[發明專利]集成整流、有源濾波及能耗制動的復合電路及其控制方法

在審

• 申請號: 201510307293.2
• 申請日: 2015-06-05
• 公開（公告）號: CN104883103A
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: 周細文;劉韜;章輝;談浩楠
• 申請（專利權）人: 江蘇同芯電氣科技有限公司;周細文
• 主分類號: H02P9/00
• 分類號: H02P9/00;H02P3/00;H02P101/25
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 任立;艾中蘭

技術領域

本發明涉及電氣傳動技術領域，特別涉及柴油發電機供電、需要變頻拖動及能耗制動應用領域的一種復合電路及其控制方法。

背景技術

目前，在公用電網所不及的電氣傳動領域(比如石油鉆機系統，內燃機車牽引)，其動力配備主要是由柴油發電機組來提供，電力電子裝置在根據需要進行功率變換的同時，將流經它們的基波功率中的一部分轉化為諧波和無功功率，變成注入電源的諧波和無功電流。上述諧波及無功電流流入輸入電源系統，對同一電源上的其它用發電設備(比如線路、發電機及井場照明)帶來不良影響，諧波及無功損耗加大，發電機容量利用率降低。目前常用的諧波和無功抑制方法是采用有源電力濾波器來補償電網中存在的諧波和無功。有源電力濾波器的基本原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波和無功等電流相互抵消，最終得到期望的電源電流。

目前常用在石油鉆機平臺和牽引機車中的電氣傳動控制系統為VFD系統(變頻調速傳動控制系統)，該系統中的每個變頻系統單元將柴油發電機供電平臺所生成交流電，通過二極管整流或晶閘管整流成直流電，經大容量電容器濾波，再用IGBT三相逆變器完成逆變過程，得到電壓和頻率均可調的交流電，分別驅動該單元上的絞車、泥漿泵和頂驅或轉盤等電機類設備，當絞車制動時有較大的能量反饋直流部分，引起直流電壓升高，通常在直流部分并聯有獨立的斬波制動單元及制動電阻，如圖1所示。

現有技術的缺點：

VFD系統在減速過程中，電機類負載是處于發電狀態的，發出來的電經逆變器反饋給直流母線上的電容，使電容兩端的電壓上升。為了將電容器上多余的電荷釋放掉，這就需要配置制動單元和制動電阻，通過制動單元的控制，用制動電阻轉換成熱能消耗掉，從而穩定直流電壓。

一般情況下諧波及無功均是由非線性負載產生的，因此防止諧波及無功電流注入柴油機供電電網的最有效的辦法是在諧波無功源附近安裝濾波器，使濾波器中流過的諧波和無功正好與諧波無功源的諧波相抵消，從而可以有效阻止諧波及無功流入系統中。對于VFD系統而言，為了取得較好的諧波及無功補償效果，最好在每個VFD附近安裝APF(有源電力濾波器)單元。

從上述分析可以看出，考慮到在柴油發電機供電平臺中存在大量的電力電子設備，而這些設備會產生大量的諧波和無功，為了改善平臺交流電網的電能質量，提高柴油發電機的效率和容量利用率，通常會配備有APF單元及無功補償器。但同時該電網中存在大量的變頻拖動類電機負載設備，這些設備在減速或者停機的時候會反饋能量到直流部分，向直流側電容充電導致直流側電壓泵升，會損壞直流母線上的設備，通常也需要配備制動單元和制動電阻來消耗制動的能量。但實際上在制動工況時，電源側的輸入電流為零，無需APF單元工作，APF處于閑置狀態；當牽引工況時，制動單元處于閑置狀態，此時只需要APF工作。因此現有的系統無疑增加了系統的成本和復雜度，降低了設備的利用率，不利于集成化設計。

發明內容

為解決柴油發電機供電和變頻拖動電機類負載系統中存在的這兩個主要問題，本發明按照一體化設計理念，采用有源濾波及制動單元復合電路，利用有源濾波及無功補償電路來充當斬波器，將整流、有源濾波、無功補償和能耗制動等功能集成于一體，用同一套復合電路實現上述功能，提高設備實用性，降低VFD系統的成本和復雜度。

本發明具體采用如下技術方案：

一種集成了整流、有源濾波和能耗制動功能的復合電路，其特征在于包括整流單元、有源濾波及無功補償單元、鉗位電路、第一狀態選擇靜態開關和第二狀態選擇靜態開關，整流單元與有源濾波及無功補償單元通過第一狀態選擇靜態開關在交流側連接，通過鉗位電路在直流側連接，第二狀態選擇靜態開關連接在外部的三相交流制動電阻和有源濾波及無功補償單元之間，鉗位電路連接在有源濾波及無功補償單元與直流母線之間，為制動時能量反饋提供回路。

所述復合電路的控制方法，其特征在于根據負載工作狀態，控制第一狀態選擇靜態開關、第二狀態選擇靜態開關的導通和關斷，使復合電路在三種工作狀態下切換：

APF狀態：此時U2﹥U1，其中U1為鉗位電路正極電壓，U2為鉗位電路負極電壓，第一狀態選擇靜態開關導通，第二狀態選擇靜態開關關斷，鉗位電路反向偏置阻斷，電路主要用來補償諧波電流，提高系統功率因數；(負載電機工作在牽引狀態時)