双PWM变频电源回馈能量处理装置及方法与流程

本发明涉及变频电源技术领域，尤其涉及一种双pwm变频电源回馈能量处理装置及方法。

背景技术：

如图1所示，电磁搅拌器使用的电压型交-直-交变频电源，通常包括pwm整流器4、中间环节3和pwm逆变器2。其中pwm整流器4包括由功率器件igbt(vt11和vt14,vt13和vt16,vt15和vt12)构成的整流桥；其中pwm逆变器2包括由可关断功率器件igbt(vt21和vt24,vt23和vt26,vt25和vt22)构成的逆变桥；其中中间环节3包括两串接的直流母线电容(c1和c2)和均压电阻(r1和r2)，直流母线储能电容用于稳定直流电压，均压电阻用于实现串联电解电容器的电压均等。当变频电源启动时，电网能量先由进线电抗器流动到pwm整流器4，并通过pwm整流器4将能量存储到直流母线电容上，后级pwm逆变器2又将直流母线电容存储的能量以逆变方式传输到负载。

对于惯性负载，在停机或系统故障时，系统产生的回馈能量汇集到直流母线电容上，若不能及时处理回馈能量,势必造成直流母线电压泵升，会引起直流母线过压保护动作、造成主回路功率器件和直流母线电容的过压损坏，进而影响系统正常工作，导致系统故障。

为确保系统的稳定运行，保证系统的正常工作，针对逆变侧的回馈能量通常的处理方式基本有两种：(1)能量通过在直流母线电容侧并联的制动单元和制动电阻，以电阻发热的形式消耗掉。采用此种方式接线简单、响应速度较快、易于实现，研发周期短；但也造成能量浪费、增加硬件成本、回馈能量无法预测难以很好的匹配制动电阻、电阻发热影响系统散热效果。(2)能量通过由晶闸管或igbt组成的外挂逆变单元，实现能量从负载侧向电网侧回馈。采用此种方式解决了能耗制动能量浪费、能耗制动效率低等问题；但是增加了硬件成本，易形成电流回环，能量不能很好地在网侧与负载侧双向流动。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种双pwm变频电源回馈能量处理装置及方法，使变频电源避免了因回馈能量而导致的系统故障发生，运行安全可靠，且成本低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种双pwm变频电源回馈能量处理装置，所述变频电源包括pwm整流器，中间环节以及控制器，所述中间环节包括两串接的直流母线电容，所述处理装置包括：信号采集电路，所述信号采集电路通过与两串接直流母线电容的连接点电连接来采集直流母线电压；制动单元，所述制动单元包括通过发热消耗回馈能量的制动电阻，所述制动单元与两串接直流母线电容并接；且所述制动单元和/或所述信号采集电路分别与所述控制器电连接；所述信号采集电路传输直流母线电压给所述控制器；所述控制器将直流母线电压与预设定的阈值ua和/或阈值ub进行比较，根据比较结果控制所述pwm整流器在整流和有源逆变状态之间切换或停止工作，或/和控制所述制动电阻有和没有制动电流流过。

优选方式为，所述制动单元的输出端通过开关器件与所述制动电阻电连接，所述制动单元通过控制所述开关器件的导通和截止，来控制所述制动电阻有和没有制动电流流过。

优选方式为，所述制动单元的输入端与所述控制器电连接，所述控制器控制所述制动单元去导通和截止所述开关器件；或，所述制动单元的输入端接入直流母线电压，所述制动单元通过比较内置基准电压与直流母线电压，来导通和截止所述开关器件，且所述基准电压大小为阈值ub。

优选方式为，所述控制器通过输出svpwm波给所述pwm整流器，控制所述pwm整流器由整流状态切换至有源逆变状态。

优选方式为，所述控制器传输直流母线电压与阈值ua之间的电压差给pi控制器，由pi控制器根据电压差输出控制信号给所述控制器，所述控制器根据控制信号传输svpwm波给所述pwm整流器。

优选方式为，所述信号采集电路通过设在电网上的第一霍尔传感器来采集电网电压，并传输给所述控制器；所述控制器根据电网电压，控制所述pwm整流器将回馈能量逆变成与电网电压幅值、频率以及相位一致的电能。

优选方式为，所述信号采集电路通过设在负载侧的第二霍尔传感器采集负载电源，并传输给所述控制器。

双pwm变频电源回馈能量处理方法，应用于双pwm变频电源，所述变频电源包括pwm整流器和中间环节，所述中间环节两端并接有用于消耗回馈能量的制动电阻，

所述处理方法，包括以下步骤：

获取直流母线电压；

判断直流母线电压是否与设定阈值ua和阈值ub相匹配；

如果是，则生成对应的控制信号；

根据所述控制信号控制所述pwm整流器在整流和有源逆变状态之间切换或停止工作，或/和，控制所述制动电阻有和没有制动电流流过。

优选方式为，所述判断直流母线电压是否与设定阈值ua和阈值ub相匹配，包括：

所述直流母线电压大于等于阈值ua，且小于阈值ub，则，根据所述控制信号控制所述pwm整流器切换到有源逆变状态，和控制所述制动电阻没有制动电流流过；

所述直流母线电压大于等于阈值ub，则，根据所述控制信号控制所述pwm整流器停止工作，和控制所述制动电阻有制动电流流过。

优选方式为，还包括以下步骤：

获取电网电压；

在控制所述pwm整流器切换到有源逆变状态时，根据所述电网电压，控制所述pwm整流器将回馈能量逆变成与电网电压幅值、频率以及相位一致的电能。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：

由于本发明的双pwm变频电源回馈能量处理装置及方法，其中处理装置包括信号采集电路和制动单元，其中信号采集电路通过与两串接直流母线电容的连接点电连接来采集直流母线电压；其中制动单元包括通过发热消耗回馈能量的制动电阻，制动单元与两串接直流母线电容并接；且制动单元和/或信号采集电路分别与控制器电连接。运行时，信号采集电路实时采集直流母线电压，并将该直流母线电压传输给控制器，由控制器将直流母线电压与预设定的阈值ua和/或阈值ub进行比较，并根据比较结果控制pwm整流器在整流和有源逆变状态之间切换或停止工作，或/和控制制动电阻有和没有制动电流流过，从而实现能量在电网侧与负载侧的双向流动，有效保护了直流母线电容，避免发生因回馈能量而引起的故障，使运行安全可靠，并且成本低。

由于信号采集电路通过设在电网上的第一霍尔传感器来采集电网电压，并传输给控制器；控制器根据电网电压，控制pwm整流器将回馈能量逆变成与电网电压幅值、频率以及相位一致的电能；使电网不产生谐波污染。

附图说明

图1是双pwm变频电源的示意图；

图2是制动单元的电路示意图；

图3是回馈能量分级处理图；

图4是本发明的双pwm变频电源回馈能量处理方法的框图；

图中：1-连接点，2-pwm逆变器，3-中间环节，4-pwm整流器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清除明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1、图2和图3所示，一种双pwm变频电源回馈能量处理装置，变频电源包括pwm整流器4，中间环节3，pwm逆变器2和控制器，本例中控制器为dsp控制器，优选tms320f28335；控制器分别通过驱动隔离、保护电路与pwm整流器4，pwm逆变器2电连接，驱动电路包括由ir2110芯片构成的igbt驱动电路，驱动电路输入端连接控制器，输出端连接pwm整流器4和pwm逆变器2；中间环节3包括两串接的直流母线电容c1和c2，与c1并接的均压电阻r1，以及与c2并接的均压电阻r2。

本发明的处理装置包括信号采集电路和制动单元，本例中信号采集电路为adc信号采集电路，即采集的直流母线电压经过模数转换后，传输给控制器；信号采集电路通过与两串接直流母线电容c1和c2的连接点1电连接，来采集直流母线电压；其中制动单元包括通过发热消耗回馈能量的制动电阻r，制动单元与两串接直流母线电容并接；且制动单元和/或信号采集电路分别与控制器电连接；信号采集电路传输直流母线电压给控制器；控制器将直流母线电压与预设定的阈值ua和/或阈值ub进行比较，根据比较结果控制pwm整流器4在整流和有源逆变状态之间切换或停止工作，或/和控制制动电阻r有和没有制动电流流过。本实施例中：信号采集电路通过设在电网上的第一霍尔传感器来采集电网电压，并传输给控制器，控制器获取实时电网电压；电网三相u、v和w上，设置的第一霍尔传感器分别为s11、s12和s13，各相上设置的第一霍尔传感器分别与信号采集电路电连接。

如图1、图2和图3所示，在停机或系统故障时，负载所储存的电磁能释放，能量由pwm逆变器2的功率器件igbt(vt21和vt24,vt23和vt26,vt25和vt22)集成的续流二极管向直流母线电容(c1和c2)充电，造成直流母线电压泵升。此时adc信号采样电路采集直流母线电压udc的实际值，并将实际值经过模数转换后传输给控制器，控制器将直流母线电压udc的实际值与预设定的阈值ua和阈值ub作比较。

如图3所示，当直流母线电压udc小于阈值ua时，此时属于正常的动态变化，无回馈能量或回馈能量较小，直流母线电压泵升较低，通过直流母线电容充电进行调节即可。当直流母线电压udc大于等于阈值ua并小于阈值ub时，此时存在较大的回馈能量，控制器判断应采用“能量回馈”处理方式，具体是：控制pwm整流器4切换至有源逆变状态，并保持制动电阻r没有制动电流流过；同时，控制器根据各相第一霍尔传感器采集的电网电压，控制pwm整流器4将回馈能量逆变成电能时，使其幅值、频率以及相位与当前的电网各相幅值、频率以及相位相一致，以便回馈能量流向电网时，对电网几乎不产生谐波污染。本发明利用了原有的pwm整流器4的硬件结构，实现了一级能量回馈，降低了成本，还迫使直流母线电压回落至正常范围，避免直流母线电压持续泵升引起故障，损坏直流母线电容。

当直流母线电压udc大于等于阈值ub时，表明存在大量的回馈能量，并且回馈能量功率大于pwm整流器4有源逆变功率，造成直流母线电压持续泵升，直流母线电容充电和能量回馈方式不能使系统正常运行，此时控制器判断应采用“能耗制动”处理方式，具体为：控制器控制pwm整流器4停止工作，脉冲封锁，使制动电阻r有制动电流流过，使制动电阻r释放热量，耗散回馈能量，避免母线直流电压持续泵升的同时，迫使直流母线电压迅速回落，直至直流母线电压udc小于阈值ua，此时，没有制动电流流过制动电阻r，制动电阻r在自然散热，降低自身温度，使系统恢复正常工作状态。

综上，本发明的双pwm变频电源回馈能量处理装置，利用了原有的硬件结构，实现能量在电网侧与负载侧的双向流动，有效保护了直流母线电容，避免发生因回馈能量而引起的故障，使运行安全可靠，并且成本低。

如图2所示，制动单元的输出端通过开关器件与制动电阻r电连接，制动单元通过控制开关器件的导通和截止，来控制制动电阻r有和没有制动电流流过。制动单元的输入端控制器电连接，控制器将信号采集电路采集的直流母线电压与阈值ub进行比较，当直流母线电压大于等于阈值ub，控制器输入对应电信号给制动单元，使制动单元输出端输出信号，使开关器件导通，制动电阻r有制动电流流过，否则，没有制动电流流过；或者，制动单元的输入端直接与两串联直流母线电容的连接点1电连接，此时制动单元内置有基准电压，该基准电压大小为阈值ub；其将实时采集的直流母线电压与基准电压相比较，一旦，当直流母线电压大于等于阈值ub，制动单元输出端输出信号，使开关器件导通，制动电阻r有制动电流流过，否则，没有制动电流流过。

本例中的制动单元包括基准电路和比较电路，基准电路内置基准电压，由比较电路将内置电压与直流母线电压进行比较，当直流母线电压大于等于阈值ub时，比较电路输出的导通信号，使开关器件导通，使制动电流流过制动电阻r，进行耗散回馈能量；当小于阈值ub时，开关器件截止，制动电阻r没有制动电流流过。上述开关器件优选功率器件igbt,图中为vt1。因本例中使用的制动单元为现有技术，制动单元的输出端与图2中制动单元控制器对应，在此不再详细描述其具体电路结构。

另外，本实施例中控制器通过输出svpwm波给pwm整流器，控制pwm整流器由整流状态切换至有源逆变状态。控制器传输直流母线电压udc与阈值ua之间的电压差给pi控制器，由pi控制器根据电压差输出控制信号给控制器，控制器根据控制信号传输svpwm波给pwm整流器。

如图1所示，信号采集电路通过设在负载侧的第二霍尔传感器采集负载电源，并传输给控制器；具体为：三相负载分别为串接负载线圈l1和电阻r24，负载线圈l2和电阻r25，负载线圈l3和电阻r26，对应设置的第二霍尔传感器分别为s21、s22和s23，各相第二霍尔传感器将负载侧电压分别传输给控制器，使控制器能够实时检测负载侧，更加可靠运行。

实施例二：

如图1、图2、图3和图4所示，双pwm变频电源回馈能量处理方法，应用于双pwm变频电源，变频电源包括pwm整流器4和中间环节3，中间环节3两端并接有用于消耗回馈能量的制动电阻r，

处理方法，包括以下步骤：

步骤s1、获取直流母线电压，本例中由adc信号采集电路，来采集两串接直流母线电容的连接点1电压来实现，可以采用其他方式进行采集；

步骤s2、判断直流母线电压是否与设定阈值ua和/或阈值ub相匹配；

步骤s3、如果是，则生成对应的控制信号；

步骤s4、根据控制信号控制pwm整流器4在整流和有源逆变状态之间切换或停止工作，或/和，控制制动电阻r有和没有制动电流流过；本例中制动电阻r受控于功率器件vt1，该功率器件vt1的控制端与制动单元的输出端连接；当vt1导通时，制动电阻r有制动电流流过，否则断开；当然，制动电阻r有和没有制动电流流过，可采用其他开关电路控制，不限所列举的功率器件vt1。

步骤s2具体包括：

直流母线电压小于阈值ua，没有动作，通过直流母线电容充电来保持可靠运行；

直流母线电压大于等于阈值ua，且小于阈值ub，则，根据控制信号控制pwm整流器4切换到有源逆变状态，和控制制动电阻r有制动电流流过；

直流母线电压大于等于阈值ub，则，根据控制信号控制pwm整流器4停止工作，和，控制制动电阻r没有制动电流流过。

本实施例中，还包括以下步骤：

获取电网电压，本例中采用第一霍尔传感器来采集电网电压，第一霍尔传感器与信号采集电路电连接，当然电网电压的采集不限霍尔传感器，还可以使用其他采样电路。

在控制pwm整流器4切换到有源逆变状态时，根据电网电压，控制pwm整流器4将回馈能量逆变成与电网电压幅值、频率以及相位相一致的电能；具体时为：控制器通过信号采样电路采集直流母线电压udc的实际值，经过模数转换后传输给控制器，控制器根据公式δudc＝udc-ua，计算直流母线电压增量，并将δudc送入pi控制器，由pi控制器根据δudc，输出对应的控制信号，控制器根据采集的实时信号分析电网各相电压，进而传输svpwm波经驱动隔离、保护电路传输给pwm整流器4，使pwm整流器4由整流状态切换到有源逆变状态，使经过逆变流向电网的回馈能量与电网相一致，使电网几乎没有谐波产生。

采用本发明的方法，通过“一级”能量回馈与“二级”耗散制动相配合的架构，既实现能量在网侧与负载侧的双向流动，又有效保护直流母线电容，同时由于利用pwm整流器电路结构不再增加系统硬件成本，还改善了整流器网侧的功率因数，几乎对电网不产生谐波污染；避免了双pwm变频电源因回馈能量而导致的系统故障，保证了系统的安全可靠运行。

以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种双pwm变频电源回馈能量处理装置及方法结构的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。