一种直流侧电压可控型四象限变频器及其方法技术

一种直流侧电压可控型四象限变频器，其特征在于，包括：　功率电路，所述功率电路由网侧变流器和电机侧变流器构成，网侧变流器和电机侧变流器之间设有一滤波电容；　控制电路，所述控制电路包含一处理器和与处理器连接的网侧集成芯片和电机侧集成 芯片，所述网侧集成芯片和电机侧集成芯片在处理器的控制下分别产生控制网侧变流器和电机侧变流器桥臂开关的ＰＷＭ脉冲，以在不同的负载状态下驱动网侧变流器和电机侧变流器交替发挥整流和逆变的功能；以及　向处理器、网侧集成芯片和电机侧集成芯片输入 各种状态信号的辅助电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变频器装置，具体地说，涉及一种直流侧电压可控型四象限变 频器及其方法。
技术介绍
变频器作为交流电机的驱动器，是目前公认的最理想的调速方案。变频调 速具有调速范围宽、调速精度高、动态响应好、易于控制等技术特点，已成为 交流电机调速技术应用的主要方向。同时，与变阻、变压等其它方式相比，变 频调速具有明显的节能效果，特别是对于变动负载应用，如离心风机、水泵等， 其节能效果更加鲜明。基于上述原因，变频调速技术和变频器已经广泛应用于 电力、冶金、石油、化工、采矿、市政、中央空调、水处理等行业中。但由于技术和成本等因素，在我国总容量为5.8亿千瓦的电动机容量中，只有不到2000 万千瓦的电动机是带变频控制的。据中国工控网的市场研究报告分析，在中国， 带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此近年来国家大力提 倡节能措施，并着重推荐变频调速技术。据统计，在过去的几年内中国变频器 的市场保持着12%~15%的增长率，这个速度己经远远超过了近几年GDP的增 长水平，预计至少在未来5年内将会保持10%以上的增长率。随着我国社会、 经济的发展，变频器行业的市场规模将逐步增长，预计到2008年我国变频器 市场将有可能突破100亿元。进入21世纪，世界各国在享受经济发展的所带来成果的同时，也越来越感觉到经济发展所遭受的瓶颈，那就是能源供应不足。国际上原油价格不断攀 升、国内电力紧张、煤炭价格上涨，种种迹象都向我们发出警告，世界所剩能 源不多，节能降耗已迫在眉睫。为此，各国政府纷纷将能源使用和发展政策提 高到战略高度，积极制定相关方案以应对今后越来越紧张的能源问题，谋求未 来出路。有些国家还定期召开能源战略高层论坛，以商讨应对措施。由此，结 构调整、制度改革、发展绿色可再生能源、开发节能新技术、倡导和鼓励民众 节约能源等措施，纷纷开展和落实，这些都充分表明政府对能源问题的重视和 决心。中国政府专门成立能源办，负责协调管理涉及能源的各大部委和能源企 业、从全局上制定国家的能源发展战略和规划、确立能源产业政策、实施各项 规划政策等四大事务。应对能源紧张问题，可以从多方入手，而节约电能是其中最为直接有效的方式。据统计，我国消耗的电能中，60%~70%为动力电。因此，提高电机效率， 降低电能消耗，将成为我国节约能源的主要工作方向，并得到国家高度重视。 提高电机效率，除应用变频调速技术以外，另一条重要途径就是回收电机动能。 在一些有位势负载特性的应用场合，当重物下降时电机处于四象限运行状态， 并产生再生电能，如果将电机所产生的这部分再生电能回馈至电网，则将提高 电机运行效率，节约能源。特别对一些大功率场合，如矿用提升机、抽油机等， 通过再生能量回馈，可节能20%以上，具有重大的经济意义和社会意义。今后，在需要快速起、制动和频繁正、反转的大功率调速应用系统，随着 对变频器回馈制动能力要求的增强，能量回馈四象限变频器必然比普通变频器 更具有的竞争力。因此，近年来发展能量回馈技术已吸引了越来越多变频器生产企业的重视，开发和生产可能量回馈的四象限变频器己成为目前变频器行业 的一个重要发展方向，也变得十分有必要。通用变频器大都为电压型交-直-交电路结构，其工作原理为三相交流电首 先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无 源逆变器输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、 效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但通用变频器不 能直接用于，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、抽油机、采煤机等负载场合。 这是因为这些系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位势负载重 物下放时，电机处于再生发电状态，而由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。以GTR、 IGBT为 代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容， 甚至会破坏电机的绝缘，从而烕胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应 用范围。为解决电动机产生的再生能量问题，目前业界通常采用能耗制动和回 馈制动两种手段。能耗制动在变频器直流母线两端接上能耗电阻或能耗制动单 元，将电机产生再生能源消耗在大功率电阻器中。中小容量系统中目前大部分 采用能耗制动方式，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重 缺点(1) 浪费能量，降低了系统的效率。(2) 电阻发热严重，影响系统的其它部分正常工作。(3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了 制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。回 馈制动则是将再生能源回馈至电网，节省了电机能量损耗。回馈制动装置可以 单独作为回馈制动单元接在变频器外侧，也可以整合到变频器内部。回馈制动 装置拓扑结构按功率组件可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。半控型结构包括可控整流-可控有源逆变型和可控整流/有源逆变复用型，前一种 基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，但为解决直流 回路电压降低问题需要在有源逆变器与电网之间接上升压变压器，从而增大了 体积、提高了成本。后一种基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实 现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本，其电路拓扑结构包括多脉宽调制(MPWM)方式、正弦波脉宽调制(SPWM)方式和滞环控制斩波-逆变回 馈方式。全控型结构采用GTO、 IGBT等自关断功率器件构成有源逆变电路， 将直流母线电容上积蓄能量回馈至电网，具有提高系统效率、抑制谐波和机械 噪声等特点，全控型器件的能量回馈控制系统已经成为研究的重点。矩阵式交 -交变频省去了中间直流环节，能实现功率因数为1,且能四象限运行，系统的 功率密度大，因此矩阵变频器一直成为国际大公司的研发对象。矩阵变频器由 于IGBT数量的增加，价格比较昂贵，相同功率下它是普通变频器价格的两倍 左右。交-直-交电压型变频器虽然电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于 采用三相桥式不控整流器，存在功率因数降低、网测谐波污染以及无法实现能 量的再生利用等问题。消除对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四 象限运行以成为变频调速技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究， 新型单位功率因数变流器的开发，在国内外引起广泛的关注。传统的回馈制动 方法加大了回馈装置的体积，增加了成本而且逆变电流波形畸变严重，电网污 染重，功率因数低。整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可使电网侧 的输入电流接近正弦波并且功率因数达到l，可以彻底解决对电网的污染问题。 由PWM整流器和PWM逆变器构成变频器，无需增加任何附加电路，就可实 现系统的功率因数约等于l，消除网侧谐波污染，能量双向流动，方便电机四象限运行。同时对于各种调速场合，可使电机很快达到速度要求，动态响应时间短。因此，双PWM控制技术已成为实现高质量能量回馈技术的最新发展方 向。目前国际上许多大公司已纷纷推出了能量回馈四象限变频器。如西门子 ET200S FC系列变频器，ABB公司ACS800-17系列四象限变频器等、美国NBB 公司NBB-BH系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流侧电压可控型四象限变频器，其特征在于，包括：　功率电路，所述功率电路由网侧变流器和电机侧变流器构成，网侧变流器和电机侧变流器之间设有一滤波电容；　控制电路，所述控制电路包含一处理器和与处理器连接的网侧集成芯片和电机侧集成芯片，所述网侧集成芯片和电机侧集成芯片在处理器的控制下分别产生控制网侧变流器和电机侧变流器桥臂开关的ＰＷＭ脉冲，以在不同的负载状态下驱动网侧变流器和电机侧变流器交替发挥整流和逆变的功能；以及　向处理器、网侧集成芯片和电机侧集成芯片输入各种状态信号的辅助电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯英芳，董炀斌，
申请(专利权)人：东元总合科技杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：86