專利名稱：檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器的功率單元輸入電壓相 位的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在電力價格上漲和節(jié)能減排宏觀政策的引導下，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展， 高壓變頻器作為電機節(jié)能的優(yōu)選方案已經(jīng)成為了業(yè)界的共識，尤其在電力、冶金和石化等 能耗巨大的行業(yè)中，推廣高壓變頻器的應用意義巨大。圖1為功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器的結(jié)構(gòu)，其主電路包括移相變壓器1和 多個功率單元2。在眾多的高壓變頻方案中，采用這種方案的高壓變頻器具有電壓輸出能力 強、輸出電壓正弦度高、對電網(wǎng)的污染小以及dv/dt很小等優(yōu)點，成為目前高壓變頻器的主 流方案之一。在工業(yè)應用中，一些場合要求高壓變頻器必須具備四象限運行的能力，即可以根 據(jù)現(xiàn)場的要求控制電能在電網(wǎng)和電動機之間經(jīng)過高壓變頻器自由流動，也就是說電能既可 以由電網(wǎng)流進電動機，也可以由電動機回饋回電網(wǎng)。為了實現(xiàn)電能可靠、高效的流動，各個 功率單元的整流環(huán)節(jié)必須工作在主動整流的狀態(tài)下，這就需要獲取到準確的輸入端電壓相 位。然而，由于如圖1所示的高壓變頻器的移相變壓器副邊繞組與功率單元輸入端之間無 交流電抗器，功率單元的輸入端電壓相位是不能直接檢測的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種檢測功率單元串聯(lián) 多電平型高壓變頻器的功率單元輸入電壓相位的裝置，有效地解決了功率單元輸入端電壓 相位難以準確檢測的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的方法，該 方法采用上述裝置來實現(xiàn)。本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)上述首要目的檢測高壓變頻器功率單元輸入 電壓相位的裝置，包括安裝在高壓變頻器的移相變壓器原邊的電壓互感器；以及至少一個 隔離變壓器，電壓互感器的輸出端與隔離變壓器的原邊相連接，高壓變頻器的各個功率單 元與隔離變壓器的副邊一一對應連接。所述隔離變壓器是一個或多個相互隔離的多副邊繞組變壓器，或者是多個相互隔 離的單副邊繞組變壓器；隔離變壓器的原邊繞組及引出線與副邊繞組及引出線之間填充絕緣層。本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)上述另一目的檢測高壓變頻器功率單元輸入 電壓相位的方法，包括以下步驟步驟1、在移相變壓器原邊，采用電壓互感器測量高壓變頻器輸入電壓；步驟2、所述電壓互感器的測量信號經(jīng)過隔離變壓器后變成低壓正弦信號，然后輸送至各個功率單元；步驟3、功率單元的同步整流電路對輸入的低壓正弦信號進行整流，輸出只有正半 波的電壓波形，再經(jīng)過功率單元的過零比較器后輸出與移相變壓器原邊電壓相同相位的方 波信號至鎖相環(huán)電路，由鎖相環(huán)電路鎖定并輸出移相變壓器原邊電壓相位；步驟4、功率單元的控制芯片接收鎖相環(huán)電路鎖定的移相變壓器原邊電壓相位，再根據(jù)移相變壓器原邊電壓與副邊電壓的相位關(guān)系，計算出功率單元輸入電壓的相位。優(yōu)選地，步驟4所述相位關(guān)系用相位差來表示；該相位差在移相變壓器空載試驗 中測量后人工輸入設(shè)定，或在高壓變頻器空載時由功率單元測量后自動輸入設(shè)定。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果使得具有四象限運行功能的高壓 變頻器能夠取消功率單元和移相變壓器副邊繞組之間的交流電抗器，并且保證系統(tǒng)能夠取 得良好的控制效果，對于優(yōu)化高壓變頻器成本、縮小體積和減輕重量有顯著作用。


圖1為現(xiàn)有的功率單元級聯(lián)多電平型高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖2為功率單元輸入端無交流電抗器、具有四象限運行功能的功率單元串聯(lián)多電 平型高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明檢測功率單元輸入電壓相位的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。實施例圖2為功率單元輸入端無交流電抗器、具有四象限運行功能的功率單元串聯(lián)多電 平型高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)圖，該高壓變頻器包括移相變壓器1，以及與移相變壓器1連接 的多個功率單元2 ；其中每個功率單元2內(nèi)部均包括依次連接的同步整理電路、過零比較 器、鎖相環(huán)電路、控制芯片。本發(fā)明檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置包括安裝 在移相變壓器1原邊(即高壓側(cè))的電壓互感器3，用于對高壓變頻器的輸入電壓進行測 量；至少一個隔離變壓器4，電壓互感器3的輸出端與隔離變壓器4的原邊相連接，各個功 率單元2與隔離變壓器4的副邊一一對應連接。根據(jù)隔離變壓器副邊繞組的個數(shù)不同，所 述高耐壓隔離變壓器可以是一個或多個相互隔離的多副邊繞組變壓器，也可以是多個相互 隔離的單副邊繞組變壓器；隔離變壓器的原邊繞組及引出線和副邊繞組及引出線之間填充 絕緣層，可以保證高壓變頻器一次回路的與功率單元二次回路之間的絕緣可靠。其中，移相變壓器1是應用于功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器的三相單原邊、 多副邊的特種變壓器，它將三相原邊高電壓轉(zhuǎn)化為三相副邊多組低電壓，同時通過移動副 邊電壓的相位，使其錯開一定角度來有效降低高壓變頻器對電網(wǎng)的諧波注入。設(shè)N是一相 副邊繞組的數(shù)量，則N組副邊繞組輸出電壓的相位依次相差的角度為60° /N。以圖2中5 級功率單元串聯(lián)高壓變頻器為例來說明，移相變壓器副邊繞組的有5組，即N = 5，在頻率穩(wěn) 定的情況下，以原邊A相繞組的相位α為基準，則副邊A相繞組al、a2、a3、a4、a5的相位 可以是α-24°、α-12°、α、α+12°、α+24° (或其他移相角度，但必須滿足N個副邊繞組輸出電壓角度依次相差60° /N)，B相和C相的情況與A相相同。但是制造過程中副邊 電壓移相角度會產(chǎn)生偏差，所以移相變壓器原邊電壓和副邊電壓的相位關(guān)系需要通過試驗 測量確定。為了檢測功率單元輸入端無交流電抗器、具有四象限運行功能的高壓變頻器的功 率單元輸入電壓相位，如圖3所示，本發(fā)明檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的方法 為使用電壓互感器測量高壓變頻器的輸入電壓(即移相變壓器原邊電壓)，測量信號經(jīng)隔 離變壓器輸送至各個功率單元，在功率單元內(nèi)通過同步整流鎖相環(huán)電路得到高壓變頻器輸 入電壓的相位；功率單元的控制芯片根據(jù)高壓變頻器輸入電壓的相位和移相變壓器原邊與 副邊的電壓相位關(guān)系計算出功率單元輸入電壓的相位，并進行控制算法的計算，從而控制 功率單元直流母線電壓和輸入電流；具體步驟如下1、在移相變壓器原邊，采用電壓互感器測量高壓變頻器輸入電壓。
2、電壓互感器測量得到的電壓信號經(jīng)過一個多副邊的隔離變壓器后變成低壓正 弦信號，然后輸送至各個功率單元。3、功率單元內(nèi)的同步整流電路對輸入的低壓正弦信號進行整流，輸出只有正半波 的電壓波形，再經(jīng)過過零比較器后輸出與高壓變頻器輸入電壓(即移相變壓器原邊電壓) 相同相位的方波信號至鎖相環(huán)電路，由鎖相環(huán)電路鎖定并輸出移相變壓器原邊電壓相位。 鎖相環(huán)電路的作用是利用閉合環(huán)路對誤差的抑制作用得到與輸入信號相位一致的輸出波 形。4、功率單元的控制芯片接收鎖相環(huán)電路輸出的移相變壓器高壓側(cè)電壓相位，再根 據(jù)移相變壓器原邊(即高壓側(cè))電壓與副邊(即低壓側(cè))電壓的相位關(guān)系，計算出功率單 元輸入電壓的相位。所述相位關(guān)系用相位差來表示，該相位差可以在移相變壓器空載試驗 中測量后人工輸入設(shè)定，或在高壓變頻器空載時由功率單元測量后自動輸入設(shè)定。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置，其特征在于包括安裝在高壓變頻器的移相變壓器原邊的電壓互感器；以及至少一個隔離變壓器，電壓互感器的輸出端與隔離變壓器的原邊相連接，高壓變頻器的各個功率單元與隔離變壓器的副邊一一對應連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置，其特征在 于所述隔離變壓器是一個或多個相互隔離的多副邊繞組變壓器，或者是多個相互隔離的 單副邊繞組變壓器；隔離變壓器的原邊繞組及引出線與副邊繞組及引出線之間填充絕緣 層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述裝置的檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的方法，其 特征在于包括以下步驟步驟1、在移相變壓器原邊，采用電壓互感器測量高壓變頻器輸入電壓。步驟2、所述電壓互感器的測量信號經(jīng)過隔離變壓器后變成低壓正弦信號，然后輸送至 各個功率單元；步驟3、功率單元的同步整流電路對輸入的低壓正弦信號進行整流，輸出只有正半波的 電壓波形，再經(jīng)過功率單元的過零比較器后輸出與移相變壓器原邊電壓相同相位的方波信 號至鎖相環(huán)電路，由鎖相環(huán)電路鎖定并輸出移相變壓器原邊電壓相位；步驟4、功率單元的控制芯片接收移相變壓器原邊電壓相位，再根據(jù)移相變壓器原邊電 壓與副邊電壓的相位關(guān)系，計算出功率單元輸入電壓的相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的方法，其特征在 于步驟4所述相位關(guān)系用相位差來表示；該相位差在移相變壓器空載試驗中測量后人工 輸入設(shè)定，或在高壓變頻器空載時由功率單元測量后自動輸入設(shè)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器功率單元輸入電壓相位的裝置及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中功率單元輸入端電壓相位難以準確檢測的問題；其方法包括步驟在移相變壓器原邊，采用電壓互感器測量高壓變頻器輸入電壓；測量信號經(jīng)過隔離變壓器后變成低壓正弦信號，然后輸送至各個功率單元；功率單元的同步整流電路對輸入的低壓正弦信號進行整流，輸出只有正半波的電壓波形，再經(jīng)過過零比較器后輸出與移相變壓器原邊電壓相同相位的方波信號至鎖相環(huán)電路，由鎖相環(huán)電路鎖定并輸出移相變壓器原邊電壓相位；功率單元的控制芯片接收高壓側(cè)電壓相位，再根據(jù)移相變壓器原邊電壓與副邊電壓的相位關(guān)系，計算出功率單元輸入電壓的相位。
文檔編號G01R25/00GK101833037SQ201010163418
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者孫開發(fā), 石磊, 許賢昶 申請人:廣州智光電氣股份有限公司