高效率整流逆变一体化能量回馈系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效率整流逆变一体化能量回馈系统，前级电路包括滤波器、三相可控整流器、两两串联然后再并联的直流母线电容、电网电压检测电路、直流母线电压检测电路、输入电流传感器、控制电路，还包括三个双向开关，所述三个双向开关的一端分别连接到可控整流器三个桥臂的中点，另一端都连至直流母线电容的串联点；后级电路包括三相逆变器及电机。母线电压低于设定值时，三相可控整流器的开关管都关断，其反并二极管与三个双向开关构成升压整流器，进行功率因数校正，给后级电路供电；母线电压高于设定值时，三个双向开关不导通，可控整流器以三相逆变器模式向电网回馈发电。本系统实现了整流逆变一体化，具有功率因数高，效率高等优点。
【专利说明】高效率整流逆变一体化能量回馈系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能量回馈系统，特别是使用三相供电的整流逆变一体化的电力电子系统。
【背景技术】
[0002]在全球发展绿色经济、倡导低碳生活的趋势下，节能环保低碳产业是节能降耗的必然选择。电机系统节能改造工程已经成为国家节能减排的一个重点。
[0003]在一些电机快速起停、频繁正反转的场合，当电机制动和带动位能性负载下降时，电机处于发电状态。会向电机的变频器母线注入电流，使变频器母线电压上升，这种泵升电压达到一定数值，就会击穿变频器的工作元件。
[0004]为了防止变频器母线泵升电压过高，通常在变频器直流母线并联能耗单元，把直流母线上接收的电能通过能耗电阻以热的方式释放掉。这种解决方案的能耗单元需要占用较大的空间，而且浪费了电机发出的电量。
[0005]为了能够利用电机发电产生的电能，通过在变频器母线并联能量回馈装置的办法，可以实现把回馈能量转换为交流电送入电网，但是，这种方案存在以下缺点:
(1)对于电机来说，整流和回馈是两个装置，系统复杂，元器件多，成本高；
(2)实际应用时，经常存在回馈装置和变频器不匹配，回馈装置干扰变频器，导致变频器不能正常工作而无法实际应用的情况；
(3)当电网电压降低时，变频器直流母线电压随着降低，母线电压降低到一定程度，电机工作性能下降，甚至无法正常工作。
[0006]为了实现整流逆变一体化，采用三相可控整流器构成的一体化的能量回馈电路是一种较新的方案，如图1所示。但是这种电路工作在整流模式时，有以下缺点:在一个开关周期内，开关管的开关次数较多，开关损耗和驱动损耗较大；需要选用能够承受全部直流母线电压的开关管，高电压开关管导通损耗大；整流系统效率不高。
[0007]因此，在有能量回馈的电机调速系统中，现有方案存在整流效率不高或者装置复杂、成本闻、应用范围受:限等缺点。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种高效率整流逆变一体化的能量回馈系统，用来克服现有一体化能量回馈系统在整流模式时由于开关损耗、驱动损耗和导通损耗大而使效率较低的缺点，提供一种能有效提高整流效率的一体化能量回馈系统。
[0009]一种高效率整流逆变一体化能量回馈系统，应用在使用三相电网供电的具有能量反馈的电力电子系统中，前级电路包括滤波器、三相可控整流器、两两串联然后再并联的直流母线电容、电网电压检测电路、直流母线电压检测电路、输入电流传感器、控制电路、还包括三个双向开关，所述三个双向开关的一端分别连接到可控整流器三个桥臂的中点，另一端都连至直流母线电容的串联点；后级电路包括三相逆变器及电机； 所述三相可控整流器由六个开关管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二极管构成；
所述直流母线电压检测电路检测正负直流母线电压的大小并把检测值送给控制电
路；
所述控制电路检测电网电压、输入电流、直流母线电压，根据检测信号进行闭环控制，输出驱动信号、驱动三相可控整流器的开关管及双向开关的导通与关断；
所述滤波器由电感和电容组成。
[0010]所述三个双向开关的功能是，在驱动信号的控制下，能够根据需要实现电流正向或者反向的流通和断开；双向开关既可以是二极管、IGBT、MOSFET、整流桥等半导体器件通过正确的组合来构成，也可以是其他适合的双向导通器件。
[0011]所述控制电路检测到母线电压低于设定值时，三相可控整流器的开关管都关断，其反并二极管与三个双向开关(Kl，K2，K3)构成升压整流器，进行功率因数校正，给后级电路供电；母线电压高于设定值，三个双向开关断开，三相可控整流器以三相逆变器模式向电网回馈发电。进行功率因数校正，保证了系统在整流状态具有高的功率因数和低的谐波，达到绿色环保的目的。
[0012]所述系统工作在整流状态时，双向开关只承受一半的母线电压值，低额定电压值的双向开关的导通损耗大大降低；系统中较多的二极管参与工作，二极管的开关损耗、驱动损耗和导通损耗与相同功率等级的开关管相比得到了较大的降低。因此，系统的整流效率得到了提高。
[0013]所述后级电路包括三相逆变器和电机；所述三相逆变器在前级处于整流状态时，给电机提供电能，驱动电机工作；当电机回馈发电时，三相逆变器把电机回馈产生的电能通过直流母线传送给前级电路。
[0014]所述直流母线电容，用于实现低频滤波或者储能稳压的目的。其连接方式是:电容先两两串联，然后再并联接在正负直流母线上，并把串联点连接起来，形成母线电压的中点。
[0015]本发明的优点是:把功率因数校正电路、回馈逆变发电功能集成在一个电路中，实现了整流逆变一体化，提高了功率因数、减小了硬件复杂性，降低了系统成本，提高了可靠性，而且使电路在整流模式时的效率有了较大的提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有一体化能量回馈方案原理图。
[0017]图2是本发明的实现方案原理图。
[0018]图3是本发明的第一实施例电路原理图。
[0019]图4是本发明的第二实施例电路原理图。
[0020]图5是本发明的第一实施例电路在整流模式时，输入电流仿真波形。
[0021]图6是本发明的回馈与整流状态转换控制流程图。
【具体实施方式】
[0022]本说明书实施例所述的内容，仅仅是对本发明思想实现形式的有限列举，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
[0023]本发明提供了一种高效率整流逆变一体化能量回馈系统，能够克服现有一体化能量回馈系统的整流器效率不高的缺点。下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0024]图3是本发明第一实施例电路原理图。该一体化能量回馈系统前级电路包括滤波器、三相可控整流器、两两串联然后再并联的直流母线电容、电网电压检测电路、直流母线电压检测电路、输入电流传感器、控制电路、还包括三个双向开关模块，所述三个双向开关的一端分别连接到可控整流器三个桥臂的中点，另一端都连至直流母线电容的串联点；后级电路包括三相逆变器及电机；
所述三相可控整流器由六个IGBT开关管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二极管构成； 所述直流母线电压检测电路检测正负直流母线电压的大小并把检测值送给控制电
路；
所述滤波器由电感和电容组成。
[0025]所述控制电路检测电网电压、输入电流、正负直流母线电压，根据检测信号进行闭环反馈控制，在整流模式时，输出驱动信号控制双向开关Tl和T2(或者Τ3和Τ4，或者Τ5和Τ6)的导通与关断，进行母线电压平衡控制和功率因数校正，保证了装置在整流状态具有高的功率因数和低的谐波，达到绿色环保的目的；在回馈发电时，电流参考信号的相位频率与电网保持一致，幅值的大小根据直流母线电压自适应调节，向电网送入同频率和同相位的正弦交流电。
[0026]所述三个双向开关模块的功能是，在驱动信号的控制下，能够根据需要实现电流正向或者反向的流通和断开；双向开关模块使用两个IGBT (Tl和Τ2、Τ3和Τ4、Τ5和Τ6 )反向串联来构成。系统工作在整流状态时，双向开关管正向导通的电流路径是L4 (L5或者L6)，T1 (或者T3，或者T5)，T2 (或者Τ4，或者Τ6)的反并二极管，母线电容的串联点；电流反向流通路径是，母线电容的串联点，Τ2 (或者Τ4，或者Τ6)，Τ1 (或者Τ3，或者Τ5)的反并二极管，L4 (L5或者L6)。与现有一体化能量回馈系统的整流电路相比，由于Tl，Τ2，Τ3，Τ4, Τ5，Τ6的耐压值是母线电压的一半，所以导通损耗大大降低；电路中有较多的二极管参与工作，使整流电路的开关损耗和驱动损耗得到了较大的降低。
[0027]所述控制电路在系统运行过程中，实时检测到母线电压，当母线电压值低于设定值730V时，系统工作在整流用电状态，三相可控整流器的开关管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)都关断，其反并二极管与三个双向开关模块(Tl和Τ2、Τ3和Τ4、Τ5和Τ6 )构成升压整流器，进行功率因数校正，给后级电路供电；当母线电压高于设定值730V时，系统工作在回馈发电状态，三个双向开关模块断开，三相可控整流器以三相逆变器模式把回馈到母线上的能量转换为与电网电压同频率同相位的交流电注入电网。
[0028]所述后级电路包括三相逆变器和电机；所述三相逆变器在前级处于整流状态时，给电机提供电能，驱动电机工作；当电机回馈发电时，三相逆变器把电机回馈产生的电能通过直流母线传送给前级电路。`
[0029]所述的多组串联的电容，用于实现低频滤波或者储能稳压的目的。其连接方式是:由电容C4，…，Cn先两两串联，然后再并联接在正负直流母线上，并把串联点连接起来，形成母线电压的中点。
[0030]图4是本发明第二实施例电路原理图。与图3相比，区别主要是双向开关的构成形式不同，图4的双向开关用四个整流二极管连成一个整流桥，然后把一个IGBT并联在整流桥中间组合实现。由于双向开关模块中只有一个IGBT，所以系统的驱动电路也相应减少了。双向开关模块的正向电流路径是，L4 (L5或者L6)，D1 (或者D5，或者D9)，Tl (或者T2，或者T3)，D4 (或者D8，或者D12)，母线电容的串联点；反向路径是，母线电容的串联点，D3 (或者D7，或者D11)，Tl (或者T2，或者T3)，D2 (或者D6，或者D10)，L4 (L5或者L6)。
[0031]图5是本发明的第一实施例电路在整流模式时，输入电流仿真波形。从仿真波形看出，本能量回馈一体化系统在整流模式时具有较好的输入电流波形。
【权利要求】
1.一种高效率整流逆变一体化能量回馈系统，应用在使用三相电网供电并且具有能量双向流动的电力电子系统中，前级电路包括滤波器、三相可控整流器、两两串联然后再并联的直流母线电容、电网电压检测电路、直流母线电压检测电路、输入电流传感器、控制电路、还包括三个双向开关，所述三个双向开关的一端分别连接到可控整流器三个桥臂的中点，另一端都连至直流母线电容的串联点；后级电路包括三相逆变器及电机； 所述三相可控整流器由六个开关管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二极管构成； 所述直流母线电压检测电路检测正负直流母线电压的大小并把检测值送给控制电路； 所述控制电路检测电网电压、输入电流、正负直流母线电压，根据检测信号进行闭环控制，输出驱动信号、驱动三相可控整流器的开关管及双向开关的导通与关断； 所述滤波器由电感和电容组成。
2.根据权利要求1所述的高效率整流逆变一体化能量回馈系统，其特征是，所述双向开关的功能是，根据驱动信号的控制能够按照要求实现电流正向或者反向的流通和断开，采用能完成此功能的器件来实现。
3.根据权利要求1或者2所述的高效率整流逆变一体化能量回馈系统，其特征是，所述双向开关采用二极管、IGBT, MOSFET、整流桥等半导体器件通过正确的组合来构成。
4.根据权利要求1所述的高效率整流逆变一体化能量回馈系统，其特征是，所述的直流母线电容的实现方法是:电容先两两串联，然后再并联接在正负直流母线上，并把串联点连接起来，形成母线电压的中点。
5.根据权利要求1或者2所述的高效率整流逆变一体化能量回馈系统，其特征是，所述控制电路检测到母线电压低于设定值时，三相可控整流器的开关管都关断，其反并二极管与三个双向开关(Kl，K2，K3)构成升压整流器，进行功率因数校正，给后级电路供电；母线电压高于设定值，三个双向开关都断开，三相可控整流器以三相逆变器模式向电网回馈发电。
6.根据权利要求1或者5所述的高效率整流逆变一体化能量回馈系统，其特征是，所述后级电路包括三相逆变器和电机；所述三相逆变器在前级处于整流状态时，给电机提供电能，驱动电机工作；当电机回馈发电时，三相逆变器把电机回馈产生的电能通过直流母线传送给前级电路。
【文档编号】H02J3/38GK103515978SQ201310090036
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2013年3月21日
【发明者】王林兵 申请人:王林兵