专利名称：一种能量回馈一体机变频器的拓扑主电路及控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型公开一种变频器的拓扑主电路及控制系统，特别是一种能量回馈一体机变频器的拓扑主电路及控制系统，属于电力电子领域。
背景技术：
随着国家的节能减排政策深入推动，电机作为大耗电设备，采用变频调速的比例越来越高。传统的通用变频器使用的是二极管进行整流，主回路拓扑结构请参看附图1， 由于二极管整流时不能自由控制二极管的通断，因此传统的通用变频器只能实现电能从电网向电机侧流动的单向传输，这样就使得很多周期性工作的位能性负载(如电梯、抽油机等)，或在电机减速过程中产生的惯性能量，只能采用能耗制动(主回路拓扑结构请参看附图2)的方式来消耗电机的再生能量，而不能使这部分能量得到有效利用，造成能量的浪费。 还有一种形式，即外加能量回馈装置的方式来解决再生能量问题，如果采用外加能量回馈装置(主回路拓扑结构请参看附图3)的办法来解决再生能量问题，但整个电路构成就会有两套整流桥，器件的性能不能得到充分发挥，而且不能与变频器形成统一结合，无形中也增加了整个系统的成本和安装空间。现有技术中还有一种更高端的产品即是采用PWM整流/回馈形变频器，其虽能实现完美的能量回馈功能，但其存在着系统造价成本高等不足，目前只能应用于要求高性能， 但对成本没有太多要求的高端行业，而在要求低成本的通用变频器行业还缺乏竞争力。
发明内容针对上述提到的现有技术中的通用变频器不能进行能量回馈或外加能量回馈装置造成整个系统成本高、增加安装空间等缺点，本实用新型提供一种新的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路及控制系统，其采用IGBT作为整流器件将三相交流电转换成直流电给负载供电，当负载进行能量回馈时，IGBT工作，负载能量通过IGBT回馈给电网。本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是一种能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，拓扑主电路包括整流部分和逆变部分，整流部分将三相交流电转换成直流电传输给逆变部分，所述的整流部分采用IGBT构成三相整流桥，当母线电压低于阀值时，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，将直流电传输给逆变部分；当母线电压高于阀值时， 整流部分的IGBT动作，负载能量通过IGBT回馈给电网。一种能量回馈一体机变频器的控制系统，所述控制系统包括控制模块、母线电压检测模块和上述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，母线电压检测模块用于检测母线电压；控制模块用于接收母线电压检测模块的检测信号，并与预先设置的阀值进行比较，当母线电压检测模块的检测信号低于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT 不动作，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，给负载供电；当母线电压检测模块的检测信号高于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT动作，负载能量通过IGBT 回馈给电网。[0007]本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括所述的整流部分前级串接有交流电抗器Li。所述的整流部分和逆变部分之间串联有上电缓冲电路。所述的上电缓冲电路包括接触器Kl和限流电阻R1，限流电阻Rl和接触器Kl并联连接。 所述的整流部分前级串联有上电缓冲电路。所述的上电缓冲电路包括三相交流接触器K1、限流电阻Rl和限流电阻R2，限流电阻Rl和限流电阻R2分别与三相交流接触器Kl中的两项并联连接。所述的逆变部分采用IGBT构成的单元式逆变桥，整流部分的IGBT的容量为逆变部分的IGBT容量的二分之一。所述的整流部分和逆变部分之间串联有上电缓冲电路，上电缓冲电路包括接触器 Kl和限流电阻R1，限流电阻Rl和接触器Kl并联连接，控制模块控制接触器Kl动作。所述的整流部分前级串联有上电缓冲电路，上电缓冲电路包括三相交流接触器 K1、限流电阻Rl和限流电阻R2，限流电阻Rl和限流电阻R2分别与三相交流接触器Kl中的两项并联连接，控制模块控制三相交流接触器Kl动作。本实用新型的有益效果是本实用新型不仅能克服现有技术中通用变频器能量不能回馈的缺点，而且还能克服目前通用变频器外加能量回馈装置增加了整个系统的成本和安装空间的缺点。本实用新型的整流方案低成本、控制方法简单，还能够实现变频器的能量回馈功能。本实用新型的拓扑电路结构与PWM整流/回馈变频器相比，由于PWM整流/回馈变频器的整流部分的IGBT是一直工作的，其与逆变部分的IGBT —般要求其容量为1:1 配比，成本较高；而本实用新型的控制策略是母线电压高于某个阀值时整流部分的IGBT才工作，整流部分选取的IGBT容量为逆变部分IGBT容量的一半即可，从而降低了成本。下面将结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。
图1为现有技术中变频器拓扑主电路原理图。图2为第二种现有技术中变频器拓扑主电路原理图。图3为第三种现有技术中变频器拓扑主电路原理图。图4为本实用新型拓扑主电路原理图。图5为图4的等效电路图。图6为本实用新型控制原理图。图7为本实用新型控制策略方框图。图8为本实用新型实施例二电路原理图。
具体实施方式
本实施例为本实用新型优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本实用新型保护范围之内。请参看附图4，本实用新型主要包括整流部分和逆变部分，本实施例中，整流部分采用IGBT构成三相整流桥，本实用新型中IGBT构成的三相整流桥与常规技术中的二极管整流桥结构相同，即每条输入相线上分别连接有两个整流方向相反的IGBT，本实施例中，逆变部分采用常规的IGBT构成的单元式逆变桥。本实用新型拓扑电路包含一个特定的控制策略，由于一般IGBT器件内部都并联有一个续流二极管(请参看附图5等效电路图)，在检测到母线电压低于预先设定的阀值时，整流部分的IGBT不动作，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，给负载供电；当母线电压高于阀值时，整流部分的IGBT动作(IGBT及其内部并联的二极管协调工作)，负载能量通过IGBT回馈给电网。所述IGBT动作可以理解为IGBT 工作，实现能量回馈。本实用新型的拓扑电路结构与PWM整流/回馈变频器相似，但PWM整流/回馈变频器的整流部分的IGBT是一直工作的，其与逆变部分的IGBT —般要求其容量为1:1配比， 成本较高；而本实用新型的控制策略是母线电压高于某个阀值时整流部分的IGBT才工作， 因此整流部分选取的IGBT容量可以为逆变部分IGBT容量的二分之一(即整流部分的IGBT 的负载能力为逆变部分的IGBT的负载能力的二分之一)，本实施例中，在整流部分前级还串联有交流电抗器Ll，通过交流电抗器Ll连接到电网中。本实施例中，在整流部分和逆变部分之间串接有上电缓冲电路，本实施例中，上电缓冲电路包括接触器Kl和电阻R1，接触器 Kl和电阻Rl并联连接，并联的接触器Kl和电阻Rl串接在整流部分和逆变部分之间，用于起到上电缓冲作用。本实用新型在连接时，将本实用新型与三相交流电网连接，本实施例中，电网输入的三相交流电分别定义为R0、S0和T0，三相交流电R0、S0和TO经过交流电抗器Ll后输入给整流桥，三相交流电经过相应的IGBT整流后输出给逆变部分，经逆变部分逆变后，分别输出U、V和W三路电源给电机。本实用新型还有另外一种实施方式，请参看附图8，本实施例中的基本机构与实施例一基本相同，不同之处在于本实施例中的上电缓冲电路设置在交流电抗器Ll前级，本实施例中的上电缓冲电路包括电阻R1、电阻R2和接触器K1，本实施例中的接触器Kl采用三相接触器，电阻Rl与输入相线R上的接触器并联，电阻R2与相线T上的接触器并联。本实用新型中利用上述拓扑主电路的控制系统主要包括控制模块、母线电压检测模块和拓扑主电路，其中母线电压检测模块用于检测母线电压；控制模块用于接收母线电压检测模块的检测信号，并与预先设置的阀值(本实用新型中的阀值可根据具体使用时的母线电压具体设定，本实施例中，当电网电压为380V时，阀值电压设定为680V)进行比较， 当母线电压检测模块的检测信号低于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT 不动作，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，给负载供电；当母线电压检测模块的检测信号高于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT动作，负载能量通过IGBT 回馈给电网。本实用新型的控制策略请参看附图7，本实用新型在工作时，上电后靠IGBT内部的等效并联二极管进行整流工作，变频器工作，母线电压检测模块实时检测母线电压，并与阀值进行比较，当母线电压高于阀值时，IGBT工作，负载能量通过整流部分的IGBT回馈至电网，当母线电压低于阀值时，IGBT不工作。请参看附图6，本实用新型在工作时，Ο-tl时段，变频器上电，IGBTQl IGBTQ6 不动作，三相交流电通过IGBT内部的等效并联二极管向母线充电，母线电压Vdc上升； tl-t2时段，变频器整流运行，即变频器运行在整流模式，IGBTQl IGBTQ6不动作，交流电通过IGBT内部的等效并联二极管向母线提供能量，能量从电网通过本实用新型流向负载； t2-t3时段，变频器的负载能量回馈，此时，母线电压逐渐上升，IGBTQl IGBTQ6仍然不动作，IGBT内部的等效并联二极管由于母线电压高于电网整流电压而自然截止；t3-t4时段， 变频器负载能量继续回馈，当母线电压高于设定的阀值Vf时，IGBTQl IGBTQ6动作，打开实现能量向电网回馈。本实用新型实际上为IGBT及其并联的二极管协调工作。 本实用新型不仅能克服现有技术中通用变频器能量不能回馈的缺点，而且还能克服目前通用变频器外加能量回馈装置增加了整个系统的成本和安装空间的缺点。本实用新型采用低成本的整流方案和简单有效的控制方法实现变频器的能量回馈功能，以提高通用变频器的节能效果，把因数提高的92%以上，满足众多要求性能不高，但又需要节能的应用场合。
权利要求1.一种能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的拓扑主电路包括整流部分和逆变部分，整流部分将三相交流电转换成直流电传输给逆变部分，所述的整流部分采用IGBT构成三相整流桥，当母线电压低于阀值时，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，将直流电传输给逆变部分；当母线电压高于阀值时，整流部分的IGBT动作，负载能量通过IGBT回馈给电网。
2.根据权利要求1所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的整流部分前级串接有交流电抗器Ll。
3.根据权利要求1或2所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的整流部分和逆变部分之间串联有上电缓冲电路。
4.根据权利要求3所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的上电缓冲电路包括接触器Kl和限流电阻R1，限流电阻Rl和接触器Kl并联连接。
5.根据权利要求1或2所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的整流部分前级串联有上电缓冲电路。
6.根据权利要求5所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的上电缓冲电路包括三相交流接触器K1、限流电阻Rl和限流电阻R2，限流电阻Rl和限流电阻 R2分别与三相交流接触器Kl中的两项并联连接。
7.根据权利要求1或2所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，其特征是所述的逆变部分采用IGBT构成的单元式逆变桥，整流部分的IGBT的容量为逆变部分的IGBT容量的二分之一。
8.一种能量回馈一体机变频器的控制系统，其特征是所述控制系统包括控制模块、 母线电压检测模块和权利要求1中所述的能量回馈一体机变频器的拓扑主电路，所述的母线电压检测模块用于检测母线电压；所述的控制模块用于接收母线电压检测模块的检测信号，并与预先设置的阀值进行比较，当母线电压检测模块的检测信号低于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的 IGBT不动作，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，给负载供电；当母线电压检测模块的检测信号高于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT动作，负载能量通过 IGBT回馈给电网。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征是所述的整流部分和逆变部分之间串联有上电缓冲电路，上电缓冲电路包括接触器Kl和限流电阻R1，限流电阻Rl和接触器Kl并联连接，控制模块控制接触器Kl动作。
10.根据权利要求8所述的控制系统，其特征是所述的整流部分前级串联有上电缓冲电路，上电缓冲电路包括三相交流接触器K1、限流电阻Rl和限流电阻R2，限流电阻Rl和限流电阻R2分别与三相交流接触器Kl中的两项并联连接，控制模块控制三相交流接触器Kl 动作。
专利摘要一种能量回馈一体机变频器的拓扑主电路及控制系统，拓扑主电路包括整流部分和逆变部分，整流部分将三相交流电转换成直流电传输给逆变部分，整流部分采用IGBT构成三相整流桥，控制系统包括控制模块、母线电压检测模块和拓扑主电路，控制模块接收母线电压检测模块的检测信号，并与预先设置的阀值进行比较，当母线电压检测模块的检测信号低于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT不动作，交流电通过IGBT内部的二极管进行整流，给负载供电；当母线电压检测模块的检测信号高于阀值时，控制模块控制拓扑主电路中整流部分的IGBT动作，负载能量通过IGBT回馈给电网。本实用新型能实现通用变频器能量回馈，而且系统成本低。
文档编号H02M7/66GK201985778SQ20112007524
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者吴建安 申请人:深圳市英威腾电气股份有限公司