CN202696477U - 基于自关断器件整流/回馈电源的h桥级联四象限变频器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，其主要技术特点是：功率单元中的整流器采用由自关断器件构成的整流/回馈电源，该整流/回馈电源由三相可控桥CB和三相进线电抗器X连接构成，该三相可控桥CB由6个电子开关S连接构成，每个电子开关S由一个可控开关器件V及一个续流二极管D反并联构成。本实用新型采用允许功率双向流动的自关断器件构成整流/回馈电源，实现变频器四象限运行功能，具有电路结构及控制调试简单、性能稳定、安全可靠的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于电压型交-直-交中压变频调速技术领域，尤其是一种基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器。
背景技术
现有的电压型H桥级联交-直-交变频器采用多级H桥功率单元级联构成，如图1所示。这种变频器的特点是：输出电压高且谐波小，dv/dt低，可以使用普通交流电动机；借助主电源变压器中付方绕组间的移相，输入电流谐波小，在中压（1～10kV）交流电动机调速传动领域得到最广泛应用。
由于这种变频器中H桥功率单元数量大，通常各H桥功率单元中的交-直变换（也称整流器、或称整流电源等）都采用二极管三相整流器，如图2所示，这种变频器具有简单且变频器网侧功率因数高（>0.95）的特点。这种整流器不允许反向功率流过，因此电动机只能单象限（电动）工作，功率只能从电网经变频器流向电动机，不能返回电网。
许多应用领域需要变频器四象限运行，电动机既能电动工作又能再生工作，可把机械的制动能量或重物的势能通过电动机转变成电能，再经变频器返回电网，以节省能源和实现快速制动，例如提升传动就是如此。这就要求这类级联型变频器中每个H桥功率单元中的交-直变换（整流器）都允许功率双方向流动。
为满足四象限运行要求，可以将H桥功率单元的交-直变换（整流器）由二极管整流电源改为PWM整流（又称有源前端AFE）电源。它由自关断器件IGBT（或IGCT、或IEGT）桥和交流进线电抗构成，采用PWM控制，是三相逆变器的逆应用。这种电源具有良好性能：双方向功率流动；正弦波网侧电流(一个开关周期平均值)；功率因数可控，可以为1。这种电源存在的主要问题是：需要较大进线电抗值（>10%），而变频器主电源变压器中各组付方绕组的漏抗一般不能满足，需另外增设电抗器和滤波电容器，使H桥功率单元和变频器主电路复杂；控制电路由直流电压外环、电流内环、矢量变换、及PWM调制等环节构成，系统复杂且调试麻烦。由于级联变频器中H桥功率单元数量多，上述问题变得更加突出。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种电路简单、调试方便且性能稳定的基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器。
本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，由每相多个功率单元级联构成，每个功率单元中的整流器采用由自关断器件构成的整流/回馈电源，该整流/回馈电源由三相可控桥CB和三相进线电抗器X连接构成，该三相可控桥CB由6个电子开关S连接构成，每个电子开关S由一个可控开关器件V及一个续流二极管D反并联构成。
而且，所述的可控开关器件V为IGBT器件，或者为IGCT器件，或者为IEGT器件。
而且，所述的电子开关S采用与交流进线电源同步的控制方式，每个交流进线电源周期只开通和关断一次。
本实用新型的优点和积极效果是：
1、本实用新型的整流器采用由自关断器件构成的整流/回馈电源，允许双向功率流过，变频器四象限运行，电动工作时功率从电网流向电动机，再生工作时功率从电动机返回电网。
2、本实用新型的整流/回馈电源的进线电抗可利用变频器主变压器付方绕组的漏抗实现，不必另外增设电抗器和滤波电容器，电路简单。
3、本实用新型的整流/回馈电源不用PWM控制，无闭环调节，控制和调试特别简单。
4、本实用新型的整流/回馈电源网侧功率因数及电流谐波与二极管整流电源基本相同，因此变频器的交流进线功率因数及相电流谐波与普通采用二极管三相整流器的H桥级联变频器基本相同，功率因数>0.95，谐波电流小，满足国标GB/T14549-1993。
5、本实用新型在交流电源故障或进线电压降低过多时，可通过关断所有IGBT（或IGCT、或IEGT）来避免逆变颠覆发生。
附图说明
图1为H桥（5级）级联变频器主电路图；
图2为交-直变换（整流器）采用二极管三相整流电源构成的H桥功率单元电路图；
图3（a）为本实用新型变频器中H桥交-直变换（整流器）整流/回馈电源基本电路图；
图3（b）为图3（a）所示电路中的电子开关S电路图；
图4为本实用新型的H桥功率单元电路电路图；
图5为本实用新型的整流/回馈电源电路中三相交流进线相电压（uiA、uiB、uiC）及6个电子开关的门极驱动控制信号（GA1、GA2、GB1、GB2、GC1、GC2）示意图；
图6（a）为本实用新型的整流/回馈电源电路在空载状态下开关SA1导通期间的直流母线电压（Ud）、三相交流进线线电压（uiAB和uiAC）及A相电流（iiA）波形示意图；
图6（b）为本实用新型的整流/回馈电源电路在整流状态下开关SA1导通期间的直流母线电压（Ud）、三相交流进线线电压（uiAB和uiAC）及A相电流（iiA）波形示意图；
图6（c）为本实用新型的整流/回馈电源电路在回馈状态下开关SA1导通期间的直流母线电压（Ud）、三相交流进线线电压（uiAB和uiAC）及A相电流（iiA）波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细说明：
一种基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，由多级H桥功率单元级联构成，如图1所示。每个H桥功率单元电路均包括交-直变换（整流器）和直-交变换（逆变器）两部分，如图4所示，图中，所有开关器件均为并有反向续流二极管的自开关器件IGBT（或IGCT、或IEGT）。由于本实用新型中的功率单元采用的直-交变换（逆变器）、桥间级联电路及其控制与现有采用二极管三相整流电源的传统单象限级联变频器相同，因此它们的交流输出特性也相同：输出电压高且谐波小，dv/dt低，可以用于普通交流电动机。本实用新型与现有变频器的区别是功率单元中的交-直变换（整流器）不同，本实用新型采用由自关断器件构成的整流/回馈电源，允许双向功率流，变频器可四象限运行，电动工作时功率从电网流向电动机，再生工作时功率从电动机返回电网。由于各个功率单元的逆变器控制属于公知技术，在此不做说明。
本实用新型中的各个功率单元中的整流器均采用由自关断器件构成的整流/ 回馈电源，如图3(a)及3(b)所示，图中：X是三相进线电抗器；CB是由6个电子开关（SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2）构成的三相可控桥，每个电子开关S由一个自开关器件V（IGBT、或IGCT、或IEGT）及一个续流二极管D反并联构成；Cd是直流贮能电容；Id.R和Id.I分别是交-直变换（整流器）和直-交变换（逆变器）的直流电流；Ud是直流母线电压；uiA、uiB、uiC是三相交流进线相电压；iiA是A相相电流；该整流/回馈电源由6个电子开关S构成的三相可控桥CB和三相进线电抗器X两部分连接构成，三相可控桥CB中的每个电子开关S均由一个自控开关器件V及一个续流二极管D反并联构成，该可控开关器件V可以采用IGBT器件，或者采用IGCT器件，或者采用IEGT器件。由于整流/回馈电源需要的进线电抗值小，变频器主电源变压器中各组付方绕组的漏抗己能满足，不需另外增设电抗器；三相可控桥CB的控制不采用脉宽调制（PWM），也没有任何闭环调节。桥中每个电子开关S被用作交流进线电源的同步开关，每周期只开通和关断一次，于自然换流点（a=0°）处开始导通，持续120°后关断（如图5所示）。由于电路中开关器件的开关频率只有50Hz，远低于现在常用的PWM整流电源，开关损耗大大降低，有助于提高变换器出力。在进线交流电压高于直流母线电压时，电流经与IGBT（或IGCT、或IEGT）反并联的续流二极管从交流电源流向直流母线——整流状态；当进线交流电压低于直流母线电压时，电流经IGBT（或IGCT、或IEGT）从直流母线流向交流电源——回馈状态。
由自关断器件构成的整流器与二极管整流器不同，在电网线电压瞬时值小于直流母线电压Ud时，本实用新型的整流/回馈电源允许电流从直流母线经开关器件和进线电抗器流向电网。在空载、整流和回馈三种状态下开关器件SA1导通期间的直流电压Ud、线电压uiAB和uiAC及A相电流iiA波形示于图6(a)、6(b)、6(c)。在这期间uiAB或uiAC与直流正母线接通，它们与Ud之差加至进线电抗X，当线电压>Ud时iiA向正方向变化；当线电压<Ud时iiA向负方向变化。
空载状态时，如图6(a)所示，Id.I=0（Id.I—直流母线上逆变器侧直流电流，它是本实用新型整流/回馈电源的负载电流），直流电压Ud=Ud0=1.35Ui.L（Ud0—理想空载整流电压，Ui.L—电网线电压有效值），线电压与Ud之差的正负伏-秒面积相同，iiA时正时负，平均值=0。
整流状态时，如图6(b)所示，Id.I>0，整流电压Ud略降，小于Ud0，正伏-秒面积加大、负伏-秒面积减小，iiA正向加大、负向减小，直至无反向电流，平均值>0。由于这时线电压>0，故功率从电网流向直流母线。
回馈状态时，如图6(c)所示，Id.I<0，整流电压Ud略升高，大于Ud0，负伏-秒面积加大、正伏-秒面积减小，iiA负向加大、正向减小，直至无正向电流，平均值<0，由于这时线电压>0，故功率从直流母线流向电网。
从上述三种状态分析知，整流和回馈状态的转换及流过功率的大小都取决于Ud的变化，依据整流/回馈电源的负载要求（Id.I值）自动实现，不需要任何闭环调节，控制电路特别简单。在本实用新型变频器中Id.I值由变频器中的直-交变换（逆变器）控制。
从图6(a)、图6(b)、图6(c)还可以看出，加在整流/回馈电源进线电抗X上的脉动电压的幅值很小，故需要的进线电抗值较小，这些值都与相应容量的通用变压器的漏抗值相同，因此可采用通用变压器替代整流变压器，不必像PWM整流电源那样另外增设电抗器和滤波电容器或采用特殊的高漏抗变压器。
在电网故障、电压突然降低过多或完全掉电时，立即关断本整流/回馈电源中所有自关断电力电子开关，该电源变成二极管整流桥，可有效避免逆变颠覆故障。
本实用新型的H桥功率单元采用的整流/回馈电源的交流进线功率因数及相电流谐波与二极管三相整流器基于相同，属6脉波整流。与H桥功率单元中交-直变换（整流器）采用二极管三相整流电源的传统单象限级联变频器一样，借助主电源变压器付方绕组的移相，使变压器原方相电流中谐波被抵消和降低，满足国标GB/T14549-1993，且网侧功率因数>0.95。
需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。
Claims (3)
1.一种基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，由每相多个功率单元级联构成，其特征在于：每个功率单元中的整流器采用由自关断器件构成的整流/回馈电源，该整流/回馈电源由三相可控桥CB和三相进线电抗器X连接构成，该三相可控桥CB由6个电子开关S连接构成，每个电子开关S由一个可控开关器件V及一个续流二极管D反并联构成。
2.根据权利要求1所述的基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，其特征在于：所述的可控开关器件V为IGBT器件，或者为IGCT器件，或者为IEGT器件。
3.根据权利要求1或2所述的基于自关断器件整流/回馈电源的H桥级联四象限变频器，其特征在于：所述的电子开关S采用与交流进线电源同步的控制方式，每个交流进线电源周期只开通和关断一次。
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