專利名稱：電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源的制作方法
電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源技術領域
本發明屬于電機控制用電壓型交-直-交變頻技術領域，特別涉及電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源。
背景技術：
電壓型交-直-交變頻器包括兩電平低壓變頻器、中點鉗位三電平中壓變頻器及H 橋級聯中壓變頻器，已在交流電動機調速傳動領域得到廣泛應用。電壓型交-直-交變頻器通常由交-直變換電源及直-交逆變器兩部分組成。在快速制動或位勢負載下放重物時， 電動機處于再生發電工作狀態，機械的動能或重物的勢能將通過電動機轉變成電能返回電源。電壓型逆變器允許雙向功率流動，可以把電動機的再生能量回送至直流母線上的貯能電容，能否進一步回饋交流電網則取決于交-直變換電源的型式，看它是否允許雙方向功率流動。本發明只涉及允許雙向功率流的變換器。
目前，常用的雙向功率流交-直變換電源有兩類晶閘管整流/回饋電源和 IGBT (或IGCT) PWM整流電源(常稱有源前端AFE)。下面分別對兩種類型的雙向功率流交-直變換電源的特點進行說明
晶閘管整流/回饋電源由正反兩個可控整流橋組成。這種電源使用晶閘管，價格相對較低，其最大問題是存在回饋橋逆變失敗的可能，若在回饋橋工作期間突然交流電源故障，進線電壓降低過多，將導致逆變顛覆，直流電源短路，燒毀熔斷器，這種故障曾在現場多次發生。另外，晶閘管整流/回饋電源的結構和控制也較為復雜。
IGBT (或IGCT) P麗整流電源(AFE)由IGBT (或IGCT)橋和交流進線電抗構成，采用PWM控制，是逆變器的逆應用。這種電源具有理想的性能雙方向功率流；正弦波網側電流(一個開關周期平均值)；功率因數超前/滯后可控，可以為1 ；電網異常降低時關斷全部可控開關器件，無顛覆問題。該類電源存在的主要問題是價格高(使用IGBT或IGCT器件，進線電抗大)、控制和調試麻煩，從而影響其應用；在用于大功率中壓變頻器時，由于開關器件的開關頻率低，網側諧波加大，效果將打折扣；很多應用場合希望裝置的逆變功率小于整流功率，這種電源難實現。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、運行可靠且性價比高的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源。
本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的
一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，包括由六個電子開關構成的三相可控橋、三相進線電抗器和直流貯能電容，三相進線電抗器一端與三相交流進線電源相連接，三相進線電抗器另一端連接到三相可控橋的交流側，三相可控橋的直流側與直流貯能電容相連接，該三相可控橋中的每個電子開關由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯續流二極管構成，整流時功率從交流進線電源流向直流母線，回饋時功率從直流母線流回交流進線電源。
而且，通過在三相可控橋旁并聯一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率。
而且，三相可控橋的控制方式是每個開關被用作交流進線電源的同步開關，每個交流進線電源周期只開通和關斷一次。
本發明的優點和積極效果是
1、本交-直變換電源在進線交流電壓高于直流母線電壓時，電流經與IGBT(或 IGCT)反并聯的續流二極管從交流電源流向直流母線實現整流功能；當進線交流電壓低于直流母線電壓時，電流經IGBT (或IGCT)從直流母線流向交流電源實現回饋功能，實現整流 /回饋雙方向功率流動。
2、本交-直變換電源的三相可控橋CB橋中每個開關被用作交流進線電源的同步開關，每周期只開通和關斷一次，不用PWM控制，無閉環調節，控制和調試簡單。
3、本交-直變換電源在交流電源故障或進線電壓降低過多時，可通過關斷所有 IGBT(或IGCT)來避免逆變顛覆發生。
4、本交-直變換電源通過在三相可控橋旁并聯一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率，可滿足整流功率大于回饋功率的要求，特別適用于作為公共直流母線的交-直電源。
5、本交-直變換電源的網側功率因數及電流諧波與二極管整流電源基本相同，可通過采用12或M脈波整流方法來減小諧波。
6、本交-直變換電源與晶閘管整流/回饋電源相比解決了晶閘管整流/回饋電源的逆變顛覆問題，并且控制和調試簡單。
7、本交-直變換電源與AFE相比由于進線電抗小及控制和調試簡單，因此價格較 AFE更低；開關頻率僅50Hz，比AFE低很多，可提高變換器出力，特別是使用高壓開關器件的變換器；在M脈波整流狀態的諧波含量較中壓AFE更低。
8、本交-直變換電源適合用于四象限H橋級聯中壓變頻器，比目前常用的AFE方案簡單許多。
圖1為本發明的基本電路圖，圖中X是三相進線電抗器，CB是由6個電子開關( 、 SA2> SB1, SB2, Sci, Sc2)構成的三相可控橋，每個電子開關S由一個可控開關器件V(IGBT或 IGCT)及一個反并聯續流二極管D構成，Cd是直流貯能電容；Id.K和Iil分別是交-直變換電源和逆變器的直流電流；Ud是直流母線電壓；uA、uB、uc是三相交流進線相電壓；是A相相電流；
圖2為圖1所示電路的三相交流進線相電壓(uA、uB、uc)及六個電子開關的門極驅動信號(G α 、Ga2、GB1、GB2、GC1、Gc2)不思圖3為圖1所示電路在空載、整流和回饋三種狀態下開關導通期間的直流母線電壓(Ud)、三相交流進線線電壓(Uab和Uac)及A相電流(iA)波形圖4為在圖1所示電路的基礎上并聯二極管橋DB的電路圖，圖中XBl和XB2是均流電抗器，X是三相交流進線電抗器。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述
一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，如圖1所示，包括三相可控橋CB、三相進線電抗器X和直流貯能電容Cd，三相進線電抗器X —端與三相交流進線相電壓相連接，三相進線電抗器X另一端連接到三相可控橋CB的輸入端，三相可控橋CB 的輸出端與直流貯能電容Cd相連接，三相可控橋CB由六個電子開關、SA2、Sm、Sb2、Sci、Sc2 構成，其中每個電子開關S由一個可控開關器件V及一個反并聯續流二極管D構成，該可控開關器件V可以采用IGBT或IGCT器件。
如圖2所示，三相可控橋CB的控制不需要脈寬調制(PWM)，也沒有任何閉環調節， 三相可控橋CB橋中每個開關被用作交流進線電源的同步開關，每周期只開通和關斷一次， 于自然換流點(a = 0° )處開始導通，持續120°后關斷。由于電路中開關器件的開關頻率只有50Hz，遠低于現在常用的AFE裝置，因此，有助于提高變換器出力。在進線交流電壓高于直流母線電壓時，電流經與IGBT(或IGCT)反并聯的續流二極管從交流電源流向直流母線實現整流功能；當進線交流電壓低于直流母線電壓時，電流經IGBT (或IGCT)從直流母線流向交流電源實現回饋功能。
在圖1所示電路的基礎上，還可以在三相可控橋CB旁并聯一個二極管整流橋DB 來擴展裝置的整流功率，如圖4所示。該電路的整流功率大于回饋功率，從而滿足整流功率大于回饋功率的要求，特別適用于公共直流母線的交-直電源。
本交-直變換電源的交流進線功率因數及相電流諧波與二極管三相整流器基本相同，屬于6脈波整流電路，對大容量裝置，和二極管整流器一樣，也可使用如圖1或圖4所示的2套或4套電路串/并聯工作，構成12或M脈波整流電路以減小諧波，這時要求各套交流進線電源之間彼此隔離并相移30°或15°。
本交-直變換電源與二極管整流方式不同，在電網線電壓瞬時值小于直流母線電壓Ud時，本交-直變換電源允許電流從直流母線，經開關器件和進線電抗器流向電網。圖 3給出了在空載、整流和回饋三種狀態下開關器件Sai導通期間的Ud、線電壓uAB和uAC及A 相電流iA波形。在這期間uAB或uAC與直流正母線接通，它們與Ud之差加至進線電抗X，線電壓大于Ud時iA向正方向變化，線電壓小于Ud時iA向負方向變化。空載狀態時(圖3a)， Idl = 0 (Idl-直流母線±逆變器側直流電流，它是本交-直變換電源的負載電流)，直流電壓Ud = Udo = 1. 35 (Udtl-理想空載整流電壓，隊_電網線電壓有效值)，線電壓與Ud之差的正負伏-秒面積相同，iA時正時負，平均值=0，沒有功率從電網流向直流母線或返回。整流狀態時(圖北)，Idl > 0，整流電壓Ud略降，略低于< 5% )，正伏-秒面積加大、負伏-秒面積減小，iA正向增大反向減小，直至無反向電流，平均值大于0，由于這時線電壓大于0，故功率從電網流向直流母線。回饋狀態時(圖3c)，Idl <0，整流電壓Ud略微升高， 大于< 5% )，負伏-秒面積加大、正伏-秒面積減小，iA反向加大正向減小，直至無正向電流，平均值小于0，由于這時線電壓大于0，故功率從直流母線流向電網。從上述三種狀態分析知，整流和回饋狀態的轉換及流過功率的大小都取決于Ud的變化，依據變換器的負載要求(、值)自動實現，不需要任何閉環調節，控制電路特別簡單。
從圖3中還可以看出，加在本交-直變換電源進線電抗X上的脈動電壓的幅值很小，故需要的進線電抗值較小，這些值都與相應容量的通用變壓器的漏抗值相同，因此可采用通用變壓器作為整流變壓器，不必像AFE那樣必須使用高漏抗變壓器。
在電網出現故障時，電壓突然降低過多或完全掉電時，立即關斷本發明變換器中所有可控電力電子開關，該交-直變換電源變成二極管整流橋工作方式，不存在逆變顛覆問題，不會出事故。
需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，其特征在于包括由六個電子開關構成的三相可控橋、三相進線電抗器和直流貯能電容，三相進線電抗器一端與三相交流進線電源相連接，三相進線電抗器另一端連接到三相可控橋的交流側，三相可控橋的直流側與直流貯能電容相連接，該三相可控橋中的每個電子開關由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯續流二極管構成，整流時功率從交流進線電源流向直流母線， 回饋時功率從直流母線流回交流進線電源。
2.根據權利要求1所述的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源， 其特征在于通過在三相可控橋旁并聯一個二極管整流橋使得整流功率大于回饋功率。
3.根據權利要求1所述的電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源， 其特征在于三相可控橋的控制方式是每個開關被用作交流進線電源的同步開關，每個交流進線電源周期只開通和關斷一次。
全文摘要
本發明涉及一種電壓型交-直-交變頻器中的雙向功率流交-直變換電源，其技術特點是基本電路包括由六個電子開關構成的三相可控橋CB、三相進線電抗器X和直流貯能電容Cd，該三相可控橋中的每個電子開關由一個IGBT器件或IGCT器件及一個反并聯續流二極管構成。本發明三相可控橋中電子開關采用與交流進線電源同步的控制方式，不需要采用脈寬調制，也無任何閉環調節，其控制及調試方式簡單、運行安全可靠，可通過增設二極管整流橋DB滿足整流功率大于回饋功率的要求，在應用時，可2套或4套基本電路串/并聯工作，構成12或24脈波整流電路以減小諧波。
文檔編號H02M7/797GK102510235SQ20111033744
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者宋鵬, 楚子林, 王建峰, 許希, 金雪峰, 馬小亮 申請人:天津天傳電氣有限公司, 天津電氣傳動設計研究所