[发明专利]一种高性能四象限变频器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种驱动永磁同步直线电机的高性能四象限变频器。

背景技术

传统的电机驱动用变频器前端多使用二极管整流桥将交流电变换成直流电，这种变频器结构存在的主要问题是：

1) 输入电流含有较大的谐波。由于二极管整流桥的特点，输入电流无法直接控制，电流THD（总谐波畸变率）一般在40%以上，造成输入线路损耗增大和电磁干扰问题，是造成目前电网污染的重要原因，该污染问题将随着电网设备中变流器应用的不断增加变得越来越严重。

2）从电网吸收无功功率、输入功率因数较低，且不可控。

3）无法实现能量的双向流动。由于二极管整流桥只允许电流单向流动，能量只能由输入向输出传递，无法反向流动。

4）输出直流电压不可控。重载时直流母线电压会有所跌落，而能量回馈时又会抬升直流电压，存在直流过压的危险，从而危及功率开关器件，因此需要加装大功率的直流过压吸收电阻和开关器件，这样又会造成能量的浪费。

另外，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ABB 公司的ACS800，ACS1000，ACS2000，ACS5000等系列四象限变频器, 西门子公司的GM150， SM150，GL150等产品，但其性能参数与国内行业标准有一定差异，而且不适合应用于驱动特殊的永磁同步直线电机负载。

如：中国专利ZL02104139.3 ，提供了一种无谐波污染高压变频器能量回馈装置，它包括多个反馈桥和反馈桥控制电路。但是，它仅仅是一个能量回馈装置，无法改善二极管整流之谐波污染问题，同时也无法实现对直流侧电压、输入功率因数的控制。

再如：中国专利ZL200810120160.4 ，提出了一种直流侧电压可控型四象限变频器及其方法。它实现直流电压控制，改善网侧电流品质并将再生电能回馈至电网，但是其仅侧重于前端整流器的控制，尤其侧重直流电压的控制方法。但是，并没有涉及对整个变频系统进行总体设计的技术方案。

还如：中国专利ZL200910107449.7 ，提出了一种三相同步整流电路并提供了一种同步整流电路的控制方法。但其仅仅针对同步整流器本身，并无涉及电机驱动相关内容。

发明内容

鉴于上述现状，本发明的目的旨在提供一种高性能的四象限变频器，克服了传统电机驱动用变频器输入谐波大、能量不能双向流动、功率因数不可调、直流电压不受控、整流侧和逆变侧不协调的问题。

本发明的另一目的还提供了整流器和逆变器协调起来进行控制的方法，使整个控制系统根据电机的运行特性实现间歇性运行规律。

本发明的技术解决方案是通过以下措施来实现的。一种高性能四象限变频器，包括：

依次连接的主接触器、预充电电阻、三相电抗器、整流器、逆变器，该逆变器和永磁同步直线电机连接，在所述预充电电阻的两端并联有辅接触器，及整流器与逆变器之间设有电解电容，通过主接触器与三相交流电源连接；

具有电网电压检测、输入电流检测、直流母线电压检测、直流电流检测的输出端均与控制系统中的采样模块相连，控制系统的整流触发脉冲和逆变触发脉冲均通过光纤或双绞线分别与所对应的全控型开关器件的控制端连接；

由整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，整个控制系统根据永磁同步直线电机负载的运行特性具有间歇性运行规律，整流器利用逆变器侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，同时整流器利用逆变器侧电机的运行规律，实现整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能的间歇性运行。

本发明中，用于驱动永磁同步直线电机的功率电路中的整流器和逆变器在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；整流器和逆变器中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在可控整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。

本发明中，用于驱动永磁同步直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测放在主接触器的二次侧或一次侧，输入电流检测串联在电抗器的输入线路中，直流母线电压检测并联在电解电容两端，直流电流检测串联在可控整流器的正极输出线路中。