CN111106614A - 一种异步电机能量平衡电路及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种异步电机能量平衡电路及方法，电路包括：串联在电网和负载之间的电力电子开关；并联在所述电力电子开关和所述负载之间的动态电压恢复器；所述动态电压恢复器包括整流电路，与所述整流电路并联的直流支撑电容、第一储能电容和第二储能电容。上述电路结构，在动态电压恢复器中设置了两个储能电容，使得储能元件的容量变大，使用能量回收的原理实现异步电机瞬时能量平衡；当电机回馈使能时利用储能元件进行能量的吸收，为后续动态电压支持提供更多能量，既能避免能量回馈的冲击又能节省能源。实现过程中不使用泄放电阻消耗能量，也避免了动态电压恢复器温度的大幅升高，不会影响动态电压恢复器的工作性能。

Description

一种异步电机能量平衡电路及方法

技术领域

本发明涉及电路技术，更具体的说，是涉及一种异步电机能量平衡电路及方法。

背景技术

工业中频繁使用的三相异步电机根据接线线序不同可以实现正转和反转，正转时处于电动机状态在电网中吸收能力，反转时处于发电机状态向电网中返送能量。为保证电机不间断运行，往往在电网和负载之间串联一组电力电子开关实现电网与负载的快速通断切换，在电力电子开关与负载之间并联动态电压恢复器实现电网异常的快速补偿。

由于电机工作原理为电转换为磁，磁转换为动力势能使转子旋转，电能与电流和电压的乘积成正比，当电网电压瞬间减低时会产生对应电流的突变，致使电动机瞬间产生较大能量回馈，由于串联于电网和负载之间的电力电子开关快速关断，致使能量迅速冲击动态电压恢复器，通过动态电压恢复器中的整流回路使能量送至直流侧电容，致使直流侧电容电压迅速升高，危及设备安全运行。

为了解决上述问题，通常做法是在直流侧电容并联一个IGBT和电阻串联的放电回路，通过控制IGBT的开通关断实现能量的释放，此放电过程通过电能转换成热能的形式消耗掉，致使动态电压恢复器中温度急剧升高并且体积增大，致使动态电压恢复器动态支持电压的能力下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供如下技术方案：

一种异步电机能量平衡电路，包括：

串联在电网和负载之间的电力电子开关；

并联在所述电力电子开关和所述负载之间的动态电压恢复器；

所述动态电压恢复器包括整流电路，与所述整流电路并联的直流支撑电容、第一储能电容和第二储能电容。

可选的，还包括：

设置在所述第一储能电容、所述第二储能电容以及所述直流支撑电容之间的升压和降压电路模块。

可选的，所述升压和降压电路模块包括：与所述直流支撑电容并联的开关控制模块，以及串联在所述开关控制模块一端与所述第一储能电容和所述第二储能电容正极之间的续流电感。

可选的，所述开关控制模块包括第一晶体管器件和第二晶体管器件；

所述第一晶体管器件的第一端与所述续流电感的一端连接，第二端与所述直流支撑电容的正极连接，第三端与所述第二晶体管器件的第二端连接；

所述第二晶体管的第一端与所述第一储能电容和所述第二储能电容的负极的连接，第三端与所述直流支撑电容的负极连接。

可选的，所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件为IGBT。

可选的，所述整流电路为三相全桥整流电路，所述三相全桥整流电路为两电平三桥臂、两电平四桥臂、三电平三桥臂或三电平四桥臂电路。

一种异步电机能量平衡方法，应用于上述任意一种异步电机能量平衡电路，包括：

在电网电压异常，电力电子开关关断的情况下，若直流支撑电容的电压超过设定值，控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程；

在所述储能电容达到额定电压的情况下，控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程。

可选的，所述控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程，包括：

所述充电过程包括直流支撑电容放电过程和电感续流过程，所述直流支撑方便过程和所述电感续流过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电；

其中，在所述直流支撑电容放电过程中，所述直流支撑电容、续流电感、和并联的第一储能电容和第二储能电容构成直流支撑电容放电回路；

在所述电感续流过程中，所述续流电感和并联的第一储能电容和第二储能电容构成续流回路。

可选的，所述控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程，包括：

所述放电过程包括储能电容放电过程和电感续流升压过程，所述储能电容放电过程和所述电感续流升压过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电；

其中，在所述储能电容放电过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容和所述续流电感构成储能电容放电回路；

在所述电感续流升压过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容、所述续流电感和所述直流支撑电容构成电感续流升压回路。

可选的，还包括：

在动态电压恢复器上电后，确定系统有功功率以及所述有功功率的正负状态；

确定所述态电压恢复器的负载功率与其额定功率的功率比值；

依据所述功率比值动态调整所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电电压目标值与额定容量的比例，以使得所述第一储能电容和所述第二储能电容能够瞬间输出能量支撑电压并有余量吸收异步电机瞬时使能。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明实施例公开了一种异步电机能量平衡电路及方法，电路包括：串联在电网和负载之间的电力电子开关；并联在所述电力电子开关和所述负载之间的动态电压恢复器；所述动态电压恢复器包括整流电路，与所述整流电路并联的直流支撑电容、第一储能电容和第二储能电容。上述电路结构，在动态电压恢复器中设置了两个储能电容，使得储能元件的容量变大，使用能量回收的原理实现异步电机瞬时能量平衡；当电机回馈使能时利用储能元件进行能量的吸收，为后续动态电压支持提供更多能量，既能避免能量回馈的冲击又能节省能源。实现过程中不使用泄放电阻消耗能量，也避免了动态电压恢复器温度的大幅升高，不会影响动态电压恢复器的工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种异步电机能量平衡电路的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的另一种异步电机能量平衡电路的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种异步电机能量平衡方法流程图；

图4为本发明实施例公开的另一种异步电机能量平衡方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例公开的一种异步电机能量平衡电路的结构示意图，参见图1所示，异步电机能量平衡电路可以包括：串联在电网和负载之间的电力电子开关①；并联在所述电力电子开关①和所述负载之间的动态电压恢复器1；所述动态电压恢复器1包括整流电路②，与所述整流电路②并联的直流支撑电容③、第一储能电容④和第二储能电容⑤。

其中，所述电力电子开关①为使用电力电子器件实现供电通断的装置，具体的，其可以为晶闸管器件。

其中，所述整流电路②用于对异步电机回馈的能量进行整流，使能量输送至直流侧电容。所述整流电路②可以有多种实现形式，本申请实施例对其具体实现形式并不做固定限制。

基于图1所示异步电机能量平衡电路，可以通过控制储能元件实现异步电机瞬时能量平衡，整个过程需要控制进行数据实时采集并形成闭环控制。具体的实现将在后面的实施例中介绍。

本申请实施例中，动态电压恢复器1中设置了两个并联的储能电容，即第一储能电容④和第二储能电容⑤，从而增大了动态电压恢复器1对异步电机在电网异常时产生的能量回馈的包容度。实用能量回收原理实现异步电机瞬时能量平衡。当异步电机回馈使能时利用储能元件(第一储能电容④和第二储能电容⑤)进行能量的吸收，为后续动态电压支持提供更多能量，既能避免能量回馈的冲击又能节省能源。

此外，本申请实施例提供的异步电机能量平衡电路，在支持动态电压的实现过程中不使用泄放电阻消耗能量，也避免了动态电压恢复器温度的大幅升高，从而不会影响动态电压恢复器的工作性能。

在其他的实现中，除了上述实施例公开的异步电机能量平衡电路的结构外，异步电机能量平衡电路还可以包括设置在所述第一储能电容、所述第二储能电容以及所述直流支撑电容之间的升压和降压电路模块。

图2为本发明实施例公开的另一种异步电机能量平衡电路的结构示意图，如图2所示，相较于图1所示异步电机能量平衡电路，增加的升压和降压电路模块可以包括：与所述直流支撑电容③并联的开关控制模块(图2中虚线框出的结构)，所述开关控制模块包括第一晶体管器件⑥和第二晶体管器件⑦，以及串联在所述开关控制模块一端与所述第一储能电容④和所述第二储能电容⑤正极之间的续流电感⑧。

结合图2，其中，所述第一晶体管器件⑥的第一端与所述续流电感⑧的一端连接，第二端与所述直流支撑电容③的正极连接，第三端与所述第二晶体管器件⑦的第二端连接；

所述第二晶体管⑦的第一端与所述第一储能电容④和所述第二储能电容⑤的负极的连接，第三端与所述直流支撑电容③的负极连接。

在具体实现中，可以对系统中数据进行实时采集并形成闭环控制，具体的，通过控制晶体管器件开通关断实现电机回馈的能量给储能元件充电实现能量的平衡。通过采集储能元件电压、电机端口电压、连接线路的电流，控制晶体管器件开关，实现能量的交互。需要采样的数据包括：1、负载的实时功率、电流、电压；2、整流电路的实时输出功率；3、直流母线的电压；4、储能元件实时电压；5、储能元件充放电电流。

依据上述采样数据的变化快速控制图2中的第一晶体管器件⑥和第二晶体管器件⑦的开通和关断，完成储能元件的充、放电控制。

上述实施例中，所述第一晶体管器件⑥和第二晶体管器件⑦可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

上述实施例中，所述储能元件可以但不限制为超级电容、高充放电倍率的锂电池(如钛酸锂电池)等。

上述实施例中，所述整流电路可以为三相全桥整流电路，可以但但不限制为：两电平三桥臂、两电平四桥臂、三电平三桥臂或三电平四桥臂电路。

本申请实施例还公开了一种异步电机能量平衡方法，图3为本发明实施例公开的一种异步电机能量平衡方法流程图，该方法应用于上述实施例公开的任意一种异步电机能量平衡电路。如图3所示，异步电机能量平衡方法可以包括：

步骤301：在电网电压异常，电力电子开关关断的情况下，若直流支撑电容的电压超过设定值，控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程。

异步电机工作过程中，当电网电压瞬间减低时会产生对应电流的突变，致使电动机瞬间产生较大能量回馈，由于串联于电网和负载之间的电力电子开关快速关断，致使能量迅速冲击动态电压恢复器，通过动态电压恢复器中的整流回路使能量送至直流侧电容，致使直流侧电容电压迅速升高，危及设备安全运行。因此，为了保证整个系统的安全稳定，当直流支撑电容的电压超过设定值时，控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程，以吸收能量，避免这些能量危及系统安全。

步骤302：在所述储能电容达到额定电压的情况下，控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程。

当储能元件(第一储能电容和第二储能电容)充电达到额定电压后，控制储能元件放电，以维持储能元件的能量稳定。

动态电压恢复器上电后通过三相全桥整流电路给直流支撑电容:不控充电，当直流支撑电容电压到达不控充电额定值后转入可控整流状态进行稳压控制，等直流支撑电容电压达到设定值时通过两只IGBT给储能元件同时充电并根据检测负载功率方向及大小灵活设定储能元件的额定电压。为使储能元件维持能量稳定，必须要完成电能的充和放。

本实施例所述异步电机能量平衡方法，在动态电压恢复器中设置了两个储能电容，使得储能元件的容量变大，使用能量回收的原理实现异步电机瞬时能量平衡；当电机回馈使能时利用储能元件进行能量的吸收，为后续动态电压支持提供更多能量，既能避免能量回馈的冲击又能节省能源。实现过程中不使用泄放电阻消耗能量，也避免了动态电压恢复器温度的大幅升高，不会影响动态电压恢复器的工作性能。

上述实施例中，所述控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程，可以包括：所述充电过程包括直流支撑电容放电过程和电感续流过程，所述直流支撑方便过程和所述电感续流过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电。

其中，在所述直流支撑电容放电过程中，所述直流支撑电容、续流电感、和并联的第一储能电容和第二储能电容构成直流支撑电容放电回路。

在所述电感续流过程中，所述续流电感和并联的第一储能电容和第二储能电容构成续流回路。

储能元件的充电发生在两个时刻，分别为：电网电压正常并且储能元件电压低于目标值和电网电压异常并且直流支撑电容电压大于设定值。储能元件上电同直流支撑电容一样存在不控整流充电过程，与原有方案一致，故不控充电和电网正常时储能元件电压过低充电不做过多介绍。当电网电压异常时，异步电机内部电磁转换的能量需要迅速释放，此时电力电子开关已经断开，短时回馈的能量都注入动态电压恢复器中致使直流支撑电容的电压迅速升高，此时需要进行储能元件充电。

上述实施例中，所述控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程，可以包括：所述放电过程包括储能电容放电过程和电感续流升压过程，所述储能电容放电过程和所述电感续流升压过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电。

其中，在所述储能电容放电过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容和所述续流电感构成储能电容放电回路。

在所述电感续流升压过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容、所述续流电感和所述直流支撑电容构成电感续流升压回路。

图4为本发明实施例公开的另一种异步电机能量平衡方法流程图，图4所示方法同样应用于上述实施例公开的任意一种异步电机能量平衡电路。如图4所示，可以包括：

步骤401：在电网电压异常，电力电子开关关断的情况下，若直流支撑电容的电压超过设定值，控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程。

步骤402：在所述储能电容达到额定电压的情况下，控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程。

步骤403：在动态电压恢复器上电后，确定系统有功功率以及所述有功功率的正负状态。

步骤404：确定所述态电压恢复器的负载功率与其额定功率的功率比值。

步骤405：依据所述功率比值动态调整所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电电压目标值与额定容量的比例，以使得所述第一储能电容和所述第二储能电容能够瞬间输出能量支撑电压并有余量吸收异步电机瞬时使能。

本实施例中，通过将储能元件的储能余量根据负载特性实时调整，满足能量回收要求，提高动态电压恢复器支撑电压的能力，提高储能元件利用效率。

本实施例所述的异步电机能量平衡方法，实现中可实时采集数据并闭环控制，使得设备对负载适应性大大提高；在电网电压异常时首先进入储能元件充电状态，再次进入储能元件发电状态，使储能元件存储能量更多，动态电压恢复器补偿能力更强；且能够进行储能元件能量存储再利用，使单独充电时间大大缩短，设备有效补偿时间变长，有效率大大提高。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种异步电机能量平衡电路，其特征在于，包括：

串联在电网和负载之间的电力电子开关；

并联在所述电力电子开关和所述负载之间的动态电压恢复器；

所述动态电压恢复器包括整流电路，与所述整流电路并联的直流支撑电容、第一储能电容和第二储能电容。

2.根据权利要求1所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，还包括：

设置在所述第一储能电容、所述第二储能电容以及所述直流支撑电容之间的升压和降压电路模块。

3.根据权利要求1所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，所述升压和降压电路模块包括：与所述直流支撑电容并联的开关控制模块，以及串联在所述开关控制模块一端与所述第一储能电容和所述第二储能电容正极之间的续流电感。

4.根据权利要求3所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，所述开关控制模块包括第一晶体管器件和第二晶体管器件；

所述第一晶体管器件的第一端与所述续流电感的一端连接，第二端与所述直流支撑电容的正极连接，第三端与所述第二晶体管器件的第二端连接；

所述第二晶体管的第一端与所述第一储能电容和所述第二储能电容的负极的连接，第三端与所述直流支撑电容的负极连接。

5.根据权利要求4所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件为IGBT。

6.根据权利要求1所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，所述整流电路为三相全桥整流电路，所述三相全桥整流电路为两电平三桥臂、两电平四桥臂、三电平三桥臂或三电平四桥臂电路。

7.一种异步电机能量平衡方法，应用于权利要求1-6任一项所述的异步电机能量平衡电路，其特征在于，包括：

在电网电压异常，电力电子开关关断的情况下，若直流支撑电容的电压超过设定值，控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程；

在所述储能电容达到额定电压的情况下，控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程。

8.根据权利要求7所述的异步电机能量平衡方法，其特征在于，所述控制进行第一储能电容和第二储能电容的充电过程，包括：

所述充电过程包括直流支撑电容放电过程和电感续流过程，所述直流支撑方便过程和所述电感续流过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电；

其中，在所述直流支撑电容放电过程中，所述直流支撑电容、续流电感、和并联的第一储能电容和第二储能电容构成直流支撑电容放电回路；

在所述电感续流过程中，所述续流电感和并联的第一储能电容和第二储能电容构成续流回路。

9.根据权利要求7所述的异步电机能量平衡方法，其特征在于，所述控制进行所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电过程，包括：

所述放电过程包括储能电容放电过程和电感续流升压过程，所述储能电容放电过程和所述电感续流升压过程交替完成，实现所述第一储能电容和所述第二储能电容的放电；

其中，在所述储能电容放电过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容和所述续流电感构成储能电容放电回路；

在所述电感续流升压过程中，并联的所述第一储能电容和所述第二储能电容、所述续流电感和所述直流支撑电容构成电感续流升压回路。

10.根据权利要求7所述的异步电机能量平衡方法，其特征在于，还包括：

在动态电压恢复器上电后，确定系统有功功率以及所述有功功率的正负状态；

确定所述态电压恢复器的负载功率与其额定功率的功率比值；

依据所述功率比值动态调整所述第一储能电容和所述第二储能电容的充电电压目标值与额定容量的比例，以使得所述第一储能电容和所述第二储能电容能够瞬间输出能量支撑电压并有余量吸收异步电机瞬时使能。

Images