集成整流、有源滤波及能耗制动的复合电路及其控制方法

集成整流、有源滤波及能耗制动的复合电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气传动技术领域，特别涉及柴油发电机供电、需要变频拖动及能耗 制动应用领域的一种复合电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在公用电网所不及的电气传动领域（比如石油钻机系统，内燃机车牵引）， 其动力配备主要是由柴油发电机组来提供，电力电子装置在根据需要进行功率变换的同 时，将流经它们的基波功率中的一部分转化为谐波和无功功率，变成注入电源的谐波和无 功电流。上述谐波及无功电流流入输入电源系统，对同一电源上的其它用发电设备（比如 线路、发电机及井场照明）带来不良影响，谐波及无功损耗加大，发电机容量利用率降低。 目前常用的谐波和无功抑制方法是采用有源电力滤波器来补偿电网中存在的谐波和无功。 有源电力滤波器的基本原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得 出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载 电流中要补偿的谐波和无功等电流相互抵消，最终得到期望的电源电流。
[0003] 目前常用在石油钻机平台和牵引机车中的电气传动控制系统为VFD系统（变频调 速传动控制系统），该系统中的每个变频系统单元将柴油发电机供电平台所生成交流电，通 过二极管整流或晶闸管整流成直流电，经大容量电容器滤波，再用IGBT三相逆变器完成逆 变过程，得到电压和频率均可调的交流电，分别驱动该单元上的绞车、泥浆泵和顶驱或转盘 等电机类设备，当绞车制动时有较大的能量反馈直流部分，引起直流电压升高，通常在直流 部分并联有独立的斩波制动单元及制动电阻，如图1所示。
[0004] 现有技术的缺点：
[0005] VFD系统在减速过程中，电机类负载是处于发电状态的，发出来的电经逆变器反馈 给直流母线上的电容，使电容两端的电压上升。为了将电容器上多余的电荷释放掉，这就需 要配置制动单元和制动电阻，通过制动单元的控制，用制动电阻转换成热能消耗掉，从而稳 定直流电压。
[0006] 一般情况下谐波及无功均是由非线性负载产生的，因此防止谐波及无功电流注入 柴油机供电电网的最有效的办法是在谐波无功源附近安装滤波器，使滤波器中流过的谐波 和无功正好与谐波无功源的谐波相抵消，从而可以有效阻止谐波及无功流入系统中。对于 VFD系统而言，为了取得较好的谐波及无功补偿效果，最好在每个VFD附近安装APF(有源电 力滤波器）单元。
[0007] 从上述分析可以看出，考虑到在柴油发电机供电平台中存在大量的电力电子设 备，而这些设备会产生大量的谐波和无功，为了改善平台交流电网的电能质量，提高柴油发 电机的效率和容量利用率，通常会配备有APF单元及无功补偿器。但同时该电网中存在大 量的变频拖动类电机负载设备，这些设备在减速或者停机的时候会反馈能量到直流部分， 向直流侧电容充电导致直流侧电压泵升，会损坏直流母线上的设备，通常也需要配备制动 单元和制动电阻来消耗制动的能量。但实际上在制动工况时，电源侧的输入电流为零，无需 APF单元工作，APF处于闲置状态；当牵引工况时，制动单元处于闲置状态，此时只需要APF工作。因此现有的系统无疑增加了系统的成本和复杂度，降低了设备的利用率，不利于集成 化设计。

【发明内容】

[0008] 为解决柴油发电机供电和变频拖动电机类负载系统中存在的这两个主要问题，本 发明按照一体化设计理念，采用有源滤波及制动单元复合电路，利用有源滤波及无功补偿 电路来充当斩波器，将整流、有源滤波、无功补偿和能耗制动等功能集成于一体，用同一套 复合电路实现上述功能，提高设备实用性，降低VFD系统的成本和复杂度。
[0009] 本发明具体采用如下技术方案：
[0010] 一种集成了整流、有源滤波和能耗制动功能的复合电路，其特征在于包括整流单 元、有源滤波及无功补偿单元、钳位电路、第一状态选择静态开关和第二状态选择静态开 关，整流单元与有源滤波及无功补偿单元通过第一状态选择静态开关在交流侧连接，通过 钳位电路在直流侧连接，第二状态选择静态开关连接在外部的三相交流制动电阻和有源滤 波及无功补偿单元之间，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间，为制 动时能量反馈提供回路。
[0011] 所述复合电路的控制方法，其特征在于根据负载工作状态，控制第一状态选择静 态开关、第二状态选择静态开关的导通和关断，使复合电路在三种工作状态下切换：
[0012] APF状态：此时U2 >U1，其中U1为钳位电路正极电压，U2为钳位电路负极电压， 第一状态选择静态开关导通，第二状态选择静态开关关断，钳位电路反向偏置阻断，电路主 要用来补偿谐波电流，提高系统功率因数；（负载电机工作在牵引状态时）
[0013] 大功率反馈能耗制动状态：此时U1多U2,第一状态选择静态开关关断，第二状态 选择静态开关导通，钳位电路正向偏置导通，直流母线上多余的能量经有源滤波及无功补 偿单元后直接通过交流制动电阻消耗掉，完成制动功能；
[0014] 小功率反馈制动状态：此时U1多U2,制动能量比较小并且交流输入侧还有其它负 载时，第一状态选择静态开关导通，第二状态选择静态开关关断，钳位电路正向偏置导通， 直流母线上多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元反馈到输入电源侧，给线路上其它交 流负载使用。（负载电机工作在制动状态时）
[0015] 本发明将整流单元与有源滤波及无功补偿单元组合在一起，使得补偿环路变短， 便于获得较好的补偿效果，同时也构成共直流母线输出。钳位电路接在有源滤波及无功补 偿单元与直流母线之间，为制动时能量从电机负载向有源滤波单元传输提供回路，部分能 量还可利用有源滤波单元反馈给其它负载使用，从而可充分利用回馈电能。
[0016] 本发明具有如下有益效果：
[0017] 1、实现整流、有源滤波（APF)、能耗制动一体化设计，将APF电路与制动斩波电路 整合到一起，减少了全控器件IGBT的数量，节约了成本。
[0018] 2、钳位电路接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间，为制动时能量从电机 负载向有源滤波单元传输提供回路，该单元不但可以完成对柴油发电机供电平台电网的谐 波补偿，而且能回馈部分能量给其它负载使用，提高了电能利用率，在制动功率较大时可以 充当制动电路的开关器件，实现能耗制动，装置利用率高。
[0019] 3、复合后的有源滤波电路不仅可以补偿输入谐波而且还能消除电机制动时所产 生多余能量对直流侧器件的影响。
[0020] 4、整流单元中含有大量的谐波，加入APF单元后对柴油发电机输入电源中的谐波 及无功电流进行较好的补偿，提高发电机的效率和容量利用率。
[0021] 5、整流单元与有源滤波及无功补偿单元装在一起使得补偿环路变短，便于获得较 好的补偿效果，同时也构成共母线输出，从而可以充分的利用母线上的能量。
[0022] 6、通过对状态选择静态开关的控制，本发明电路可以轻松实现在三种工作状态之 间相互切换，分时工作，与负载整流牵引工况和能耗制动工况的分时工作相适应，提高了设 备利用率。
【附图说明】
[0023] 图1是常用VFD系统结构示意图。
[0024] 图2是包含本发明复合电路的VFD系统结构示意图。
[0025] 图3是常用并联型APF系统框图。
[0026] 图4是应用本发明电路的系统结构框图。
[0027] 图5是并联型有源电力滤波器等效电路。
[0028] 图6a是APF工作状态结构图。
[0029] 图6b是大功率反馈能耗制动状态结构图。
[0030] 图6c是小功率反馈制动状 态结构图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
[0032] 如图2所示，本发明复合电路包括整流单元M2、有源滤波及无功补偿单元（APF单 元）Ml、钳位电路、第一状态选择静态开关S1和第二状态选择静态开关S2,整流单元M2与 有源滤波及无功补偿单元Ml通过第一状态选择静态开关S1在交流侧连接，并通过钳位电 路在直流侧连接，第二状态选择静态开关S2连接在外部的三相交流制动电阻R和APF单元 Ml之间，钳位电路连接在有有源滤波及无功补偿单元Ml与直流母线之间，为制动时能量从 电机负载向制动电阻传输提供回路。
[0033] 整流单元M2采用不可控整流电路实现。钳位电路采用二极管D实现，二极管D的 正极连接直流正母线，负极连接有源滤波及无功补偿单元Ml的直流正端，有源滤波及无功 补偿单元Ml的直流负端连接直流负母线。有源滤波及无功补偿单元采用三相三线有源滤 波电路，由连接在交流侧的电感、6个反并联二极管的IGBT组成的逆变桥和连接在直流母 线两端的高压电容组成。
[0034] 图3是常用并联型APF系统结构框图，图4是应用本发明电路的系统结构框图。对 比这两结构框图可知，后者增加了钳位电路，电压、电流检测电路，状态切换单元（由第一、 第二状态选择静态开关S1、S2组成）。电压、电流检测电路用于检测钳位二极管处的电流、 电压及交流输入侧的电压，以此为依据控制电路的工作状态。电压和电流均为瞬时值检测。
[0035] 对于并联型有源电力滤波器，其等效电路图如图5所示，而电压型变流器所产生 的补偿电流满足下面的等式，BP
[0036]
[0037] 式中、⑴士⑴和Uc;(t)分别为补偿电流，系统电压和有源电力滤波器逆变器的 输出电压，而L、R分别为等效电感和电阻，通常情况下，等效电阻很小，因此可以忽略。所示 上式可近似为：
[0038]
[0039] 因此，有源电力滤波器产生的补偿电流的大小主要取决于逆变器输出电压ue(t) 的大小。而当输出电感的值一定的情况下，为了增强电流的跟踪能力，只能提高逆变器的输 出电压，而该值的大小与直流电压大小成正比，故可知电容两端的电压越高，有源电力滤波 器输出电流跟踪能力也越强，故使二极管D负极电压U2稍大于整流器输入电压的峰值。APF 工作时电压U2作为闭环控制的参数，是定值。但是作为能耗制动时，其值近似等于U1。
[0040] 本发明复合电路可工作在三种工作状态：
[0041] APF状态：此时U2 >U1，开关S1导通，开关S2关断，二极管D反向偏置阻断，电路 主要用来补偿谐波电流，提高系统功率因数，其等效结构图如图6a所示。
[0042] 大功率反馈能耗制动状态：此时U1多U2,开关S1关断，开关S2导通，二极管D正 向偏置导通，直流母线上多余的能量经APF单元后直接通过交流制动电阻消耗掉，完成制 动功能，此时等效结构图如图6b所示。
[0043] 小功率反馈制动状态：此时当U1多U2,制动能量比较小并且交流输入侧还有其它 负载时，开关S1导通，开关S2关断，二极管D正向偏置导通，直流母线上多余的能量通过 APF单元（工作于逆变状态）反馈到输入电源侧，给线路上其它交流负载使用，该状态等效 结构图如图6c所示。
[0044] 其中大功率反馈能耗制动状态和小功率反馈制动状态之间的切换主要是通过检 测钳位二极管处的电流和交流输入侧的电压来实现，当二极管处的电流大于预设值或者交 流输入侧电压大于柴油发电机输出电压时，说明反馈能量大于其它设备所需能量，需要使 用交流制动电阻将直流母线上多余的能量损耗掉，以防止直流母线电压升高，损害母线上 设备。前者是由于反馈能量过高而切换，后者是由于反馈能量不能被其它用电负载所消耗。
[0045] 通过对状态选择静态开关的控制可以轻松实现本发明电路在上述三种工作状态 之间相互切换，分时工作，与负载整流牵引工况和能耗制动工况的分时工作相适应，提高了 设备利用率。因此，本发明复合电路具有很强的实用性。
【主权项】
1. 一种集成了整流、有源滤波和能耗制动功能的复合电路，其特征在于包括整流单元 (M2)、有源滤波及无功补偿单元(M1)、钳位电路、第一状态选择静态开关（SI)和第二状态 选择静态开关（S2)，整流单元(M2)与有源滤波及无功补偿单元(Ml)通过第一状态选择静 态开关（Sl)在交流侧连接，通过钳位电路在直流侧连接，第二状态选择静态开关（S2)连接 在外部的三相交流制动电阻和有源滤波及无功补偿单元(Ml)之间，钳位电路连接在有源滤 波及无功补偿单元(Ml)与直流母线之间，为制动时能量反馈提供回路。2. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能耗制动功能的复合电路，其特征在 于所述整流单元（M2)采用不可控整流电路实现。3. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能耗制动功能的复合电路，其特征在 于钳位电路采用二极管实现，二极管的正极连接直流正母线，负极连接有源滤波及无功补 偿单元Ml的直流正端，有源滤波及无功补偿单元Ml的直流负端连接直流负母线。4. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能耗制动功能的复合电路，其特征在 于有源滤波及无功补偿单元Ml采用三相三线有源滤波电路实现。5. 权利要求1所述复合电路的控制方法，其特征在于根据负载工作状态，控制第一状 态选择静态开关（S1 )、第二状态选择静态开关（S2)的导通和关断，使复合电路在三种工作 状态下切换： APF状态：此时U2 > U1，其中Ul为钳位电路正极电压，U2为钳位电路负极电压，第一 状态选择静态开关（SI)导通，第二状态选择静态开关（S2)关断，钳位电路反向偏置阻断， 电路主要用来补偿谐波电流，提高系统功率因数； 大功率反馈能耗制动状态：此时Ul多U2,第一状态选择静态开关（SI)关断，第二状态 选择静态开关（S2)导通，钳位电路正向偏置导通，直流母线上多余的能量经有源滤波及无 功补偿单元(Ml)后直接通过交流制动电阻消耗掉，完成制动功能； 小功率反馈制动状态：此时Ul多U2,制动能量比较小并且交流输入侧还有其它负载 时，第一状态选择静态开关（SI)导通，第二状态选择静态开关（S2)关断，钳位电路正向偏 置导通，直流母线上多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元(Ml)反馈到输入电源侧，给 线路上其它交流负载使用。6. 权利要求5所述复合电路的控制方法，其特征在于大功率反馈能耗制动状态和小功 率反馈制动状态之间的切换通过检测钳位电路的电流和交流输入侧的电压来实现。
【专利摘要】本发明公开一种集成了整流、有源滤波和能耗制动等功能的复合电路及其控制方法，包括整流单元、有源滤波及无功补偿单元、钳位电路、第一状态选择静态开关和第二状态选择静态开关，整流单元与有源滤波及无功补偿单元通过第一状态选择静态开关在交流侧连接，通过钳位电路在直流侧连接，第二状态选择静态开关连接在外部的三相交流制动电阻和有源滤波及无功补偿单元之间，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间，为能量反馈提供回路。本发明既能对柴油发电机输入电源中的谐波及无功电流进行较好的补偿，又能对钻机绞车（或机车）制动时所产生的能量进行泄放，部分能量还能通过APF电路反馈给其它负载使用，提高了器件的利用率。
【IPC分类】H02P101/25, H02P3/00, H02P9/00
【公开号】CN104883103
【申请号】CN201510307293
【发明人】周细文, 刘韬, 章辉, 谈浩楠
【申请人】江苏同芯电气科技有限公司, 周细文
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月5日