部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法技术

本发明专利技术公开了一种部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法，由基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元级联构成，其中，能量回馈单元为基于三相PWM整流电路的功率单元，由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，所述的中间直压电路包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容和第二电容并联构成第一并联支路，第三电容和第四电容并联构成第二并联支路，第一并联支路和第二并联支路串联。本发明专利技术可显著提高变频器能量回馈极限，能满足更高降频速率下的能量回馈需求，有利于提高电机的运行效率；同时，还可以有效减少能量回馈单元数量，降低级联型变频器的改造成本。

【技术实现步骤摘要】
部分单元能量回馈级联型变频器中能量回馈单元配置方法
本专利技术属于电力电子
，尤其涉及一种部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法。
技术介绍
H桥级联型变频器以其输出谐波含量低、模块化的结构、易于电压和容量的扩展、易于制造和替换等优点，广泛应用于高压大容量电机驱动的场合。电机在制动过程中处于再生发电状态时，机械能将转换成电能，由于传统的H桥级联型多电平变频器采用二极管不控整流桥，使得这些电能只能堆积在直流电容上，造成直流电容电压泵升。特别是对于快速制动、频繁正反转的交流调速系统，这一问题更加严重，甚至会引起电容爆炸，形成安全隐患，因而需要变频器具备向电网回馈能量的功能。目前，实现变频器的能量回馈主要有两种方法：改造功率单元整流器和增加能量回馈支路。改造功率单元整流器，即将传统的二极管整流器替换为PWM整流器，通过双PWM结构的功率单元实现能量的双向流动。其中，基于三相PWM整流器的变频器得到较多研究，其控制性能和输入输出性能较好，但改造成本较高。整流器还可以采用单相全桥或单相半桥PWM整流器，整流器的开关数目有所减少，改造成本有所降低，但是增加了直流电压的纹波，变频器输入输出的电能质量受到影响。增加能量回馈支路，即在电机机端中性点与多绕组变压器的二次侧跨接能量回馈支路。在电机减速过程中，控制变频器输出零序电压分量，使回馈支路导通回馈制动产生的电能。由于不利于电机转子绝缘和接地保护，零序电压幅值不宜过大，这就限制了回馈功率的极限，须低于额定功率的20％。此外，该方案需要增加变压器绕组数量，改造成本也比较高。公告号为CN102355140A的中国专利提出了一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法，将部分基于三相不控整流电路的功率单元由基于三相PWM整流电路的功率单元替代，由基于三相PWM整流电路的功率单元将电机再生能量回馈到电网。该方法仅替换部分功率单元的整流桥，未改造功率单元的直流侧，由于功率单元原有直流侧电容耐压和容量的限制，使得基于三相PWM整流电路的功率单元的回馈功率极限受到限制，无法满足较大的电机降频速率要求。因而，基于此种方法，为满足较高降频速率的回馈功率需求就需要增加基于三相PWM整流电路的功率单元数量，但是这将导致变频器改造成本的大幅度提高。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术通过改造能量回馈单元直流侧，提供了一种部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一、一种部分单元能量回馈级联型变频器，由基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元级联构成，其中，能量回馈单元为基于三相PWM整流电路的功率单元，由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，所述的中间直压电路包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容和第二电容并联构成第一并联支路，第三电容和第四电容并联构成第二并联支路，第一并联支路和第二并联支路串联。上述基于三相不控整流电路的功率单元由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相不控整流电路并联构成。基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元通过逆变电路级联。本专利技术提出的部分能量回馈级联型变频器通过改造能量回馈单元的直流环节，利用第一电容、第二电容、第三电容和第四电容间的串并联，适当提高能量回馈单元中直流电容的耐压和容量，从而提高能量回馈单元的回馈功率上限，使变频器能满足更高降频速率的能量回馈要求。二、上述部分单元能量回馈级联型变频器中能量回馈单元配置方法，包括步骤：步骤1，在不同降频速率下模拟电机制动过程，获得各降频速率对应的功率因数角极限值，经拟合获得降频速率与功率因数角极限值的函数关系；步骤2，设定能量回馈单元直流侧电压值，计算不同功率单元配置比下能量回馈级联型变频器输出的移相角极限值，根据移相角极限值获得能实现能量回馈的功率因数角极限值，所述的功率单元配置比指级联型变频器中能量回馈单元数量和基于三相不控整流电路的功率单元数量的比值；步骤3，将步骤2获得的功率因数极限值代入步骤1获得的降频速率与功率因数角极限值的函数关系中，得到功率因数极限值对应的降频速率，即可得到不同功率单元配置比下能实现能量回馈的降频速率极限值；步骤4，根据电机的实际降频速率需求及功率单元配置比与降频速率极限值的对应关系，选取级联型变频器的单元配置比。步骤1中所述的模拟电机制动过程采用Matlab/Simulink仿真进行。步骤1中所述的降频速率与功率因数角极限值的函数关系为：其中，P2、P1、P0为系数，通过拟合获得；为功率因数角极限值，Df为降频速率。步骤2中所述的能量回馈级联型变频器输出的移相角极限值βmax：βmax=arccos(2Us2+Udco2-Udcr222UsUdco)]]>其中，Udco表示每相所有基于三相不控整流电路的功率单元直流电压之和，Udcr表示每相所有能量回馈单元直流电压之和，Us为电机机端电压。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：1、采用直流环节差异化配置，适当提高能量回馈单元直流侧电容的耐压和容量，显著提高了变频器能量回馈极限，即能满足更高降频速率下的能量回馈需求，有利于提高电机的运行效率。2、与公告号为CN102355140A的中国专利提出的级联型变频器相比，在满足相同降频速率的能量回馈需求下，本专利技术能有效减少能量回馈单元数量，即降低了级联型变频器的改造成本；同时，也降低了变频器控制的复杂度。3、本专利技术可进一步降低能量回馈的实现成本，具有很高的经济价值。附图说明图1为本专利技术能量回馈级联型变频器及构成单元的具体拓扑结构图，其中，图(a)为部分单元能量回馈级联型变频器的拓扑结构图，图(b)为传统功率单元拓扑结构图，图(c)为能量回馈单元拓扑结构图；图2为能量回馈单元拓扑结构图，其中，图(a)为已有的能量回馈单元拓扑结构图，图(b)为本专利技术能量回馈单元拓扑结构图；图3为电机的稳态电压相量图，其中，图(a)为电机运行于电动状态时的稳态电压相量图，图(b)为电机运行于发电状态时的稳态电压相量图；图4为电机运行于发电状态时级联型变频器输出侧的电压相量图；图5为实施例中电机的功率因数角随时间的变化曲线；图6为功率因数角极限值与降频速率的二项式拟合曲线及拟合残差曲线，其中，图(a)为功率因数角极限值与降频速率的二项式拟合曲线，图(b)为图(a)中二项式拟合曲线的拟合残差曲线；图7为电机发电状态下级联型变频器中传统功率单元和能量回馈单元输出电压相量的变化范围。具体实施方式下面结合附图和具体实施对本专利技术做进一步阐述。图1(a)为本专利技术能量回馈级联型变频器的一种具体拓扑结构图，该变频器为5功率单元级联1能量回馈单元的级联型变频器，每相由5个功率单元级联组成，其中，4个功率单元为传统功率单元，即基于三相不控整流电路的功率单元，见图1(b)；1个功率单元为能量回馈单元，即基于三相PWM整流的功率单元，见图1(c)。各功率单元输出电压经矢量叠加后形成三相正弦电压波，向电机负载供电。现有技术已有的能量回馈单元拓扑结构见图2(a)，本专利技术能量回馈单元拓扑结构见图2(b)，本专利技术能量回馈单元由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种部分单元能量回馈级联型变频器，由基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元级联构成，其特征在于：所述的能量回馈单元为基于三相PWM整流电路的功率单元，由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，其中，中间直压电路包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容和第二电容并联构成第一并联支路，第三电容和第四电容并联构成第二并联支路，第一并联支路和第二并联支路串联。

【技术特征摘要】
1.一种部分单元能量回馈级联型变频器中能量回馈单元配置方法，其特征在于：所述的部分单元能量回馈级联型变频器由基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元级联构成，所述的能量回馈单元为基于三相PWM整流电路的功率单元，由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，其中，中间直压电路包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容和第二电容并联构成第一并联支路，第三电容和第四电容并联构成第二并联支路，第一并联支路和第二并联支路串联；包括步骤：步骤1，在不同降频速率下模拟电机制动过程，获得各降频速率对应的功率因数角极限值，经拟合获得降频速率与功率因数角极限值的函数关系；步骤2，设定能量回馈单元直流侧电压值，计算不同功率单元配置比下能量回馈级联型变频器输出的移相角极限值，根据移相角极限值获得能实现能量回馈的功率因数角极限值，所述的功率单元配置比指级联型变频器中能量回馈单元数量和基于三相不控整流电路的功率单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚俊涛，邓凯，刘飞，宫金武，熊兰，查晓明，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42