一種四象限變頻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于變頻器【技術領域】，提供了一種四象限變頻器，變頻器設置在電網(wǎng)和感應電機之間，在變頻器直流母線側設置能量回饋單元，變頻器上直流母線的負極端DC-與能量回饋單元的DC-電氣連接，變頻器上的DC+與能量回饋單元的DC+端電氣連接，能量回饋單元的三相交流輸出并接在變頻器的輸入側R、S、T，能量回饋單元的端子PE端子可靠接地，能量回饋裝置檢測到變頻器母線電壓達到其設定值時，便會將回饋電能轉換為工頻頻率傳送至電網(wǎng)進行節(jié)能調(diào)節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)點在于外接能量回饋裝置，將電機產(chǎn)生的電能通過反饋再加到，變頻器的輸入端，加裝電抗器，避免了諧波污染，使得功率因數(shù)大幅提升，實現(xiàn)了電能的高效利用率。
【專利說明】一種四象限變頻器【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于變頻器控制【技術領域】，涉及一種在一些快速制動的場合，如電梯、起重、礦山提升機、離心機、油田抽油機、風力并網(wǎng)發(fā)電等場合用的四象限變頻器。
【背景技術】
[0002]變頻調(diào)速技術涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域，采用變頻調(diào)速技術是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經(jīng)濟效益，通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，即三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。這類變頻器雖然在工業(yè)中獲得廣泛應用，但是不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾葹V波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍；為了解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國西門子公司已經(jīng)推出了電機四象限運行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情。國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現(xiàn)電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點:(1)浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生`的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的現(xiàn)狀，而提供一種四象限變頻器，使得通用變頻器頻率及電壓可控、易操作等特點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對電機制動產(chǎn)生電能的重復利用，功率因數(shù)大幅提高，最終達到理想的節(jié)能效果。
[0004]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種四象限變頻器，變頻器設置在電網(wǎng)和感應電機之間，其特征在于，在變頻器直流母線側設置有用于實時監(jiān)視及控制母線并使四象限穩(wěn)定運行達到節(jié)能的能量回饋單元，所述的變頻器上直流母線的負極端DC-與能量回饋單元的DC-電氣連接，變頻器上的DC+與能量回饋單元的DC+端電氣連接，能量回饋單元的三相交流輸出并接在變頻器的輸入側R、S、T，能量回饋單元的端子PE端子可靠接地，所述的能量回饋裝置檢測到變頻器母線電壓達到其設定值時，便會將回饋電能轉換為工頻頻率傳送至電網(wǎng)進行節(jié)能調(diào)節(jié)。
[0005]為優(yōu)化上述方案采取的措施具體包括:
[0006]在上述的一種四象限變頻器中，所述的變頻器的電氣設計部分包括依次電連接的整流部分、充電回路、濾波部分、逆變部分、控制回路部分和人機界面部分，所述的整流部分包括六個二極管并用于將工頻交流電整流為脈動的直流電，供下級電路使用，所述的充電回路用于對沖擊電流的抑制、緩沖以及上電作用，所述的濾波部分用于將脈動的直流電變得平緩，消除尖峰電壓，逆變部分再將直流電轉換為交流電輸出，完成整個主回路的動作，控制回路部分包括隔離驅(qū)動板、開關電源板和主控板，控制回路部分用于在整個過程中起到對于主回路進行全面調(diào)控的作用，所述的隔離驅(qū)動板用于輸出相應的SPWM脈沖，從而控制IGBT門極的開關速率，達到調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出頻率的目的，所述的開關電源板用于達到對電壓、頻率的實時控制，主控板用于運算和保護電路為輔對各個輸入信號進行處理、運算，所述的人機界面部分主要用于使用者對其內(nèi)部參數(shù)的設定、更改和監(jiān)視以及各項報警和故障輸出顯不。
[0007]在上述的一種四象限變頻器中，所述的充電回路由充電電阻和接觸器組成，充電電阻用于在上電瞬間給儲能電容充電，起到對沖擊電流的抑制和緩沖作用，充電完畢后接觸器會繼而吸合，將充電電阻短路，完成變頻器的上電。
[0008]在上述的一種四象限變頻器中，所述的濾波部分采用大容量電解電容組并用于負責將脈動的直流電變得平緩，消除尖峰電壓。
[0009]在上述的一種四象限變頻器中，所述的能量回饋單元的電氣設計部分包括為逆變部分、直流濾波部分、交流濾波部分以及能量回饋電源板部分，所述的能量回饋單元的直流逆變部分用來將直流電轉變?yōu)榉悼烧{(diào)而頻率跟電網(wǎng)相同的過程，所述的能量回饋單元的濾波部分采用大容量電解電容，并用于將脈動的直流電變得平緩同時消除尖峰電流，所述的能量回饋單元的交流濾波部分用于LC濾波處理，防止諧波干擾，能量回饋電源板主要由驅(qū)動電路、開關電源、保護電路組成，完成整個運行過程中的控制、調(diào)節(jié)和報警功能。
[0010]在上述的一種四象限變頻器中，所述的能量回饋單元的交流濾波部分由輸出電抗器、交流接觸器和交流濾波電容加在回饋單元的三相輸出上組成，并用于LC濾波處理防止回饋產(chǎn)生的諧波干擾電網(wǎng)。
[0011]在上述的一種四象限變頻器中，所述的能量回饋單元的逆變部分由逆變模塊組成，并用于實現(xiàn)直流電轉換為電壓幅值可調(diào)且頻率跟電網(wǎng)側相同的交流電輸出。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0013]I)此方案采用開放式設計理念來設計，變頻器沒有外殼機箱，故可以減少生產(chǎn)成本且安裝靈活性較高；
[0014]2)可以實現(xiàn)電機的軟啟動，減小瞬間大電流對電機的沖擊以及消除對電網(wǎng)的巨大波動；
[0015]3)變頻器的過壓、過流、過載、短路等多重保護功能及遠程監(jiān)控功能，從而使得電機運行的穩(wěn)定性、可靠性得到保證；
[0016]4)變頻器的直流母線端加能量回饋裝置使變頻器處于四象限運行，可以避免采用制動電阻帶來的發(fā)熱嚴重問題，可以避免制動電阻有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓等問題，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性；
[0017]5)外接能量回饋裝置，將電機產(chǎn)生的電能通過反饋再加到，變頻器的輸入端，加裝電抗器，避免了諧波污染，使得功率因數(shù)大幅提升，實現(xiàn)了電能的高效利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本變頻器部分的電氣連接圖；
[0019]圖2為本能量回饋單元的電氣連接圖；
[0020]圖3為本變頻器和能量回饋單元的整體結構電氣連接圖。
【具體實施方式】
[0021]以下是本發(fā)明的具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0022]圖中，整流部分I ;接觸器2 ;充電電阻3 ;電解電容4 ;逆變部分5 ;開關電源板6 ；主控板7 ;熔斷器8 ;大容量電解電容9 ;能量回饋電源板10 ;逆變模塊11 ;霍爾傳感器12 ；交流電抗器13 ;交流濾波電容14 ;交流接觸器15 ;變頻器16 ;能量回饋單元17 ;隔離驅(qū)動板18。
[0023]如圖3所示，本四象限變頻器，變頻器16設置在電網(wǎng)和感應電機之間，在變頻器16直流母線側設置有用于實時監(jiān)視及控制母線并使四象限穩(wěn)定運行達到節(jié)能的能量回饋單元17，變頻器16上直流母線的負極端DC-與能量回饋單元17的DC-電氣連接，變頻器16上的DC+與能量回饋單元17的DC+端電氣連接，能量回饋單元17的三相交流輸出并接在變頻器16的輸入側R、S、T，能量回饋單元17的端子PE端子可靠接地，所述的能量回饋裝置檢測到變頻器16母線電壓達到其設定值時，便會將回饋電能轉換為工頻頻率傳送至電網(wǎng)進行節(jié)能調(diào)節(jié)，當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)時，電機產(chǎn)生的能量通過變頻器逆變側的二極管回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定值時，能量回饋控制部分啟動，將直流逆變?yōu)榻涣?，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。
[0024]具體來說，變頻器16采用開放式設計為將變頻器16的電氣部件固定在散熱器上，而沒有獨立的外殼罩住，結構整體采用壁掛式設計，一是變頻器16的電氣設計，二是能量回饋的電氣設計，三是兩者之間的電氣連接。
[0025]變頻器16的電氣設計部分包括依次電連接的整流部分1、充電回路、濾波部分、逆變部分15、控制回路部分和人機界面部分。
[0026]整流部分I包括六個二極管并用于將工頻交流電整流為脈動的直流電，供下級電路使用，充電回路由充電電阻3和接觸器2組成，充電電阻3用于在上電瞬間給儲能電容充電，起到對沖擊電流的抑制和緩沖作用，充電完畢后接觸器2會繼而吸合，將充電電阻3短路，完成變頻器16的上電。
[0027]濾波部分采用電解電容4組并用于負責將脈動的直流電變得平緩，消除尖峰電壓，逆變部分15再將直流電轉換為交流電輸出，完成整個主回路的動作，控制回路部分包括隔離驅(qū)動板18、開關電源板6和主控板7，控制回路部分用于在整個過程中起到對于主回路進行全面調(diào)控的作用，所述的隔離驅(qū)動板18用于輸出相應的SPWM脈沖，從而控制IGBT門極的開關速率，達到調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出頻率的目的，開關電源板6用于達到對電壓、頻率的實時控制，主控板7用于運算和保護電路為輔對各個輸入信號進行處理、運算，所述的人機界面部分主要用于使用者對其內(nèi)部參數(shù)的設定、更改和監(jiān)視以及各項報警和故障輸出顯不O
[0028]能量回饋單元17的電氣設計部分包括為逆變部分、直流濾波部分、交流濾波部分以及能量回饋電源板10部分，能量回饋單元17的逆變部分用來將直流電轉變?yōu)榉悼烧{(diào)而頻率跟電網(wǎng)相同的過程。
[0029]能量回饋單元17的直流濾波部分采用大容量電解電容9，并用于將脈動的直流電變得平緩同時消除尖峰電流，所述的能量回饋單元17的交流濾波部分用于LC濾波處理，防止諧波干擾，能量回饋單元17的交流濾波部分由輸出電抗器、交流接觸器15和交流濾波電容14加在回饋單元的三相輸出上組成，并用于LC濾波處理防止回饋產(chǎn)生的諧波干擾電網(wǎng)。
[0030]所述的能量回饋單元17的逆變部分由逆變模塊11組成，并用于實現(xiàn)直流電轉換為電壓幅值可調(diào)且頻率跟電網(wǎng)側相同的交流電輸出
[0031]能量回饋的電源板主要由驅(qū)動電路、開關電源電路、檢測電路、保護電路組成，完成整個運行過程中的控制、調(diào)節(jié)和報警功能，能量回饋單元17采用全硬件設計理念，實時跟蹤母線電壓及電網(wǎng)相位頻率，電流閉環(huán)處理，從而控制IGBT門極的開關速率，使通用變頻器16可在四象限運行。
[0032]其中，檢測電路主要通過運算放大器及輔助電路對采樣電阻進行信號的放大和比較，實現(xiàn)多項保護功能，其中，開關電源電路主要由3844芯片、開關管、變壓器及其他穩(wěn)壓和校準電路組成，負責主控回路及外部高速散熱風機的正常運轉，其中，控制電路主要在信號的運算處理及各項模擬量、開關量和溫度檢測的輸出上完成變頻器16的各項控制功能，其中，人機界面負責使用者在變頻器16運行或停機中參數(shù)的設定、更改和監(jiān)視，其中，顯示部分為發(fā)光二極管組成的指示運行、回饋、報警三組工作狀態(tài)。
[0033]本發(fā)明的整個工作原理如下:
[0034]如圖1所示，當輸入測通入三相交流電后，變頻器16的整流部分I通過六個二極管的整流作用，將交流電轉換為脈動的直流電，再通過充電電阻3給電解電容4充電，電解電容4開始進行儲能，待充電完成后，接觸器2接收到主控板7的吸合信號，將充電電阻3短路，此時，便完成變頻器16的上電動作。之后，濾波部分對直流電進行平波，逆變部分將直流電轉換為大小和頻率可調(diào)的交流電輸出，開關電源板6和主控板7在整個過程中起到對于主回路進行全面調(diào)控的作用，其中開關電源板6會通過驅(qū)動電路、開關電源部分、檢測電路、保護電路等達到對電壓、頻率的實時控制，其中主控板7會以DSP主控芯片為核心、其他運算和保護電路為輔對各個輸入信號進行處理、運算，從而達到實現(xiàn)各項控制效果的目的。
[0035]如圖2所示的實施例中，當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)時，產(chǎn)生的電能通過變頻器16逆變側的續(xù)流二極管回饋到變頻器16直流母線處，先經(jīng)過熔斷器8送給回饋單元的直流母線，以便在回饋單元故障時也能保護變頻器16側；再經(jīng)過大容量電解電容9進一步濾波；當能量回饋電源板10檢測到回饋單元的直流母線電壓超過交流接觸器15吸合設置點時，交流接觸器15將會吸合，此時整個系統(tǒng)將會進入回饋監(jiān)示狀態(tài)；當能量回饋電源板10進一步檢測到回饋單元的直流母線電壓超過回饋設置點且電網(wǎng)側的電壓正常時，能量回饋電源板10的驅(qū)動電路將會發(fā)控制脈沖給逆變模塊11，以便實現(xiàn)直流電轉換為電壓幅值可調(diào)且頻率跟電網(wǎng)側相同的交流電輸出，霍爾傳感器12將會實時地檢測逆變后的電流，并將電流值回饋至能量回饋電源板10進行閉環(huán)控制；交流電抗器13及交流濾波電容14組成LC濾波系統(tǒng)，防止回饋產(chǎn)生的諧波干擾電網(wǎng)。其內(nèi)部檢測電路完成其過流、過壓、過載、短路等保護和報警功能。
[0036]如圖3所示的實施例中，變頻器16上直流母線的負極端DC-與能量回饋單元17的DC-電氣連接；DC+與變頻器16上的P端電氣連接，它即為直流母線的正極端；能量回饋的三相交流輸出并接在變頻器16的輸入側R、S、T端子；PE端子可靠接地。當能量回饋單元17檢測到變頻器16母線電壓達到其設定值時，便會通過圖二所示實施例的工作原理，將回饋電能轉換為工頻頻率傳送至電網(wǎng)，最終達到可觀的節(jié)能效果。
[0037]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種四象限變頻器，變頻器設置在電網(wǎng)和感應電機之間，其特征在于，在變頻器直流母線側設置有用于實時監(jiān)視及控制母線并使四象限穩(wěn)定運行達到節(jié)能的能量回饋單元，所述的變頻器上直流母線的負極端DC-與能量回饋單元的DC-電氣連接，變頻器上的DC+與能量回饋單元的DC+端電氣連接，能量回饋單元的三相交流輸出并接在變頻器的輸入側R、S、T，能量回饋單元的端子PE端子可靠接地，所述的能量回饋裝置檢測到變頻器母線電壓達到其設定值時，便會將回饋電能轉換為工頻頻率傳送至電網(wǎng)進行節(jié)能調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的變頻器的電氣設計部分包括依次電連接的整流部分、充電回路、濾波部分、逆變部分、控制回路部分和人機界面部分，所述的整流部分包括六個二極管并用于將工頻交流電整流為脈動的直流電，供下級電路使用，所述的充電回路用于對沖擊電流的抑制、緩沖以及上電作用，所述的濾波部分用于將脈動的直流電變得平緩，消除尖峰電壓，逆變部分再將直流電轉換為交流電輸出，完成整個主回路的動作，控制回路部分包括隔離驅(qū)動板、開關電源板和主控板，控制回路部分用于在整個過程中起到對于主回路進行全面調(diào)控的作用，所述的隔離驅(qū)動板用于輸出相應的SPWM脈沖，從而控制IGBT門極的開關速率，達到調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出頻率的目的，所述的開關電源板用于達到對電壓、頻率的實時控制，主控板用于運算和保護電路為輔對各個輸入信號進行處理、運算，所述的人機界面部分主要用于使用者對其內(nèi)部參數(shù)的設定、更改和監(jiān)視以及各項報警和故障輸出顯示。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的充電回路由充電電阻和接觸器組成，充電電阻用于在上電瞬間給儲能電容充電，起到對沖擊電流的抑制和緩沖作用，充電完畢后接觸器會繼而吸合，將充電電阻短路，完成變頻器的上電。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的濾波部分采用大容量電解電容組并用于負責將脈動的直流電變得平緩，消除尖峰電壓。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的能量回饋單元的電氣設計部分包括為逆變部分、直流濾波部分、交流濾波部分以及能量回饋電源板部分，所述的能量回饋單元的直流逆變部分用來將直流電轉變?yōu)榉悼烧{(diào)而頻率跟電網(wǎng)相同的過程，所述的能量回饋單元的濾波部分采用大容量電解電容，并用于將脈動的直流電變得平緩同時消除尖峰電流，所述的能量回饋單元的交流濾波部分用于LC濾波處理，防止諧波干擾，能量回饋電源板主要由驅(qū)動電路、開關電源、保護電路組成，完成整個運行過程中的控制、調(diào)節(jié)和報警功能。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的能量回饋單元的交流濾波部分由輸出電抗器、交流接觸器和交流濾波電容加在回饋單元的三相輸出上組成，并用于LC濾波處理防止回饋產(chǎn)生的諧波干擾電網(wǎng)。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種四象限變頻器，其特征在于，所述的能量回饋單元的逆變部分由逆變模塊組成，并用于實現(xiàn)直流電轉換為電壓幅值可調(diào)且頻率跟電網(wǎng)側相同的交流電輸出。
【文檔編號】H02M1/12GK103825470SQ201410086283
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權日:2014年3月10日
【發(fā)明者】黃萬攀, 陳友, 江挺 申請人:臺州富凌電氣有限公司