[发明专利]一种能量回馈的高压变频器装置及其控制方法

权利要求书

1.一种能量回馈的高压变频器装置，包括移相变压器(10)、第一再生功率单元(1)，第二再生功率单元(2)，第三再生功率单元(3)，第一非再生功率单元(4)，第二非再生功率单元(5)，第三非再生功率单元(6)，第四非再生功率单元(7)，第五非再生功率单元(8)，第六非再生功率单元(9)，其特征在于：

移相变压器(10)设有一次绕组(100)一组，接成星形或角形，设有二次绕组九组，分为三部分：第一二次绕组(101)、第二二次绕组(102)、第三二次绕组(103)组成第一部分；第四二次绕组(104)、第五二次绕组(105)、第六二次绕组(106)组成第二部分；第七二次绕组(107)、第八二次绕组(108)、第九二次绕组(109)组成第三部分，每部分中三组二次绕组对应的线电压依次相差的电角度为20电角度；

一次绕组(100)与三相电源相连接；

第一二次绕组(101)的三个输出端与第一再生功率单元(1)的三个输入端相连接；第二二次绕组(102)的三个输出端与第二再生功率单元(2)的三个输入端相连接；第三二次绕组(103)的三个输出端与第三再生功率单元(3)的三个输入端相连接；

第四二次绕组(104)的三个输出端与第一非再生功率单元(4)的三个输入端相连接；第五二次绕组(105)的三个输出端与第二非再生功率单元(5)的三个输入端相连接；第六二次绕组(106)的三个输出端与第三非再生功率单元(6)的三个输入端相连接；

第七二次绕组(107)的三个输出端与第四非再生功率单元(7)的三个输入端相连接；第八二次绕组(108)的三个输出端与第五非再生功率单元(8)的三个输入端相连接；第九二次绕组(109)的三个输出端与第六非再生功率单元(9)的三个输入端相连接；

每个再生功率单元和每个非再生功率单元的H桥逆变器都有两个交流输出端，第一再生功率单元(1)及第一非再生功率单元(4)和第四非再生功率单元(7)的交流输出端依次串联，组成高压变频器交流输出的一相；第二再生功率单元(2)及第二非再生功率单元(5)和第五非再生功率单元(8)的交流输出端依次串联，第三再生功率单元(3)及第三非再生功率单元(6)和第六非再生功率单元(9)的交流输出端依次串联，组成高压变频器交流输出的另外两相；每相的一个对应端连接在一起，构成星形连接，每相的另一端与三相负载的一个输入端相连接，构成高压变频器三相交流输出端与三相交流负载三个输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种能量回馈的高压变频器装置，其特征在于：

第一再生功率单元(1)、第二再生功率单元(2)、第三再生功率单元(3)分别属于三相，即每相包含有一个再生功率单元；第一再生功率单元(1)、第二再生功率单元(2)、第三再生功率单元(3)结构相同，每个功率再生单元包括熔断器(11)、IGBT构成的双向PWM变流器(12)、直流滤波电容器(13)、IGBT构成的H桥逆变器(14)；双向PWM变流器(12)的三个输入端经熔断器(11)与移相变压器(10)中对应的一组二次绕组相接连；双向PWM变流器(12)的两个输出端与直流滤波电容器(13)两端及H桥逆变器(14)输入端并连；

3.如权利要求1所述的一种能量回馈的高压变频器装置，其特征在于：

第一非再生功率单元(4)、第二非再生功率单元(5)、第三非再生功率单元(6)及第四非再生功率单元(7)、第五非再生功率单元(8)、第六非再生单元(9)分别属于三相，即每相包含两个非再生功率单元；其中，第一非再生功率单元(4)和第四非再生功率单元(7)属于一相；第二非再生功率单元(5)和第五非再生功率单元(8)属于一相；第三非再生功率单元(6)和第六非再生功率单元(9)属于一相；

第一非再生功率单元(4)、第二非再生功率单元(5)、第三非再生功率单元(6)、第四非再生功率单元(7)、第五非再生功率单元(8)、第六非再生单元(9)结构相同，每个非再生功率单元包括熔断器(15)、二极管构成的三相整流桥(16)、直流滤波电容器(17)、H桥逆变器(18)；三相整流桥(16)的三个输入端经熔断器(15)与移相变压器(10)中对应的一组二次绕组相连，三相整流桥(16)的两个输出端与直流滤波电容器(17)两端及H桥逆变器(18)输入端并连。

4.如权利要求1所述的一种能量回馈的高压变频器装置，其特征在于：每一相再生功率单元个数小于每一相再生功率单元个数与非再生功率单元个数之和。

5.一种能量回馈的高压变频器的控制方法，其步骤如下：

A、通过现有的传统电机工况判断电路，检测电机端电压相位和电机相电流相位；当电机电压相位超前电机电流相位的电角度大于90度时，电机处于再生运行状态，程序转移到步骤F，当电机电压相位超前电机电流相位的电角度小于90度时，电机处于电动运行状态，程序控制高压变频器所有功率单元工作模式相同，再生功率单元中的双PWM变流器和非再生功率单元的二极管构成的三相不可控整流桥都工作在整流状态；

B、在电动状态下，程序控制再生单元和非再生率单元的输出的电压相同，提供相同的有功功率和无功功率给电机负载；程序根据运行工况，计算出再生功率单元和非再生功率单元中的H桥逆变器载波移相控制所需要的参考正弦波电压，然后，将参考正弦波与移相载波相比较，得到触发所有H桥逆变器的PWM波；

C、进行载波移相PWM控制，在同一相再生功率单元和非再生功率单元的参考正弦波电压完全相同的情况下，将同相功率单元的载波相位依次移动一个电角度，这个电角度等于180电角度/每相功率单元数；

D、对于三相同一位置的三个单元，其参考正弦波电压依次相差120电角度；

E、通过现有的传统数字比较器将各个功率单元的参考正弦波与移相三角载波相比较，得到PWM脉冲串，脉冲串的宽度依赖于参考正弦波的瞬时值；当参考正弦波的瞬时值大于移相三角载波的瞬时值时，比较器输出高电平，反之，比较器输出低点平；用这些“高”及“低”电平信号去触发H桥逆变器中IGBT的“导通”及“关断”；当左桥臂的上IGBT与右桥臂的下IGBT导通时，逆变器输出电压等于正的直流母线电压；当右桥臂的上IGBT与左桥臂的下IGBT导通时，逆变器输出电压等于负的直流母线电压；当左、右桥臂的上IGBT同时导通或左、右桥臂的下IGBT同时导通时，逆变器输出电压为零；

F、在步骤1中，当检测到电机电压相位超前电机电流相位的电角度大于90度时，电机处于再生运行状态，程序控制高压变频器中的再生功率电源吸收电机的能量并回馈给电源，同时控制非再生功率单元，提供电机励磁所需的无功功率；

G、在再生运行状态时，控制系统控制再生功率单元和非再生功率单元的H桥逆变器输出电压相位相差90电角度，使得再生功率单元H桥逆变器输出电压的相位与电流相位相反，而非再生功率单元H桥逆变器输出电压的相位超前与电流相位90电角度；

H、由程序控制，利用矢量控制原理进行座标变换，将电机电压矢量U1的位置定位为d-q坐标系中的q轴，滞后90电角度的位置为d轴，则电流的励磁分量、转矩分量以及再生功率单元和非再生功率单元的H桥逆变器输出电压矢量均可确定；再将d-q坐标系中的再生功率单元和非再生功率单元的H桥逆变器输出电压矢量转换为a-b-c三相坐标系下的矢量，就得到了再生功率单元和非再生功率单元中的H桥逆变器载波移相控制所需要的参考正弦波电压，程序再控制转移到步骤E。