單相一體化能量回饋裝置製造方法
2023-12-02 00:42:56
單相一體化能量回饋裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種單相一體化能量回饋裝置，前級電路包括並聯的限流電阻及開關、濾波器、兩個正向串聯的開關管、多組串聯的直流母線電容、電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、母線電壓檢測電路、控制電路，還包括了一個雙向開關，所述雙向開關一端與正向串連開關管的公共連線連接在一起，另一端連至串聯電容的串聯線及電網的N線；後級電路包括三相逆變器及電機。當直流母線電壓低於設定值時，雙向開關與兩個正向串聯開關管的反並二極體構成升壓整流器，進行功率因數校正，給負載供電；母線電壓高於設定值時，雙向開關斷開，一個半橋逆變器向電網輸入交流電。本裝置實現了整流逆變一體化，具有功率因數高，裝置成本低、電路效率高等優點。
【專利說明】單相一體化能量回饋裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能量回饋裝置，特別是使用單相供電的整流逆變一體化的電力電
子裝置。
【背景技術】
[0002]在全球發展綠色經濟、倡導低碳生活的趨勢下，節能環保低碳產業是節能降耗的 必然選擇。電機系統節能改造工程已經成為國家節能減排的一個重點。
[0003]在一些電機快速起停、頻繁正反轉的場合，當電機制動和帶動位能性負載下降時，電機處於發電狀態。會向電機的變頻器母線注入電流，使變頻器母線電壓上升，這種泵升電壓達到一定數值，就會擊穿變頻器的工作元件。
[0004]為了防止變頻器母線泵升電壓過高，通常採用如圖1所示的在變頻器直流母線並聯能耗單元的方法，把直流母線上接收的電能通過能耗電阻以熱的方式釋放掉。這種解決方案的能耗單元需要佔用較大的空間，而且浪費了電機發出的電量。
[0005]為了能夠利用電機發電產生的電能，通過在變頻器母線並聯能量回饋裝置的辦法，可以實現把回饋能量轉換為交流電送入電網，如圖2所示。但是，這種方案存在以下缺
佔-
^ \\\.(1)對於電機來說，整流和回饋是兩個裝置，系統複雜，元器件多，成本高；
(2)實際應用時，經常存在回饋裝置和變頻器不匹配，回饋裝置幹擾變頻器，導致變頻器不能正常工作而無法實際應用的情況；
(3)當電網電壓降低時，變頻器直流母線電壓隨著降低，母線電壓降低到一定程度，電機工作性能下降，甚至無法正常工作。
[0006]因此，在單相供電的有能量回饋的電機調速系統中，現有方案存在能耗大、佔用空間大或者裝置複雜、成本高、應用範圍受限等缺點。
【發明內容】
[0007]本發明是針對以上現有技術的缺點，在單相供電的場合提供一種可以用一套裝置實現整流供電和回饋逆變發電的單相一體化能量回饋裝置。
[0008]一種單相一體化能量回饋裝置，前級電路包括並聯的限流電阻及開關、濾波器、兩個正向串聯的開關管、多組串聯的直流母線電容、電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、母線電壓檢測電路、控制電路，還包括了一個雙向開關，所述雙向開關一端與正向串聯開關管的公共連線及濾波器的一端連接在一起，另一端連至串聯電容的串聯線及電網的N線；所述濾波器另一端經限流電阻連接電網L線；所述正向串聯的開關管、串聯的電容組及三相逆變器並聯接到正負母線上；
所述電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路的輸出信號送入控制電路，控制電路根據檢測信號進行閉環控制，輸出驅動信號、驅動開關管及雙向開關的導通與關斷； 所述濾波器由電感和電容組成；
後級電路包括三相逆變器及電機。
[0009]所述雙向開關的功能是，根據驅動信號的控制能夠按照要求實現電流正向或者反向的流通和斷開，採用能完成此功能的器件來實現。
[0010]所述雙向開關採用二極體、IGBT、M0SFET、整流橋等半導體器件通過正確的組合來構成。
[0011]所述的多組串聯的直流母線電容的連接方法是:電容先兩兩串聯，然後再並聯接在正負直流母線上，並把串聯點連接起來，形成母線電壓的中點。向電網送電時，串聯電容構成了逆變器的一個橋臂。
[0012]所述的並聯的限流電阻及開關的功能是在裝置啟動時限制啟動電流，啟動結束後短路限流電阻。
[0013]所述單相一體化能量回饋裝置的控制電路檢測母線電壓，當母線電壓低於設定值時，正向串聯的開關管Ql和Q2不導通，其反並二極體與雙向開關構成升壓整流器，由控制電路發出驅動信號控制雙向開關的導通與關斷，進行功率因數校正，給負載供電；母線電壓高於設定值時，雙向開關斷開，電路構成一個半橋逆變器，控制電路板根據檢測得到的電壓和電流信號進行閉環反饋控制，控制Ql和Q2的開通與關斷，向電網輸出與電網同頻率和同相位的正弦電流。
[0014]所述的單相一體化能量回饋裝置在整流模式時，若電網電壓處於正半周，Q2的反並二極體不導通，Ql的反並二極體參與功率因數校正；若電網電壓處於負半周，Ql的反並二極體不導通，Q2的反並二極體參與功率因數校正。進行功率因數校正，保證了裝置在整流狀態具有高的功率因數和低的諧波，達到綠色環保的目的。
[0015]所述裝置工作在整流狀態時，雙向開關只承受一半的母線電壓值，具有較低額定電壓值的雙向開關的導通損耗大大降低；系統中較多的二極體參與工作，二極體的開關損耗、驅動損耗和導通損耗與相同功率等級的開關管相比得到了較大的降低。因此，裝置的效率得到了提高。
[0016]所述三相述逆變器在系統處於整流狀態時，給電機提供電能，驅動電機工作；當電機回饋發電時，三相逆變器把電機回饋產生的電能通過直流母線傳送給單相逆變器。
[0017]本發明的優點是:把功率因數校正電路、回饋逆變發電功能集成在一個電路中，實現了整流逆變一體化，提高了功率因數、減小了硬體複雜性，降低了系統成本，提高了可靠性，而且使電路效率有了較大的提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是第一種現有單相供電的變頻器電路和能耗制動方案原理圖。
[0019]圖2是第二種現有單相供電的變頻器電路和回饋方案原理圖。
[0020]圖3是本發明的實現方案原理圖。
[0021]圖4是本發明的第一實施例電路原理圖。
[0022]圖5是本發明的第二實施例電路原理圖。
[0023]圖6是本發明的第一實施例在整流模式時的輸入電流仿真波形。
[0024]圖7是本發明的回饋與整流狀態轉換控制流程圖。【具體實施方式】
[0025]本說明書實施例所述的內容，僅僅是對本發明思想實現形式的有限列舉，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所做的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。
[0026]圖4是本發明第一實施例電路原理圖，前級電路包括並聯的限流電阻及開關、濾波器、兩個正向串聯的開關管、多組串聯的直流母線電容、電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、母線電壓檢測電路、控制電路，還包括了一個雙向開關，所述雙向開關一端與正向串聯開關管的公共連線及濾波器的一端連接在一起，另一端連至串聯電容的串聯線及電網的N線；所述濾波器另一端經限流電阻連接電網L線；所述正向串聯的開關管、串聯的電容組及三相逆變器並聯接到正負母線上；
所述電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路的輸出信號送入控制電路，控制電路根據檢測信號進行閉環控制，輸出驅動信號、驅動開關管及雙向開關的導通與關斷；
所述濾波器由電感和電容組成；
後級電路包括三相逆變器及電機。
[0027]所述雙向開關採由兩個IGBT開關管(Q3，Q4)反向串聯構成。
[0028]所述的多組串聯的直流母線電容的連接方法是:電容先兩兩串聯，然後再並聯接在正負直流母線上，並把串聯點連接起來，形成母線電壓的中點。向電網送電時，串聯電容構成了逆變器的一個橋臂。
[0029]所述的並聯的限流電阻及開關放在裝置的輸入端，功能是在裝置啟動時的限制啟動電流，啟動結束後短路限流電阻。
[0030]所述單相一體化能量回饋裝置的控制電路檢測母線電壓，當母線電壓低於設定值730V時，正向串聯的開關管Ql和Q2不導通，其反並二極體與雙向開關構成升壓整流器，由控制電路發出驅動信號控制雙向開關的導通與關斷，進行母線電壓平衡控制和功率因數校正，並給負載供電；母線電壓高於設定值730V時，雙向開關斷開，電路構成一個半橋逆變器，控制電路板根據檢測得到的電壓和電流信號進行閉環反饋控制，控制Ql和Q2的開通與關斷，把母線上的回饋能量轉換為與電網同頻率和同相位的正弦電流送入電網。
[0031]所述的單相一體化能量回饋裝置在整流模式時，若電網電壓處於正半周，Q2的反並二極體不導通，Ql的反並二極體參與功率因數校正；若電網電壓處於負半周，Ql的反並二極體不導通，Q2的反並二極體參與功率因數校正。在一個電網周期內Q3和Q4工作情況是:當電網電壓大於零時，電流從L線流出，通過濾波電感，Q3，Q4的反並二極體，電網N線，形成一個迴路；當電網電壓小於零時，電流從N線流出，通過Q4，Q3的反並二極體，濾波電感，電網L線，形成一個迴路。
[0032]所述三相述逆變器在系統處於整流狀態時，給電機提供電能，驅動電機工作；當電機回饋發電時，三相逆變器把電機回饋產生的電能通過直流母線傳送給單相逆變器。
[0033]圖5是第二實施例電路，與圖3和圖4相比，區別主要是雙向開關的構成形式不同，圖5的雙向開關用四個整流二極體串聯成一個整流橋，然後把一個IGBTT開關管並聯在橋臂中間組合實現，雙向開關只需要一個驅動電路。在整流狀態時，在一個電網周期內雙向開關的工作情況是:當電網電壓大於零時，電流從L線流出，通過濾波電感，二極體d3，開關管Q3，二極體d6，電網N線，形成一個迴路；當電網電壓小於零時，電流從N線流出，通過二極體d5，開關管Q3，二極體d4，濾波電感，電網L線，形成一個迴路。圖5實施例在回饋逆變發電時的情況與圖4的一樣。
[0034]圖6是本發明的第一實施例電路在整流模式時，輸入電流仿真波形。從仿真波形看出，本單相一體化能量回饋裝置在整流模式時具有較好的輸入電流波形。
【權利要求】
1.一種單相一體化能量回饋裝置，前級電路包括並聯的限流電阻及開關、濾波器、兩個正向串聯的開關管、多組串聯的直流母線電容、電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、母線電壓檢測電路、控制電路，還包括了一個雙向開關，所述雙向開關一端與正向串聯開關管的公共連線及濾波器的一端連接在一起，另一端連至串聯電容的串聯線及電網的N線；所述濾波器另一端經限流電阻連接電網L線；所述正向串聯的開關管、串聯的電容組及三相逆變器並聯接到正負母線上； 所述電網電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路的輸出信號送入控制電路，控制電路根據檢測信號進行閉環控制，輸出驅動信號，驅動開關管及雙向開關的導通與關斷； 所述濾波器由電感和電容組成； 後級電路包括三相逆變器及電機。
2.根據權利要求1所述的單相一體化能量回饋裝置，其特徵是，所述雙向開關的功能是，根據驅動信號的控制能夠按照要求實現電流正向或者反向的流通和斷開，採用能完成此功能的器件來實現。
3.根據權利要求1或者2所述的單相一體化能量回饋裝置，其特徵是，所述雙向開關採用二極體、IGBT, MOSFET、整流橋等半導體器件通過正確的組合來構成。
4.根據權利要求1所述的單相一體化能量回饋裝置，其特徵是，所述多組串聯的直流母線電容的連接方法是:電容先兩兩串聯，然後再並聯接在正負直流母線上，並把串聯點連接起來，形成母線電壓的中點。
5.根據權利要求1所述的單相一體化能量回饋裝置，其特徵是，並聯的限流電阻及開關的功能是在裝置啟動的時候限制啟動電流，啟動結束後短路限流電阻。
6.根據權利要求1或者2或者3所述的單相一體化能量回饋裝置的電路工作模式，其特徵是:控制電路檢測母線電壓，當母線電壓低於設定值時，正向串聯的開關管Ql和Q2不導通，其反並二極體與雙向開關構成升壓整流器，由控制電路發出驅動信號控制雙向開關的導通與關斷，進行功率因數校正，給負載供電；母線電壓高於設定值時，雙向開關斷開，電路構成一個半橋逆變器，控制電路板根據檢測得到的電壓和電流信號進行閉環反饋控制，控制Ql和Q2的開通與關斷，向電網輸出與電網同頻率和同相位的正弦電流。
7.根據權利要求1或者6所述的單相一體化能量回饋裝置系統，其特徵是:在整流模式時，若電網電壓處於正半周，Q2的反並二極體不導通，Ql的反並二極體參與功率因數校正；若電網電壓處於負半周，Ql的反並二極體不導通，Q2的反並二極體參與功率因數校正。
8.根據權利要求1或者6所述的單相一體化能量回饋系統，其特徵是，所述三相述逆變器在系統處於整流狀態時，給電機提供電能，驅動電機工作；當電機回饋發電時，三相逆變器把電機的回饋電能通過直流母線傳送給單相逆變器。
【文檔編號】H02J3/38GK103515977SQ201310090035
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年3月21日 優先權日:2013年3月21日
【發明者】王林兵 申請人:王林兵