一種高性能四象限變頻器的製作方法
2023-07-09 16:03:36
專利名稱：一種高性能四象限變頻器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子領域，尤其涉及一種驅動永磁同步直線電機的高性能四象限變頻器。
背景技術：
傳統的電機驅動用變頻器前端多使用二極體整流橋將交流電變換成直流電，這種變頻器結構存在的主要問題是:I)輸入電流含有較大的諧波。由於二極體整流橋的特點，輸入電流無法直接控制，電流THD (總諧波畸變率)一般在40%以上，造成輸入線路損耗增大和電磁幹擾問題，是造成目前電網汙染的重要原因，該汙染問題將隨著電網設備中變流器應用的不斷增加變得越來越嚴重。2)從電網吸收無功功率、輸入功率因數較低，且不可控。3)無法實現能量的雙向流動。由於二極體整流橋只允許電流單向流動，能量只能由輸入向輸出傳遞，無法反向流動。4)輸出直流電壓不可控。重載時直流母線電壓會有所跌落，而能量回饋時又會抬升直流電壓，存在直流過壓的危險，從而危及功率開關器件，因此需要加裝大功率的直流過壓吸收電阻和開關器件，這樣又會造成能量的浪費。另外，目前國際上許多大公司已紛紛推出了能量回饋四象限變頻器。如ABB公司的ACS800，ACS1000, ACS2000, ACS5000等系列四象限變頻器，西門子公司的GM150，SMl50，GLl50等產品，但其性能參數與國內行業標準有一定差異，而且不適合應用於驅動特殊的永磁同步直線電機 負載。如:中國專利ZL02104139.3，提供了一種無諧波汙染高壓變頻器能量回饋裝置，它包括多個反饋橋和反饋橋控制電路。但是，它僅僅是一個能量回饋裝置，無法改善二極體整流之諧波汙染問題，同時也無法實現對直流側電壓、輸入功率因數的控制。再如:中國專利ZL200810120160.4，提出了一種直流側電壓可控型四象限變頻器及其方法。它實現直流電壓控制，改善網側電流品質並將再生電能回饋至電網，但是其僅側重於前端整流器的控制，尤其側重直流電壓的控制方法。但是，並沒有涉及對整個變頻系統進行總體設計的技術方案。還如:中國專利ZL200910107449.7，提出了一種三相同步整流電路並提供了一種同步整流電路的控制方法。但其僅僅針對同步整流器本身，並無涉及電機驅動相關內容。
發明內容鑑於上述現狀，本實用新型的目的旨在提供一種高性能的四象限變頻器，克服了傳統電機驅動用變頻器輸入諧波大、能量不能雙向流動、功率因數不可調、直流電壓不受控、整流側和逆變側不協調的問題。本實用新型的另一目的還提供了整流器和逆變器協調起來進行控制的方法，使整個控制系統根據電機的運行特性實現間歇性運行規律。本實用新型的技術解決方案是通過以下措施來實現的。一種高性能四象限變頻器，包括:依次連接的主接觸器、預充電電阻、三相電抗器、整流器、逆變器，該逆變器和永磁同步直線電機連接，在所述預充電電阻的兩端並聯有輔接觸器，及整流器與逆變器之間設有電解電容，通過主接觸器與三相交流電源連接；具有電網電壓檢測、輸入電流檢測、直流母線電壓檢測、直流電流檢測的輸出端均與控制系統中的採樣模塊相連，控制系統的整流觸發脈衝和逆變觸發脈衝均通過光纖或雙絞線分別與所對應的全控型開關器件的控制端連接。本新型的整流器和逆變器組成統一協調的控制系統，整個控制系統根據永磁同步直線電機負載的運行特性具有間歇性運行規律，整流器利用逆變器側的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，同時整流器利用逆變器側電機的運行規律，實現整流器和逆變器停止運行期間不消耗電能的間歇性運行。本新型中，用於驅動永磁同步直線電機的功率電路中的整流器和逆變器在拓撲結構上完全相同，形成「背靠背」的拓撲結構；整流器和逆變器中均採用全控型可關斷功率器件，功率器件為絕緣柵極電晶體IGBT，每個絕緣柵極電晶體IGBT自帶續流二極體，在可控整流器中，第一個功率器件SI與第二個功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個功率器件S3與第四個功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個功率器件S5與第六個功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個功率器件Gl與第二個功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個功率器件G3與第四個功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個功率器件G5與第六個功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。本新型中，用於驅動永磁同步直線電機的電壓電流檢測裝置包括:電網電壓檢測放在主接觸器的二 次側或一次側，輸入電流檢測串聯在電抗器的輸入線路中，直流母線電壓檢測並聯在電解電容兩端，直流電流檢測串聯在可控整流器的正極輸出線路中。本新型的控制方法，將整流器和逆變器組成統一協調的控制系統，根據電機的運行特性具有間歇性運行規律，該控制系統中包括整流器的直流母線電壓控制環節，有功電流和無功電流控制環節，功率前饋環節，整流器和逆變器的聯合控制環節，給定間歇運行規律環節；其中直流母線電壓控制環節將母線電壓給定值與反饋值做差送入PI調節器Gl (s)，調節器輸出有功電流給定值，加上功率前饋環節的計算值得到整流器的最終有功電流給定值，然後將整流器實際輸入電流的有功分量和無功分量分別與有功電流給定值和無功電流給定值進行比較，其差值分別送入PI調節器G2 (s)得到整流器的參考電壓給定值，再利用網側電壓前饋得到最終的調製波電壓給定值，最後將其送入PWM脈衝發生器控制整流器按指令可靠運行。本新型根據永磁同步直線電機負載的特殊工作特性，提前預設定好電機的不同間歇運行規律和給定運行頻率，逆變器控制算法根據這些設定值生成控制指令，然後PWM脈衝發生器根據控制指令產生需要的觸發脈衝，驅動逆變器側的功率開關器件動作，控制永磁同步直線電機的周期往復動作。
本新型中，整流器和逆變器的聯合運行控制包括，整流器利用逆變側的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈衝發生環節受逆變器的間歇運行規律控制，同時整流器的有功電流給定值其中一部分是由逆變器的功率前饋得到。本新型的四象限變頻器具有的積極效果是:I)能夠實現網側電流正弦化，總諧波畸變率(THD)可以控制在5%以下，對電網無諧波汙染。2)能量可以雙向流動，不再需要耗能電阻，降低損耗、節約能源。3)能實現整流器的單位功率因數運行。4)輸出直流電壓可控。不論重載、輕載、甚至能量回饋時，直流側電壓都能通過控制將其保持在一個設定值。5)整流器和逆變器具有協調工作的能力，整個系統根據電機的特殊運行特性具備間歇性工作的特性。
圖1是本新型的功率電路原理圖；圖2是圖1的系統控制原理圖；圖3是圖2的運行規律圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本新型作詳細說明。如圖1所示，一種高性能四象限變頻器，包括功率電路的三相交流電源1，及與三相交流電源I連接的主接觸器2，通過主接觸器2與預充電電阻3輸入端相連接，輔接觸器4並聯在預充電電阻3兩端，預充電電阻3輸出端與三相電抗器5輸入端相連接，三相電抗器5輸出端與整流器6相連接，可控整流器6的輸出端並聯電解電容7，給變頻裝置提供需要的直流電源。電解電容7的輸出端和逆變器8的輸入端相連接，逆變器8輸出端與永磁同步直線電機9相連接構成的功率電路。本實施例中，還包括電網電壓檢測10、輸入電流檢測U、直流母線電壓檢測12、直流電流檢測13，所述的電網電壓檢測10、輸入電流檢測11、直流母線電壓檢測12、直流電流檢測13的輸出端均與控制系統14的採樣模塊15相連。控制系統14的整流觸發脈衝16和逆變觸發脈衝17均通過光纖或雙絞線連接到全控型器件的控制端上。本實施例中，用於驅動永磁同步直線電機的功率電路中的整流器6和逆變器8在拓撲結構上完全相同，形成「背靠背」的拓撲結構；整流器6和逆變器8中均採用全控型可關斷功率器件，功率器件為絕緣柵極電晶體IGBT，每個絕緣柵極電晶體IGBT自帶續流二極體，在整流器中，第一個功率器件SI與第二個功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個功率器件S3與第四個功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個功率器件S5與第六個功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個功率器件Gl與第二個功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個功率器件G3與第四個功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個功率器件G5與第六個功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。本實施例中，用於驅動永磁同步直線電機的電壓電流檢測裝置包括:電網電壓檢測10放在主接觸器2的二次側或一次側，輸入電流檢測11串聯在電抗器5的輸入線路中，直流母線電壓檢測12並聯在電解電容7兩端，直流電流檢測13串聯在可控整流器3的正極輸出線路中。本實施例中的電解電容7還可以是多個電解電容的串並聯組合，每個電解電容7上均並聯有靜態均壓電阻。在本實施例中可控整流器6和逆變器8都由全控型器件(如IGBT)加反並聯二極體組成的橋式電路結構。如圖2給出了系統控制原理圖，本實施例的控制系統14，是將整流器6和逆變器8統一起來協調控制，整個控制系統根據永磁同步直線電機的運行特性具有間歇性運行規律。所述的控制系統包括整流器6的直流母線電壓控制環節18，有功電流和無功電流控制環節19，功率前饋控制環節20，以及整流器6和逆變器8的聯合運行控制環節21。本實施例中，直流母線電壓控制環節18將母線電壓給定值Udcr與反饋值Udc做差送入PI調節器Gl (S)，調節器輸出有功電流給定值ird，加上功率前饋環節給定值ifd得到整流器6的最終有功電流給定值(ird+ifd)，然後將可控整流器6實際輸入電流的有功分量isd和無功分量isq分別與有功電流給定值(ird+ifd)和無功電流給定值irq進行比較，其差值送入PI調節器G2 (S)得到整流器6的參考電壓給定值Urd和Urq，再利用網側電壓前饋值Usd和Usq得到最終的調製波電壓給定值Urefd和Urefq，最後將其送入PWM脈衝發生器得到整流器觸發脈衝16，控制整流器6按指令可靠運行，達到穩定直流母線電壓和保證輸入電流單位功率因數的目的。整流器6利用功率前饋環節提高直流母線電壓的可控性能，利用逆變器8的給定運行規律控制整流器6的啟停時刻達到間歇運行目的。本實施例的逆變器8的控制指令主要包括，永磁同步直線電機的給定運行規律和運行頻率。根據運行規 律和運行頻率逆變器的PWM脈衝發生器就能產生需要的逆變器觸發脈衝17，控制永磁同步直線電機按指令運行。同時將逆變器的間歇運行規律傳遞給整流器6達到系統協調運行目的。本新型的整流器和逆變器的聯合運行控制方法，整流器利用逆變側的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈衝發生環節受逆變器的間歇運行規律控制，同時整流器的有功電流給定值其中一部分是由逆變器的功率前饋得到。本新型的逆變器的控制方法，根據永磁同步直線電機負載的特殊工作特性，提前預預設定好永磁同步直線電機的不同間歇運行規律和運行頻率，然後逆變器側的PWM脈衝發生器利用這些設定值產生需要的觸發脈衝17，驅動逆變器側的功率開關器件動作，從而控制直線電機的間歇運行。如圖3給出了運行規律環節22的逆變器和整流器的運行規律圖。根據給定間歇運行規律確定逆變器的運行時間(t3-t2)和停止時間(t6-t3)，整流器利用這一時間信息，它將在tl時刻就啟動，先於逆變器的啟動時刻t2 ;同時整流器將在t4時刻停止運行，滯後於逆變器的停止運行時刻t3，從而確保逆變器運行前及整個運行過程中整流器已經建立起直流母線電壓，也達到了根據電機運行特性整個系統具備間歇運行的目的。其中tl- t2-t3- t4- t5為一個運行周期，t5- t6- t7- t8- t9- tlO為下一個運行周期，運行特性相同。在整流器和逆變器停止運行期間，整個變頻器裝置不消耗電能，因此相對於傳統變頻器，本新型變頻器具有更加節能的特點。
權利要求1.一種高性能四象限變頻器，其特徵在於，包括: 依次連接的主接觸器(2)、預充電電阻(3)、三相電抗器(5)、可控整流器(6)、逆變器 (8)，該逆變器(8)和永磁同步直線電機(9)連接，在所述預充電電阻的兩端並聯有輔接觸器(4)，及可控整流器(6)與逆變器(8)之間設有電解電容(7)，通過主接觸器(2)與三相交流電源(I)連接組成功率電路； 具有電網電壓檢測(10)、輸入電流檢測(11)、直流母線電壓檢測(12)、直流電流檢測(13)的輸出端均與控制系統(14)中的採樣模塊(15)相連，控制系統(14)的整流觸發脈衝(16)和逆變觸發脈衝(17)均通過光纖或雙絞線分別與所對應的全控型功率器件的控制端連接。
2.根據權利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特徵在於，用於驅動永磁同步直線電機的功率電路中的可控整流器(6)和逆變器(8)在拓撲結構上完全相同，形成「背靠背」的拓撲結構；可控整流器(6)和逆變器(8)中均採用全控型可關斷功率器件，功率器件為絕緣柵極電晶體IGBT，每個絕緣柵極電晶體IGBT自帶續流二極體，在可控整流器中，第一個功率器件SI與第二個功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個功率器件S3與第四個功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個功率器件S5與第六個功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個功率器件Gl與第二個功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個功率器件G3與第四個功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個功率器件G5與第六個功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。
3.根據權利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特徵在於，用於驅動永磁同步直線電機的電壓電流檢測裝置包括:電網電壓檢測(10)放在主接觸器(2)的二次側或一次側，輸入電流檢測(11)串聯在電抗器(5)的輸入線路中，直流母線電壓檢測(12)並聯在電解電容(7)兩端，直流電流檢測(13)串聯在可控整流器(3)的正極輸出線路中。
4.根據權利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特徵在於，整流器和逆變器組成統一協調的控制系統，根據電機的運行特性具有間歇性運行規律，該控制系統中包括整流器的直流母線電壓控制環節(18)，有功電流和無功電流控制環節(19)，功率前饋環節(20)，整流器和逆變器的聯合控制環節(21)，給定間歇運行規律環節(22);其中直流母線電壓控制環節將母線電壓給定值與反饋值做差送入PI調節器Gl (s)，調節器輸出有功電流給定值，加上功率前饋環節的計算值得到整流器的最終有功電流給定值，然後將整流器實際輸入電流的有功分量和無功分量分別與有功電流給定值和無功電流給定值進行比較，其差值分別送入PI調節器G2 (s)得到整流器的參考電壓給定值，再利用網側電壓前饋得到最終的調製波電壓給定值，最後將其送入PWM脈衝發生器控制整流器按指令可靠運行。
5.根據權利要求4所述的一種高性能四象限變頻器，其特徵在於，整流器和逆變器的聯合運行控制包括，整流器利用逆變側的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈衝發生環節受逆變器的間歇運行規律控制，同時整流器的有功電流給定值其中一部分是由逆變器的功率前饋得到。
專利摘要本實用新型公開了一種高性能四象限變頻器，以實現輸出直流電壓可控，網側電流諧波含量小，能量可以雙向流動，變頻器具備間歇性運行規律，更加節能。不論重載、輕載、甚至能量回饋時，直流側電壓都能通過控制將其保持在一個設定值。其控制過程是將整流器和逆變器結合起來進行統一協調控制，整流器利用逆變器側的信息進行前饋控制以獲得更好的直流母線電壓控制性能和快速動態響應速度，且整流器的運行規律與逆變器側的電機運行規律相配合達到間歇性運行的目的，能夠實現能量的雙向流動，從而節約電能。本新型具有網側電流諧波含量低、正弦度高、對電網無諧波汙染，整流器的單位功率因數運行，且具有自動升壓功能並且能控制直流母線電壓穩定的特點。
文檔編號H02M5/458GK203119838SQ20132005140
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月30日 優先權日2013年1月30日
發明者楊超 申請人:秦皇島國能石油裝備有限公司