專利名稱：3kv～10kv中高壓多電平三相交流電動機變頻驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子多電平拓撲結(jié)構(gòu)，屬于一種高壓變頻驅(qū)動裝置，特指一種以電壓型交-直-交三電平H橋為獨立功率單元的三相串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各三電平單元的箝位電容電壓采用動態(tài)控制方法。
背景技術(shù)：
我國經(jīng)濟的持續(xù)增長對電力的需求將長期存在，同時我國發(fā)電總量的66％消耗在電動機上，其中一半以上用于各種風(fēng)機和泵，以調(diào)速傳動代替原有的不調(diào)速傳動，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)電30％左右，此外調(diào)速傳動還可改善鍋爐燃燒，節(jié)約大量燃料。目前，常規(guī)電壓和中小功率(＜200kW)的風(fēng)機和泵應(yīng)用變頻調(diào)速傳動技術(shù)已經(jīng)成熟，取得很好效果，這類變頻器已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。而200kW以上的大中功率傳動占市場70％以上，節(jié)電潛力巨大。我國現(xiàn)有的交流電動機200kW以下是低壓380V，200kW以上電機電壓等級多為6kV和10kV。電力部門從減小線損角度出發(fā)，希望提高供電電壓，大力推行10kV供電，因此研制合適的6KV、10KV以上等級的交流電機變頻器是重要課題。
目前中高壓變頻器已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，也取得了顯著的節(jié)能效果，多電平技術(shù)是中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向，多電平逆變器具有以下優(yōu)點(1)、輸出電壓更加接近正弦，電壓諧波含量小。(2)、輸出電壓dv/dt小，對負載(比如電機)的絕緣影響小，同時大大降低電磁干擾的水平。(3)、以低耐壓水平的單管構(gòu)成高壓系統(tǒng)，解決高壓系統(tǒng)的單管耐壓問題。
目前采用多電平技術(shù)的中高壓變頻裝置有交-直-交電壓型三電平結(jié)構(gòu)的變頻裝置和電壓型H橋串聯(lián)型變頻裝置，這兩類變頻裝置的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定效果，但也存在一些問題。
已有的電壓型三電平變頻器的主電路一般結(jié)構(gòu)為圖1所示。輸入側(cè)采用多重化12脈或24脈串聯(lián)不控整流，輸出為三電平逆變器，直流側(cè)的串聯(lián)電容中性點由兩個整流橋的串聯(lián)中點箝位，此中點也是三電平逆變器的箝位中點，主開關(guān)采用不同電壓等級的器件或串聯(lián)，可實現(xiàn)不同電壓等級的大容量變頻器。
三電平變頻裝置的特點為通過中性點箝位實現(xiàn)中高壓的輸出，比兩電平變頻裝置改善了輸出波形，減少了諧波，網(wǎng)側(cè)電流諧波小，主電路比H橋串聯(lián)簡單，所用器件少。
這種電路應(yīng)用于中高壓也有很大缺點使用高壓開關(guān)器件，輸出dv/dt高，一般須加輸出濾波器，增加了體積、成本和損耗；三電平結(jié)構(gòu)以目前和今后一段時間的器件水平，在器件不串聯(lián)的情況下不能達到6KV的輸出，采用器件串聯(lián)時可達到6KV，但存在大容量開關(guān)器件串聯(lián)時固有的開關(guān)同步和均壓的問題，且輸出仍不能達到10KV。
已有的H橋串聯(lián)型變頻器的主電路一般結(jié)構(gòu)為圖2所示，圖2a中副邊多重化移相隔離變壓器為各H橋功率單元提供三相交流輸入，每個H橋功率單元為三相不控整流和兩電平H橋逆變器結(jié)構(gòu)，如圖2b所示，每個H橋使用低壓開關(guān)器件，多個H橋單元輸出串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，輸出電壓波形更接近正弦，不用輸出濾波器，同時網(wǎng)側(cè)電流諧波小。
這種結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯由于輸出電壓等級越高，串聯(lián)功率單元數(shù)也越多，一般輸出6KV為5～7級功率單元串聯(lián)，輸出10KV為8～10級功率單元串聯(lián)，這樣所需的移相隔離變壓器的副邊繞組很多，需要15～30組副邊三相繞組，一般移相隔離變壓器的成本占到了系統(tǒng)成本的三分之一多。因此，移相隔離變壓器體積大、接線復(fù)雜、制造難度增加，成本也增加很多，成為瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種適用于高壓大容量交流電機的變頻驅(qū)動裝置，尤其是在3KV～10KV電壓等級都實用，且成本和可靠性優(yōu)于現(xiàn)有方案。
本發(fā)明的特征在于，它含有多繞組副邊移相隔離變壓器，其副邊繞組為多組三相繞組，每三組繞組輸出線電壓相位依次移過相同相位角。
多個交-直-交三電平H橋功率變換單元，簡稱三電平H橋功率單元，它采用二極管箝位型結(jié)構(gòu)或電容箝位結(jié)構(gòu)；上述每一個輸出三相繞組連接一個三電平H橋功率單元，把不同相移的三相繞組連接的2～5級三電平H橋功率單元的輸出串聯(lián)，接成Y形；所述每一個三電平H橋功率單元含有整流部分，為三相功率二極管不控整流部分，它的三相輸入端和多繞組副邊移相隔離變壓器副邊的輸出端相連接；箝位電容電壓檢測環(huán)節(jié)，由電壓傳感器并接在箝位電容上，檢測箝位電容電壓；采用二極管箝位型結(jié)構(gòu)時，箝位電容為兩組耐壓和容量相同的直流電容器串聯(lián)，他們與上述三相不控整流部分的輸出并聯(lián)；采用電容箝位型結(jié)構(gòu)時，箝位電容為分別跨接在兩支橋臂上，且與中間兩個開關(guān)并聯(lián)的兩組耐壓和容量相同的直流電容器；逆變部分，是一種三電平H橋結(jié)構(gòu)，也稱三電平H橋功率單元，兩個三電平橋臂各由功率開關(guān)器件串聯(lián)而成，其串聯(lián)的中點即為單元電壓的輸出端，兩三電平橋臂與整流部分的輸出相并聯(lián)，各功率開關(guān)器件根據(jù)輸出電壓等級的不同而采用相應(yīng)等級的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件；全數(shù)字控制器，它包含數(shù)字信號微處理器，簡稱DSP，其模擬輸入為，從各個三電平H橋功率單元的電壓傳感器輸出的6×N路檢測電壓信號，經(jīng)過模擬輸入接口電路進行變換，然后連接輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換口，其中N是每相串聯(lián)的三電平H橋單元級數(shù)，N取值在2～5之間；脈寬調(diào)制信號擴展電路，即PWM信號擴展電路，它是一個現(xiàn)場可編程門列陣器件，DSP的三路PWM輸出口和作為輔助控制線的15條I/O口連接輸出到PWM信號擴展電路，它輸出12×N路PWM脈沖信號，所述N是每相串聯(lián)的三電平H橋單元級數(shù)，N取值在2～5之間；脈寬調(diào)制信號的驅(qū)動電路，它的輸入與PWM信號擴展電路輸出的12×N路PWM脈沖信號相連接，輸出為24×N路PWM功率驅(qū)動信號，且連接到各三電平功率單元對應(yīng)的功率開關(guān)器件。
本發(fā)明具有的優(yōu)點和創(chuàng)性之處1、對于3KV～10KV等級的中高壓交流電動機的變頻調(diào)速，以三電平H橋功率單元串聯(lián)，且三電平H橋逆變器的箝位電容電壓動態(tài)控制的中高壓變頻裝置具有通用性。
2、本方案在3KV～10KV等級只需2～5級三電平H橋功率單元串聯(lián)，與已有的相同輸出電壓等級的H橋串聯(lián)、且采用相同電壓等級的功率半導(dǎo)體開關(guān)的高壓變頻裝置相比，移相隔離變壓器副邊繞組數(shù)減為原來的 組，大大簡化了其設(shè)計，降低了成本，一般移相隔離變壓器的成本占到了系統(tǒng)成本的三分之一多。
3、三電平H橋功率單元采用的二極管箝位型結(jié)構(gòu)，其箝位電容中點電壓的平衡采用程序動態(tài)控制；或者三電平H橋功率單元采用電容箝位型結(jié)構(gòu)，懸浮的箝位電容電壓平衡采用程序動態(tài)控制，這兩種結(jié)構(gòu)可增加輸出電壓控制的靈活性，提高可靠性。這兩種結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)上可根據(jù)要求來選擇。
4、箝位電容電壓平衡動態(tài)控制技術(shù)。各三電平H橋功率單元的箝位電容電壓通過電壓傳感器(一般為霍爾電壓傳感器)實時測得，模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到DSP，由軟件實時計算出所有電容電壓值與設(shè)定的偏差，預(yù)測并發(fā)出實時的PWM控制脈沖，以此動態(tài)控制各箝位電容電壓在設(shè)定值，進而控制各三電平H橋功率單元的正常運行。
附圖9a，b，c為本方案采用的控制技術(shù)在一個實驗系統(tǒng)上的波形。圖9a為功率單元兩個箝位電容電壓在系統(tǒng)啟動后動態(tài)控制的波形，波形表明采用本方案，可以達到直流側(cè)箝位電容電壓的穩(wěn)定控制，使各三電平H橋功率單元的穩(wěn)定運行，而已有的高壓變頻裝置尚無此項技術(shù)。圖9b為變頻裝置輸出到的異步電機一相的相電壓仿真波形，圖9c為其相電壓輸出的實驗波形，波形表明，本系統(tǒng)方案可以實現(xiàn)高壓多電平輸出，同時具有上文所述優(yōu)點。


圖1為交-直-交電壓型三電平變頻器的主電路一般結(jié)構(gòu)，其中1為多繞組變壓器，2為整流橋，3為中間直流環(huán)節(jié)，4為二極管箝位型三電平逆變器；圖2a為已有的H橋串聯(lián)型高壓變頻器的主電路一般結(jié)構(gòu)；圖2b為已有的H橋功率單元；圖3為采用三電平H橋功率單元串聯(lián)的多電平高壓大容量變頻驅(qū)動裝置的基本結(jié)構(gòu)，其中1為多繞組副邊移相隔離變壓器，2為三電平H橋功率單元，3為全數(shù)字控制器，4為三相交流電動機；圖4為三電平H橋功率單元基本結(jié)構(gòu)，其中1為整流部分，2為三電平H橋逆變部分，3為箝位電容電壓檢測環(huán)節(jié)；圖5為二極管箝位型三電平H橋功率單元，其中1為二極管箝位型三電平逆變器基本結(jié)構(gòu)，2為電容電壓檢測環(huán)節(jié)；圖6為電容箝位型三電平H橋功率單元，其中1為電容箝位型三電平逆變器基本結(jié)構(gòu)，2為電容電壓檢測環(huán)節(jié)；圖7為全數(shù)字控制器的電路邏輯原理圖，其中N為每相串聯(lián)的功率單元級數(shù)；圖8a為采用二極管箝位型三電平H橋功率單元串聯(lián)的10KV變頻裝置的結(jié)構(gòu)；圖8b為其對應(yīng)的全數(shù)字控制器的電路邏輯原理圖；圖9a采用本控制方案的一個三電平功率單元兩個箝位電容電壓動態(tài)控制的波形；圖9b實驗系統(tǒng)模型輸出到的異步電機一相的相電壓仿真波形；圖9c實驗系統(tǒng)相電壓輸出的實測波形。
具體實施例方式為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下方案本發(fā)明由多繞組副邊移相隔離變壓器、多個交-直-交三電平H橋功率變換單元(以下簡稱三電平H橋功率單元)及全數(shù)字控制器組成，見圖3所示。所述多繞組副邊移相隔離變壓器(以下簡稱移相隔離變壓器)，其副邊繞組為多組三相繞組，每三組繞組輸出線電壓相位依次移過相同相位角；每一個輸出三相繞組連接一個三電平H橋功率單元，將不同相移的三相繞組連接的三電平H橋功率單元的輸出串聯(lián)，接成Y形。
所述三電平H橋功率單元分為整流部分1、三電平H橋逆變部分2和箝位電容電壓檢測環(huán)節(jié)3，見圖4所示。a1、b1、c1為三相交流輸入，整流部分為三相功率二極管不控整流；中間直流環(huán)節(jié)并電容，逆變部分為三電平H橋結(jié)構(gòu)，x1、x2為單元電壓輸出。
在實現(xiàn)上采用二極管箝位型三電平結(jié)構(gòu)，見附圖5，電容電壓檢測環(huán)節(jié)2輸出兩路檢測信號，功率開關(guān)S11～S14和S21～S24構(gòu)成兩個三電平橋臂，8路PWM驅(qū)動信號g11～g14、g21～g24作為相應(yīng)功率開關(guān)的驅(qū)動觸發(fā)信號，x1、x2為單元交流電壓輸出端子。
也可采用電容箝位型三電平結(jié)構(gòu)，見附圖6，兩組箝位電容電壓檢測環(huán)節(jié)輸出兩路檢測信號，功率開關(guān)S11～S14和S21～S24構(gòu)成兩個三電平橋臂，8路PWM驅(qū)動信號g11～g14、g21～g24作為相應(yīng)功率開關(guān)的驅(qū)動觸發(fā)信號，x1、x2為單元交流電壓輸出端子。
這兩種三電平H橋功率單元的箝位電容的電壓平衡動態(tài)控制。三電平H橋各開關(guān)器件根據(jù)輸出電壓等級不同可采用相應(yīng)等級的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，如IGBT，IGCT等。采用2～5級三電平H橋功率單元串聯(lián)，對應(yīng)不同級數(shù)的串聯(lián)可實現(xiàn)3KV～10KV不同電壓等級的高壓變頻裝置。
所述全數(shù)字控制器的電路邏輯原理框圖見附圖7，以高性能數(shù)字信號微處理器(DigitalSignal Processor)如TI公司的TMS320LF240xA為核心，以三路PWM輸出口和15條I/O口作為輔助控制線，通過現(xiàn)場可編程門列陣器件(Field Programmable Gate Array/ComplexProgrammable Logic Device)如EPM7128S擴展為12×N路PWM輸出，這里N取值在2～5之間為每相串聯(lián)的三電平H橋單元級數(shù)，然后經(jīng)驅(qū)動電路生成24×N路驅(qū)動PWM脈沖信號，去觸發(fā)24×N個功率半導(dǎo)體開關(guān)。模擬輸入接口電路完成信號調(diào)理和隔離的功能，將6×N路檢測到的三電平功率單元的箝位電容電壓信號進行變換后輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換口。軟件實時計算出所有電容電壓值與設(shè)定的偏差，預(yù)測并發(fā)出實時的PWM控制脈沖，以此動態(tài)控制各箝位電容電壓在設(shè)定值，完成各三電平H橋功率單元的箝位電容電壓平衡的動態(tài)控制，實現(xiàn)各三電平H橋功率單元的穩(wěn)定運行，同時由軟件生成的PWM信號也控制變頻裝置的交流電壓輸出。人機接口和通信單元通過串行通信接口完成鍵盤顯示以及和PC機通信和監(jiān)控的功能；開關(guān)量輸入輸出單元完成系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、功率器件過流、過熱等故障保護功能，其他外圍控制功能，視具體實現(xiàn)要求而定。
附圖8a，b為一個10KV高壓多電平變頻驅(qū)動裝置的實現(xiàn)移相隔離變壓器的副邊輸出9組三相交流電壓分別為a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3，原邊輸入10KV，副邊輸出線電壓有效值為2200V，線電壓移相角度每三組分別為0度、20度、40度，可以使輸入功率因數(shù)達到95％。每個三電平H橋功率單元采用二極管箝位型三電平H橋結(jié)構(gòu)，見附圖5，中間直流環(huán)節(jié)電容由兩組耐壓和容量相同的電容組串聯(lián)，串聯(lián)中性點引出，作為三電平逆變橋的中點，采用電壓傳感器檢測單元電容電壓；S11、S12、S13、S14，和S21、S22、S23、S24為8個3300V耐壓的IGBT，分別構(gòu)成兩個三電平橋臂，由PWM驅(qū)動單元發(fā)出的觸發(fā)信號g11～g14和g21～g24分別觸發(fā)開關(guān)管S11～S14和S21～S24，箝位支路二極管為4個相同電壓等級的快恢復(fù)功率二極管，每單元輸出交流電壓大于2000V；每相為三個三電平功率單元串聯(lián)，三相接成Y形，保證疊加后輸出相電壓大于6000V，輸出線電壓達到10KV。
圖8b為全數(shù)字控制器電路邏輯原理圖，以高性能數(shù)字信號微處理器TMS320LF2407A為核心，其三路PWM輸出口和15條I/O口作為輔助控制線，通過FPGA/CPLD器件EPM7128S擴展為36路PWM輸出，經(jīng)驅(qū)動電路生成72路驅(qū)動信號，觸發(fā)9個H橋單元72個IGBT，18路檢測到的電容電壓信號調(diào)理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換進入DSP，其串口輸出到鍵盤顯示，同時和PC機通信，開關(guān)量輸入輸出單元為系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、IGBT過流、熱保護功能。
權(quán)利要求
1.3KV～10KV中高壓多電平三相交流電動機變頻驅(qū)動裝置，含有多繞組副邊移相隔離變壓器和H橋功率變換單元，具有特征在于，它含有多繞組副邊移相隔離變壓器，其副邊繞組為多組三相繞組，每三組繞組輸出線電壓相位依次移過相同相位角。多個交—直—交三電平H橋功率變換單元，簡稱三電平H橋功率單元，它采用二極管箝位型結(jié)構(gòu)或電容箝位結(jié)構(gòu)；上述每一個輸出三相繞組連接一個三電平H橋功率單元，把不同相移的三相繞組連接的2～5級三電平H橋功率單元的輸出串聯(lián)，接成Y形；所述每一個三電平H橋功率單元含有整流部分，為三相功率二極管不控整流部分，它的三相輸入端和多繞組副邊移相隔離變壓器副邊的輸出端相連接；箝位電容電壓檢測環(huán)節(jié)，由電壓傳感器并接在箝位電容上，檢測箝位電容電壓；采用二極管箝位型結(jié)構(gòu)時，箝位電容為兩組耐壓和容量相同的直流電容器串聯(lián)，他們與上述三相不控整流部分的輸出并聯(lián)；采用電容箝位型結(jié)構(gòu)時，箝位電容為分別跨接在兩支橋臂上，且與中間兩個開關(guān)并聯(lián)的兩組耐壓和容量相同的直流電容器；逆變部分，是一種三電平H橋結(jié)構(gòu)，也稱三電平H橋功率單元，兩個三電平橋臂各由功率開關(guān)器件串聯(lián)而成，其串聯(lián)的中點即為單元電壓的輸出端，兩三電平橋臂與整流部分的輸出相并聯(lián)，各功率開關(guān)器件根據(jù)輸出電壓等級的不同而采用相應(yīng)等級的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件；全數(shù)字控制器，它包含數(shù)字信號微處理器，簡稱DSP，其模擬輸入為，從各個三電平H橋功率單元的電壓傳感器輸出的6×N路檢測電壓信號，經(jīng)過模擬輸入接口電路進行變換，然后連接輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換口，其中N是每相串聯(lián)的三電平H橋單元級數(shù)，N取值在2～5之間；脈寬調(diào)制信號擴展電路，即PWM信號擴展電路，它是一個現(xiàn)場可編程門列陣器件，DSP的三路PWM輸出口和作為輔助控制線的15條I/O口連接輸出到PWM信號擴展電路，它輸出12×N路PWM脈沖信號，所述N是每相串聯(lián)的三電平H橋單元級數(shù)，N取值在2～5之間；脈寬調(diào)制信號的驅(qū)動電路，它的輸入與PWM信號擴展電路輸出的12×N路PWM脈沖信號相連接，輸出為24×N路PWM功率驅(qū)動信號，且連接到各三電平功率單元對應(yīng)的功率開關(guān)器件。
全文摘要
3KV～10KV中高壓多電平三相交流電動機變頻驅(qū)動裝置屬于高壓變頻技術(shù)領(lǐng)域，主電路由多繞組副邊移相隔離變壓器、多個交—直—交三電平H橋功率單元組成。每個功率單元的整流部分為三相二極管不控整流，中間直流環(huán)節(jié)并電容，逆變部分為三電平H橋結(jié)構(gòu)，采用二極管箝位型或電容箝位型三電平結(jié)構(gòu)，其單元箝位電容電壓動態(tài)控制。主開關(guān)器件根據(jù)輸出電壓等級和通過電流不同，可選用相應(yīng)耐壓和電流的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。幾組功率單元輸出串聯(lián)后接成Y形?？刂破饕愿咝阅軘?shù)字信號微處理器為核心生成PWM控制信號，并對各功率單元箝位電容電壓的平衡動態(tài)控制。它減少了移相變壓器副邊繞組數(shù)，降低了成本，同時箝位電容電壓采用的動態(tài)控制策略提高了性能。
文檔編號H02M5/00GK1599233SQ200410009469
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者李永東, 高躍 申請人:清華大學(xué)