專利名稱：一種高性能四象限變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子領(lǐng)域，尤其涉及一種驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的高性能四象限變頻器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器前端多使用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娮儞Q成直流電，這種變頻器結(jié)構(gòu)存在的主要問題是:I)輸入電流含有較大的諧波。由于二極管整流橋的特點(diǎn)，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干擾問題，是造成目前電網(wǎng)污染的重要原因，該污染問題將隨著電網(wǎng)設(shè)備中變流器應(yīng)用的不斷增加變得越來越嚴(yán)重。2)從電網(wǎng)吸收無功功率、輸入功率因數(shù)較低，且不可控。3)無法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。由于二極管整流橋只允許電流單向流動(dòng)，能量只能由輸入向輸出傳遞，無法反向流動(dòng)。4)輸出直流電壓不可控。重載時(shí)直流母線電壓會(huì)有所跌落，而能量回饋時(shí)又會(huì)抬升直流電壓，存在直流過壓的危險(xiǎn)，從而危及功率開關(guān)器件，因此需要加裝大功率的直流過壓吸收電阻和開關(guān)器件，這樣又會(huì)造成能量的浪費(fèi)。另外，目前國(guó)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(chǎn)品，但其性能參數(shù)與國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有一定差異，而且不適合應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)特殊的永磁同步直線電機(jī) 負(fù)載。如:中國(guó)專利ZL02104139.3，提供了一種無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，它包括多個(gè)反饋橋和反饋橋控制電路。但是，它僅僅是一個(gè)能量回饋裝置，無法改善二極管整流之諧波污染問題，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓、輸入功率因數(shù)的控制。再如:中國(guó)專利ZL200810120160.4，提出了一種直流側(cè)電壓可控型四象限變頻器及其方法。它實(shí)現(xiàn)直流電壓控制，改善網(wǎng)側(cè)電流品質(zhì)并將再生電能回饋至電網(wǎng)，但是其僅側(cè)重于前端整流器的控制，尤其側(cè)重直流電壓的控制方法。但是，并沒有涉及對(duì)整個(gè)變頻系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。還如:中國(guó)專利ZL200910107449.7，提出了一種三相同步整流電路并提供了一種同步整流電路的控制方法。但其僅僅針對(duì)同步整流器本身，并無涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)內(nèi)容。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)狀，本實(shí)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(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器輸入諧波大、能量不能雙向流動(dòng)、功率因數(shù)不可調(diào)、直流電壓不受控、整流側(cè)和逆變側(cè)不協(xié)調(diào)的問題。本實(shí)用新型的另一目的還提供了整流器和逆變器協(xié)調(diào)起來進(jìn)行控制的方法，使整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性實(shí)現(xiàn)間歇性運(yùn)行規(guī)律。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的。一種高性能四象限變頻器，包括:依次連接的主接觸器、預(yù)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(jī)連接，在所述預(yù)充電電阻的兩端并聯(lián)有輔接觸器，及整流器與逆變器之間設(shè)有電解電容，通過主接觸器與三相交流電源連接；具有電網(wǎng)電壓檢測(cè)、輸入電流檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)、直流電流檢測(cè)的輸出端均與控制系統(tǒng)中的采樣模塊相連，控制系統(tǒng)的整流觸發(fā)脈沖和逆變觸發(fā)脈沖均通過光纖或雙絞線分別與所對(duì)應(yīng)的全控型開關(guān)器件的控制端連接。本新型的整流器和逆變器組成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)永磁同步直線電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行特性具有間歇性運(yùn)行規(guī)律，整流器利用逆變器側(cè)的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，同時(shí)整流器利用逆變器側(cè)電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)整流器和逆變器停止運(yùn)行期間不消耗電能的間歇性運(yùn)行。本新型中，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的功率電路中的整流器和逆變器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上完全相同，形成“背靠背”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；整流器和逆變器中均采用全控型可關(guān)斷功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT，每個(gè)絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管，在可控整流器中，第一個(gè)功率器件SI與第二個(gè)功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個(gè)功率器件S3與第四個(gè)功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個(gè)功率器件S5與第六個(gè)功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個(gè)功率器件Gl與第二個(gè)功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個(gè)功率器件G3與第四個(gè)功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個(gè)功率器件G5與第六個(gè)功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。本新型中，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的電壓電流檢測(cè)裝置包括:電網(wǎng)電壓檢測(cè)放在主接觸器的二 次側(cè)或一次側(cè)，輸入電流檢測(cè)串聯(lián)在電抗器的輸入線路中，直流母線電壓檢測(cè)并聯(lián)在電解電容兩端，直流電流檢測(cè)串聯(lián)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(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性具有間歇性運(yùn)行規(guī)律，該控制系統(tǒng)中包括整流器的直流母線電壓控制環(huán)節(jié)，有功電流和無功電流控制環(huán)節(jié)，功率前饋環(huán)節(jié)，整流器和逆變器的聯(lián)合控制環(huán)節(jié)，給定間歇運(yùn)行規(guī)律環(huán)節(jié)；其中直流母線電壓控制環(huán)節(jié)將母線電壓給定值與反饋值做差送入PI調(diào)節(jié)器Gl (s)，調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定值，加上功率前饋環(huán)節(jié)的計(jì)算值得到整流器的最終有功電流給定值，然后將整流器實(shí)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(jìn)行比較，其差值分別送入PI調(diào)節(jié)器G2 (s)得到整流器的參考電壓給定值，再利用網(wǎng)側(cè)電壓前饋得到最終的調(diào)制波電壓給定值，最后將其送入PWM脈沖發(fā)生器控制整流器按指令可靠運(yùn)行。本新型根據(jù)永磁同步直線電機(jī)負(fù)載的特殊工作特性，提前預(yù)設(shè)定好電機(jī)的不同間歇運(yùn)行規(guī)律和給定運(yùn)行頻率，逆變器控制算法根據(jù)這些設(shè)定值生成控制指令，然后PWM脈沖發(fā)生器根據(jù)控制指令產(chǎn)生需要的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變器側(cè)的功率開關(guān)器件動(dòng)作，控制永磁同步直線電機(jī)的周期往復(fù)動(dòng)作。
本新型中，整流器和逆變器的聯(lián)合運(yùn)行控制包括，整流器利用逆變側(cè)的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)受逆變器的間歇運(yùn)行規(guī)律控制，同時(shí)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?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，總諧波畸變率(THD)可以控制在5%以下，對(duì)電網(wǎng)無諧波污染。2)能量可以雙向流動(dòng)，不再需要耗能電阻，降低損耗、節(jié)約能源。3)能實(shí)現(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行。4)輸出直流電壓可控。不論重載、輕載、甚至能量回饋時(shí)，直流側(cè)電壓都能通過控制將其保持在一個(gè)設(shè)定值。5)整流器和逆變器具有協(xié)調(diào)工作的能力，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的特殊運(yùn)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(tǒng)控制原理圖；圖3是圖2的運(yùn)行規(guī)律圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本新型作詳細(xì)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(yù)充電電阻3輸入端相連接，輔接觸器4并聯(lián)在預(yù)充電電阻3兩端，預(yù)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的輸出端并聯(lián)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(jī)9相連接構(gòu)成的功率電路。本實(shí)施例中，還包括電網(wǎng)電壓檢測(cè)10、輸入電流檢測(cè)U、直流母線電壓檢測(cè)12、直流電流檢測(cè)13，所述的電網(wǎng)電壓檢測(cè)10、輸入電流檢測(cè)11、直流母線電壓檢測(cè)12、直流電流檢測(cè)13的輸出端均與控制系統(tǒng)14的采樣模塊15相連。控制系統(tǒng)14的整流觸發(fā)脈沖16和逆變觸發(fā)脈沖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(shí)施例中，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的功率電路中的整流器6和逆變器8在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上完全相同，形成“背靠背”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；整流器6和逆變器8中均采用全控型可關(guān)斷功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT，每個(gè)絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管，在整流器中，第一個(gè)功率器件SI與第二個(gè)功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個(gè)功率器件S3與第四個(gè)功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個(gè)功率器件S5與第六個(gè)功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個(gè)功率器件Gl與第二個(gè)功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個(gè)功率器件G3與第四個(gè)功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個(gè)功率器件G5與第六個(gè)功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。本實(shí)施例中，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的電壓電流檢測(cè)裝置包括:電網(wǎng)電壓檢測(cè)10放在主接觸器2的二次側(cè)或一次側(cè)，輸入電流檢測(cè)11串聯(lián)在電抗器5的輸入線路中，直流母線電壓檢測(cè)12并聯(lián)在電解電容7兩端，直流電流檢測(cè)13串聯(lián)在可控整流器3的正極輸出線路中。本實(shí)施例中的電解電容7還可以是多個(gè)電解電容的串并聯(lián)組合，每個(gè)電解電容7上均并聯(lián)有靜態(tài)均壓電阻。在本實(shí)施例中可控整流器6和逆變器8都由全控型器件(如IGBT)加反并聯(lián)二極管組成的橋式電路結(jié)構(gòu)。如圖2給出了系統(tǒng)控制原理圖，本實(shí)施例的控制系統(tǒng)14，是將整流器6和逆變器8統(tǒng)一起來協(xié)調(diào)控制，整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)永磁同步直線電機(jī)的運(yùn)行特性具有間歇性運(yùn)行規(guī)律。所述的控制系統(tǒng)包括整流器6的直流母線電壓控制環(huán)節(jié)18，有功電流和無功電流控制環(huán)節(jié)19，功率前饋控制環(huán)節(jié)20，以及整流器6和逆變器8的聯(lián)合運(yùn)行控制環(huán)節(jié)21。本實(shí)施例中，直流母線電壓控制環(huán)節(jié)18將母線電壓給定值Udcr與反饋值Udc做差送入PI調(diào)節(jié)器Gl (S)，調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定值ird，加上功率前饋環(huán)節(jié)給定值ifd得到整流器6的最終有功電流給定值(ird+ifd)，然后將可控整流器6實(shí)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(jìn)行比較，其差值送入PI調(diào)節(jié)器G2 (S)得到整流器6的參考電壓給定值Urd和Urq，再利用網(wǎng)側(cè)電壓前饋值Usd和Usq得到最終的調(diào)制波電壓給定值Urefd和Urefq，最后將其送入PWM脈沖發(fā)生器得到整流器觸發(fā)脈沖16，控制整流器6按指令可靠運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓和保證輸入電流單位功率因數(shù)的目的。整流器6利用功率前饋環(huán)節(jié)提高直流母線電壓的可控性能，利用逆變器8的給定運(yùn)行規(guī)律控制整流器6的啟停時(shí)刻達(dá)到間歇運(yùn)行目的。本實(shí)施例的逆變器8的控制指令主要包括，永磁同步直線電機(jī)的給定運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行頻率。根據(jù)運(yùn)行規(guī) 律和運(yùn)行頻率逆變器的PWM脈沖發(fā)生器就能產(chǎn)生需要的逆變器觸發(fā)脈沖17，控制永磁同步直線電機(jī)按指令運(yùn)行。同時(shí)將逆變器的間歇運(yùn)行規(guī)律傳遞給整流器6達(dá)到系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行目的。本新型的整流器和逆變器的聯(lián)合運(yùn)行控制方法，整流器利用逆變側(cè)的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)受逆變器的間歇運(yùn)行規(guī)律控制，同時(shí)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(jù)永磁同步直線電機(jī)負(fù)載的特殊工作特性，提前預(yù)預(yù)設(shè)定好永磁同步直線電機(jī)的不同間歇運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行頻率，然后逆變器側(cè)的PWM脈沖發(fā)生器利用這些設(shè)定值產(chǎn)生需要的觸發(fā)脈沖17，驅(qū)動(dòng)逆變器側(cè)的功率開關(guān)器件動(dòng)作，從而控制直線電機(jī)的間歇運(yùn)行。如圖3給出了運(yùn)行規(guī)律環(huán)節(jié)22的逆變器和整流器的運(yùn)行規(guī)律圖。根據(jù)給定間歇運(yùn)行規(guī)律確定逆變器的運(yùn)行時(shí)間(t3-t2)和停止時(shí)間(t6-t3)，整流器利用這一時(shí)間信息，它將在tl時(shí)刻就啟動(dòng)，先于逆變器的啟動(dòng)時(shí)刻t2 ;同時(shí)整流器將在t4時(shí)刻停止運(yùn)行，滯后于逆變器的停止運(yùn)行時(shí)刻t3，從而確保逆變器運(yùn)行前及整個(gè)運(yùn)行過程中整流器已經(jīng)建立起直流母線電壓，也達(dá)到了根據(jù)電機(jī)運(yùn)行特性整個(gè)系統(tǒng)具備間歇運(yùn)行的目的。其中tl- t2-t3- t4- t5為一個(gè)運(yùn)行周期，t5- t6- t7- t8- t9- tlO為下一個(gè)運(yùn)行周期，運(yùn)行特性相同。在整流器和逆變器停止運(yùn)行期間，整個(gè)變頻器裝置不消耗電能，因此相對(duì)于傳統(tǒng)變頻器，本新型變頻器具有更加節(jié)能的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種高性能四象限變頻器，其特征在于，包括: 依次連接的主接觸器(2)、預(yù)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(jī)(9)連接，在所述預(yù)充電電阻的兩端并聯(lián)有輔接觸器(4)，及可控整流器(6)與逆變器(8)之間設(shè)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(wǎng)電壓檢測(cè)(10)、輸入電流檢測(cè)(11)、直流母線電壓檢測(cè)(12)、直流電流檢測(cè)(13)的輸出端均與控制系統(tǒng)(14)中的采樣模塊(15)相連，控制系統(tǒng)(14)的整流觸發(fā)脈沖(16)和逆變觸發(fā)脈沖(17)均通過光纖或雙絞線分別與所對(duì)應(yīng)的全控型功率器件的控制端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特征在于，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的功率電路中的可控整流器(6)和逆變器(8)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上完全相同，形成“背靠背”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可控整流器(6)和逆變器(8)中均采用全控型可關(guān)斷功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT，每個(gè)絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管，在可控整流器中，第一個(gè)功率器件SI與第二個(gè)功率器件S4之間為電源A相輸入端，第三個(gè)功率器件S3與第四個(gè)功率器件S6之間為電源B相輸入端，第五個(gè)功率器件S5與第六個(gè)功率器件S2之間為電源C相輸入端，在逆變器中，第一個(gè)功率器件Gl與第二個(gè)功率器件G4之間為逆變器U相輸出端，第三個(gè)功率器件G3與第四個(gè)功率器件G6之間為逆變器V相輸出端，第五個(gè)功率器件G5與第六個(gè)功率器件G2之間為逆變器W相輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特征在于，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步直線電機(jī)的電壓電流檢測(cè)裝置包括:電網(wǎng)電壓檢測(cè)(10)放在主接觸器(2)的二次側(cè)或一次側(cè)，輸入電流檢測(cè)(11)串聯(lián)在電抗器(5)的輸入線路中，直流母線電壓檢測(cè)(12)并聯(lián)在電解電容(7)兩端，直流電流檢測(cè)(13)串聯(lián)在可控整流器(3)的正極輸出線路中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能四象限變頻器，其特征在于，整流器和逆變器組成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性具有間歇性運(yùn)行規(guī)律，該控制系統(tǒng)中包括整流器的直流母線電壓控制環(huán)節(jié)(18)，有功電流和無功電流控制環(huán)節(jié)(19)，功率前饋環(huán)節(jié)(20)，整流器和逆變器的聯(lián)合控制環(huán)節(jié)(21)，給定間歇運(yùn)行規(guī)律環(huán)節(jié)(22);其中直流母線電壓控制環(huán)節(jié)將母線電壓給定值與反饋值做差送入PI調(diào)節(jié)器Gl (s)，調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定值，加上功率前饋環(huán)節(jié)的計(jì)算值得到整流器的最終有功電流給定值，然后將整流器實(shí)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(jìn)行比較，其差值分別送入PI調(diào)節(jié)器G2 (s)得到整流器的參考電壓給定值，再利用網(wǎng)側(cè)電壓前饋得到最終的調(diào)制波電壓給定值，最后將其送入PWM脈沖發(fā)生器控制整流器按指令可靠運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高性能四象限變頻器，其特征在于，整流器和逆變器的聯(lián)合運(yùn)行控制包括，整流器利用逆變側(cè)的功率前饋提高直流母線電壓的控制性能，整流器的PWM脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)受逆變器的間歇運(yùn)行規(guī)律控制，同時(shí)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(shí)用新型公開了一種高性能四象限變頻器，以實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓可控，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小，能量可以雙向流動(dòng)，變頻器具備間歇性運(yùn)行規(guī)律，更加節(jié)能。不論重載、輕載、甚至能量回饋時(shí)，直流側(cè)電壓都能通過控制將其保持在一個(gè)設(shè)定值。其控制過程是將整流器和逆變器結(jié)合起來進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，整流器利用逆變器側(cè)的信息進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，且整流器的運(yùn)行規(guī)律與逆變器側(cè)的電機(jī)運(yùn)行規(guī)律相配合達(dá)到間歇性運(yùn)行的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，從而節(jié)約電能。本新型具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量低、正弦度高、對(duì)電網(wǎng)無諧波污染，整流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，且具有自動(dòng)升壓功能并且能控制直流母線電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/458GK203119838SQ20132005140
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者楊超 申請(qǐng)人:秦皇島國(guó)能石油裝備有限公司