專(zhuān)利名稱(chēng)：雙三電平移相型高壓大功率變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器。
背景技術(shù)：
隨著不可再生能源的日益減少，節(jié)能成為當(dāng)今全球最為關(guān)注的課題之一，其中變頻節(jié)能技術(shù)，是被世人名譽(yù)為″節(jié)能之冠″的現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分。
我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模大，火電廠(chǎng)眾多，用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵的廠(chǎng)用大容量中高壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量巨大，并且多采用擋板和閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，另外，冶金、石油、化工、城市供水、煤炭、建材等行業(yè)的大量中高壓電動(dòng)機(jī)也同樣存在著電能浪費(fèi)的問(wèn)題。電能既是最重要的能源，又是生長(zhǎng)其他能源的必需品，節(jié)能關(guān)鍵在于節(jié)電。近年來(lái)，全球煤、油、電價(jià)持續(xù)上漲，這為節(jié)電產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了巨大的發(fā)展空間，因此，大功率、中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊，并且隨著電力電子工業(yè)、控制、計(jì)算機(jī)等的日益發(fā)展，大功率中高壓變頻器也正日益廣泛地應(yīng)用于調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域。
但是由于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件耐壓水平的有限性，為了得到高壓電動(dòng)機(jī)所需的高壓變頻器還比較困難。因此，為了獲得較高電壓等級(jí)的大功率變頻器，專(zhuān)家和學(xué)者提出了多種變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足實(shí)際工業(yè)設(shè)備對(duì)耐壓的要求，其中目前比較通用的有器件直接串聯(lián)型兩電平變頻器、串聯(lián)多重化變頻器、三電平變頻器。然而上述結(jié)構(gòu)也存在著不足之處。
在器件直接串聯(lián)型兩電平變頻器中，為了獲得較好的器件均壓效果，需要設(shè)置較大容量的阻容吸收回路，從而降低了變頻器裝置的效率，并且隨著串聯(lián)器件數(shù)的增加，器件間的均壓效果難以得到保證。而且，兩電平結(jié)構(gòu)中，為了獲得較好的輸出波形，器件的開(kāi)關(guān)頻率較高，這將進(jìn)一步降低整個(gè)變頻器裝置的效率。在串聯(lián)多重化型變頻器中，整流用的裂相變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且該結(jié)構(gòu)涉及的器件數(shù)較多，控制復(fù)雜。在三電平變頻器中，根據(jù)現(xiàn)有的器件耐壓水平，如果要滿(mǎn)足我國(guó)6kV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，則需要兩只開(kāi)關(guān)器件、吸收回路及靜態(tài)均壓電阻的串聯(lián)使用，這使得變頻器各環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)較為困難，且由于阻容吸收回路的存在使得整個(gè)變頻器效率下降；如果要滿(mǎn)足10kV電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，則需要四只開(kāi)關(guān)器件、吸收回路及靜態(tài)均壓電阻的串聯(lián)使用，這使得變頻器的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，且變頻器的均壓效果更加難以有效保證，且吸收回路及靜態(tài)均壓電阻損耗進(jìn)一步加大。
綜上所述，如何選用合適的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得變頻器能夠在較少的器件串聯(lián)條件下或者無(wú)器件串聯(lián)、無(wú)阻容吸收方式下滿(mǎn)足實(shí)際工業(yè)運(yùn)行需要以提高變頻器效率并同時(shí)滿(mǎn)足輸出諧波的要求非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器，該變頻器根據(jù)功率器件現(xiàn)有的耐壓水平，使得在無(wú)器件串聯(lián)及相應(yīng)的阻容吸收或者較少器件串聯(lián)條件下，實(shí)現(xiàn)變頻器高壓輸入及輸出，并有效地限制輸入、輸出諧波，同時(shí)使變頻器負(fù)載對(duì)地耐壓水平降低一半。
本發(fā)明提供的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于它包括整流單元、直流單元、第一三電平逆變單元、第二三電平逆變單元、第一LC三相濾波單元和第二LC三相濾波單元；其中，整流單元的正、負(fù)母線(xiàn)排分別與直流單元的正、負(fù)端相聯(lián)接；第一三電平逆變單元與第二三電平逆變單元并聯(lián)，第一、第二三電平逆變單元的正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)分別與直流單元的二組正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)對(duì)應(yīng)聯(lián)接；第一、第二三電平逆變單元的三相輸出端分別與第一、第二LC三相濾波單元的三相濾波輸入端對(duì)應(yīng)聯(lián)接，第一、第二LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動(dòng)機(jī)的二組三相繞組抽頭對(duì)應(yīng)聯(lián)接。
本發(fā)明中的直流單元作用是為三電平逆變單元提供穩(wěn)定的直流電壓、調(diào)節(jié)三電平逆變單元開(kāi)關(guān)過(guò)程中流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的di/dt值及限制開(kāi)關(guān)過(guò)程中正負(fù)直流母線(xiàn)尖峰過(guò)電壓。本發(fā)明中的兩組并聯(lián)的三電平逆變單元均通過(guò)各自的LC三相輸出濾波器輸出三相交流電壓，并分別聯(lián)接在電動(dòng)機(jī)三相繞組的兩端(也可以是其它三相能獨(dú)立接線(xiàn)的負(fù)載)，LC三相輸出濾波器的設(shè)置有效地降低了變頻器加在電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓應(yīng)力，限制了電動(dòng)機(jī)輸入電壓的諧波含量。通過(guò)調(diào)整兩組并聯(lián)的三電平逆變單元脈沖寬度調(diào)制(PWM)參考波的相位角，在不增加開(kāi)關(guān)損耗的前提下使得等效開(kāi)關(guān)頻率上升了一倍，從而能夠進(jìn)一步降低變頻器的輸出諧波；通過(guò)調(diào)整PWM參考波的相位角，保證了變頻器三相額定輸出電壓。本發(fā)明有助于6kV及以上高壓變頻器的發(fā)展。


圖1是雙三電平移相型高壓大功率變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方框圖。
圖2是整流單元的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是直流單元的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是三電平逆變單元的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是LC三相濾波單元的具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明雙三電平移相型高壓大功率變頻器包括整流單元1、直流單元2、第一三電平逆變單元3、第二三電平逆變單元4、第一LC三相濾波單元5和第二LC三相濾波單元6。圖1中的U-x、V-y及W-z分別表示負(fù)載電動(dòng)機(jī)7的三相繞組。目前，電動(dòng)機(jī)繞組的6個(gè)端子均布置在電動(dòng)機(jī)外殼上的接線(xiàn)端子牌上，只需要打開(kāi)相應(yīng)的聯(lián)接點(diǎn)，并按照?qǐng)D1所示的方式聯(lián)線(xiàn)即可。
整流單元1的正負(fù)母線(xiàn)排RP、RN分別與直流單元2的正負(fù)端FP、FN相聯(lián)接。第一三電平逆變單元3與第二三電平逆變單元4并聯(lián)，第一三電平逆變單元3的正母線(xiàn)IP1、負(fù)母線(xiàn)IN1及中性點(diǎn)O1′分別與直流單元2的正母線(xiàn)DP1端、負(fù)母線(xiàn)DN1端及中性點(diǎn)O相聯(lián)接，第二三電平逆變單元4的正母線(xiàn)IP2、負(fù)母線(xiàn)IN2及中性點(diǎn)O2′分別與直流單元2的正母線(xiàn)DP2端、負(fù)母線(xiàn)DN2端及中性點(diǎn)O相聯(lián)接。
第一三電平逆變單元3的三相輸出端A1、B1及C1分別與第一LC三相濾波單元5的三相濾波輸入端LA1、LB1及LC1相聯(lián)接，第二三電平逆變單元4的三相輸出端A2、B2及C2分別與第二LC三相濾波單元6的三相濾波輸入端LA2、LB2及LC2相聯(lián)接。第一LC三相濾波單元5的三相輸出端LU、LV及LW分別與電動(dòng)機(jī)的U、V及W三相繞組抽頭相聯(lián)接，第二LC三相濾波單元6的三相輸出端Lx、Ly及Lz分別與電動(dòng)機(jī)的x、y及z三相繞組抽頭相聯(lián)接。
整流單元1由6n脈波整流變壓器和n組錯(cuò)相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋構(gòu)成，n為正整數(shù)，它根據(jù)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染的要求來(lái)確定。6n脈波裂相變壓器的原方可以是三角形或星形接法，副方為n組電壓幅值相等但相互隔離且角度相差(60/n)度的三相繞組。6n脈波整流變壓器原方三相輸入繞組分別與電網(wǎng)的A、B及C相聯(lián)接，6n脈波整流變壓器副方n組三相輸出繞組[a1，b1，c1]～[an，bn，cn]分別與n組串聯(lián)的6脈波不控整流橋的輸入端[Ra1，Rb1，RC1]～[Ran，Rbn，Rcn]相聯(lián)接。
如圖3所示，直流單元2由兩組標(biāo)準(zhǔn)的直流環(huán)節(jié)(DC-Link)構(gòu)成，兩組DC-Link電路通過(guò)直流濾波電容C1及C2相互并聯(lián)。兩組DC-Link電路分別包括由(LD1、DD1、CC1、RD1)和(LD2、DD2、CC2、RD2)所構(gòu)成的兩組三電平逆變單元所需的兩套限流箝位回路，并分別與直流濾波大電容C1及C2并聯(lián)聯(lián)接。其主要功能是為了限制三電平逆變單元中全控器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流變化率及關(guān)斷暫態(tài)過(guò)電壓。
本發(fā)明中的第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4采用標(biāo)準(zhǔn)的二極管鉗位型三電平逆變電路，其構(gòu)成如圖4所示。兩組三電平逆變單元均采用正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)方式，以完成正弦電壓的輸出功能。
整流單元1將電網(wǎng)提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，并經(jīng)過(guò)直流單元2濾波后，為第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4提供所需的直流電壓。通過(guò)整流單元1可以有效地限制變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。
如圖5所示，本發(fā)明中的LC三相濾波單元由標(biāo)準(zhǔn)的LC電路構(gòu)成。如圖1所示，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4分別通過(guò)第一LC三相濾波單元5及第二LC三相濾波單元6分別聯(lián)接在電動(dòng)機(jī)三相繞組7的兩端。第一LC三相濾波單元5及第二LC三相濾波單元6的設(shè)置可以很大程度上降低電動(dòng)機(jī)繞組7的端電壓應(yīng)力，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。
與現(xiàn)有的通用三電平變頻器相比，在器件開(kāi)關(guān)頻率相同的前提下通過(guò)對(duì)并聯(lián)的第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4采用移相SPWM方式，可進(jìn)一步降低電動(dòng)機(jī)繞組7的輸入電壓諧波，降低由于諧波所帶來(lái)的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱及震動(dòng)等問(wèn)題。
從上述可以看出，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4可通過(guò)調(diào)整各自的輸出電壓和相位，輸出到變頻器負(fù)載7上為第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4的電壓矢量之差，從而可以保證輸出到變頻器負(fù)載7上即為所需要的電壓大小。在要求變頻器輸出額定電壓情況下，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4可分別輸出額定電壓的一半，但相位相差180度，其幅值即為額定電壓。與現(xiàn)有的通用三電平變頻器相比，電動(dòng)機(jī)各相繞組7對(duì)地最大值降低了一半，降低了電動(dòng)機(jī)繞組7對(duì)地的絕緣要求，從而有望縮小電動(dòng)機(jī)的整個(gè)外形體積，使得電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊并有效降低電動(dòng)機(jī)的制造成本。
下面我們以雙三電平移相型6kV高壓大功率變頻器的設(shè)計(jì)為例作進(jìn)一步的分析。
目前，我國(guó)6kV高壓大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，6kV高壓變頻器的應(yīng)用也越來(lái)越多。本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于6kV高壓變頻器有著很大的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明中第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4，分別與直流單元2中的兩套限流箝位回路相并聯(lián)，如圖1、圖4所示。從圖2中可以看出，整流單元1中由于6n脈波整流變壓器的使用，此時(shí)直流單元2的正負(fù)母線(xiàn)直流電壓只有4.5kV左右，根據(jù)目前的器件耐壓等級(jí)，我們可以采用IGBT或者IGCT器件在無(wú)需串聯(lián)的前提下搭建三電平逆變單元3、4。由于無(wú)需器件的串聯(lián)使用，則不需要相應(yīng)的保持器件動(dòng)態(tài)均壓所需的動(dòng)態(tài)阻容吸收回路，從而能夠有效地提升高壓變頻器的效率。只要器件的選型匹配基本合理，器件靜態(tài)均壓所需的靜態(tài)均壓電阻同樣可以省去。
與目前所常用的6kV交流輸入、直流母線(xiàn)電壓為9kV左右的通用三電平變頻器相比較，本發(fā)明所采用的全控開(kāi)關(guān)器件及二極管的數(shù)量與之相同，但是省去了通用三電平變頻器器件串聯(lián)所需的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)均壓回路，有效地降低了變頻器的成本和體積并提高了變頻器整體效率，而且使得三電平變頻器的參數(shù)設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4最大分別輸出額定線(xiàn)電壓電壓的一半為3kV，但是相位相差180度，從而滿(mǎn)足整個(gè)變頻器額定6kV電壓輸出的要求，并且電動(dòng)機(jī)各相繞組7對(duì)地電壓最大值降低了一半，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)絕緣壽命。通過(guò)對(duì)第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4采用錯(cuò)相SPWM調(diào)制方式，提高了變頻器裝置的等效開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)一步降低了變頻器的輸出諧波。
如果要實(shí)現(xiàn)6kV以上10kV以下變頻器的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的三電平逆變器需要4只器件串聯(lián)使用，串聯(lián)器件數(shù)的增加使得變頻器的設(shè)計(jì)難度大幅度提高，器件的選型相當(dāng)困難，且均壓效果也很難以得到有效保證。而如果采用本發(fā)明所提出的變頻器結(jié)構(gòu)，則本發(fā)明中的第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4只需要兩只器件串聯(lián)使用，相應(yīng)的圖2～圖4中的半導(dǎo)體器件均為兩只串聯(lián)，這使得變頻器的均壓設(shè)計(jì)及阻容吸收設(shè)計(jì)也相對(duì)大為簡(jiǎn)化。當(dāng)然，隨著電壓等級(jí)的進(jìn)一步升高，所需串聯(lián)的器件數(shù)也隨之上升。但是與傳統(tǒng)的三電平結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明使得串聯(lián)的器件數(shù)下降了一半，降低了裝置對(duì)絕緣的要求，相對(duì)簡(jiǎn)化了變頻器參數(shù)的設(shè)計(jì)，提高了變頻器裝置的效率并同時(shí)也將變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載7對(duì)地的最高電壓減少一半，延長(zhǎng)了現(xiàn)有負(fù)載的絕緣使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于它包括整流單元(1)、直流單元(2)、第一三電平逆變單元(3)、第二三電平逆變單元(4)、第一LC三相濾波單元(5)和第二LC三相濾波單元(6)；其中，整流單元(1)的正、負(fù)母線(xiàn)排分別與直流單元(2)的正、負(fù)端相聯(lián)接；第一三電平逆變單元(3)與第二三電平逆變單元(4)并聯(lián)，第一、第二三電平逆變單元(3、4)的正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)分別與直流單元(2)的二組正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)對(duì)應(yīng)聯(lián)接；第一、第二三電平逆變單元(3、4)的三相輸出端分別與第一、第二LC三相濾波單元(5、6)的三相濾波輸入端對(duì)應(yīng)聯(lián)接，第一、第二LC三相濾波單元(5、6)的三相輸出端分別與電動(dòng)機(jī)的二組三相繞組抽頭對(duì)應(yīng)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于整流單元(1)由6n脈波整流變壓器和n組錯(cuò)相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋構(gòu)成，n為正整數(shù)，6n脈波裂相變壓器的原方分別與電網(wǎng)相聯(lián)接，其副方n組三相輸出繞組分別與n組錯(cuò)相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋的輸入端對(duì)應(yīng)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于直流單元(2)由兩組直流環(huán)節(jié)構(gòu)成，兩組直流環(huán)節(jié)通過(guò)其中的直流濾波電容C1及C2相互并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器，包括整流單元、直流單元、二個(gè)三電平逆變單元和二個(gè)LC三相濾波單元。整流單元的正、負(fù)母線(xiàn)排分別與直流單元的正、負(fù)端相聯(lián)接；二個(gè)三電平逆變單元并聯(lián)，三電平逆變單元的正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)分別與直流單元的二組正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)及中性點(diǎn)對(duì)應(yīng)聯(lián)接；其三相輸出端分別與二個(gè)LC三相濾波單元的三相濾波輸入端對(duì)應(yīng)聯(lián)接，二個(gè)LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動(dòng)機(jī)的二組三相繞組抽頭對(duì)應(yīng)聯(lián)接。本發(fā)明基于載波移相能使變頻器等效開(kāi)關(guān)頻率上升一倍，從而降低了電動(dòng)機(jī)輸入電壓的諧波含量，并能有效提高變頻器效率。
文檔編號(hào)H02M5/451GK101071975SQ200710051809
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者毛承雄, 陸繼明, 李國(guó)棟, 王丹, 婁慧波, 劉海波 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)