專(zhuān)利名稱(chēng)：四象限三電平功率單元及高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓變頻器領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種四象限三電平功率單元及高 壓變頻器。
背景技術(shù)：
隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻器 技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過(guò) 程對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，使用電機(jī)還可大幅度節(jié)約能 源，降低生產(chǎn)成本。
功率單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器是目前國(guó)內(nèi)廠商最為青睞的技術(shù)方案，其通過(guò) 在輸入端設(shè)置一臺(tái)輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交 流電分別輸入到一個(gè)功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再逆變成為交流電，各功率單元輸 出的交流信號(hào)在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動(dòng)機(jī)。該方案采用低壓器件實(shí)現(xiàn) 高壓變頻輸出，器件無(wú)需串聯(lián)，輸入輸出諧波非常小，是一種很優(yōu)秀的高壓變頻方案。
如圖1所示，是功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖，該高壓變頻器 主要由多副邊繞組移相變壓器I’、多個(gè)功率單元2’和控制系統(tǒng)3’構(gòu)成；其中多個(gè)功率單 元2’彼此串聯(lián)形成頻率可調(diào)的高壓交流電源U、V、W。整個(gè)電路由A、B、C三相組成，每一相 由功能結(jié)構(gòu)相同的N個(gè)功率單元疊加而成。每一相的N個(gè)功率單元的輸出端順次相連，從 而構(gòu)成串聯(lián)疊加的方式，控制每個(gè)功率單元的輸出情況，經(jīng)疊加后就可得到一個(gè)接近正弦 的多階梯波。
構(gòu)成上述高壓變頻器的主要元器件功率單元2’的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由二 極管整流橋21’、并聯(lián)在直流母線側(cè)的大電容、均壓電阻22’和逆變橋23’構(gòu)成。
采用上述功率單元21’的高壓變頻器存在以下缺點(diǎn)單元輸出電壓低，要達(dá)到高 壓輸出需要串聯(lián)的單元數(shù)量多，故障率高；輸入變壓器副邊繞組多，制造工藝復(fù)雜；整機(jī)體 積龐大，成本高；較難實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。
如圖3所示，是目前普遍使用的具備能量回饋的功率單元。該功率單元主要由二 極管整流橋21、反饋橋22(由反并聯(lián)在整流橋21的每一二極管的多個(gè)開(kāi)關(guān)管組成)、并聯(lián) 在直流母線側(cè)的母線電容和均壓電阻23和逆變橋24構(gòu)成。
在高壓變頻器正常運(yùn)行時(shí)，反饋橋22關(guān)斷，電路其他部分的工作與沒(méi)有此反饋橋 是一樣的。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能量通過(guò)功率單元逆變橋24回饋到直流母線電容中，導(dǎo)致 母線電容電壓升高，當(dāng)電容電壓高于二極管整流橋21的整流電壓峰值時(shí)，二極管整流橋關(guān) 斷，此時(shí)可以有選擇的使反饋橋22的器件導(dǎo)通，將母線電容中的能量通過(guò)反饋橋、移相整 流變壓器反饋回電網(wǎng)。這種方式的功率單元雖然可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的能量回饋，但由于反饋橋 開(kāi)關(guān)管為半控型器件，開(kāi)關(guān)頻率低，導(dǎo)致回饋到電網(wǎng)的電能的諧波含量大，損耗高。且單元 輸出電壓仍然不高，整機(jī)串聯(lián)的功率單元數(shù)量并沒(méi)有下降。
針對(duì)以上缺點(diǎn)，許多廠商也做了大量的試驗(yàn)來(lái)試圖提高功率單元的輸出電壓，減少整機(jī)串聯(lián)功率單元的個(gè)數(shù)。但由于功率器件耐壓的限制，單元電壓輸出最高也只能在 750V左右。仍不能將整機(jī)串聯(lián)功率單元數(shù)減少，無(wú)法解決上述問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有功率單元單元輸出電壓不足的缺陷，提 供一種四象限三電平功率單元及高壓變頻器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種四象限三電平功率單元， 包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三 電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電 平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管 以及兩個(gè)箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，所述單相三電平逆變橋包括兩相第二 橋臂，且每相第二橋臂包括串聯(lián)在所述直流母線間的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管、兩個(gè)箝位模塊以及 分別并聯(lián)在每一所述功率開(kāi)關(guān)管兩端的四個(gè)續(xù)流功率管，所述箝位模塊的中間抽頭連接到 直流支撐電容模塊的中間抽頭。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，還包括連接在三相電平整流橋輸入端 的濾波電路。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，所述直流支撐電容模塊具有中間抽 頭，且將直流母線分為三個(gè)電平。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，具有旁路模塊。
本發(fā)明還提供一種高壓變頻器，包括變壓器、功率單元以及控制系統(tǒng)，其中，所述 功率單元為以上任一項(xiàng)所述的功率單元。
在本發(fā)明所述的高壓變頻器中，包含三相功率單元電路，每相包含多個(gè)功率單元， 且各單元輸出側(cè)依次串聯(lián)成高壓。
在本發(fā)明所述的高壓變頻器中，所述變壓器為干式整流變壓器。
本發(fā)明的四象限三電平功率單元及高壓變頻器，通過(guò)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得功率 單元輸出電壓得到大幅提升，從而可使高壓變頻器整機(jī)串聯(lián)的功率單元數(shù)量大大減少，整 機(jī)可靠性高，壽命長(zhǎng)。并且，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行功能，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，對(duì)電網(wǎng)諧波污 染小。


圖1是現(xiàn)有的功率單元串聯(lián)型高壓變頻器的示意圖。
圖2是圖1中功率單元的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖3是圖1中功率單元的另一實(shí)例的示意圖。
圖4是本發(fā)明的四象限三電平功率單元實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
如圖4所示,是本發(fā)明四象限三電平功率單元實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，功 率單元包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋51、由均壓電阻和直流支撐電容Cl、 C2組成的直流濾波電路52、單相三電平逆變橋54以及旁路模塊55，其中三相三電平整流 橋51與單相三電平逆變橋54背靠背連接。該三相三電平整流橋51包括三相第一橋臂且 每相第一橋臂包括四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管VI11-14/VI21-24/VI31-34、四個(gè)續(xù)流功率管VD11-14/ VD21-24/VD31-34以及兩個(gè)箝位模塊VD15-16/VD25-26/VD35/36，其中箝位模塊的中間抽 頭連接到直流支撐電容模塊Cl、C2的中間抽頭。旁路模塊55與三電平功率模塊的逆變輸 出端相連接。
通過(guò)每相的箝位模塊，可實(shí)現(xiàn)兩直流支撐電容C1、C2的中點(diǎn)電壓(O)的輸出，從而 每一相均實(shí)現(xiàn)p、0、N三種電平的輸出。
上述單相三電平逆變橋54包括兩相第二橋臂，且每相第二橋臂包括四個(gè)功率開(kāi) 關(guān)管 VI41-44/VI51-54 和續(xù)流功率管 VD41-44/VD51-54、兩個(gè)箝位模塊 VD45-46/VD55/56， 其中箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊Cl、C2的中間抽頭。
特別地，上述三電平功率單元中，功率開(kāi)關(guān)管、續(xù)流功率管以及箝位模塊的耐壓參 數(shù)相同。
具備上述結(jié)構(gòu)的功率單元可以實(shí)現(xiàn)任意一相電壓的三種輸出狀態(tài)，即輸出為正 (P)，輸出為零(O)，輸出為負(fù)(N)。當(dāng)VI41和VI42導(dǎo)通，VI43和VI44關(guān)斷時(shí)，V相輸出端 接到直流母線的正端P (直流支撐電容Cl正極)。當(dāng)定義O點(diǎn)為參考地時(shí)，V相輸出電壓為 Uv = Ud = Ucl，若電流由P端流出，則經(jīng)VI41、VI42到v端，再經(jīng)另一相流回到N或O端 (此時(shí)VI41、VI42導(dǎo)通，VD41、VD42不導(dǎo)通)；若電流由v端流入，則經(jīng)VD41、VD42到P端 (此時(shí)VD41、VD42導(dǎo)通，VI41、VI42因承受由VD41與VD42導(dǎo)通引起的反向電壓截止)。
當(dāng)VI42和VI43導(dǎo)通，VI41和VI44關(guān)斷時(shí)，V相輸出段接到直流母線的中點(diǎn)O (電 容Cl負(fù)極)。當(dāng)定義O點(diǎn)位參考地，V相輸出電壓為Uv = 0，若電流由O端流出，則經(jīng)VD45、 VI42到V端，再經(jīng)另一相流回到P或N端(此時(shí)VD45、VI42導(dǎo)通，VI43、VD43、VD46不導(dǎo) 通)；若電流由V端流入，則經(jīng)VI43、VD46到O端(此時(shí)VI43、VD46導(dǎo)通，其余元件均截止)。
當(dāng)VI41和VI42關(guān)斷，VI43和VI44導(dǎo)通時(shí)，V相輸出端接到直流母線的負(fù)端N(電 容C2的負(fù)極)。當(dāng)定義O點(diǎn)位參考地時(shí)，V相輸出電壓為Uv = -Ud = _Uc2，若電流由N端 流出，則經(jīng)VD44、VD34到v端，再經(jīng)過(guò)另一相流回到P或O端(此時(shí)VD43、VD44導(dǎo)通，其余 元件均截止)；若電流由V端流入，則經(jīng)VI43、VI44到N端(此時(shí)VI43、VI44導(dǎo)通，其余元 件均截止)。
依次類(lèi)推，功率單元的三相輸入、單相輸出均可以實(shí)現(xiàn)P、0、N三種電平的輸出，比 普通的兩電平電路的相電壓輸出多了一個(gè)狀態(tài)。當(dāng)能量由電網(wǎng)流向電機(jī)側(cè)時(shí)，三相三電平 整流橋51將電網(wǎng)交流電壓整流成直流電并經(jīng)直流濾波電路52供單相三電平逆變橋54將 其逆變成變頻、變壓的交流電以控制電機(jī)，整流橋51可以對(duì)直流母線進(jìn)行閉環(huán)控制，保證 直流母線穩(wěn)定在額定值，減小了對(duì)逆變橋54的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)能量從電機(jī)側(cè) 流向電網(wǎng)側(cè)時(shí)，三相三電平整流橋51執(zhí)行逆變動(dòng)作，將直流電逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交 流電，并經(jīng)交流濾波電路53濾波后，傳送至電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行控制。
在上述功率單元中，還包括連接在三相電平整流橋輸入端的濾波電路53。當(dāng)高壓 上電時(shí)，可有效減少對(duì)前端整流變壓器的電流沖擊，延長(zhǎng)變壓器的壽命。能量回饋時(shí)，濾波電路53也能有效濾除諧波成分，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。
在上述三電平功率單元中，還包含旁路模塊55，。所述旁路模塊在三電平功率單元 發(fā)生故障時(shí)，可將該三電平功率單元旁路，保證整機(jī)不停機(jī)的情況下該三電平功率單元退 出運(yùn)行狀態(tài)。
本發(fā)明還提供一種高壓變頻器，包括變壓器、多個(gè)功率單元以及控制系統(tǒng)，其中， 功率單元即為上述功率單元。變頻器共包含三相功率單元，每相由若干功率單元串聯(lián)組成。 電網(wǎng)輸入經(jīng)隔離變壓器隔離并降為多組低壓三相電，每組低壓三相電分別接到相應(yīng)的功率 單元，各相功率單元逆變側(cè)按一定規(guī)律串聯(lián)起來(lái)，最后形成高壓輸出。當(dāng)負(fù)載吸收能量時(shí)， 能量從電網(wǎng)經(jīng)變壓器、變頻器調(diào)整成可變頻、變壓的交流電到負(fù)載；當(dāng)負(fù)載發(fā)出能量時(shí)，多 余的能量經(jīng)變頻器、變壓器調(diào)理成與電網(wǎng)同頻、同相的交流電回饋給電網(wǎng)。
與采用普通的兩電平功率單元的高壓變頻器相比，由于功率單元的輸出相電壓電 平數(shù)由2個(gè)增加到3個(gè)，線電壓電平數(shù)則由3個(gè)增加到5個(gè)，每個(gè)電平幅值相對(duì)降低，由整 個(gè)直流母線電壓變?yōu)橐话氲闹绷髂妇€電壓。在同等開(kāi)關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量 有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，輸出諧波減少，具有較高的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)，該結(jié)構(gòu) 可使功率器件所需耐壓要求降低一半。
此外，上述高壓變頻器可通過(guò)控制各個(gè)電子器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變頻器的輸入 功率因數(shù)的連續(xù)可調(diào)，將反饋到直流側(cè)的能量再逆變成為交流電反送給電網(wǎng)，輸入諧波很 低，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行。
由于三電平功率單元可極大提高輸出電壓，所以可以有效減少高壓變頻器串聯(lián)的 功率單元的個(gè)數(shù)，降低功率單元的制造成本，同時(shí)也減少故障發(fā)生的概率。由于功率單元的 輸出電壓得到提升，要實(shí)現(xiàn)額定電壓的功率單元的個(gè)數(shù)相應(yīng)減少，采用該功率單元的高壓 變頻器的變壓器副邊繞組因功率單元個(gè)數(shù)的減少而相應(yīng)減少，可進(jìn)一步減低成品成本。
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體 實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種四象限三電平功率單元，其特征在于，包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管以及兩個(gè)箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，所述單相三電平逆變橋包括兩相第二橋臂，且每相第二橋臂包括串聯(lián)在所述直流母線間的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管、兩個(gè)箝位模塊以及分別并聯(lián)在每一所述功率開(kāi)關(guān)管兩端的四個(gè)續(xù)流功率管，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，還包括連接在三相電平整流橋輸入端的濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，所述直流支撐電容模塊具有中間抽頭，且將直流母線分為三個(gè)電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，具有旁路模塊。
6.一種高壓變頻器，包括變壓器、功率單元以及控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率單元為權(quán)利要求1、2、3、4、5、6中任一項(xiàng)所述的功率單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓變頻器，其特征在于，包含三相功率單元電路，每相包含多個(gè)功率單元，且各單元輸出側(cè)依次串聯(lián)成高壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓變頻器，其特征在于，所述變壓器為干式整流變壓器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四象限三電平功率單元，其特征在于，包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管以及兩個(gè)箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。本發(fā)明還提供一種包括上述四象限三電平功率單元的高壓變頻器。本發(fā)明通過(guò)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得功率單元輸出電壓得到大幅提升，從而可使高壓變頻器整機(jī)串聯(lián)的功率單元數(shù)量大大減少，整機(jī)可靠性高，壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H02M5/45GK103036449SQ201110297889
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者陳實(shí), 劉宇川, 冷嚴(yán)冬, 翁翔羿 申請(qǐng)人:蘇州匯川技術(shù)有限公司, 深圳市匯川技術(shù)股份有限公司, 蘇州默納克控制技術(shù)有限公司