專利名稱：一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種能量回收的裝置，特別涉及的是一種應(yīng)用需要再 生發(fā)電的變頻器中的能量回收裝置。
技術(shù)背景
集裝箱運(yùn)輸業(yè)作為現(xiàn)代物流的核心產(chǎn)業(yè)，正在日新月異的迅猛發(fā)展，其中 冷藏集裝箱儲(chǔ)運(yùn)是一種高利潤、高風(fēng)險(xiǎn)的集裝箱儲(chǔ)運(yùn)，它需要高技術(shù)的可靠支 持，才能有效避免高風(fēng)險(xiǎn)而獲得高利潤。目前，常規(guī)的冷藏集裝箱熱工性能測 試中功率一般采用繼電器控制，直接調(diào)節(jié)箱內(nèi)加熱器的電壓，包括加熱器風(fēng)機(jī) 的電壓，這種控制調(diào)節(jié)方式使得系統(tǒng)的功率波動(dòng)不易穩(wěn)定，所得的測試結(jié)果不 能滿足新的各個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議的要求。此外箱內(nèi)控制加熱部分沒有單獨(dú)的穩(wěn) 壓設(shè)備，更易使系統(tǒng)的功率控制超標(biāo)，導(dǎo)致新造冷藏集裝箱不滿足或不符合相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議的問題，使得制造企業(yè)面臨箱東的索賠而面臨巨額賠償。
隨著城市港口業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸更加頻繁，而常規(guī)的冷藏集裝 箱的熱工性能測試功率控制系統(tǒng)尚不完善，系統(tǒng)的功率控制容易超標(biāo)，影響檢 測結(jié)果和效率，容易給相關(guān)制造企業(yè)和箱東造成損失。
集裝箱港口作為全球經(jīng)貿(mào)活動(dòng)的重要樞紐，面臨的環(huán)境壓力越來越大，當(dāng) 前綠色運(yùn)輸已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢。在港口行業(yè)大力開展節(jié)能降耗工作，
不僅是國家完成"十一五"規(guī)劃中國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右，主要污染物 排放總量減少10%的約束性指標(biāo)的需要，也是港口企業(yè)提高自身經(jīng)濟(jì)效益的需 要。隨著國際石油資源的日益短缺和價(jià)格的不斷攀升，以及國際社會(huì)環(huán)保意識(shí) 的加強(qiáng)，我國也相應(yīng)制定和實(shí)行了港口油耗、能耗的配額制度。其中，港口的 裝卸生產(chǎn)能耗占港口總能耗比例最大，是影響港口能耗的最大因素。例如集裝 箱碼頭的生產(chǎn)用能占總能耗的80%以上，而生產(chǎn)用能中，主要裝卸設(shè)備(如岸 橋、場橋)用能量最大，其中岸橋用電就占裝卸生產(chǎn)用能量的20%-30%。集裝箱碼頭節(jié)能包括兩個(gè)技術(shù)層面， 一、管理節(jié)能("軟節(jié)能")，也即在 營運(yùn)層面上的節(jié)能；主要通過對(duì)碼頭物流系統(tǒng)的合理資源配置，期望在集裝箱 轉(zhuǎn)場過程中，產(chǎn)生的搬運(yùn)次數(shù)最少，集卡的使用效能最高，港口營運(yùn)達(dá)到效率 最優(yōu)。二、設(shè)備節(jié)能("硬節(jié)能")，傳統(tǒng)碼頭起重機(jī)在制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的再 生發(fā)電能量基本是通過制動(dòng)電阻消耗掉的，同時(shí)在怠速狀態(tài)，柴油發(fā)電機(jī)組能 量損耗也非常大，這兩部分損耗占總耗能的40%~60%左右；如何有效利用再 生能量以及降低怠速機(jī)組油耗是"硬節(jié)能"的關(guān)鍵內(nèi)容。
中國專利公開號(hào)CN200951934和公開號(hào)CN201038814的兩個(gè)專利中分別 介紹了場橋和岸橋等主要港口耗電設(shè)備"硬節(jié)能"的各種節(jié)能方法?？偨Y(jié)大致可 以分為兩大類 一、改造原來的柴油發(fā)電機(jī)組。場橋和岸橋工作在大功率階段 的時(shí)間并不長，更多時(shí)刻工作在低功率狀態(tài)。為此有兩種改造方案， 一種方案 是降低機(jī)組額定容量，在大功率運(yùn)行時(shí)的差額功率部分通過儲(chǔ)能裝置來彌補(bǔ)， 而這些儲(chǔ)能裝置回收起升機(jī)構(gòu)下降過程、大車和小車機(jī)構(gòu)減速過程中產(chǎn)生的再 生能量； 一種方案是根據(jù)場橋或岸橋在不同工況情況下對(duì)功率需求的不同，改 變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整輸出功率，實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)功率管理，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省油 耗降低成本，提高整機(jī)能源利用率。二、充分利用市電。讓廉價(jià)的市電為場橋 和岸橋提供主要的能源，并將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量直接回饋電網(wǎng)。
從環(huán)保以及長遠(yuǎn)節(jié)能效果看，采用市電作為主要供電能源的第二種設(shè)備節(jié) 能方案是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也應(yīng)該是新規(guī)劃碼頭的技術(shù)首選。目前采用電 能雙向流動(dòng)的整流器有可控硅相控整流以及全控器件的電壓型PWM整流兩大 類。然而，電壓型PWMAC/DC整流電路目前很少應(yīng)用于港口提升機(jī)。主要因 為成本原因，比如港口低壓母線交流電壓一般為380V 460V，經(jīng)二極管不可控 整流與平波電容濾波后，直流母線電壓一般為510V 625V，這樣的直流電壓 等級(jí)兩電平輸出電路可以采用1200V耐壓的模塊；如果AC/DC釆用電壓型 PWM整流電路，直流母線電壓將可能達(dá)到750V以上，大容量逆變器必須考 慮足夠安全裕量，逆變環(huán)節(jié)與整流環(huán)節(jié)的功率器件如果采用兩電平結(jié)構(gòu)將不得 不采用1700V耐壓等級(jí)的功率器件，因而成本大大增加；或者勉強(qiáng)使用1200V 耐壓等級(jí)的功率器件，裝置工作可靠性大大下降。同時(shí)可控硅與普通二極管的 耐單次不重復(fù)10倍過流能力在5mS以上，而IGBT的耐單次不重復(fù)10倍過流
4能力在lOuS以下。這意味著采用PWM整流電路取代傳統(tǒng)可控硅或二極管整 流橋后，整機(jī)成本提高將超過一倍，而可靠性下降至少一半。
曾經(jīng)有人設(shè)計(jì)過在不提高傳統(tǒng)直流母線電壓的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)AC/DC環(huán)節(jié) 低諧波輸入的控制方法，但無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電能回饋電網(wǎng)。其中，2005年6月本 申請(qǐng)人:在《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》低第5巻第12期上發(fā)表了一篇名稱為《可升 壓自然軟開關(guān)變流器》的文章，該文章提出一種基于通用拓?fù)浠A(chǔ)上的新型兩 電平三相逆變器(如圖1所示)，它采用特殊的直流升壓模式使得輸入直流電 源系統(tǒng)能量回饋電網(wǎng)的低成本解決方案，自然軟開關(guān)技術(shù)能以最少的輔助器件 實(shí)現(xiàn)逆變器絕大部分軟開關(guān)動(dòng)作，并且其軟開關(guān)動(dòng)作不受電路參數(shù)漂移影響； 同時(shí)能對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行有效提升，實(shí)現(xiàn)諧波治理、無功補(bǔ)償以及能量回饋 電網(wǎng)控制。然而它沒有應(yīng)用在變頻器應(yīng)用場合中，無法處理三相交流電源相間 短路電流環(huán)流。因此該新型兩電平三相逆變器有待進(jìn)一步的改進(jìn)。
傳統(tǒng)不可控整流變頻器在交流輸入380V 460V等級(jí)下，直流電壓為 510V 625V;后接的傳統(tǒng)兩電平逆變器電路可以用1200V器件，從而低成本完 成逆變動(dòng)能，并且具有電路簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)不可控整流變頻器當(dāng)后接 逆變器負(fù)載處于可再生發(fā)電時(shí)，能量無法回饋電網(wǎng)，造成能源浪費(fèi)，而且產(chǎn)生 大量電流諧波電流注入電網(wǎng)，造成電源污染。
傳統(tǒng)Boost電路可以應(yīng)用于升壓環(huán)節(jié)，但大容量并網(wǎng)逆變器必須采用 1700V耐壓器件(為保證足夠安全裕度)。在集裝箱碼頭提升機(jī)的功率應(yīng)用等級(jí) 中，目前1700V硬開關(guān)器件組成的逆變器對(duì)基波頻率的能量反饋或無功控制沒 有任何問題；但對(duì)諧波進(jìn)行很好控制就勉為其難了
實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的不足，本實(shí)用新型目的是在于提供一種在不提升變頻器 母線電壓的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償以及能量回饋電網(wǎng)控制的變頻器 應(yīng)用場合中的能量回收裝置，提高開關(guān)頻率以改善并網(wǎng)逆變器控制。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特征在于，它包括變頻器、逆 變器和三相電網(wǎng)，所述兩逆變器一端的一電路上設(shè)有電感，所述電感的一端連接有第一二極管，所述電感的另一端連接在逆變器三相橋臂共接的正母線上； 所述第一二極管的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，所述第一二極管的
電流輸出端與電感相連接；所述逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極管 電流導(dǎo)向相反的第二二極管，所述第二二極管的電流輸入端連接在逆變器三相 橋臂共接的負(fù)母線上，所述第二二極管的電流輸出端連接在變頻器的負(fù)直流母 排上，所述相逆變器另一端連接三相電網(wǎng)。本實(shí)用新型所增加的電路可以看是 一個(gè)帶特殊的防止三相交流電源相間短路的逆變器，它主要功能是在防止三相 電源相間短路的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低成本高效率能量回收或者諧波補(bǔ)償。
進(jìn)一步，所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，第一二極管與電 感的位置可以互換。
進(jìn)一步，所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，電感也可以串接 在第二二極管與變頻器的負(fù)直流母排之間，或者逆變器三相橋臂共接的負(fù)母線 與第二二極管之間。
進(jìn)一步，所述三相逆變器和其一端連接的第一二極管和第二二極管以及回 路中電感構(gòu)成能量回收和諧波補(bǔ)償?shù)闹麟娐贰?br> 進(jìn)一步，所述逆變器為兩電平三相逆變器。
進(jìn)一步，所述逆變器也可以其他形式的并網(wǎng)逆變器所代替，但其與變頻器 直流母排相連接的回路中必須有第一二極管和第二二極管，并且這兩個(gè)二極管 的電流導(dǎo)向必須相反，同時(shí)必須至少有一個(gè)二極管與一個(gè)電感相連接。
其基本工作原理是當(dāng)傳統(tǒng)變頻器處于電動(dòng)狀態(tài)(能量由電網(wǎng)流向負(fù)載)，
它起電力有源濾波器作用，保證電網(wǎng)電流的波形接近正弦，或符合有關(guān)諧波標(biāo) 準(zhǔn)。
當(dāng)傳統(tǒng)變頻器處于再生發(fā)電時(shí)，它工作于有源逆變狀態(tài)，將這部分能量回 饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能效果。
本實(shí)用新型主要用于需要再生發(fā)電的變頻器應(yīng)用場合，增加第一二極管和 第二二極管后的整個(gè)電路構(gòu)成能量回收和諧波補(bǔ)償?shù)闹麟娐罚涔δ芸梢詫?shí)現(xiàn)
負(fù)載變頻器能量回饋制動(dòng)時(shí)，能量無污染回饋電網(wǎng)；在負(fù)載變頻器電動(dòng)時(shí)補(bǔ)償 原來二極管整流電路帶來的電流諧波，保證電網(wǎng)電流的波形接近正弦，或符合 有關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)；并網(wǎng)逆變器能在準(zhǔn)軟開關(guān)狀態(tài)運(yùn)行。并且其軟開關(guān)動(dòng)作不受電路參數(shù)漂移影響；同時(shí)能對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行有效提升，實(shí)現(xiàn)諧波治理、無功 補(bǔ)償以及能量回饋電網(wǎng)控制，達(dá)到節(jié)能效果。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來詳細(xì)說明本實(shí)用新型； 圖1為公開的新型兩電平三相逆變器電路示意圖。 圖2為本實(shí)用新型的電路示意圖。 圖3為本實(shí)用新型的內(nèi)部電路示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白 了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
參見圖2，本實(shí)用新型一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，它包括變 頻器20、兩電平三相逆變器IO和三相電網(wǎng)，所述兩電平三相逆變器IO—端的 一電路上設(shè)有電感，所述電感的一端連接有第一二極管VD8，所述電感的另一 端連接有兩電平三相逆變器的正母線上，所述第一二極管VD8的電流輸入端 連接變頻器20的正直流母排上，所述第一二極管VD8的電流輸出端與電感相 連接；所述兩電平三相逆變器10 —端的另一電路上連接有與第一二極管VD8 電流導(dǎo)向相反的第二二極管VD9，所述第二二極管VD9的電流輸入端連接兩 電平三相逆變器負(fù)母線上，所述第二二極管VD9的電流輸出端連接在變頻器 的負(fù)直流母排上，所述兩電平三相逆變器10另一端連接三相電網(wǎng)。本實(shí)用新 型中，兩電平三相逆變器10和其一端的電路上的第一二極管VD8和另一端的 電路上的第二二極管VD9以及回路中電感構(gòu)成能量回收和諧波補(bǔ)償?shù)闹麟娐罚?實(shí)用新型所增加的電路可以看是一個(gè)帶特殊的防止三相交流電源相間短路的 兩電平并網(wǎng)逆變器，它主要功能是在防止三相電源相間短路的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低成 本高效率能量回收或者諧波補(bǔ)償。
參考圖3，在變頻器20中包括傳統(tǒng)兩電平逆變器模塊主電路1和傳統(tǒng)三相 二極管整流橋2 (當(dāng)二極管換成晶閘管就成了三相晶閘管整流橋)；傳統(tǒng)兩電平 逆變器模塊主電路l、傳統(tǒng)三相二極管整流橋2、平波電容C1、連接正負(fù)母排以及遏流電抗器(L民LS，LT)一起構(gòu)成傳統(tǒng)逆變器的主電路回路。
本實(shí)用新型的所改進(jìn)兩電平三相逆變器3的電路中，其中，開關(guān)管 VT1 VT6組成兩電平逆變模塊組，模塊組的正母線與電抗L1的一端以及開關(guān) 管VT7的發(fā)射極相連接；電抗Ll的另一端與二極管VD8的陰極相連接；二 極管VD8的陽極與傳統(tǒng)逆變器的正母排連接在一起；開關(guān)管VT7的集電極與 電容C2 —端相連接；電容C2另一端與模塊組的負(fù)母線以及二極管VD9的陽 極連接在一起；二極管VD9的陰極與傳統(tǒng)逆變器的負(fù)母排連接在一起；模塊 組的交流輸出端U， V， W分別通過濾波電抗器或電感和電容組合成的濾波器 與電網(wǎng)R， S, T三相分別相接。本實(shí)用新型利用電感L1以及開關(guān)管VT7的 反并二極管或寄生二極管的優(yōu)異反向恢復(fù)特性來減小開關(guān)管VT1 VT6橋臂 切換時(shí)的反向恢復(fù)電流以提高效率；同時(shí)減小換流過程中的電壓過沖，增加安 全工作區(qū)。
本實(shí)用新型的附加并網(wǎng)逆變器在主變頻器工作時(shí)作為有源電力濾波器工 作，減少電網(wǎng)諧波污染；在主變頻器負(fù)載再生發(fā)電時(shí)，將能量回饋電網(wǎng)，達(dá)到 節(jié)能效果。
另外，在本實(shí)用新型中傳統(tǒng)逆變器電路1可以是其他形式的逆變器，如 三電平逆變器；所改進(jìn)兩電平三相逆變器3可以為同樣電路，多組并聯(lián)連接。 其中，改進(jìn)兩電平三相逆變器3中，在L1與VD8的位置可以互換，Ll可以 串接在傳統(tǒng)逆變器的負(fù)母排、VD9以及模塊組的負(fù)母線的回路中。開關(guān)管VT7 與電容C2的位置可以互換。該開關(guān)管VT7反并二極管的反向恢復(fù)特性至少要 優(yōu)于開關(guān)管VT1 VT6反并二極管或寄生二極管中的一個(gè)二極管的反向恢復(fù) 特性。
本實(shí)用新型是應(yīng)用在三相逆變器能量雙向流動(dòng)非對(duì)稱整流電源中，它將電 網(wǎng)三相交流電源整流成直流電源給傳統(tǒng)逆變器供電。本實(shí)用新型的能量回收和 諧波補(bǔ)償產(chǎn)品主電路一端接傳統(tǒng)變頻器的直流母線，另一端接三相電網(wǎng)。
當(dāng)傳統(tǒng)變頻器處于電動(dòng)狀態(tài)(能量由電網(wǎng)流向負(fù)載)，它起龜力有源濾波 器作用，保證電網(wǎng)電流的波形接近正弦，或符合有關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)傳統(tǒng)變頻器處于再生發(fā)電時(shí)，它工作于有源逆變狀態(tài)，將這部分能量回 饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能效果。本實(shí)用新型用于需要再生發(fā)電的變頻器應(yīng)用場合，如采用市電為主要能源 的港口集裝箱碼頭提升機(jī)。在不提升母線電壓的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ) 償，并提升并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓，應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗，提高 開關(guān)頻率以改善并網(wǎng)逆變器控制可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載變頻器能量回饋制動(dòng)時(shí)，能量無 污染回饋電網(wǎng)；在負(fù)載變頻器電動(dòng)時(shí)補(bǔ)償原來二極管整流電路帶來的電流諧 波，保證電網(wǎng)電流的波形接近正弦，或符合有關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)；并網(wǎng)逆變器能準(zhǔn)軟 開關(guān)狀態(tài)運(yùn)行。并且其軟開關(guān)動(dòng)作不受電路參數(shù)漂移影響；同時(shí)能對(duì)直流輸入 電壓進(jìn)行有效提升，實(shí)現(xiàn)諧波治理、無功補(bǔ)償以及能量回饋電網(wǎng)控制，達(dá)到節(jié) 能效果。
以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)
點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)
施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神
和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入
要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書 及其等效物界定。
權(quán)利要求1、一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特征在于，它包括變頻器、逆變器和三相電網(wǎng)，所述逆變器一端的一電路上設(shè)有電感，所述電感的一端連接有第一二極管，所述電感的另一端連接在三相逆變器三相橋臂共接的正母線上；所述第一二極管的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，所述第一二極管的電流輸出端與電感相連接；所述逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極管電流導(dǎo)向相反的第二二極管，所述第二二極管的電流輸入端連接在逆變器三相橋臂共接的負(fù)母線上，所述第二二極管的電流輸出端連接在變頻器的負(fù)直流母排上，所述逆變器另一端連接三相電網(wǎng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特 征在于，所述第一二極管與電感的位置可以互換。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特 征在于，所述電感也可以串接在第二二極管與變頻器的負(fù)直流母排之間，或者 逆變器三相橋臂共接的負(fù)母線與第二二極管之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特 征在于，所述逆變器和其一端連接的第一二極管和第二二極管以及回路中電感 構(gòu)成能量回收和諧波補(bǔ)償?shù)闹麟娐贰?br> 5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特 征在于，所述逆變器與變頻器直流母排相連接的回路中有第一二極管和第二二 極管，并且這兩個(gè)二極管的電流導(dǎo)向相反，所述回路中至少一個(gè)二極管與一個(gè) 電感相連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，其特 征在于，所述逆變器為兩電平三相逆變器。
專利摘要本實(shí)用新型公開的是一種變頻器應(yīng)用場合中的能量回收裝置，它包括變頻器、逆變器和三相電網(wǎng)，所述逆變器一端的一電路上設(shè)有電感，所述電感的一端連接有第一二極管，電感的另一端連接在逆變器三相橋臂共接的正母線上；所述第一二極管的電流輸入端連接變頻器的正直流母排上，第一二極管的電流輸出端與電感相連接；逆變器一端的另一電路上連接有與第一二極管電流導(dǎo)向相反的第二二極管，該第二二極管的電流輸入端連接在逆變器三相橋臂共接的負(fù)母線上，第二二極管的電流輸出端連接在變頻器的負(fù)直流母排上，逆變器另一端連接三相電網(wǎng)。本實(shí)用新型主要用于需要再生發(fā)電的變頻器應(yīng)用場合，實(shí)現(xiàn)了諧波治理、無功補(bǔ)償以及能量回饋電網(wǎng)控制，達(dá)到節(jié)能效果。
文檔編號(hào)H02J3/01GK201435607SQ20092007051
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者吳衛(wèi)民 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)