CN1949645B - 能量回馈功率单元 - Google Patents
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Abstract
一种用于功率单元串联型高压变频器、实现四象限运行能力的能量回馈功率单元，其控制电路包括：由三相电容器和三相电抗器组成的滤波电路、由IGBT构成的三相同步整流桥、由电容组成的直流滤波电路、由IGBT构成的单元逆变桥，以及分别对三相同步整流桥和单元逆变桥的工作状态进行控制的同步整流控制电路和单元逆变控制电路。该能量回馈功率单元具有整流及能量回馈功能，装置结构简单、损耗小、实现容易、成本低廉、功率因数高、对电网无谐波污染。由该功率单元构成的高压变频器，具有普通高压变频器的全部功能特征，且在系统快速制动或重物下降等情况下，具备将动能或位能转换成的电功率回馈到电网的能力，由该装置构成的高压变频器具有同样的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压变频器的主要组成部件，确切地说，涉及一种用于功率单元串联型、具备四象限运行能力的高压变频器的能量回馈功率单元；属于电力电子设备技术领域。
背景技术
变频器是利用半导体功率器件的开通和关断作用将工频电源变换为频率可调的电能变换装置。该装置先把交流电源的电能变换为直流电，再把直流电变换为频率可变的交流电来驱动负载。随着微电子和电力电子技术的飞速发展，作为21世纪电力电子技术发展的产物，高压变频器在国民经济的许多领域（例如火力发电、石油、化工、矿山、冶金、供水等行业）得到了广泛应用，并发挥着越来越重要的作用。
参见图1，介绍目前广泛使用的功率单元串联型多电平式高压变频器的结构组成：主要由多个副边绕组的隔离移相变压器、多个功率单元和控制系统构成，其中多个功率单元串联组成频率可调的高压交流电源。构成这种高压变频器的功率单元的电原理图如图2所示，它是由二极管整流桥、并联在直流母线上的大容量电容、并联在这些电容上的均压电阻和逆变桥所构成。但是这种功率单元不具有能量回馈功能。
众所周知，高压变频器在一些特殊领域的应用（例如矿井提升机的应用），是很多普通的高压变频器很难适应的工作场合，这种特殊的应用领域要求变频器在带重负载运行时能够急起急停，并且有下降重物的要求；而且，在这种位能负载场合应用的高压变频器要求必须有制动功能。通常的做法是在变频器内增设制动电阻，使在重物下降或者紧急停机时的势能或者动能被转化成电能后，由电阻消耗掉了。这样不仅白白浪费电能，而且结构复杂。
对于要求下降重物或紧急停机的使用场合，功率单元串联多电平式高压变频器要求其功率单元应该具备能量回馈功能，但是，这种能量回馈的工作方式在高压领域的应用非常复杂，如何将电能回馈输入电网，并且对电网的供电质量没有影响或影响甚小，是多年来一直困扰业内技术人员的技术难点；尤其对于功率单元串联型多电平式高压变频器，它是利用低压功率单元的串联来实现高压输出，同时利用变压器的移相功能，实现输入侧的完美无谐波的高压变频器，这种高压变频器实现能量回馈功能的难度更大，至今一直没有很好的技术解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能量回馈功率单元，该装置是一种集整流与能量回馈功能于一身的功率单元，用于功率单元串联型、且具备四象限运行能力的高压变频器，且该能量回馈功率单元结构简单、损耗小、实现容易、成本低廉、功率因数高、对电网无谐波污染。
为了达到上述目的，本发明提供了一种能量回馈功率单元，包括：顺序连接的由三相电容器和三相电抗器组成的滤波电路、由绝缘栅双极性晶体管IGBT构成的三相同步整流桥、由电容组成的直流滤波电路、由IGBT构成的单元逆变桥，以及对所述单元逆变桥的工作状态进行控制的单元逆变控制电路；所述能量回馈功率单元还包括：对所述三相同步整流桥的整流状态或能量回馈状态进行切换控制的同步整流控制电路，其中，所述同步整流控制电路包括：三相输入交流电压信号处理电路、功率单元电压检测电路、三相输入电流检测电路、单片机控制电路和同步整流驱动电路；
所述三相输入交流电压信号处理电路，将电网三相电压R、S、T隔离降压后转换成低压信号UR、UT送给所述单片机控制电路；
所述功率单元电压检测电路，将能量回馈功率单元的直流电压隔离降压变换成单元电压UDC送给所述单片机控制电路；
所述三相输入电流检测电路，将同步整流桥的输入电流IA、IB、IC隔离降压后送给所述单片机控制电路；
所述单片机控制电路，将接收到的单元电压UDC与单元电压的设定值UDC *进行比较，通过PID处理，计算出与逆变电功率相对应的控制电流IQ *；实时检测电网相位角θ，并将所述相位角θ与设定的相位角θ*进行比较，调节电网角频率ω；根据所述ω及IQ *分别生成三相同步整流电流的控制信号：IA *＝IQ *cos（ωt），IB *＝IQ *cos（ωt-120°），IC *＝IQ *cos（ωt-240°），将所述三相同步整流电流的控制信号IA *、IB *、IC *分别与所接收的同步整流桥的输入电流IA、IB、IC进行比较，再对其比较量分别进行PID调节而生成三相脉宽调制信号PWMA、PWMB、PWMC，并传送给所述同步整流驱动电路；
所述同步整流驱动电路，将所述单片机控制电路输出的三相脉宽调制信号转换成三相同步整流桥的六个驱动信号，用于驱动六个绝缘栅双极性晶体管IGBT，从而控制所述三相同步整流桥分别处于整流状态或能量回馈状态：使得当所述三相同步整流桥处于整流状态工作时，该三相同步整流桥用于从电网吸收功率整流输出给所述单元逆变桥；并使得当所述三相同步整流桥处于能量回馈状态工作时，该三相同步整流桥将动能或位能转换来的逆变电功率从该所述能量回馈功率单元回馈给电网。
在不计功率单元自身损耗的情况下，该同步整流桥能够使输入该功率单元的电网功率与其整流和逆变后输出的逆变电功率相等，以及使功率单元返回电网的回馈功率与输入该功率单元的逆变电功率相等。
所述单元逆变控制电路的功能是接收光纤传送来的变频器的运行指令，经过接收解码电路的处理，控制单元逆变桥的工作状态：当变频器处于加速或正常负载运行时，将电网输入功率经该单元逆变桥从所述功率单元输出；而在变频器处于快速制动或下放重物时，将转换来的逆变电功率经由该单元逆变桥输入所述功率单元和电网。
所述单元逆变控制电路包括：顺序连接的光纤信号的接收和发送电路、光纤信号的接收解码电路和单元逆变桥的驱动电路。
所述单元逆变控制电路还包括：用于对连接所述单元逆变桥的故障检测电路和光纤信号接收解码电路分别传送来的相关信号进行故障判断和编码处理的控制电路。
本发明是一种能量回馈功率单元，把本发明的功率单元串联组成多电平式高压变频器，该高压变频器就能够实现完美无谐波的四象限运行，即实现高压变频器的有源逆变的能量回馈功能，从而在矿井提升机、电梯等应用中实现制动能量或下降重物的机械能回馈到电网的能量再生利用。而且，本发明采用的同步整流桥（又称能量回馈桥）是由满足功率单元内部电压标准的低压器件所构成，故成本低廉；对该三相同步整流桥的工作状态进行切换控制的同步整流控制电路采用单片机及其外围电路组成，其控制电路简单，工作可靠稳定。通过电容和三相电抗器组成的滤波和缓冲，能够消除大部分电流谐波，剩余的谐波还可以通过主隔离变压器的移相相互抵消，从而大大减少对电网的谐波污染。总之，本发明很好地解决了功率单元串联型高压变频器为了达到四象限运行的目的，功率单元必须同时具备整流及能量回馈功能的技术难题，且该装置结构简单、损耗小、实现容易、成本低廉、功率因数高、对电网无谐波污染。由该功率单元构成的高压变频器，不仅具有普通高压变频器的全部功能特征，而且在系统快速制动或重物下降等情况下，具备将动能或位能转换成的逆变电功率回馈到电网的能力，因此，本发明具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1是现有的功率单元串联型多电平式高压变频器电原理示意图。
图2是现有的高压变频器中的功率单元控制电路电原理图。
图3是本发明能量回馈功率单元的控制电路电原理图。
图4是本发明能量回馈功率单元中的同步整流控制电路硬件结构方框图。
图5是本发明功率单元电压调节及电网角频率锁相环控制程序流程图。
图6为本发明功率单元同步整流电流控制环控制程序流程图。
图7是本发明能量回馈功率单元中的单元逆变控制电路硬件结构方框图。
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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图3，介绍本发明能量回馈功率单元的控制电路组成结构：顺序连接的由三相电容器和三相电抗器组成的滤波电路1、由绝缘栅双极性晶体管IGBT构成的三相同步整流桥2、由电容组成的直流滤波电路3、由IGBT构成的单元逆变桥4，以及分别对三相同步整流桥2和单元逆变桥4的工作状态进行控制的同步整流控制电路5和单元逆变控制电路6；其中两个控制电路5、6是本发明装置的创新关键：单元逆变桥4通过单元逆变控制电路6受控于变频器的控制器，变频器的频率及电压调节是通过IGBT单元逆变桥4实现的。同步整流控制电路5则控制三相同步整流桥2在整流状态或能量回馈状态之间进行切换：变频器在控制电机加速或正常负载运行时，三相同步整流桥2处于整流状态工作，对来自电网的功率进行整流输出，再由单元逆变桥4将逆变功率输出给电机；变频器在控制电机制动或重物下降时，逆变电功率由电机流入功率单元，即功率单元处于能量回馈状态工作，此时，该三相同步整流桥2又被称为能量回馈桥：将动能或位能转换来的逆变电功率从该功率单元回馈给电网。
同步整流控制电路5的功能是：实时检测电网三相电压，采用锁相环控制技术实时跟踪电网相位；同时监测逆变电功率，在逆变电功率输入功率单元时，该同步整流控制电路控制三相同步整流桥处于能量回馈状态；而在该功率单元从电网吸收功率输出给单元逆变桥或驱动电机时，该同步整流控制电路控制三相同步整流桥处于整流状态。
参见图4，介绍本发明能量回馈功率单元中的同步整流控制电路5的硬件结构和工作原理：三相输入交流电压信号处理电路、功率单元电压检测电路、三相输入电流检测电路、单片机控制电路和同步整流驱动电路。其中，三相输入交流电压信号处理电路将电网三相电压R、S、T隔离降压后转换成低压信号UR、UT送给单片机控制电路，功率单元电压检测电路是将功率单元直流电压隔离降压变换成UDC信号送给单片机控制电路，三相电压检测电路是将同步整流桥的输入电流IA、IB、IC隔离降压后送给单片机控制电路，同步整流驱动电路则是将单片机控制电路输出的三相脉宽调制信号转换成三相同步整流桥2的六个驱动信号，用于驱动六个绝缘栅双极性晶体管IGBT（即DI1-DI6）。单片机控制电路分别检测三相输入电压、单元电压、三相同步整流电流，通过控制软件分别对各检测信号进行处理计算，同步输出三相脉宽调制信号PWMA、PWMB、PWMC，并传送给同步整流驱动电路。其中控制软件分为单元电压调节模块、电网角频率锁相环模块和同步整流电流控制环模块。
参见图5，介绍其中单元电压调节及电网角频率锁相环的控制程序流程：该软件功能是进行单元电压调节及电网角频率处理，其工作周期为TUC。单元电压调节是先将检测得到的单元电压UDC与单元电压的设定值UDC *进行比较，通过PID（比例、积分、微分）处理，计算出与逆变电功率相对应的控制电流IQ *。如果IQ *为正，则功率单元处于能量回馈状态，且IQ *的绝对值越大，回馈功率越大；反之，IQ *为负，则功率单元处于整流状态，且IQ *绝对值越大，则整流输入的电网功率越大。电网角频率锁相环则实时检测电网相位角θ，并与单片机内部设定的相位角θ*进行比较，用于调节电网角频率ω。这样通过锁相控制技术可以滤去电网电压干扰，保证同步整流的稳定性。
参见图6，说明同步整流电流控制环的程序流程，其工作周期为TIC，两个输入信号分别是单元电压调节计算的输出量IQ *和电网角频率锁相环的输出量ω，再由ω及IQ *分别生成三相同步整流电流的控制信号：IA *＝IQ *cos（ωt），IB *＝IQ *cos（ωt-120°），IC *＝IQ *cos（ωt-240°）。然后将三相同步整流电流的控制信号IA *、IB *、IC *分别与三相同步整流桥的输入电流IA、IB、IC进行比较，再对其比较量分别进行PID调节而生成三相脉宽调制信号PWMA、PWMB、PWMC。
单元逆变控制电路6的功能是接收光纤传送来的变频器的运行指令，经过信号接收解码电路的处理，控制单元逆变桥的工作状态：当变频器处于加速或正常负载运行时，将电网输入功率经该单元逆变桥从所述功率单元输出；而在变频器处于快速制动或下降重物时，将转换来的逆变电功率经由该单元逆变桥输入该功率单元和电网。
参见图7，介绍单元逆变桥的控制电路结构组成和工作原理，变频器输出的变频控制信号经过光纤信号接收器传输给信号接收解码电路进行解码处理，分解成IGBT单元逆变桥的两路控制信号PWML、PWMR，该两路控制信号经单元逆变驱动电路转换生成四路驱动信号，分别控制单元逆变桥4的四个晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，其中Q1、Q2为互锁桥臂，Q3、Q4为另一互锁桥臂。
图中所示的单元逆变控制电路还包括：用于对连接所述单元逆变桥的故障检测电路和光纤信号接收解码电路分别传送来的相关信号进行故障判断和编码处理的控制电路，以拓展该功率单元的功能。
总之，本发明的最大特点是：在同步整流控制电路5的控制下，三相同步整流桥2能够实现电网与功率单元之间的电能交换，用于平衡逆变电功率。当逆变电功率注入该功率单元时，三相同步整流桥2处于能量回馈状态，将注入的逆变电功率回馈给电网。当逆变电功率从该功率单元输出时，三相同步整流桥2处于整流状态，从电网吸收电功率。
Claims (5)
1.一种能量回馈功率单元，包括：
顺序连接的由三相电容器和三相电抗器组成的滤波电路；
由绝缘栅双极性晶体管IGBT构成的三相同步整流桥；
由电容组成的直流滤波电路；
由IGBT构成的单元逆变桥；
以及对所述单元逆变桥的工作状态进行控制的单元逆变控制电路；
其特征在于，所述能量回馈功率单元还包括：
对所述三相同步整流桥的整流状态或能量回馈状态进行切换控制的同步整流控制电路；
其中，所述同步整流控制电路包括：
三相输入交流电压信号处理电路、功率单元电压检测电路、三相输入电流检测电路、单片机控制电路和同步整流驱动电路；
所述三相输入交流电压信号处理电路，将电网三相电压R、S、T隔离降压后转换成低压信号UR、UT送给所述单片机控制电路；
所述功率单元电压检测电路，将能量回馈功率单元的直流电压隔离降压变换成单元电压UDC送给所述单片机控制电路；
所述三相输入电流检测电路，将同步整流桥的输入电流IA、IB、IC隔离降压后送给所述单片机控制电路；
所述单片机控制电路，将接收到的单元电压UDC与一单元电压的设定值UDC *进行比较，通过PID处理，计算出与逆变电功率相对应的控制电流IQ *；实时检测电网相位角θ，并将所述相位角θ与设定的相位角θ*进行比较，调节电网角频率ω；根据所述ω及IQ *分别生成三相同步整流电流的控制信号：IA *＝IQ *cos（ωt），IB *＝IQ *cos（ωt-120°），IC *＝IQ *cos（ωt-240°），将所述三相同步整流电流的控制信号IA *、IB *、IC *分别与所接收的同步整流桥的输入电流IA、IB、IC进行比较，再对其比较量分别进行PID调节而生成三相脉宽调制信号PWMA、PWMB、PWMC，并传送给所述同步整流驱动电路；
所述同步整流驱动电路，将所述单片机控制电路输出的三相脉宽调制信号转换成三相同步整流桥的六个驱动信号，用于驱动六个绝缘栅双极性晶体管IGBT，从而控制所述三相同步整流桥分别处于整流状态或能量回馈状态：使得当所述三相同步整流桥处于整流状态工作时，该三相同步整流桥从电网吸收功率整流输出给所述单元逆变桥；并使得当所述三相同步整流桥处于能量回馈状态工作时，该三相同步整流桥将动能或位能转换来的逆变电功率从该所述能量回馈功率单元回馈给电网。
2.根据权利要求1所述的能量回馈功率单元，其特征在于：在不计功率单元自身损耗的情况下，该同步整流桥能够使输入该功率单元的电网功率与其整流和逆变后输出的逆变电功率相等，以及使功率单元返回电网的回馈功率与输入该功率单元的逆变电功率相等。
3.根据权利要求1所述的能量回馈功率单元，其特征在于：所述单元逆变控制电路的功能是接收光纤传送来的变频器的运行指令，经过接收解码电路的处理，控制单元逆变桥的工作状态：当变频器处于加速或正常负载运行时，将电网输入功率经该单元逆变桥从所述功率单元输出；而在变频器处于快速制动或下放重物时，将转换来的逆变电功率经由该单元逆变桥输入所述功率单元和电网。
4.根据权利要求3所述的能量回馈功率单元，其特征在于：所述单元逆变控制电路包括：顺序连接的光纤信号的接收和发送电路、光纤信号的接收解码电路和单元逆变桥的驱动电路。
5.根据权利要求4所述的能量回馈功率单元，其特征在于：所述单元逆变控制电路还包括：用于对连接所述单元逆变桥的故障检测电路和光纤信号接收解码电路分别传送来的相关信号进行故障判断和编码处理的控制电路。
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