述控制器采样端分别连接所述上、下管相连接端；
所述方法包括启动控制和正常工作状态控制；
启动控制包括：所述控制器发出命令闭合软起动开关，三相交流电网开始通过所述二极管给母线电容充电；母线电容达到设定目标点后，控制器发出命令闭合并网开关，断开软起动开关，实现系统的软起动；
正常工作状态控制包括：所述可控型开关半导体器件上管A导通的条件为A相相电压UA大于B相相电压UB，同时大于C相相电压UC；下管D导通的条件为A相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于C相相电压UC；上管B导通的条件为B相相电压UB大于A相相电压UA，同时大于C相相电压UC；下管E导通的条件为B相相电压UB小于A相相电压UA，同时小于C相相电压UC；上管C导通的条件为C相相电压UC大于B相相电压UB，同时大于A相相电压UA；下管F导通的条件为C相相电压UA小于B相相电压UB，同时小于A相相电压UA。
6.如权利要求5所述的智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，在正常工作状态控制中，所述可控型开关半导体器件可以通过电压触发，也可通过锁相角触发。
7.如权利要求5所述的智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，所述可控型开关半导体器件为IGBT、SCR、IGCT、IEGT或MOSFET。
8.如权利要求5所述的智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，所述可控型开关半导体器件与其对应的二极管为自带反向续流二极管的IGBT。
9.如权利要求5至8之一所述的智能整流回馈设备启动控制方法，其特征在于，包括陷波器，该陷波器包括采用星形接法连接的三相串联的电容与电感，该陷波器的三相对应连接所述上、下管相连接端。
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