CN105991040A - 变频器功率单元及变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了变频器功率单元及变频器。该变频器功率单元包括：整流器，用于将第一频率的交流电压整流成直流电压；逆变器，用于逆变所述直流电压用于产生第二频率的交流电压；连接在整流器和逆变器之间的储能电路，该储能电路包括储能器和用于在第一状态下向储能器充电且在第二状态下从储能器放电的充放电模块。本发明实施例使得电网断电时在不依靠其它外部功能的情况下仍然能使电机继续工作一段时间，提高电力使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力传动领域，特别涉及变频器功率单元及变频器。
背景技术
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。高压变频器一般是连在电网的三相输入与电机之间，电机带动负载。由于负载的状况不同，例如机车的起动、致动、加速、减速时的耗能都是不同的，因此在实际运转中要根据负载的变化调节电机的转速，而电机的转速是靠高压变频器向电机输出不同频率的电压来调节的。因此，高压变频器起到在实际运转中根据负载的变化调节供给电机的电压频率的作用。
图1是现有技术的一个高压变频器6的示意图。高压变频器有多个级联的功率单元1(图1中9个)。U、V、W为电网的三相输入7，通过隔离变压器8变成多个(图1中9个)380V交流的三相电，通过每个功率单元1的前端的三个相的起平滑波形、调节相位作用的电感Lf进入每个功率单元1。多个级联的功率单元1分成3个列(图1中每列3个功率单元)。每列中的功率单元1依次首尾相连，各列中的第一个功率单元1首端连接在一起，各列中最后一个功率单元1尾端连接电机5的一相输入。这样，电机5的一相输入接收到的电压是相应列的所有功率单元1输出的电压之和。
图2是图1中每个功率单元1的详细结构图。它包括整流器11和逆变器12。整流器11将进入功率单元1的前端的三个相的第一频率的交流电压整流成直流电压。在图2中整流器11包括组成三相整流桥的6个二极管。逆变器12将整流器11输出的直流电压逆变为T1端和T2端之间的电压。在图2中逆变器12包括组成H桥的4个带有体二极管的绝缘栅双极型晶体管VT1-4。
组成H桥的4个带有体二极管的绝缘栅双极型晶体管存在四种不同的开关组合：当VT1和VT4同时导通时，T1和T2之间输出正的直流母线电压+Udc。当VT2和VT3同时导通时，T1和T2之间输出负的直流母线电压-Udc。当VT1和VT3同时导通或者VT2和VT4同时导通时，T1和T2之间输出电压为0。所以，四种不同的开关状态，输出三种不同的电平，分别为+Udc和-Udc和0。由于对于图1中的一列来说，该列中的所有功率单元1是串联给电机5的一相输入供电的。假设该列有m个串联的功率单元1，该列提供给电机5的一相的电压最大是+mUdc和-mUdc，所含电平数是2m+1(图1中，m＝3,电平数为7)。这样，就由该多电平的阶梯波电压模拟出提供给电机的第二频率的交流电压，或者说从所述级联的多个功率单元1中的逆变器12的输出的和中产生了第二频率的交流电压。第一控制器61根据实际负载情况来确定应提供给电机的交流电压的第二频率，并根据该第二频率通过向各功率单元1中的逆变器12发指示，来控制这些逆变器12中的VT1-4的导通与截止，从而控制各功率单元1输出的电平，从而得到第二频率的交流电压提供给电机。因此，通过图1的高压变频器6，就实现了根据实际负载情况灵活调节供给电机5的交流电压的第二频率，从而控制电机5的转速的目的。
但是，当电网断电时，由于变频器不再输出电压给电机5，电机5就不能工作了。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于使得电网断电时在不依靠其它外部功能的情况下仍然能使电机继续工作一段时间，提高电力使用效率。
根据本发明的一个实施例，提供了一种变频器功率单元，包括：整流器，用于将第一频率的交流电压整流成直流电压；逆变器，用于逆变所述直流电压用于产生第二频率的交流电压；连接在整流器和逆变器之间的储能电路，该储能电路包括储能器和用于在第一状态下向储能器充电且在第二状态下从储能器放电的充放电模块。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种变频器，包括：级联的多个功率单元，所述多个功率单元中的每个功率单元包括用于将第一频率的交流电压整流成直流电压的整流器、用于逆变所述直流电压从而从所述级联的多个功率单元中的输出的和中产生第二频率的交流电压的逆变器、以及连接在整流器和逆变器之间、具有储能器和用于在第一状态下向储能器充电且在第二状态下从储能器放电的充放电模块的储能电路；第一控制器，用于根据第二频率控制所述级联的多个功率单元中的逆变器，从而从所述级联的多个功率单元中的逆变器的输出的和中产生第二频率的交流电压；第二控制器，用于指示充放电模块向储能器的充放电。
由于上述变频器功率单元或变频器中具有储能器和充放电模块，充放电模块能够在第一状态下向储能器充电且在第二状态下从储能器放电的充放电模块。这样，例如当电机带动的负载较小时，充放电模块就可以在第一状态下向储能器充电，一旦电网断电时或者电机带动的负载较大、单靠电网的电较难供给充足时，充放电模块在第二状态下从储能器放电。这样，即使在电网断电时，在不依靠其它外部功能的情况下，依靠充放电模块在第二状态下从储能器放电，仍然能使电机继续工作一段时间，提高电力使用效率。
附图说明
图1是现有技术的一个高压变频器的示意图。
图2是现有技术的一个高压变频器中每个功率单元的详细结构图。
图3是根据本发明一个实施例的变频器的示意图。
图4是根据本发明另一个实施例的变频器的示意图。
图5是根据本发明一个实施例的变频器功率单元的详细结构图。
图6是图5中的第一开关元件处于关断状态、第二开关元件处于脉宽调制模式时的图5的储能电路等效电路图。
图7是图5中的第一开关元件处于脉宽调制模式、第二开关元件处于关断时的图5的储能电路等效电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图3是根据本发明一个实施例的变频器6的示意图。图5是相应的变频器中的功率单元1的详细结构图。将图3、5与图1、2对比，可以发现，根据本发明的实施例的变频器6相对于现有技术，在整流器11和逆变器12之间连接了储能电路14，该储能电路14包括储能器141和用于在第一状态下向储能器141充电且在第二状态下从储能器141放电的充放电模块142。另外，增加了第二控制器62，用于指示充放电模块142向储能器141的充放电。
储能器例如蓄电池等在电能和化学能之间进行转化的部件，但也有可能是在电能和其它能之间进行转化的部件。
第一状态是指可以存储电能的状态。在电机5带动机车的情况下，例如在机车制动时，此时负载突然降低，但由于负载降低的信号反馈回第一控制器从而使第一控制器调节提供给电机的交流电压的第二频率需要时间，因此电机转速没有立刻降低，此时大量机械能会通过电阻等转化等热能消耗掉。因此，在本发明实施例中，可以在机车制动等时把多余的电能存储起来，供机车机动或断电等使用。例如，机车减速时也可能是一种可以存储电脑的状态。
第二状态是需要释放电能的状态。例如，在断电时，可以将储能器存储的电进行放电。这样，电机在断电之后，仍然能工作一段时间。另外，在电机5带动机车的情况下，例如在机车起动时，由于负载突然增大，可能需要更多的电能。此时，可以让储能器141放一部分电，帮助机车起动。
充放电模块142的具体结构在下面结合图5进行详细说明。
第二控制器62是指示充放电模块142何时进入第一状态给储能器充电、何时进入第二状态从储能器放电的部件，例如可以通过编程的芯片实现。在图3的实施例中，可以设计成，例如当电机5带动的机车制动或减速时，人判断此时可以存储一部分能量，触发第二控制器62，然后第二控制器62向各功率单元1中的充放电模块发指示，开始向储能器充电；当人判断制动或减速过程结束后，再触发第二控制器62，第二控制器62指示充放电模块结束充电。反之，例如当断电或电机5带动的机车起动时，人判断此时需要放电，触发第二控制器62，然后第二控制器62向各功率单元1中的充放电模块发指示，开始从储能器放电；当人判断断电恢复或机车的起动过程结束后，再触发第二控制器62，第二控制器62指示充放电模块结束放电。
图4是根据本发明另一个实施例的变频器的示意图。与图3相比，图4增加了检测器63，用于检测实际负载功率(即电机5带动的负载功率)和/或第一频率的交流电压。例如，它包括在电机5的输出端设置的电压计和电流计和/或在变频器的三相输入端设置的电压计。
第二控制器62在实际负载功率低于第一阈值的情况下指示充放电模块142进入第一状态，向储能器141充电。第一阈值是判断需要向储能器141充电的负载功率阈值。例如，在电机5带动机车的情况下，例如设计第一阈值，使得当负载功率低于第一阈值时，可以认定机车制动或减速，此时就可以指示充放电模块142进入第一状态，向储能器141充电。
第二控制器62在实际负载功率高于第二阈值或将第一频率的交流电压变为0的情况下指示充放电模块142进入第二状态，从储能器141放电。第二阈值是判断需要从储能器141放电的负载功率阈值。例如，在电机5带动机车的情况下，例如设计第二阈值，使得当负载功率高于第二阈值时，可以认定机车起动或加速，此时就可以指示充放电模块142进入第二状态，从储能器141放电。另外，第二控制器62在第一频率的交流电压变为0的情况下也指示充放电模块142进入第二状态，从储能器141放电。
图4相比于图3的改进之处在于，它通过自动检测的方式判定何时需要让充放电模块142进入第一、第二状态，减少了人工监视的负担。
如图5所示，充放电模块142的一种实现结构是：所述充放电模块142包括带有第一体二极管VD1的第一开关元件V1、带有第二体二极管VD2的第二开关元件V2、连接在第一开关元件V1的一端和第二开关元件V2的一端的第一电感L1、负极分别连接第一开关元件V1的所述一端和第二开关元件V2的所述一端的第一二极管VD4和第二二极管VD3，所述储能器141连接在第一开关元件V1不与第一电感L1连接的另一端和第一二极管VD4的正极之间，所述整流器11的输出连接在第二开关元件V2不与第一电感L1连接的另一端和第二二极管VD3的正极之间。在图5中，第一开关元件V1和第二开关元件V2中的每一个包括绝缘栅双极型晶体管，但也可以包括其它开关元件。
当来自第二控制器62的控制指示指示充放电模块进入第一状态时，其指示第一开关元件V1处于关断模式，第二开关元件V2处于脉宽调制(PWM)模式，此时储能电路14的等效电路如图6所示。此时，整流器输出的直流电压高于储能器电压，该电路相当于降压电路。第二开关元件V2在PWM模式的导通期间内，整流器输出的直流电压经导通的第二开关元件V2，流经第一电感L1和导通的第一体二极管VD1，使第一电感L1电流线性上升，电能暂时存在第一电感L1中。第二开关元件V2在PWM模式的关断期间，第一电感L1电流不能突变，按原有方向通过第一电感L1、第二二极管VD3、储能器、第一体二极管VD1形成充电回路。如此循环完成一个开关周期。
在一个实施例中，该PWM模式的占空比为50％，开关频率为1kHz。
当来自第二控制器62的控制指示指示充放电模块进入第二状态时，其指示第一开关元件V1处于脉宽调制模式，第二开关元件V2处于关断模式。此时储能电路14的等效电路如图7所示。当第一开关元件V1在PWM模式的导通期间，第一电感L1电流线性上升，储能器放出的电能暂时存在第一电感L1中。当第一开关元件V1在PWM模式的关断期间，第一电感L1中的电流不能突变，按原有方向通过第一电感L1、第二体二极管VD2、逆变器的直流输入端、第一二极管VD4，形成充电回路。如此循环完成一个开关周期。
由于本发明实施例采用储能电路这样模块化的结构，其易于扩展和标准化。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变频器功率单元(1)，包括：
整流器(11)，用于将第一频率的交流电压整流成直流电压；
逆变器(12)，用于逆变所述直流电压用于产生第二频率的交流电压；
连接在整流器(11)和逆变器(12)之间的储能电路(14)，该储能电路(14)包括储能器(141)和用于在第一状态下向储能器(141)充电且在第二状态下从储能器(141)放电的充放电模块(142)。
2.根据权利要求1的变频器功率单元(1)，其中所述充放电模块(142)包括带有第一体二极管(VD1)的第一开关元件(V1)、带有第二体二极管(VD2)的第二开关元件(V2)、连接在第一开关元件(V1)的一端和第二开关元件(V2)的一端的第一电感(L1)、负极分别连接第一开关元件(V1)的所述一端和第二开关元件(V2)的所述一端的第一二极管(VD4)和第二二极管(VD3)，所述储能器(141)连接在第一开关元件(V1)不与第一电感(L1)连接的另一端和第一二极管(VD4)的正极之间，所述整流器(11)的输出连接在第二开关元件(V2)不与第一电感(L1)连接的另一端和第二二极管(VD3)的正极之间。
3.根据权利要求2的变频器功率单元(1)，其中第一开关元件(V1)和第二开关元件(V2)中的每一个包括绝缘栅双极型晶体管。
4.根据权利要求2的变频器功率单元(1)，其中在所述第一状态下，第一开关元件(V1)处于关断模式，第二开关元件(V2)处于脉宽调制模式；在所述第二状态下，第一开关元件(V1)处于脉宽调制模式，第二开关元件(V2)处于关断模式。
5.一种变频器(6)，包括：
级联的多个功率单元(1)，所述多个功率单元(1)中的每个功率单元包括：
整流器(11)，用于将第一频率的交流电压整流成直流电压；
逆变器(12)，用于逆变所述直流电压，从而从所述级联的多个功率单元(1)中的逆变器(12)的输出的和中产生第二频率的交流电压；
连接在整流器(11)和逆变器(12)之间的储能电路(14)，该储能电路(14)包括储能器(141)和用于在第一状态下向储能器(141)充电且在第二状态下从储能器(141)放电的充放电模块(142)；
第一控制器(61)，用于根据第二频率控制所述级联的多个功率单元(1)中的逆变器(12)，从而从所述级联的多个功率单元(1)中的逆变器(12)的输出的和中产生第二频率的交流电压；
第二控制器(62)，用于指示充放电模块(142)向储能器(141)的充放电。
6.根据权利要求5的变频器(6)，还包括：
检测器(63)，用于检测实际负载功率和第一频率的交流电压，
其中，第二控制器(62)在实际负载功率低于第一阈值的情况下指示充放电模块(142)进入第一状态，向储能器(141)充电，在实际负载功率高于第二阈值或将第一频率的交流电压变为0的情况下指示充放电模块(142)进入第二状态，从储能器(141)放电。
7.根据权利要求5的变频器(6)，其中所述充放电模块(142)包括带有第一体二极管(VD1)的第一开关元件(V1)、带有第二体二极管(VD2)的第二开关元件(V2)、连接在第一开关元件(V1)的一端和第二开关元件(V2)的一端的第一电感(L1)、负极分别连接第一开关元件(V1)的所述一端和第二开关元件(V2)的所述一端的第一二极管(VD4)和第二二极管(VD3)，所述储能器(141)连接在第一开关元件(V1)不与第一电感(L1)连接的另一端和第一二极管(VD4)的正极之间，所述整流器(11)的输出连接在第二开关元件(V2)不与第一电感(L1)连接的另一端和第二二极管(VD3)的正极之间。
8.根据权利要求7的变频器(6)，其中第一开关元件(V1)和第二开关元件(V2)中的每一个包括绝缘栅双极型晶体管。
9.根据权利要求7的变频器(6)，其中在所述第一状态下，第一开关元件(V1)处于关断模式，第二开关元件(V2)处于脉宽调制模式；在所述第二状态下，第一开关元件(V1)处于脉宽调制模式，第二开关元件(V2)处于关断模式。
10.根据权利要求9的变频器(6)，其中该脉宽调制模式的占空比为50％。
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