CN1253998C - 无谐波污染高压变频器能量回馈装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对功率单元串联型高压变频器实现能量回馈的装置。它由与每个功率单元整流桥反并联的反馈桥及其触发、控制电路构成。采用6脉冲控制方式，通过检测、比较直流母线电压和R、S、T的电压给出反馈桥导通与关断的控制信号，从而使负载制动能量反馈回交流电网。这种装置充分利用了装置中移相变压器对谐波的抵消作用，具有对电网无谐波污染、功率因数高、控制简单、损耗小、成本低等优点。

Description

无谐波污染高压变频器能量回馈装置及其方法

技术领域

本发明涉及高压变频器能量回馈装置及其方法，尤指一种无谐波污染的高压变频器能量回馈装置及其方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压交流变频调速器的应用日渐广泛。

高压交流变频器的功率一般都在300KW以上。它的优点是节能显著，改善工况特性明显，但是，它在应用的过程中最主要的问题是：当负载制动时，会产生很大的能量，如何处理、或利用这部分能量一直是一个棘手的问题。

对于低压交流变频器，人们通常是通过大电阻释放掉这部分制动能量。对于高压变频器就不能靠这种简单的利用电阻的方法耗散掉，一般是将其回馈到电网，将制动能量再利用，但是，如何实现这种能量的回馈，并且对交流电网无谐波污染，一直困扰着业内人士。

目前，高压交流变频装置主要分为电压源型和电流源型两种类型。电流源型变频装置可自然实现能量回馈，但是存在功率因数低、对电网的谐波污染大等缺点，其应用场合受到很大的限制。电压源型高压变频装置主要有以下几种类型：

1、高低方式高压变频器。这种装置是将电网的高压通过变压器变为低压，利用低压变频器和低压电机的组合实现变频。

2、高低高方式高压变频器。与上述高低方式变频器的不同是：它在低压变频器的输出侧又加了一变压器，可使用高压电机进行调速。

3、三电平方式高压变频器。它是利用高压器件的串联解决耐压问题。

4、功率单元串联多电平式高压变频器。它利用低压功率单元的串联实现高压，同时利用移相变压器技术解决对电网的谐波污染，采用二极管整流，使电网侧的功率因数较高。

第1种和第2种类型的电压源型变频器属于过渡技术，已趋于淘汰，由于成本较低，在小功率场合仍有少量应用。第3种类型的电压源型变频器是新技术，但是受器件制约，目前最高电压只能做到4160V，不适用于国内6KV、10KV的主流电网，应用受到限制；为了解决能量回馈和对电网的谐波污染，需要采用所谓“有源前端”技术，整流桥采用与逆变桥相同的电路结构，使控制复杂，成本很高。第4种类型的电压源型变频器属于技术简单，性能优越的技术方案，但其能量回馈问题，目前一直没有解决方案。因此，本发明的目的就是提供一种针对这种普遍使用的功率单元串联多电平式高压变频器的能量回馈装置及其方法。

发明内容

为了解决功率单元串联多电平式高压变频器能量回馈问题，本发明的目的是提供一种结构简单、损耗小、成本低、功率因数高、对电网无谐波污染的高压变频器能量回馈装置。

本发明的另一目的是提供一种可实现高压变频器能量回馈的方法，该能量回馈方法实现简单且对电网无谐波污染。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种无谐波污染高压变频器能量回馈装置，它包括多个反馈桥和反馈桥控制电路；所述反馈桥的数量与构成变频器的功率单元的数量相一致，即在每一个功率单元整流桥旁反并联一反馈桥；所述反馈桥控制电路包括用于控制反馈桥导通与关断的能量回馈工况判断电路和用于触发反馈桥器件导通的反馈桥触发电路。

所述能量回馈工况判断电路由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路、功率单元直流母线电压检测电路和比较/判断电路构成；整流桥整流电压峰值检测电路用于检测整流桥整流后电压的峰值，并作为比较/判断电路的一个输入端；直流母线电压检测电路用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压，并作为比较/判断电路的另一个输入端；比较/判断电路对这两个检测电压进行比较、判断，并输出控制信号，控制反馈桥的导通或关断。

所述反馈桥触发电路采用6脉冲控制方式；它由电压检测电路和抗干扰电路组成；该电压检测电路采用比较器和选择器，对于反馈桥上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于反馈桥下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号。

所述反馈桥触发电路采用鉴相器的方法，采用过零检测电路或锁相环电路，跟踪输入电压的相位，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最低的一个给出导通信号。

一种实现无谐波污染高压变频器能量回馈方法，它包括以下步骤：

在功率单元串联多电平式高压变频器的每一个功率单元整流桥旁，反并联一反馈桥；

通过能量回馈工况判断电路检测功率单元直流母线P、N之间的电压和整流桥整流后电压的峰值；并比较/判断两检测值；当功率单元直流母线电压值高于功率单元整流桥整流后电压峰值时，输出控制信号，开始控制反馈桥的导通；反之，关断反馈桥；

通过反馈桥触发电路，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最低的一个给出导通信号。

由于本发明采用以上技术方案，即在每一功率单元的整流桥旁反并联一反馈桥和控制电路，从而实现制动能量的回馈、再利用。由于本发明反馈桥由满足功率单元内部电压标准的低压器件构成，故成本低；另外，控制部分的实现也非常方便，只需附加相应的电压检测环节和电压比较器即可，技术可行性好；在控制上，省去了复杂的PWM计算等，降低了控制电路的负担，同时，由于开关方式为六脉冲，使开关损耗降到最低。更重要的是，虽然本发明功率单元内普通二极管整流桥的电流波形中含有大量的谐波成分，以及反馈桥中还有的大量谐波成分，但是它可通过移相变压器，使谐波成分互相抵消，从而减少对电网的谐波污染。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为现有功率单元串联多电平式高压变频器结构示意图

图2为现有功率单元电路图

图3为本发明能量回馈装置中反馈桥部分电路图

图4为本发明能量回馈装置中能量回馈工况判别电路原理框图

图5为本发明能量回馈装置中反馈桥触发电路原理框图

图6为本发明实施例中反馈桥部分具体电路图

图7为本发明实施例中能量回馈工况判别电路具体电路图

图8为本发明实施例中反馈桥触发电路具体电路图

具体实施方式

如图1所示，目前，普遍使用的功率单元串联多电平式高压变频器主要由多副边绕组移相变压器1′、多个功率单元2′和控制系统3′构成；其中，多个功率单元2′彼此串联形成频率可调的高压交流电源U、V、W。构成这种形式高压变频器的主要元器件功率单元2′的内部结构如图2所示，它主要由二极管整流桥21′、并联在直流母线侧的大电容、均压电阻22′和逆变桥23′构成。由于这种形式高压变频器的内部结构不是本发明的发明点，故在此对其内部结构不再祥述，其详细的工作原理可参见相关文献。

功率单元串联多电平式高压变频器使用过程中，当负载制动时，会产生很大的能量。为了将这部分能量回馈到电网，再利用，本发明在功率单元整流桥旁反并联了一反馈桥，通过控制电路控制反馈桥的导通与关断，从而使制动能量反馈回电网。

如图3、图4、图5所示，本发明能量回馈装置主要由多个反馈桥1和控制电路2构成；控制电路2又是由能量回馈工况判断电路21和反馈桥触发电路22构成。反馈桥1的数量与构成变频器的功率单元的数量相一致，即在每一个功率单元3整流桥31旁反并联一反馈桥1(如图3所示)。在变频器正常运行时，反馈桥1是关断的，电路其它部分的工作与没有此反馈桥时是一样的。当电机制动运行时，能量通过功率单元逆变桥33回馈到直流母线电容32中，导致电容电压升高，当电容电压高于二极管整流桥31的整流电压峰值时，二极管整流桥关断，此时可以有选择的使反馈桥1的器件导通，将电容器中的能量通过反馈桥、移相整流变压器反馈回电网。

为了控制反馈桥1的导通与关断，本发明能量回馈装置设计有能量回馈工况判断电路21(如图4所示)和反馈桥触发电路22(如图5所示)。

如图4所示，能量回馈工况判断电路21主要由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路211、功率单元直流母线电压检测电路212和比较/判断电路213构成。整流桥整流电压峰值检测电路211用于检测整流桥整流后电压的峰值V1，并作为比较/判断电路213的一个输入端；直流母线电压检测电路212用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压V2，并作为比较/判断电路213的另一个输入端；比较/判断电路213对这两个检测电压进行比较、判断。当直流母线电压V2大于整流桥整流后电压的峰值V 1时，比较/判断电路输出控制信号，开始控制反馈桥的导通；反之，关断反馈桥。

为了使反馈桥1导通，本发明设计了反馈桥触发电路22，该触发电路采用6脉冲控制方式，如图5所示。任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最低的一个给出导通信号。这样使反馈桥工作在与二极管桥相同的状态下，只是电流和能量流动的方向相反。如图5所示，图5(a)是采用直接电压检测法，对于上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号；电压检测可以采用比较器和选择器，同时必须有抗干扰的滤波措施。另外一种方法为图5(b)所示的采用鉴相器的方法，众所周知，交流三相电源每120度相位内就有一相处于电压最高，每120度相位内有一相处于电压最低，这种关系非常的固定，因此，可以采用过零检测或锁相环等常用方法，跟踪输入电压的相位给出控制脉冲，两种方法达到的效果是一致的。

图6、图7、图8为本发明具体实施例图。如图6所示，本发明反馈桥1由6个IGBT大功率晶体管G1～G6组成，反并联在功率单元整流桥31旁。本发明采用IGBT构成反馈桥，也可以采用其它开关元件如GTO、可控硅等构成反馈桥。

图7为本发明能量回馈工况判断电路具体电路图。如图所示，本发明先通过电压互感器4将功率单元R、S、T处的电压转化为控制电路可以接受的电压R1、S1、T1；然后，经过整流桥5整流；取其电压作为整流桥整流后电压的峰值V1。V2为经过电气隔离6的直流母线P、N之间的电压。经过比较器U7、逻辑门U8的比较/判断，当V2＞V1时，输出控制信号EN2允许反馈桥触发电路工作。图中，EN1为系统允许能量回馈装置工作的指令，因为在某些情况下，可以通过人为设定不允许系统反馈电路工作，EN2为反馈控制允许逻辑，EN2有效时反馈桥触发电路开始工作(参见图8)。

图8为本发明反馈桥触发电路具体电路图。如图所示，它由比较器U9～U11、译码器U12和逻辑门U13～U18构成。比较器U9～U11首先对三相电压进行比较，得到三个比较信号COMP1～COMP3，如果反馈控制条件具备(EN2＝1)，则可将比较情况的6种可能，通过译码器U12(74138)译出来(一共有8种状态，其中两种状态物理上不可能)，然后根据这些状态，通过简单的逻辑电路U13～U18，可以得到反馈桥器件G1～G6的触发信号。

当然，为了实现上述控制措施，还需要其它的辅助电路，如、IGBT的驱动电路等；如果使用可控硅构成反馈桥，还需要可控硅强迫关断电路、可控硅脉冲变压器触发电路等，这些属本领域一般技术，在此不一一列出。

综上所述，本发明实现能量回馈的方法是：

1、在功率单元串联多电平式高压变频器的每一个功率单元整流桥旁，反并联一反馈桥；

2、通过能量回馈工况判断电路检测功率单元直流母线P、N之间的电压和整流桥整流后电压的峰值；并比较/判断两检测值；当功率单元直流母线电压值高于功率单元整流桥整流后电压峰值时，输出控制信号，开始控制反馈桥的导通；反之，关断反馈桥；

3、通过反馈桥触发电路，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最低的一个给出导通信号。

以上实施例仅用以说明本发明，很明显本发明并不受这些实施例的限制。本领域的普通技术人员任何基于本发明实质内容的修改、变形或等同替换，均涵盖在本发明权利要求范围当中。

Claims (6)

1、一种无谐波污染高压变频器能量回馈装置，其特征在于：

它包括多个反馈桥和反馈桥控制电路；

所述反馈桥的数量与构成变频器的功率单元的数量相一致，即在每一个功率单元整流桥旁反并联一反馈桥；

所述反馈桥控制电路包括用于控制反馈桥导通与关断的能量回馈工况判断电路和用于触发反馈桥器件导通的反馈桥触发电路。

2、根据权利要求1所述的无谐波污染高压变频器能量回馈装置，其特征在于：所述能量回馈工况判断电路由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路、功率单元直流母线电压检测电路和比较/判断电路构成；整流桥整流电压峰值检测电路用于检测整流桥整流后电压的峰值，并作为比较/判断电路的一个输入端；直流母线电压检测电路用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压，并作为比较/判断电路的另一个输入端；比较/判断电路对这两个检测电压进行比较、判断，并输出控制信号，控制反馈桥的导通或关断。

3、根据权利要求1所述的无谐波污染高压变频器能量回馈装置，其特征在于：所述反馈桥触发电路采用6脉冲控制方式；它由电压检测电路和抗干扰电路组成；该电压检测电路采用比较器和选择器，对于反馈桥上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于反馈桥下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号。

4、根据权利要求1所述的无谐波污染高压变频器能量回馈装置，其特征在于：所述反馈桥触发电路采用鉴相器的方法，采用过零检测电路或锁相环电路，跟踪输入电压的相位，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最低的一个给出导通信号。

5、根据权利要求2所述的无谐波污染高压变频器能量回馈装置，其特征在于：所述能量回馈工况判断电路由电压互感器、二极管整流桥、电气隔离电路和比较器构成；

功率单元交流侧电压经电压互感器、二极管整流桥整流后，取其电压作为整流桥整流后电压的峰值，并与比较器的一个输入端相连；

功率单元直流母线P、N之间的电压经电气隔离电路后与比较器的另一个输入端相连；

比较器的信号输出端与反馈桥触发电路的控制端相连。

6、一种实现无谐波污染高压变频器能量回馈方法，其特征在于：它包括以下步骤：

在功率单元串联多电平式高压变频器的每一个功率单元整流桥旁，反并联一反馈桥；

通过能量回馈工况判断电路检测功率单元直流母线P、N之间的电压和整流桥整流后电压的峰值；并比较/判断两检测值；当功率单元直流母线电压值高于功率单元整流桥整流后电压峰值时，输出控制信号，开始控制反馈桥的导通；反之，关断反馈桥；

通过反馈桥触发电路，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择输入的三相交流电源中电压瞬时值最低的一个给出导通信号。

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