[发明专利]集成整流、有源滤波及能耗制动的复合电路及其控制方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

现有技术的缺点：

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。

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。

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

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。

本发明具体采用如下技术方案：

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。

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：

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)