[发明专利]可控硅整流回馈装置

说明书

技术领域

本发明涉及交直交变频器，更具体地，是一种可控硅整流回馈装置。

背景技术

在交直交电压型变频调速装置的主回路中，主要包括三大组成部分，结合图1，该三个部分包括：整流器（Rectifier），其主要功能是把交流电整流成直流；中间滤波回路（DC LINK），其对整流器输出的脉动电压进行滤波，降低电压脉动幅度，提供稳定的直流电压；逆变器（Inverter），其重要是把直流电逆变成电压与频率均可调的交流电，从而给交流电机供电。

在驱动位能性负荷,或需要快速制动的场合，或需正反转快速切换的场合，电机转轴上的机械能转化为电能，通过逆变器回馈到直流回路，导致直流回路的电压快速升高。由于变频器使用的功率器件承受过电压的能力有限，一旦直流回路过电压超过一定值，可能导致功率器件因过电压而击穿。为抑制直流回路电压升高，可采取两种措施，一是在变频装置中配置能量回馈电路，把直流回路的能量回馈到交流电网，以达到节能；二是通过在变频装置中设置直流制动回路，把直流回路的能量消耗到制动电阻上，从而将电机的机械能转化为热能消耗掉，这样导致能量的浪费。

一般而言，对于小容量的变频器，可采用直流制动的方法来抑制直流回路电压的升高。但对于中、大容量变频器来说，如采用直流制动的方法，需配置比较大的直流制动电路，这样既浪费宝贵能量，还导致变频器内部温度或电气室温度升高。所以，对中、大容量变频器来说，需采用在整流器中配置能量回馈电路的方案，把电机制动能量回馈到电网，从而达到节能目的。

目前，整流回馈电路主要有三种方式。一是由可控硅正反组桥并联形成的公共整流器；二是SLM（Smart Line Module，智能电源型）整流器；三是ALM（Active Line Module，有源电源型）整流器。如图2所示，可控硅正反组桥反并联组成的公共整流器包括正组桥6个可控硅元件（V11-V16）及与之反并联的反组桥6个可控硅元件（V21-V26组成）。当正组桥可控硅V11-V16工作在整流状态时，整流器输出电压为上正下负。当直流回路电压升高，反组桥可控硅V21-V26工作在逆变状态，把直流回路能量回馈到交流电网中去。

可控硅为半控器件，一旦导通后，不能通过门极脉冲来控制其关断，必须使可控硅的阳极与阴极之间承受一定反压，才能使可控硅可靠关断。在可控硅工作在逆变状态时，如果电网电压跌落，可控硅可能逆变颠覆。参照图2，当可控硅V21-V26工作在逆变状态，假设原先导通的可控硅为V22和V23；如在图3中P点时刻，要实现电流从c相换流到a相，触发可控硅V24；V24导通后，直流N侧电位与交流a相电位一致。由于此时相电压U_a大于U_c，可控硅V22承受反向电压而关断，能安全实现逆变换流。但如果在换流瞬间电网电压跌落，或电网受干扰出现电压畸变，可能导致图3中可控硅V22不能可靠关断，经过一定时间（如3.33ms）后，触发可控硅V25，出现直流桥臂上下直通的现象，这就是通常所说的逆变颠覆。逆变颠覆导致直流短路，可能损坏功率器件，甚至导致交流电网短路，造成故障扩大。

SLM整流器与ALM整流器结构一致，结构简图如图4所示。均采用6个二极管及6个可关断功率器件（如IGBT、IGCT、IEGT、GTO等）组成的三相桥式整流回馈电路。但二者的控制方式不同，外围滤波电路也不同。SLM整流器通过相对短路阻抗为4%的交流电抗器与电网相连，采用二极管整流，输出直流电压不可控。当直流回路电压超过额定直流电压一定值后，在每相交流电压的自然换相点触发可控功率器件，实现能量回馈到交流电网。ALM整流器输出直流电压可控，即通过直流电压、电流双闭环调节器，控制PWM调制相位与幅值来维持直流回路电压的稳定。ALM整流器抑制电网波动能力比较强，可实现电网侧功率因数为1，从而降低电网侧谐波；但ALM整流器价格昂贵，需要配置专用滤波电路。

可控硅相比于可控功率器件来说，具有一定优势。可控硅可以承受高电压、高电流，而且可控硅的制造技术也十分成熟；并且，可控硅控制与应用技术成熟，成本较低。所以，在交直交变频装置中，仍然广泛采用可控硅整流器。但其致命弱点是对电网电压畸变与波动比较敏感，容易发生逆变颠覆的故障。