能量回收裝置的製作方法
2023-12-10 21:16:57 2
專利名稱：能量回收裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種能量回收的裝置，特別涉及的是一種應用需要再生發 電的變頻器中的能量回收裝置。
背景技術：
貨櫃運輸業作為現代物流的核心產業，正在日新月異的迅猛發展，其中 冷藏貨櫃儲運是一種高利潤、高風險的貨櫃儲運，它需要高技術的可靠支 持，才能有效避免高風險而獲得高利潤。目前，常規的冷藏貨櫃熱工性能測 試中功率一般採用繼電器控制，直接調節箱內加熱器的電壓，包括加熱器風機 的電壓，這種控制調節方式使得系統的功率波動不易穩定，所得的測試結果不 能滿足新的各個相關標準、協議的要求。此外箱內控制加熱部分沒有單獨的穩 壓設備，更易使系統的功率控制超標，導致新造冷藏貨櫃不滿足或不符合相 關標準、協議的問題，使得製造企業面臨箱東的索賠而面臨巨額賠償。
隨著城市港口業務的快速發展，貨櫃運輸更加頻繁，而常規的冷藏集裝 箱的熱工性能測試功率控制系統尚不完善，系統的功率控制容易超標，影響檢 測結果和效率，容易給相關製造企業和箱東造成損失。
貨櫃港口作為全球經貿活動的重要樞紐，面臨的環境壓力越來越大，當 前綠色運輸已成為全球經濟發展的趨勢。在港口行業大力開展節能降耗工作， 不僅是國家完成"十一五"規劃中國內生產總值能耗降低20%左右，主要汙染物 排放總量減少10%的約束性指標的需要，也是港口企業提高自身經濟效益的需 要。隨著國際石油資源的日益短缺和價格的不斷攀升，以及國際社會環保意識 的加強，我國也相應制定和實行了港口油耗、能耗的配額制度。其中，港口的 裝卸生產能耗佔港口總能耗比例最大，是影響港口能耗的最大因素。例如集裝 箱碼頭的生產用能佔總能耗的80%以上，而生產用能中，主要裝卸設備(如岸 橋、場橋)用能量最大，其中岸橋用電就佔裝卸生產用能量的20%-30%。貨櫃碼頭節能包括兩個技術層面， 一、管理節能("軟節能")，也即在營運層面上的節能；主要通過對碼頭物流系統的合理資源配置，期望在貨櫃轉場過程中，產生的搬運次數最少，集卡的使用效能最高，港口營運達到效率最優。二、設備節能("硬節能")，傳統碼頭起重機在制動過程中所產生的再生發電能量基本是通過制動電阻消耗掉的，同時在怠速狀態，柴油發電機組能量損耗也非常大，這兩部分損耗佔總耗能的40% 60%左右；如何有效利用再生能量以及降低怠速機組油耗是"硬節能"的關鍵內容。
中國專利公開號CN200951934和公開號CN201038814的兩個專利中分別介紹了場橋和岸橋等主要港口耗電設備"硬節能"的各種節能方法。總結大致可以分為兩大類 一、改造原來的柴油發電機組。場橋和岸橋工作在大功率階段的時間並不長，更多時刻工作在低功率狀態。為此有兩種改造方案， 一種方案是降低機組額定容量，在大功率運行時的差額功率部分通過儲能裝置來彌補，而這些儲能裝置回收起升機構下降過程、大車和小車機構減速過程中產生的再生能量； 一種方案是根據場橋或岸橋在不同工況情況下對功率需求的不同，改變柴油機的轉速，調整輸出功率，實現精確的動態功率管理，從而實現節省油耗降低成本，提高整機能源利用率。二、充分利用市電。讓廉價的市電為場橋和岸橋提供主要的能源，並將制動時產生的能量直接回饋電網。
從環保以及長遠節能效果看，採用市電作為主要供電能源的第二種設備節能方案是技術發展的必然趨勢，也應該是新規劃碼頭的技術首選。目前採用電能雙向流動的整流器有可控矽相控整流以及全控器件的電壓型PWM整流兩大類。然而，電壓型PWMAC/DC整流電路目前很少應用於港口提升機。主要因為成本原因，比如港口低壓母線交流電壓一般為380V 460V，經二極體不可控整流與平波電容濾波後，直流母線電壓一般為510V 625V，這樣的直流電壓等級兩電平輸出電路可以採用1200V耐壓的模塊；如果AC/DC採用電壓型PWM整流電路，直流母線電壓將可能達到750V以上，大容量逆變器必須考慮足夠安全裕量，逆變環節與整流環節的功率器件如果採用兩電平結構將不得不採用1700V耐壓等級的功率器件，因而成本大大增加；或者勉強使用1200V耐壓等級的功率器件，裝置工作可靠性大大下降。同時可控矽與普通二極體的耐單次不重複10倍過流能力在5mS以上，而IGBT的耐單次不重複10倍過流能力在lOuS以下。這意味著採用PWM整流電路取代傳統可控矽或二極體整流橋後，整機成本提高將超過一倍，而可靠性下降至少一半。
曾經有人設計過在不提高傳統直流母線電壓的基礎上，實現AC/DC環節低諧波輸入的控制方法，但無法實現制動電能回饋電網。其中，2005年6月本申請人在《中國電機工程學報》低第5巻第12期上發表了一篇名稱為《可升壓自然軟開關變流器》的文章，該文章提出一種基於通用拓撲基礎上的新型兩電平三相逆變器(如圖1所示)，它採用特殊的直流升壓模式使得輸入直流電源系統能量回饋電網的低成本解決方案，自然軟開關技術能以最少的輔助器件實現逆變器絕大部分軟開關動作，並且其軟開關動作不受電路參數漂移影響；同時能對直流輸入電壓進行有效提升，實現諧波治理、無功補償以及能量回饋電網控制。然而它沒有應用在變頻器應用場合中，無法處理三相交流電源相間短路電流環流。因此該新型兩電平三相逆變器有待進一步的改進。
傳統不可控整流變頻器在交流輸入380V 460V等級下，直流電壓為510V 625V;後接的傳統兩電平逆變器電路可以用1200V器件，從而低成本完成逆變動能，並且具有電路簡單可靠的優點。但傳統不可控整流變頻器當後接逆變器負載處於可再生發電時，能量無法回饋電網，造成能源浪費，而且產生大量電流諧波電流注入電網，造成電源汙染。
傳統Boost電路可以應用於升壓環節，但大容量併網逆變器必須採用1700V耐壓器件(為保證足夠安全裕度)。在貨櫃碼頭提升機的功率應用等級中，目前1700V硬開關器件組成的逆變器對基波頻率的能量反饋或無功控制沒有任何問題；但對諧波進行很好控制就勉為其難了
發明內容
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針對現有技術上的不足，本發明目的是在於提供一種在不提升變頻器母線電壓的基礎上實現諧波治理和無功補償以及能量回饋電網控制的能量回收裝置，提高開關頻率以改善併網逆變器控制。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下
能量回收裝置，其特徵在於，它包括變頻器、逆變器和三相電網，所述兩逆變器一端的一電路上設有電感，所述電感的一端連接有第一二極體，所述電感的另一端連接在逆變器三相橋臂共接的正母線上；所述第一二極體的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，所述第一二極體的電流輸出端與電感相連接；所述逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極體電流導向相反的第二二極體，所述第二二極體的電流輸入端連接在逆變器三相橋臂共接的負母線上，所述第二二極體的電流輸出端連接在變頻器的負直流母排上，所述逆變器另一端連接三相電網。本發明所增加的電路可以看是一個帶特殊的防止三相交流電源相間短路的逆變器，它主要功能是在防止三相電源相間短路的同時，實現低成本高效率能量回收或者諧波補償。
進一步，所述的能量回收裝置，第一二極體與電感的位置可以互換。
進一步，所述的能量回收裝置，電感也可以串接在第二二極體與變頻器的負直流母排之間，或者逆變器三相橋臂共接的負母線與第二二極體之間。
進一步，所述逆變器和其一端連接的第一二極體和第二二極體以及迴路中電感構成能量回收和諧波補償的主電路。
進一步，所述逆變器為兩電平三相逆變器。
進一步，所述逆變器也可以其他形式的併網逆變器所代替，但其與變頻器直流母排相連接的迴路中必須有第一二極體和第二二極體，並且這兩個二極體的電流導向必須相反，同時必須至少有一個二極體與一個電感相連接。
其基本工作原理是當傳統變頻器處於電動狀態(能量由電網流向負載)，
它起電力有源濾波器作用，保證電網電流的波形接近正弦，或符合有關諧波標準。
當傳統變頻器處於再生發電時，它工作於有源逆變狀態，將這部分能量回饋電網，達到節能效果。
本發明主要用於需要再生發電的變頻器應用場合，增加第一二極體和第二二極體後的整個電路構成能量回收和諧波補償的主電路，其功能可以實現負載變頻器能量回饋制動時，能量無汙染回饋電網；在負載變頻器電動時補償原來二極體整流電路帶來的電流諧波，保證電網電流的波形接近正弦，或符合有關諧波標準；併網逆變器能在準軟開關狀態運行。並且其軟開關動作不受電路參數漂移影響；同時能對直流輸入電壓進行有效提升，實現諧波治理、無功補償以及能量回饋電網控制，達到節能效果。
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明；
圖1為公開的新型兩電平三相逆變器電路示意圖。
圖2為本發明的電路示意圖。
圖3為本發明的內部電路示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
參見圖2，本發明能量回收裝置，它包括變頻器20、兩電平三相逆變器IO和三相電網，所述兩電平三相逆變器10—端的一電路上設有電感，所述電感的一端連接有第一二極體VD8，所述電感的另一端連接有兩電平三相逆變器的正母線上，所述第一二極體VD8的電流輸入端連接變頻器20的正直流母排上，所述第一二極體VD8的電流輸出端與電感相連接；所述兩電平三相逆變器10一端的另一電路上連接有與第一二極體VD8電流導向相反的第二二極體VD9，所述第二二極體VD9的電流輸入端連接兩電平三相逆變器負母線上，所述第二二極體VD9的電流輸出端連接在變頻器的負直流母排上，所述兩電平三相逆變器10另一端連接三相電網。本發明中，兩電平三相逆變器10和其一端的電路上的第一二極體VD8和另一端的電路上的第二二極體VD9以及迴路中電感構成能量回收和諧波補償的主電路，發明所增加的電路可以看是一個帶特殊的防止三相交流電源相間短路的兩電平併網逆變器，它主要功能是在防止三相電源相間短路的同時，實現低成本高效率能量回收或者諧波補償。
參考圖3，在變頻器20中包括傳統兩電平逆變器模塊主電路1和傳統三相二極體整流橋2 (當二極體換成晶閘管就成了三相晶閘管整流橋)；傳統兩電平逆變器模塊主電路l、傳統三相二極體整流橋2、平波電容C1、連接正負母排以及遏流電抗器(LR,LS,LT)—起構成傳統逆變器的主電路迴路。
本發明的所改進兩電平三相逆變器3的電路中，其中，開關管VT1 VT6組成兩電平逆變模塊組，模塊組的正母線與電抗L1的一端以及開關管VT7的發射極相連接；電抗Ll的另一端與二極體VD8的陰極相連接；二極體VD8的陽極與傳統逆變器的正母排連接在一起；開關管VT7的集電極與電容C2 —端相連接；電容C2另一端與模塊組的負母線以及二極體VD9的陽極連接在一起；二極體VD9的陰極與傳統逆變器的負母排連接在一起；模塊組的交流輸出端U， V， W分別通過濾波電抗器或電感和電容組合成的濾波器與電網R，S， T三相分別相接。本發明利用電感L1以及開關管VT7的反並二極體或寄生二極體的優異反向恢復特性來減小開關管VT1 VT6橋臂切換時的反向恢復電流以提高效率；同時減小換流過程中的電壓過衝，增加安全工作區。
本發明的附加併網逆變器在主變頻器工作時作為有源電力濾波器工作，減少電網諧波汙染；在主變頻器負載再生發電時，將能量回饋電網，達到節能效果。
另外，在本發明中傳統逆變器電路1可以是其他形式的逆變器，如三電平逆變器；所改進兩電平三相逆變器3可以為同樣電路，多組並聯連接。其中，改進兩電平三相逆變器3中，在Ll與VD8的位置可以互換，Ll可以串接在傳統逆變器的負母排、VD9以及模塊組的負母線的迴路中。開關管VT7與電容C2的位置可以互換。該開關管VT7反並二極體的反向恢復特性至少要優於開關管VT1 VT6反並二極體或寄生二極體中的一個二極體的反向恢復特性。
本發明是應用在三相逆變器能量雙向流動非對稱整流電源中，它將電網三相交流電源整流成直流電源給傳統逆變器供電。本發明的能量回收和諧波補償產品主電路一端接傳統變頻器的直流母線，另一端接三相電網。
當傳統變頻器處於電動狀態(能量由電網流向負載)，它起電力有源濾波器作用，保證電網電流的波形接近正弦，或符合有關諧波標準。
當傳統變頻器處於再生發電時，它工作於有源逆變狀態，將這部分能量回饋電網，達到節能效果。
本發明用於需要再生發電的變頻器應用場合，如採用市電為主要能源的港口貨櫃碼頭提升機。在不提升母線電壓的基礎上實現諧波治理和無功補償，並提升併網逆變器的直流母線電壓，應用軟開關技術降低開關損耗，提高開關頻率以改善併網逆變器控制可以實現負載變頻器能量回饋制動時，能量無汙染回饋電網；在負載變頻器電動時補償原來二極體整流電路帶來的電流諧波，保 證電網電流的波形接近正弦，或符合有關諧波標準；併網逆變器能準軟開關狀 態運行。並且其軟開關動作不受電路參數漂移影響；同時能對直流輸入電壓進 行有效提升，實現諧波治理、無功補償以及能量回饋電網控制，達到節能效果。 以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業 的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中 描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明 還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本 發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1、能量回收裝置，其特徵在於，它包括變頻器、逆變器和三相電網，所述逆變器一端的一電路上設有電感，所述電感的一端連接有第一二極體，所述電感的另一端連接在逆變器三相橋臂共接的正母線上；所述第一二極體的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，所述第一二極體的電流輸出端與電感相連接；所述逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極體電流導向相反的第二二極體，所述第二二極體的電流輸入端連接在逆變器三相橋臂共接的負母線上，所述第二二極體的電流輸出端連接在變頻器的負直流母排上，所述逆變器另一端連接三相電網。
2、 根據權利要求1所述的能量回收裝置，其特徵在於，所述第一二極體與電感的位置可以互換。
3、 根據權利要求1所述的能量回收裝置，其特徵在於，所述電感也可以串接在第二二極體與變頻器的負直流母排之間，或者逆變器三相橋臂共接的負母線與第二二極體之間。
4、 根據權利要求1所述的能量回收裝置，其特徵在於，所述逆變器和其一端連接的第一二極體和第二二極體以及迴路中電感構成能量回收和諧波補償的主電路。
5、 根據權利要求1所述的能量回收裝置，其特徵在於，所述逆變器與變頻器直流母排相連接的迴路中有第一二極體和第二二極體，並且這兩個二極體的電流導向相反，所述迴路中至少一個二極體與一個電感相連接。
6、 根據權利要求1所述的能量回收裝置，其特徵在於，所述逆變器為兩電平三相逆變器。
全文摘要
本發明公開的是一種能量回收裝置，它包括變頻器、逆變器和三相電網，所述逆變器一端的一電路上設有電感，所述電感的一端連接有第一二極體，所述電感的另一端連接在逆變器三相橋臂共接的正母線上；所述第一二極體的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，所述第一二極體的電流輸出端與電感相連接；逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極體電流導向相反的第二二極體，所述第二二極體的電流輸入端連接在逆變器三相橋臂共接的負母線上，第二二極體的電流輸出端連接在變頻器的負直流母排上，所述逆變器另一端連接三相電網。本發明主要用於需要再生發電的變頻器應用場合，實現了諧波治理、無功補償以及能量回饋電網控制，達到節能效果。
文檔編號H02J3/38GK101527460SQ200910049439
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月16日 優先權日2009年4月16日
發明者吳衛民 申請人:上海海事大學