[发明专利]背靠背式无电解电容变频调速系统及方法

说明书

本发明涉及一种背靠背式无电解电容变频调速系统及方法，该系统包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节，以及对直流母线两侧进行功率跟踪达到功率平衡的PTC控制器，整流环节和逆变环节分别位于所述直流母线环节的两侧，所述整流环节包括用以吸收高频纹波的小容量的薄膜电容。本发明针对整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定问题，提出一体化功率控制策略及一种新型的功率跟踪控制器，从而减少直流母线薄膜电容能量应力，实现了功率的动态平衡和解耦控制。能够抑制直流侧电压谐波含量，有效改善电网侧输入电流波形质量，提高功率因数。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种整流逆变控制中基于PTC功率一体化控制的背靠背式无电解电容变频调速系统及方法。

背景技术

早期的变频器指的是由相控器件(晶闸管)组成的传统的交-交变频器(图2-1所示)，由于不需要直流环节，因此系统中没有滤波电解电容，通过对晶闸管的触发角连续进行交变的相位调制，将输入交流电压变换为频率可变的输出电压，以实现变频的目的。采用该结构的系统由于使用了半控型器件，难以实现较复杂的控制，并且无法输出高于输入电源频率的电压、输入功率因数较低，一般适用于大功率等级的低速传动，不适合在宽调速范围的系统中使用。

随着电力电子技术的进一步发展，全控型开关器件开始出现。有学者开始将门极可关断晶闸管(GTO)应用到变频调速电路中，形成了一种控制性能更强的变频拓扑(图2-2所示)。该拓扑属于交-直-交的结构，采用了电流型逆变电路，直流环节不需要进行稳压，因此直流母线也不需要大容量电解电容，并且由于有了直流环节，变频器输出频率不再受电网频率的制约，调高了变频器的调速范围。该拓扑的主要缺点为：后级逆变侧的GTO需要进行强迫换流，系统设计较为复杂，并且前级采用晶闸管移相整流，电网侧电流谐波含量大污染电网，适用于一些对输入功率因数要求较低的应用领域。

矩阵变换器是另外一类适用于变频器的无电解电容拓扑(图2-3所示)，最早由LGyugyi和B R Pelly提出，M Venturini等人在1979年对该电力电子变换技术的可行性进行了论证。随后的发展过程中，该技术也引起了国内学者的关注，并取得了一定的成绩。比如，上海大学的陈伯时等人在1998年采用PWM调制技术和四步换流策略制造出了矩阵变换器的样机。项目申请人及其合作者也进行了该方面的研究，并于2002年采用基于双电压闭环控制的方法实现了矩阵变换器的电压闭环控制。传统三输入三输出矩阵变换器可以将输入电压变换为所需幅值和频率的交流电压，并可以实现对功率因数的控制。但由于系统中需要采用普通开关管组合出双向可控开关，所用电力电子器件较多、控制策略比较复杂，难以在变频调速系统中得到广泛使用。

日本学者在2003年提出了一种单相电网供电条件下的无电解电容的变频器拓扑(图2-4所示)，并将其应用到了空调压缩机变频调速系统中。在该拓扑的整流环节，没有采用大容量的电解电容进行滤波，只采用了一个小容量的薄膜电容来吸收高频纹波。由于不含大容量滤波电解电容，该拓扑具有体积小、成本低、使用寿命长等优点，并通过有效的控制策略，可以在一定程度上提高系统输入功率因数。

另外，为了在电网电压跌落时，满足电机的调速需求，有研究者对图4所示的单相输入的无电解电容变频调速系统进行了改进，将单级升压逆变技术应用到了单相无电解电容变频调速系统中，利用1个抽头电感和2个二极管构成无源网络，并结合三相逆变桥组合成抽头电感单级升压逆变器(图2-5所示)，通过调节直通占空比和抽头电感的位置，实现抗电网电压跌落、母线脉动抑制和提高输入功率因数的功能。

单相输入的无电解电容变频调速系统由于直流母线只采用了很小的薄膜电容来吸收高频分量，直流母线电压存在大幅度的波动，使得电机转矩产生了2倍电网频率的波动，压缩机运行效果较差、噪音较大，电网侧输入电流仍然存在较大畸变。该类拓扑结构简单，制造成本低，适用于中小功率且对电机调速性能要求较低的系统中。

三相无电解电容变频调速系统较单相而言适用的功率等级更大，效率更高。对三相系统降电容技术的研究可分为不控整流型和全控型整流型两种。