專利名稱：電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源的制作方法
電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機控制用電壓型交-直-交變頻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源。
背景技術(shù)：
電壓型交-直-交變頻器包括兩電平低壓變頻器、中點鉗位三電平中壓變頻器及H 橋級聯(lián)中壓變頻器，已在交流電動機調(diào)速傳動領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電壓型交-直-交變頻器通常由交-直變換電源及直-交逆變器兩部分組成。在快速制動或位勢負載下放重物時， 電動機處于再生發(fā)電工作狀態(tài)，機械的動能或重物的勢能將通過電動機轉(zhuǎn)變成電能返回電源。電壓型逆變器允許雙向功率流動，可以把電動機的再生能量回送至直流母線上的貯能電容，能否進一步回饋交流電網(wǎng)則取決于交-直變換電源的型式，看它是否允許雙方向功率流動。本發(fā)明只涉及允許雙向功率流的變換器。
目前，常用的雙向功率流交-直變換電源有兩類晶閘管整流/回饋電源和 IGBT (或IGCT) PWM整流電源(常稱有源前端AFE)。下面分別對兩種類型的雙向功率流交-直變換電源的特點進行說明
晶閘管整流/回饋電源由正反兩個可控整流橋組成。這種電源使用晶閘管，價格相對較低，其最大問題是存在回饋橋逆變失敗的可能，若在回饋橋工作期間突然交流電源故障，進線電壓降低過多，將導(dǎo)致逆變顛覆，直流電源短路，燒毀熔斷器，這種故障曾在現(xiàn)場多次發(fā)生。另外，晶閘管整流/回饋電源的結(jié)構(gòu)和控制也較為復(fù)雜。
IGBT (或IGCT) P麗整流電源(AFE)由IGBT (或IGCT)橋和交流進線電抗構(gòu)成，采用PWM控制，是逆變器的逆應(yīng)用。這種電源具有理想的性能雙方向功率流；正弦波網(wǎng)側(cè)電流(一個開關(guān)周期平均值)；功率因數(shù)超前/滯后可控，可以為1 ；電網(wǎng)異常降低時關(guān)斷全部可控開關(guān)器件，無顛覆問題。該類電源存在的主要問題是價格高(使用IGBT或IGCT器件，進線電抗大)、控制和調(diào)試麻煩，從而影響其應(yīng)用；在用于大功率中壓變頻器時，由于開關(guān)器件的開關(guān)頻率低，網(wǎng)側(cè)諧波加大，效果將打折扣；很多應(yīng)用場合希望裝置的逆變功率小于整流功率，這種電源難實現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、運行可靠且性價比高的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，包括由六個電子開關(guān)構(gòu)成的三相可控橋、三相進線電抗器和直流貯能電容，三相進線電抗器一端與三相交流進線電源相連接，三相進線電抗器另一端連接到三相可控橋的交流側(cè)，三相可控橋的直流側(cè)與直流貯能電容相連接，該三相可控橋中的每個電子開關(guān)由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯(lián)續(xù)流二極管構(gòu)成，整流時功率從交流進線電源流向直流母線，回饋時功率從直流母線流回交流進線電源。
而且，通過在三相可控橋旁并聯(lián)一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率。
而且，三相可控橋的控制方式是每個開關(guān)被用作交流進線電源的同步開關(guān)，每個交流進線電源周期只開通和關(guān)斷一次。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是
1、本交-直變換電源在進線交流電壓高于直流母線電壓時，電流經(jīng)與IGBT(或 IGCT)反并聯(lián)的續(xù)流二極管從交流電源流向直流母線實現(xiàn)整流功能；當(dāng)進線交流電壓低于直流母線電壓時，電流經(jīng)IGBT (或IGCT)從直流母線流向交流電源實現(xiàn)回饋功能，實現(xiàn)整流 /回饋雙方向功率流動。
2、本交-直變換電源的三相可控橋CB橋中每個開關(guān)被用作交流進線電源的同步開關(guān)，每周期只開通和關(guān)斷一次，不用PWM控制，無閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制和調(diào)試簡單。
3、本交-直變換電源在交流電源故障或進線電壓降低過多時，可通過關(guān)斷所有 IGBT(或IGCT)來避免逆變顛覆發(fā)生。
4、本交-直變換電源通過在三相可控橋旁并聯(lián)一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率，可滿足整流功率大于回饋功率的要求，特別適用于作為公共直流母線的交-直電源。
5、本交-直變換電源的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)及電流諧波與二極管整流電源基本相同，可通過采用12或M脈波整流方法來減小諧波。
6、本交-直變換電源與晶閘管整流/回饋電源相比解決了晶閘管整流/回饋電源的逆變顛覆問題，并且控制和調(diào)試簡單。
7、本交-直變換電源與AFE相比由于進線電抗小及控制和調(diào)試簡單，因此價格較 AFE更低；開關(guān)頻率僅50Hz，比AFE低很多，可提高變換器出力，特別是使用高壓開關(guān)器件的變換器；在M脈波整流狀態(tài)的諧波含量較中壓AFE更低。
8、本交-直變換電源適合用于四象限H橋級聯(lián)中壓變頻器，比目前常用的AFE方案簡單許多。


圖1為本發(fā)明的基本電路圖，圖中X是三相進線電抗器，CB是由6個電子開關(guān)( 、 SA2> SB1, SB2, Sci, Sc2)構(gòu)成的三相可控橋，每個電子開關(guān)S由一個可控開關(guān)器件V(IGBT或 IGCT)及一個反并聯(lián)續(xù)流二極管D構(gòu)成，Cd是直流貯能電容；Id.K和Iil分別是交-直變換電源和逆變器的直流電流；Ud是直流母線電壓；uA、uB、uc是三相交流進線相電壓；是A相相電流；
圖2為圖1所示電路的三相交流進線相電壓(uA、uB、uc)及六個電子開關(guān)的門極驅(qū)動信號(G α 、Ga2、GB1、GB2、GC1、Gc2)不思圖3為圖1所示電路在空載、整流和回饋三種狀態(tài)下開關(guān)導(dǎo)通期間的直流母線電壓(Ud)、三相交流進線線電壓(Uab和Uac)及A相電流(iA)波形圖4為在圖1所示電路的基礎(chǔ)上并聯(lián)二極管橋DB的電路圖，圖中XBl和XB2是均流電抗器，X是三相交流進線電抗器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述
一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，如圖1所示，包括三相可控橋CB、三相進線電抗器X和直流貯能電容Cd，三相進線電抗器X —端與三相交流進線相電壓相連接，三相進線電抗器X另一端連接到三相可控橋CB的輸入端，三相可控橋CB 的輸出端與直流貯能電容Cd相連接，三相可控橋CB由六個電子開關(guān)、SA2、Sm、Sb2、Sci、Sc2 構(gòu)成，其中每個電子開關(guān)S由一個可控開關(guān)器件V及一個反并聯(lián)續(xù)流二極管D構(gòu)成，該可控開關(guān)器件V可以采用IGBT或IGCT器件。
如圖2所示，三相可控橋CB的控制不需要脈寬調(diào)制(PWM)，也沒有任何閉環(huán)調(diào)節(jié)， 三相可控橋CB橋中每個開關(guān)被用作交流進線電源的同步開關(guān)，每周期只開通和關(guān)斷一次， 于自然換流點(a = 0° )處開始導(dǎo)通，持續(xù)120°后關(guān)斷。由于電路中開關(guān)器件的開關(guān)頻率只有50Hz，遠低于現(xiàn)在常用的AFE裝置，因此，有助于提高變換器出力。在進線交流電壓高于直流母線電壓時，電流經(jīng)與IGBT(或IGCT)反并聯(lián)的續(xù)流二極管從交流電源流向直流母線實現(xiàn)整流功能；當(dāng)進線交流電壓低于直流母線電壓時，電流經(jīng)IGBT (或IGCT)從直流母線流向交流電源實現(xiàn)回饋功能。
在圖1所示電路的基礎(chǔ)上，還可以在三相可控橋CB旁并聯(lián)一個二極管整流橋DB 來擴展裝置的整流功率，如圖4所示。該電路的整流功率大于回饋功率，從而滿足整流功率大于回饋功率的要求，特別適用于公共直流母線的交-直電源。
本交-直變換電源的交流進線功率因數(shù)及相電流諧波與二極管三相整流器基本相同，屬于6脈波整流電路，對大容量裝置，和二極管整流器一樣，也可使用如圖1或圖4所示的2套或4套電路串/并聯(lián)工作，構(gòu)成12或M脈波整流電路以減小諧波，這時要求各套交流進線電源之間彼此隔離并相移30°或15°。
本交-直變換電源與二極管整流方式不同，在電網(wǎng)線電壓瞬時值小于直流母線電壓Ud時，本交-直變換電源允許電流從直流母線，經(jīng)開關(guān)器件和進線電抗器流向電網(wǎng)。圖 3給出了在空載、整流和回饋三種狀態(tài)下開關(guān)器件Sai導(dǎo)通期間的Ud、線電壓uAB和uAC及A 相電流iA波形。在這期間uAB或uAC與直流正母線接通，它們與Ud之差加至進線電抗X，線電壓大于Ud時iA向正方向變化，線電壓小于Ud時iA向負方向變化?？蛰d狀態(tài)時(圖3a)， Idl = 0 (Idl-直流母線±逆變器側(cè)直流電流，它是本交-直變換電源的負載電流)，直流電壓Ud = Udo = 1. 35 (Udtl-理想空載整流電壓，隊_電網(wǎng)線電壓有效值)，線電壓與Ud之差的正負伏-秒面積相同，iA時正時負，平均值=0，沒有功率從電網(wǎng)流向直流母線或返回。整流狀態(tài)時(圖北)，Idl > 0，整流電壓Ud略降，略低于< 5% )，正伏-秒面積加大、負伏-秒面積減小，iA正向增大反向減小，直至無反向電流，平均值大于0，由于這時線電壓大于0，故功率從電網(wǎng)流向直流母線。回饋狀態(tài)時(圖3c)，Idl <0，整流電壓Ud略微升高， 大于< 5% )，負伏-秒面積加大、正伏-秒面積減小，iA反向加大正向減小，直至無正向電流，平均值小于0，由于這時線電壓大于0，故功率從直流母線流向電網(wǎng)。從上述三種狀態(tài)分析知，整流和回饋狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及流過功率的大小都取決于Ud的變化，依據(jù)變換器的負載要求(、值)自動實現(xiàn)，不需要任何閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制電路特別簡單。
從圖3中還可以看出，加在本交-直變換電源進線電抗X上的脈動電壓的幅值很小，故需要的進線電抗值較小，這些值都與相應(yīng)容量的通用變壓器的漏抗值相同，因此可采用通用變壓器作為整流變壓器，不必像AFE那樣必須使用高漏抗變壓器。
在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，電壓突然降低過多或完全掉電時，立即關(guān)斷本發(fā)明變換器中所有可控電力電子開關(guān)，該交-直變換電源變成二極管整流橋工作方式，不存在逆變顛覆問題，不會出事故。
需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，其特征在于包括由六個電子開關(guān)構(gòu)成的三相可控橋、三相進線電抗器和直流貯能電容，三相進線電抗器一端與三相交流進線電源相連接，三相進線電抗器另一端連接到三相可控橋的交流側(cè)，三相可控橋的直流側(cè)與直流貯能電容相連接，該三相可控橋中的每個電子開關(guān)由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯(lián)續(xù)流二極管構(gòu)成，整流時功率從交流進線電源流向直流母線， 回饋時功率從直流母線流回交流進線電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源， 其特征在于通過在三相可控橋旁并聯(lián)一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源， 其特征在于三相可控橋的控制方式是每個開關(guān)被用作交流進線電源的同步開關(guān)，每個交流進線電源周期只開通和關(guān)斷一次。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，其技術(shù)特點是基本電路包括由六個電子開關(guān)構(gòu)成的三相可控橋CB、三相進線電抗器X和直流貯能電容Cd，該三相可控橋中的每個電子開關(guān)由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯(lián)續(xù)流二極管構(gòu)成。本發(fā)明三相可控橋中電子開關(guān)采用與交流進線電源同步的控制方式，不需要采用脈寬調(diào)制，也無任何閉環(huán)調(diào)節(jié)，其控制及調(diào)試方式簡單、運行安全可靠，可通過增設(shè)二極管整流橋DB滿足整流功率大于回饋功率的要求，在應(yīng)用時，可2套或4套基本電路串/并聯(lián)工作，構(gòu)成12或24脈波整流電路以減小諧波。
文檔編號H02M7/797GK102510235SQ20111033744
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者宋鵬, 楚子林, 王建峰, 許希, 金雪峰, 馬小亮 申請人:天津天傳電氣有限公司, 天津電氣傳動設(shè)計研究所