专利名称：双向功率流高效节能变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变频器，尤其涉及一种可以实现电网和电动机之间的 能量双向传送、高功率因数和高效节能的变频器。
背景技术：
现有变频器大都采用结构为不可控整流——直流——逆变，控制方法 为空间电压矢量的通用变频器。
但这种变频器存在一些弊端。首先，当电动机减速或者所传动的位能 负载下放时，电动机处于发电状态，变频器逆变器的六个回馈二极管将这 种电能回馈到直流侧，因为不可控整流器的单向流动性使电能无法返回电 网，从而导致变频器直流母线电压升高而无法正常工作。所以要使变频器 直流母线电压保持在正常工作范围内，必须对这些能量进行处理。
由图1可见三相交流电经不可控整流器来提供直流电压，不可控整 流器采用的是普通二极管，由于二极管的单向性，所以当电动机处于发电 状态，电能经PWM逆变器使直流母线电压升高一定值时，通过控制绝缘栅
双极型晶体管Q1导通使制动电阻R来消耗直流母线上的电能，从而使直流 电压降到允许值。这种方式不但浪费能源，而且污染环境。另外，由于整 流器的输入电流就是给电解电容E1的充电电流，所以电流波形不是正弦波，
高次谐波含量相当大，这种变频器的功率因数较低，造成许多不良影响，
例如占用电网容量；污染电网，引起电网电压波形畸变，使线路上的其 它设备无法正常工作等等。再次，驱动PWM逆变器的空间电压矢量控制方 式是建立在异步电动机稳态数学模型基础上的，动态性能不高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种双向功率流高效节能变频 器，旨在解决上述的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的
本发明包括PWM逆变器、电解电容、接触器、异步电动机、键盘 控制显示单元；还包括三相交流电的A相、B相、C相通过第一电感、 第二电感、第三电感分别与PWM整流器的R、 S、 T端相连，PWM整流器 的Pl端与接触器的三个输入触点相连，接触器的三个输出触点与PWM逆 变器的P端相连，电阻与接触器并联，PWM整流器的N端与PWM逆变器 的N端相连，电解电容正极与PWM逆变器的P端相连，电解电容负极和 PWM逆变器的N端相连，PWM逆变器的U、 V、 W端分别与异步电动机 的三相相连；电网电压采样信号、输入电流采样信号、直流电压采样信号 与SPWM信号发生及缺相保护单元相连，SPWM信号发生及缺相保护单元的六 个驱动输出信号与PWM整流器相连，SP丽信号发生及缺相保护单元与磁 链闭环矢量控制代码参数处理单元相连，输出电压采样信号、输出电流采 样信号、直流电压采样信号与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元相连， 磁链闭环矢量控制代码参数处理单元的驱动信号与PWM逆变器相连，磁链 闭环矢量控制代码参数处理单元与键盘控制显示单元相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是采用双PWM变频主电路拓扑 结构，将三相PWM整流与三相PWM逆变结合在一起，实现四象限控制的 变频器，使电网和电动机之间的能量双向传送，当电机发电时可以直接将 电能回馈电网，并能自动调整制动转矩，不仅保护了环境，而且节约了电 能；大幅度提高功率因数，既能有效抑制电磁干扰、谐波污染又减少开关 损耗；整个系统采用双闭环矢量控制方案和自适应功能，具有良好的静动 态特性和低频起动特性。
图1是现有技术变频器模块图； 图2是本发明模块图3是图2中磁链闭环矢量控制代码参数处理单元模块图4是图2中SPW4信号发生及缺相保护单元模块图；
具体实施例方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
由图2可见，本发明包括PWM逆变器2、电解电容El、接触器KM1 、 异步电动机3、键盘控制显示单元6;还包括三相交流电的A相、B相、 C相通过第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3分别与PWM整流器1 的R、 S、 T端相连，PWM整流器1的Pl端与接触器KM1的三个输入触 点相连，接触器KM1的三个输出触点与PWM逆变器2的P端相连，电阻 Rl与接触器KM1并联，PWM整流器1的N端与PWM逆变器2的N端 相连，电解电容E1正极与PWM逆变器2的P端相连，电解电容E1负极 和PWM逆变器2的N端相连，PWM逆变器2的U、 V、 W端与异步电动 机3的三相相连；电网电压采样信号、输入电流采样信号、直流电压采样 信号与SPWM信号发生及缺相保护单元4相连，SPWM信号发生及缺相保护单 元4的六个驱动输出信号与PWM整流器1相连，SP丽信号发生及缺相保 护单元4与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元5相连，输出电压采样信 号、输出电流采样信号、直流电压采样信号与磁链闭环矢量控制代码参数 处理单元5相连，磁链闭环矢量控制代码参数处理单元5的驱动信号与PWM 逆变器2相连，磁链闭环矢量控制代码参数处理单元5与键盘控制显示单 元6相连。
所述的PWM整流器1和PWM逆变器2相同均是由6只IGBT (绝 缘栅双极型晶体管)组成；
1. 采用双PWM方式，即整流部分也通过PWM波控制，在电动机发电时， 直接通过SPWM整流器将能量回馈至电网，回馈电流为正弦波，且自动跟踪 电网电压相位，从而真正实现四象限控制的变频器。
2. 采用矢量控制方式。通过坐标变换将异步电动机等效成直流电动机， 把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，可以实现转 矩的快速调节，从而获得理想的动态性能。
由图3可见，所述的磁链闭环矢量控制代码参数处理单元包括转子
转速给定信号" 与转速反馈信号"r相比较后，经过转速调节器7得到转 矩给定信号T ^与转子磁链^2相除后产生转矩电流给定信号I*tl, I*tl 与转矩电流反馈信号Iti相比较后，经过转矩电流调节器10得到I*t;转 速反馈信号co r通过弱磁控制器20后作为转子磁链给定信号W*2， W*2与转 子磁链W2相比较后，经过磁链调节器8得到励磁电流给定信号I:i， I*ml
与励磁电流反馈信号Iml相比较后，经过励磁电流调节器9得到I;;所述
的I*t、 I*m、 "r通过电流电压变换11后得到励磁电压给定信号U*mi和转
矩电压给定信号U i;所述的lTna、 U*tl、 sin^、 cosSi通过反旋转变换
12后得到l/"cu、 U、i， U*ai、 U、i通过2/3变换13后得到三相电压给定
信号U 1、 U*vl、 U*wi;所述的lAa、 U*vl、 U i通过门极控制14产生 PWM逆变器2的驱动信号；输出电压采样信号Uuvw经3/2变换16得到U al、 Um;输出电流采样信号Iuvw经3/2变换17得到Iai、 所述的U
al、 U{3 1、 Ial、 lM经磁链观测15得到^2、 sin^、 COS^1;所述的I a 1、 Ipi、 sin ~、 COS Pl经旋转变换18后得到Iml。 Itl;所述的Uuvw、 IUVW
经过速度估测19后得到"r。
由图4可见，SPWM信号发生及缺相保护单元包括A相电压信号经第 一整流器21与第一电阻R21相连，第一电阻R21再经第二电阻R22与第一 运放22的正极相连，第一运放22的正极和输出间用第三电阻R23连接， 第一运放22的正极和地间用第一电容C21连接，第一运放22的输出与极 性鉴别器25相连，A相电压信号还与极性鉴别器25相连，A相电流信号 经第二整流器31与第一运放22的负极相连，直流母线电压信号与PWM (脉 宽调制)信号发生单元24相连，PWM信号发生单元的输出与第一反相器 23、第二反相器36和第三反相器37的输入端相连，第一反相器23的输出 面玲珑端与第一电阻R21和第二电阻R22的节点相连；B相电压信号经第 三整流器32与第四电阻R24相连，第四电阻R24再经第五电阻R25与第二 运放38的正极相连，第二运放38的正极和输出间用第六电阻R26连接， 第二运放38的正极和地间用第二电容C22连接，第二运放38的输出与极 性鉴别器25相连，B相电压信号还与极性鉴别器25相连，B相电流信号经 第四整流器33与第二运放38的负极相连，第二反相器36的输出端与第四 电阻R24和第五电阻R25的节点相连；C相电压信号经第五整流器34与第 七电阻R27相连，第七电阻R27再经第八电阻R28与第三运放39的正极相 连，第三运放39的正极和输出间用第九电阻R29连接，第三运放39的正 极和地间用第三电容C23连接，第三运放39的输出与极性鉴别器25相连， C相电压信号还与极性鉴别器25相连，C相电流信号经第六整流器35与第 三运放39的负极相连，第三反相器37的输出端与第七电阻R27和第八电 阻R28的节点相连；所述的极性鉴别器25的六组输出分别经第一光藕26、
第二光藕40、第三光藕41、第四光藕42、第五光藕43、第六光藕44的隔 离后作为P丽整流器1的第一驱动信号Gl、第二驱动信号G2、第三驱动信 号G3、第四驱动信号G4、第五驱动信号G5、第六驱动信号G6; A、 B、 C三 相电流信号经过零电流检测27和与门28的一个输入端相连，与门28的另 一输入端和PWM信号发生单元24相连，与门28的输出端也和PWM信号发 生单元24相连；直流母线电压信号和P丽信号发生单元24相连；A、 B、 C 三相电压信号经整流器30与比较器29的负输入相连，基准电压与比较器 29的正输入相连，比较器29的输出端接P丽信号发生单元24， PWM信号发 生单元24与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元相连。 本发明的主要性能是
1. 输入电流为正弦波，且自动跟踪电网电压的相位，功率因数>0.95。
2. 能根据再生电能的多少，而自动调整最佳制动转矩。
3. 干扰较传统变频器降低一半以上。
4. 全数字矢量控制方式，速度和电流双环调速系统。在l: IO的速度 范围内，速度精度<0.5%，转速上升时间《100ms;低速过载能力达 到150% (5hz);载波频率1.0-16.0KHz连续可调；输出频率分辨 率0.01Hz;具有自动启动，故障试恢复，动态参数修改，过电压、 过电流、过负载、过热和欠电压保护，输入欠压、缺相保护，"无跳 闸功能"等等。
采用PWM整流器，即斩控式整流器，整流器由6只IGBT组成，当直流 母线电压上升到一定值时，使其工作在有源逆变状态。具体过程是以十几 KHz的频率对相电压检测信号进行给电容充放电，从而产生了在50Hz正弦 波上叠加十几KHz三角波的波形，用这个波形作为参考信号与实际相电流 检测信号相比较，其偏差经过具有滞环特性的高增益放大器，控制整流器 的该相上下两个桥臂IGBT的通或断，迫使实际电流不断跟踪给定参考信号
的波形从而实现了回馈电流为正弦波，且自动跟踪电网电压的相位。在这 里采用单极式，在电压正半周时，只控制上桥臂的通断；而在电压负半周
时，只控制下桥臂的通断。
采用一个PWM信号发生单元由磁链闭环矢量控制代码参数处理单元
5的DSP芯片TMS320F2407的IO口产生具有一定占空比、频率为十几KHz、 三相共用的开关信号。根据直流母线的电压值来调节PWM信号发生单元输 出开关信号的占空比当电压值较高时，增大占空比，也就是增大给电容 的充电时间，减少给电容的放电时间，使正弦波的有效值增加，那么实际 回馈电流有效值也会增加，从而实现了增大制动转矩；当电压值较低度时， 减小占空比，也就是减小给电容的充电时间，增大给电容的放电时间，使 正弦波的有效值减小，那么实际回馈电流有效值也会减小，从而实现了减 小制动转矩。
采用速度外环和电流内环的双闭环矢量控制方式。如图3所示，三相 坐标系下的交流电流Iuvw通过三/二变换可以等效成两相静止坐标系下的交
流电流Ial、 Ipi。
Ual、 U^同样可以用此三/二变换公式求出。
再通过按转子定向的旋转变换成在同步旋转坐标系下的直流电流Im][、
<formula>formula see original document page 13</formula>
磁链^2的观测采用电压模型法，
<formula>formula see original document page 13</formula>注Zr是转子的电感，
Z^是定转子之间的互感，
<formula>formula see original document page 13</formula>
电压电流变换中U:i、 U*
<formula>formula see original document page 13</formula>注^是定子时间常数, ^是转子时间常数，
反旋转变换器VR"中U:、 iTtl和lTal、 U、1的关系为:
<formula>formula see original document page 14</formula>二/三变换是上面三/ 1
:变换逆过程，具体公式为:
<formula>formula see original document page 14</formula>弱磁控制是当频率在基底频率以下时，保持磁通不变，属于恒转矩调
速；当频率在基底频率以上时，进入恒功率区，此时磁通与频率成反比地 降低。
速度估测是由于不采用速度传感器，通过对输出电压和电流的采样信 号进行转速的估算。
权利要求
1.一种双向功率流高效节能变频器，包括PWM逆变器(2)、电解电容(E1)、接触器(KM1)、异步电动机(3)、键盘控制显示单元(6)；其特征在于还包括三相交流电的A相、B相、C相通过第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)分别与PWM整流器(1)的R、S、T端相连，PWM整流器(1)的P1端与接触器(KM1)的三个输入触点相连，接触器(KM1)的三个输出触点与PWM逆变器(2)的P端相连，电阻(R1)与接触器(KM1)并联，PWM整流器(1)的N端与PWM逆变器(2)的N端相连，电解电容(E1)正极与PWM逆变器(2)的P端相连，电解电容(E1)负极和PWM逆变器(2)的N端相连，PWM逆变器(2)的U、V、W端与异步电动机(3)的三相相连；电网电压采样信号、输入电流采样信号、直流电压采样信号与SPWM信号发生及缺相保护单元(4)相连，SPWM信号发生及缺相保护单元(4)的六个驱动输出信号与PWM整流器(1)相连，SPWM信号发生及缺相保护单元(4)与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元(5)相连，输出电压采样信号、输出电流采样信号、直流电压采样信号与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元(5)相连，磁链闭环矢量控制代码参数处理单元(5)的驱动信号与PWM逆变器(2)相连，磁链闭环矢量控制代码参数处理单元(5)与键盘控制显示单元(6)相连。
2. 根据权利要求1所述的双向功率流高效节能变频器，其特征在于 所述的PWM整流器(1)和PWM逆变器(2)相同均是由6只绝缘栅双 极型晶体管组成。
3. 根据权利要求1或2所述的双向功率流高效节能变频器，其特征在 于所述的磁链闭环矢量控制代码参数处理单元包括转子转速给定信号" 与转速反馈信号"r相比较后，经过转速调节器(7)得到转矩给定信 号T /与转子磁链^2相除后产生转矩电流给定信号^u，卩u与转矩电 流反馈信号Iti相比较后，经过转矩电流调节器(10)得到I*t;转速反馈 信号"r通过弱磁控制器(20)后作为转子磁链给定信号W ，W 与转子 磁链W2相比较后，经过磁链调节器(8)得到励磁电流给定信号I:!， I*ml 与励磁电流反馈信号Iml相比较后，经过励磁电流调节器(9)得到I*m;所 述的1 、I:、 "r通过电流电压变换(11)后得到励磁电压给定信号l/^ 和转矩电压给定信号l/u;所述的U:i、 U*ti、 sin"i、 cos^通过反旋转 变换(12)后得到U、1、 U、b U*al、 U、i通过2/3变换(13)后得到三相电压给定信号lAn、lTvl、U 1;所述的l/"ul、U*V1、 U 1通过门极控制(14)产生PWM逆变器(2)的驱动信号；输出电压采样信号Uuvw经 3/2变换(16)得到Ucu、 Up1;输出电流釆样信号Iuvw经3/2变换(17)得到Ial、 所述的Ual、 UM、 Ial、 I P 1经磁链观测(15)得到^2、sin Pi、 cos 所述的Ial、 Iei、 sin ~、 cos 经旋转变换(18)后得到Iml。 Itl;所述的Uuvw、 Iuvw经过速度估测(19)后得到"r。
4.根据权利要求1或2所述的双向功率流高效节能变频器，其特征在 于SPWM信号发生及缺相保护单元包括A相电压信号经第一整流器(21) 与第一电阻(R21)相连，第一电阻(R21)再经第二电阻(R22)与第一运 放(22)的正极相连，第一运放(22)的正极和输出间用第三电阻(R23) 连接，第一运放(22)的正极和地间用第一电容(C21)连接，第一运放(22) 的输出与极性鉴别器(25)相连，A相电压信号还与极性鉴别器(25)相 连，A相电流信号经第二整流器(31)与第一运放(22)的负极相连，直 流母线电压信号与PWM信号发生单元(24)相连，P簡信号发生单元的输 出与第一反相器(23)、第二反相器(36)和第三反相器(37)的输入端相 连，第一反相器(23)的输出面玲珑端与第一电阻(R21)和第二电阻(R22) 的节点相连；B相电压信号经第三整流器(32)与第四电阻(R24)相连， 第四电阻(R24)再经第五电阻(R25)与第二运放(38)的正极相连，第 二运放(38)的正极和输出间用第六电阻(R26)连接，第二运放(38)的 正极和地间用第二电容(C22)连接，第二运放(38)的输出与极性鉴别器(25)相连，B相电压信号还与极性鉴别器(25)相连，B相电流信号经第 四整流器(33)与第二运放(38)的负极相连，第二反相器(36)的输出 端与第四电阻(R24)和第五电阻(R25)的节点相连；C相电压信号经第五 整流器(34)与第七电阻(R27)相连，第七电阻(R27)再经第八电阻(R28) 与第三运放(39)的正极相连，第三运放(39)的正极和输出间用第九电 阻(R29)连接，第三运放(39)的正极和地间用第三电容(C23)连接， 第三运放(39)的输出与极性鉴别器(25)相连，C相电压信号还与极性鉴 别器(25)相连，C相电流信号经第六整流器(35)与第三运放(39)的负 极相连，第三反相器(37)的输出端与第七电阻(R27)和第八电阻(R28) 的节点相连；所述的极性鉴别器(25)的六组输出分别经第一光藕(26)、 第二光藕(40)、第三光藕(41)、第四光藕(42)、第五光藕(43)、第六 光藕(44)的隔离后作为P丽整流器(1)的第一驱动信号(Gl)、第二驱 动信号(G2)、第三驱动信号(G3)、第四驱动信号(G4)、第五驱动信号(G5)、 第六驱动信号(G6); A、 B、 C三相电流信号经过零电流检测(27)和与门(28)的一个输入端相连，与门(28)的另一输入端和P麵信号发生单元 (24)相连，与门(28)的输出端也和PWM信号发生单元(24)相连；直 流母线电压信号和P丽信号发生单元(24)相连；A、 B、 C三相电压信号经 整流器(30)与比较器(29)的负输入相连，基准电压与比较器(29)的 正输入相连，比较器(29)的输出端接P職信号发生单元(24)， P丽信号 发生单元(24)与磁链闭环矢量控制代码参数处理单元相连。
全文摘要
本发明涉及一种双向功率流高效节能变频器，采用双PWM变频主电路拓扑结构，将三相PWM整流与三相PWM逆变结合在一起，实现四象限控制的变频器，使电网和电动机之间的能量双向传送，当电机发电时可以直接将电能回馈电网，并能自动调整制动转矩，不仅保护了环境，而且节约了电能；大幅度提高功率因数，既能有效抑制电磁干扰、谐波污染又减少开关损耗；整个系统采用双闭环矢量控制方案和自适应功能，具有良好的静动态特性和低频起动特性。
文档编号H02M7/66GK101106338SQ20061002899
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者任海松, 童建立, 胡新宇, 匡 钱 申请人:上海神源电气有限公司