专利名称：一种变频器应用场合中的能量回收装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种能量回收的装置，特别涉及的是一种应用需要再 生发电的变频器中的能量回收装置。
技术背景
集装箱运输业作为现代物流的核心产业，正在日新月异的迅猛发展，其中 冷藏集装箱储运是一种高利润、高风险的集装箱储运，它需要高技术的可靠支 持，才能有效避免高风险而获得高利润。目前，常规的冷藏集装箱热工性能测 试中功率一般采用继电器控制，直接调节箱内加热器的电压，包括加热器风机 的电压，这种控制调节方式使得系统的功率波动不易稳定，所得的测试结果不 能满足新的各个相关标准、协议的要求。此外箱内控制加热部分没有单独的稳 压设备，更易使系统的功率控制超标，导致新造冷藏集装箱不满足或不符合相 关标准、协议的问题，使得制造企业面临箱东的索赔而面临巨额赔偿。
随着城市港口业务的快速发展，集装箱运输更加频繁，而常规的冷藏集装 箱的热工性能测试功率控制系统尚不完善，系统的功率控制容易超标，影响检 测结果和效率，容易给相关制造企业和箱东造成损失。
集装箱港口作为全球经贸活动的重要枢纽，面临的环境压力越来越大，当 前绿色运输已成为全球经济发展的趋势。在港口行业大力开展节能降耗工作，
不仅是国家完成"十一五"规划中国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物 排放总量减少10%的约束性指标的需要，也是港口企业提高自身经济效益的需 要。随着国际石油资源的日益短缺和价格的不断攀升，以及国际社会环保意识 的加强，我国也相应制定和实行了港口油耗、能耗的配额制度。其中，港口的 装卸生产能耗占港口总能耗比例最大，是影响港口能耗的最大因素。例如集装 箱码头的生产用能占总能耗的80%以上，而生产用能中，主要装卸设备(如岸 桥、场桥)用能量最大，其中岸桥用电就占装卸生产用能量的20%-30%。集装箱码头节能包括两个技术层面， 一、管理节能("软节能")，也即在 营运层面上的节能；主要通过对码头物流系统的合理资源配置，期望在集装箱 转场过程中，产生的搬运次数最少，集卡的使用效能最高，港口营运达到效率 最优。二、设备节能("硬节能")，传统码头起重机在制动过程中所产生的再 生发电能量基本是通过制动电阻消耗掉的，同时在怠速状态，柴油发电机组能 量损耗也非常大，这两部分损耗占总耗能的40%~60%左右；如何有效利用再 生能量以及降低怠速机组油耗是"硬节能"的关键内容。
中国专利公开号CN200951934和公开号CN201038814的两个专利中分别 介绍了场桥和岸桥等主要港口耗电设备"硬节能"的各种节能方法。总结大致可 以分为两大类 一、改造原来的柴油发电机组。场桥和岸桥工作在大功率阶段 的时间并不长，更多时刻工作在低功率状态。为此有两种改造方案， 一种方案 是降低机组额定容量，在大功率运行时的差额功率部分通过储能装置来弥补， 而这些储能装置回收起升机构下降过程、大车和小车机构减速过程中产生的再 生能量； 一种方案是根据场桥或岸桥在不同工况情况下对功率需求的不同，改 变柴油机的转速，调整输出功率，实现精确的动态功率管理，从而实现节省油 耗降低成本，提高整机能源利用率。二、充分利用市电。让廉价的市电为场桥 和岸桥提供主要的能源，并将制动时产生的能量直接回馈电网。
从环保以及长远节能效果看，采用市电作为主要供电能源的第二种设备节 能方案是技术发展的必然趋势，也应该是新规划码头的技术首选。目前采用电 能双向流动的整流器有可控硅相控整流以及全控器件的电压型PWM整流两大 类。然而，电压型PWMAC/DC整流电路目前很少应用于港口提升机。主要因 为成本原因，比如港口低压母线交流电压一般为380V 460V，经二极管不可控 整流与平波电容滤波后，直流母线电压一般为510V 625V，这样的直流电压 等级两电平输出电路可以采用1200V耐压的模块；如果AC/DC釆用电压型 PWM整流电路，直流母线电压将可能达到750V以上，大容量逆变器必须考 虑足够安全裕量，逆变环节与整流环节的功率器件如果采用两电平结构将不得 不采用1700V耐压等级的功率器件，因而成本大大增加；或者勉强使用1200V 耐压等级的功率器件，装置工作可靠性大大下降。同时可控硅与普通二极管的 耐单次不重复10倍过流能力在5mS以上，而IGBT的耐单次不重复10倍过流
4能力在lOuS以下。这意味着采用PWM整流电路取代传统可控硅或二极管整 流桥后，整机成本提高将超过一倍，而可靠性下降至少一半。
曾经有人设计过在不提高传统直流母线电压的基础上，实现AC/DC环节 低谐波输入的控制方法，但无法实现制动电能回馈电网。其中，2005年6月本 申请人:在《中国电机工程学报》低第5巻第12期上发表了一篇名称为《可升 压自然软开关变流器》的文章，该文章提出一种基于通用拓扑基础上的新型两 电平三相逆变器(如图1所示)，它采用特殊的直流升压模式使得输入直流电 源系统能量回馈电网的低成本解决方案，自然软开关技术能以最少的辅助器件 实现逆变器绝大部分软开关动作，并且其软开关动作不受电路参数漂移影响； 同时能对直流输入电压进行有效提升，实现谐波治理、无功补偿以及能量回馈 电网控制。然而它没有应用在变频器应用场合中，无法处理三相交流电源相间 短路电流环流。因此该新型两电平三相逆变器有待进一步的改进。
传统不可控整流变频器在交流输入380V 460V等级下，直流电压为 510V 625V;后接的传统两电平逆变器电路可以用1200V器件，从而低成本完 成逆变动能，并且具有电路简单可靠的优点。但传统不可控整流变频器当后接 逆变器负载处于可再生发电时，能量无法回馈电网，造成能源浪费，而且产生 大量电流谐波电流注入电网，造成电源污染。
传统Boost电路可以应用于升压环节，但大容量并网逆变器必须采用 1700V耐压器件(为保证足够安全裕度)。在集装箱码头提升机的功率应用等级 中，目前1700V硬开关器件组成的逆变器对基波频率的能量反馈或无功控制没 有任何问题；但对谐波进行很好控制就勉为其难了
实用新型内容
针对现有技术上的不足，本实用新型目的是在于提供一种在不提升变频器 母线电压的基础上实现谐波治理和无功补偿以及能量回馈电网控制的变频器 应用场合中的能量回收装置，提高开关频率以改善并网逆变器控制。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下
一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特征在于，它包括变频器、逆 变器和三相电网，所述两逆变器一端的一电路上设有电感，所述电感的一端连接有第一二极管，所述电感的另一端连接在逆变器三相桥臂共接的正母线上； 所述第一二极管的电流输入端连接变频器的正直流母排上，所述第一二极管的
电流输出端与电感相连接；所述逆变器一端的另一电路上连接有与第一二极管 电流导向相反的第二二极管，所述第二二极管的电流输入端连接在逆变器三相 桥臂共接的负母线上，所述第二二极管的电流输出端连接在变频器的负直流母 排上，所述相逆变器另一端连接三相电网。本实用新型所增加的电路可以看是 一个带特殊的防止三相交流电源相间短路的逆变器，它主要功能是在防止三相 电源相间短路的同时，实现低成本高效率能量回收或者谐波补偿。
进一步，所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，第一二极管与电 感的位置可以互换。
进一步，所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，电感也可以串接 在第二二极管与变频器的负直流母排之间，或者逆变器三相桥臂共接的负母线 与第二二极管之间。
进一步，所述三相逆变器和其一端连接的第一二极管和第二二极管以及回 路中电感构成能量回收和谐波补偿的主电路。
进一步，所述逆变器为两电平三相逆变器。
进一步，所述逆变器也可以其他形式的并网逆变器所代替，但其与变频器 直流母排相连接的回路中必须有第一二极管和第二二极管，并且这两个二极管 的电流导向必须相反，同时必须至少有一个二极管与一个电感相连接。
其基本工作原理是当传统变频器处于电动状态(能量由电网流向负载)，
它起电力有源滤波器作用，保证电网电流的波形接近正弦，或符合有关谐波标 准。
当传统变频器处于再生发电时，它工作于有源逆变状态，将这部分能量回 馈电网，达到节能效果。
本实用新型主要用于需要再生发电的变频器应用场合，增加第一二极管和 第二二极管后的整个电路构成能量回收和谐波补偿的主电路，其功能可以实现
负载变频器能量回馈制动时，能量无污染回馈电网；在负载变频器电动时补偿 原来二极管整流电路带来的电流谐波，保证电网电流的波形接近正弦，或符合 有关谐波标准；并网逆变器能在准软开关状态运行。并且其软开关动作不受电路参数漂移影响；同时能对直流输入电压进行有效提升，实现谐波治理、无功 补偿以及能量回馈电网控制，达到节能效果。
以下结合附图和具体实施方式
来详细说明本实用新型； 图1为公开的新型两电平三相逆变器电路示意图。 图2为本实用新型的电路示意图。 图3为本实用新型的内部电路示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白 了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
参见图2，本实用新型一种变频器应用场合中的能量回收装置，它包括变 频器20、两电平三相逆变器IO和三相电网，所述两电平三相逆变器IO—端的 一电路上设有电感，所述电感的一端连接有第一二极管VD8，所述电感的另一 端连接有两电平三相逆变器的正母线上，所述第一二极管VD8的电流输入端 连接变频器20的正直流母排上，所述第一二极管VD8的电流输出端与电感相 连接；所述两电平三相逆变器10 —端的另一电路上连接有与第一二极管VD8 电流导向相反的第二二极管VD9，所述第二二极管VD9的电流输入端连接两 电平三相逆变器负母线上，所述第二二极管VD9的电流输出端连接在变频器 的负直流母排上，所述两电平三相逆变器10另一端连接三相电网。本实用新 型中，两电平三相逆变器10和其一端的电路上的第一二极管VD8和另一端的 电路上的第二二极管VD9以及回路中电感构成能量回收和谐波补偿的主电路， 实用新型所增加的电路可以看是一个带特殊的防止三相交流电源相间短路的 两电平并网逆变器，它主要功能是在防止三相电源相间短路的同时，实现低成 本高效率能量回收或者谐波补偿。
参考图3，在变频器20中包括传统两电平逆变器模块主电路1和传统三相 二极管整流桥2 (当二极管换成晶闸管就成了三相晶闸管整流桥)；传统两电平 逆变器模块主电路l、传统三相二极管整流桥2、平波电容C1、连接正负母排以及遏流电抗器(L民LS，LT)一起构成传统逆变器的主电路回路。
本实用新型的所改进两电平三相逆变器3的电路中，其中，开关管 VT1 VT6组成两电平逆变模块组，模块组的正母线与电抗L1的一端以及开关 管VT7的发射极相连接；电抗Ll的另一端与二极管VD8的阴极相连接；二 极管VD8的阳极与传统逆变器的正母排连接在一起；开关管VT7的集电极与 电容C2 —端相连接；电容C2另一端与模块组的负母线以及二极管VD9的阳 极连接在一起；二极管VD9的阴极与传统逆变器的负母排连接在一起；模块 组的交流输出端U， V， W分别通过滤波电抗器或电感和电容组合成的滤波器 与电网R， S, T三相分别相接。本实用新型利用电感L1以及开关管VT7的 反并二极管或寄生二极管的优异反向恢复特性来减小开关管VT1 VT6桥臂 切换时的反向恢复电流以提高效率；同时减小换流过程中的电压过冲，增加安 全工作区。
本实用新型的附加并网逆变器在主变频器工作时作为有源电力滤波器工 作，减少电网谐波污染；在主变频器负载再生发电时，将能量回馈电网，达到 节能效果。
另外，在本实用新型中传统逆变器电路1可以是其他形式的逆变器，如 三电平逆变器；所改进两电平三相逆变器3可以为同样电路，多组并联连接。 其中，改进两电平三相逆变器3中，在L1与VD8的位置可以互换，Ll可以 串接在传统逆变器的负母排、VD9以及模块组的负母线的回路中。开关管VT7 与电容C2的位置可以互换。该开关管VT7反并二极管的反向恢复特性至少要 优于开关管VT1 VT6反并二极管或寄生二极管中的一个二极管的反向恢复 特性。
本实用新型是应用在三相逆变器能量双向流动非对称整流电源中，它将电 网三相交流电源整流成直流电源给传统逆变器供电。本实用新型的能量回收和 谐波补偿产品主电路一端接传统变频器的直流母线，另一端接三相电网。
当传统变频器处于电动状态(能量由电网流向负载)，它起龟力有源滤波 器作用，保证电网电流的波形接近正弦，或符合有关谐波标准。
当传统变频器处于再生发电时，它工作于有源逆变状态，将这部分能量回 馈电网，达到节能效果。本实用新型用于需要再生发电的变频器应用场合，如采用市电为主要能源 的港口集装箱码头提升机。在不提升母线电压的基础上实现谐波治理和无功补 偿，并提升并网逆变器的直流母线电压，应用软开关技术降低开关损耗，提高 开关频率以改善并网逆变器控制可以实现负载变频器能量回馈制动时，能量无 污染回馈电网；在负载变频器电动时补偿原来二极管整流电路带来的电流谐 波，保证电网电流的波形接近正弦，或符合有关谐波标准；并网逆变器能准软 开关状态运行。并且其软开关动作不受电路参数漂移影响；同时能对直流输入 电压进行有效提升，实现谐波治理、无功补偿以及能量回馈电网控制，达到节 能效果。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优
点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实
施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神
和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入
要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书 及其等效物界定。
权利要求1、一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特征在于，它包括变频器、逆变器和三相电网，所述逆变器一端的一电路上设有电感，所述电感的一端连接有第一二极管，所述电感的另一端连接在三相逆变器三相桥臂共接的正母线上；所述第一二极管的电流输入端连接变频器的正直流母排上，所述第一二极管的电流输出端与电感相连接；所述逆变器一端的另一电路上连接有与第一二极管电流导向相反的第二二极管，所述第二二极管的电流输入端连接在逆变器三相桥臂共接的负母线上，所述第二二极管的电流输出端连接在变频器的负直流母排上，所述逆变器另一端连接三相电网。
2、 根据权利要求1所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特 征在于，所述第一二极管与电感的位置可以互换。
3、 根据权利要求1所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特 征在于，所述电感也可以串接在第二二极管与变频器的负直流母排之间，或者 逆变器三相桥臂共接的负母线与第二二极管之间。
4、 根据权利要求1所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特 征在于，所述逆变器和其一端连接的第一二极管和第二二极管以及回路中电感 构成能量回收和谐波补偿的主电路。
5、 根据权利要求1所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特 征在于，所述逆变器与变频器直流母排相连接的回路中有第一二极管和第二二 极管，并且这两个二极管的电流导向相反，所述回路中至少一个二极管与一个 电感相连接。
6、 根据权利要求1所述的一种变频器应用场合中的能量回收装置，其特 征在于，所述逆变器为两电平三相逆变器。
专利摘要本实用新型公开的是一种变频器应用场合中的能量回收装置，它包括变频器、逆变器和三相电网，所述逆变器一端的一电路上设有电感，所述电感的一端连接有第一二极管，电感的另一端连接在逆变器三相桥臂共接的正母线上；所述第一二极管的电流输入端连接变频器的正直流母排上，第一二极管的电流输出端与电感相连接；逆变器一端的另一电路上连接有与第一二极管电流导向相反的第二二极管，该第二二极管的电流输入端连接在逆变器三相桥臂共接的负母线上，第二二极管的电流输出端连接在变频器的负直流母排上，逆变器另一端连接三相电网。本实用新型主要用于需要再生发电的变频器应用场合，实现了谐波治理、无功补偿以及能量回馈电网控制，达到节能效果。
文档编号H02J3/01GK201435607SQ20092007051
公开日2010年3月31日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者吴卫民 申请人:上海海事大学