WO2008046284A1 - Unité d'alimentation à réinjection d'énergie - Google Patents

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Description

能量回馈功率单元
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。 随着徽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頻器的 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頻器很难适应的工作场合， 这种特珠的应用领域要求变 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， 其控制电路 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抅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： 所述功率单元的控制电路还包括： 对所述三相 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， 该同步整流控制 电路控制三相同步整流桥分别处于整流状态或能量回馈状态： 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单元逆变桥； 处 于能量回馈状态工作时， 该三相同步整流桥又被称为能量回馈桥： 用于将动 能或位能转换来的逆变电功率从该功率单元回馈给电网。
所述同步整流控制电路的功能是： 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， 在逆变电功率输入所述 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； 而在从该功率单元输出逆变电功率时， 该同步整流控制电路控制三相同步整 流桥处于整流状态。
所述同步整流桥与能量回馈桥为同一桥， 其工作状态接受所述同步整流 控制电路的控制； 且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后的输出逆变电功率相等， 以及使其 返回电网的回馈功率与其输入该功率单元的逆变电功率相等。
所述同步整流控制电路由单片机及其外围电路所组成， 所述外围电路包 括三相输入交流电压信号处理电路、 功率单元的直流电压检测电路、 三相输 入电流检测电路和同步整流驱动电路， 所述前三个外围电路的输出用作该单 片机控制电路的输入； 该单片机控制电路的输出则是另一个外围电路一同步 整流驱动电路的输入。
所述单片机控制电路通过锁相环技术， 实时跟踪三相输入电压的相位， 再通过对三相输入电压相位、 功率单元的直流电压和三相输入电流相位的逻 辑判断和控制， 输出三相脉宽调制信号， 再经由其外围的同步整流驱动电路, 分别用作控制三相同步整流桥上桥臂和下桥臂的各三个器件的开关信号。
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由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组成。
所述单元逆变控制电路还包括： 用于对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、 由绝缘栅及极性晶体 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 II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 是将同步整流输出电流 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 )产生六路裏动信号。 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, 界由 03及 IQ*分别生成三相同步整流电流的控制信号： IA* = IQ*cos ( w t )， IB* = IQ*cos ( w t - 120° ), Ic* = IQ*cos ( cot— 240° )。 然后将三相 电流的控制信号 IA*、 ¾*、 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 PWMCo
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 Ql、 Q2、 Q3、 Q4, 其中 Ql、 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。 工业实用性
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翁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垮组成， 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， 剩佘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 *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 压变類器的全部功能特征， 而且在系统快速制动或重翁下降等情况下， 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。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种能量回馈功率单元， 其控制电路包括： 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抅成的三相同 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： 所述功率单元的控制电路还包括： 对所述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， 该同步整流控制电路控制三相同步整流桥分别 处于整流状态或能量回馈状态： 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单元逆变桥； 处于能量回馈状态工作时， 该三 相同步整流桥又被称为能量回馈桥： 用于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。 '
2、根据权利要求 1所述的能量回馈功率单元， 其特征在于： 所述同步整 流控制电路的功能是： 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， 在逆变电功率输入所述功率单元时， 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； 而在从该功率单 元输出逆变电功率时， 该同步整流控制电路控制三相同步整流桥处于整流状 态。
3、根据权利要求 1或 2所述的能量回馈功率单元， 其特征在于： 所述同 步整流桥与能量回馈桥为同一桥， 其工作状态接受所述同步整流控制电路的 控制； 且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后的输出逆变电功率相等， 以及使其返回电网的 回馈功率与其输入该功率单元的逆变电功率相等。
4、 根据杈利要求 1所述的能量回馈功率单元， 其特征在于： 所述同步整 流控制电路由单片机及其外围电路所组成， 所述外围电路包括三相输入交流 电压信号处理电路、 功率单元的直流电压检测电路、 三相输入电流检测电路 和同步整流驱动电路， 所述前三个外围电路的输出用作该单片机控制电路的 输入； 该单片机控制电路的输出则是另一个外围电路一同步整流驱动电路的 输入。
5、 根据杈利要求 4所述的能量回馈功率单元， 其特征在于： 所述单片机 控制电路通过锁相环技术， 实时跟踪三相输入电压的相位， 再通过对三相输 入电压相位、 功率单元的直流电压和三相输入电流相位的逻辑判断和控制， 输出三相脉宽调制信号， 再经由其外围的同步整流驱动电路， 分别用作控制 三相同步整流桥上桥臂和下桥臂的各三个器件的开关信号。
6、 根据杈利要求 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。
7、 根搌权利要求 6所述的能量回馈功率单元， 其特征在于： 所述单元逆 变控制电路由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组成。
8、根据杈利要求 6或 7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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