專利名稱：雙三電平移相型高壓大功率變頻器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電氣傳動技術領域，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：
隨著不可再生能源的日益減少，節(jié)能成為當今全球最為關注的課題之一，其中變頻節(jié)能技術，是被世人名譽為″節(jié)能之冠″的現(xiàn)代電力電子技術的重要組成部分。
我國電力系統(tǒng)規(guī)模大，火電廠眾多，用于驅動風機、水泵的廠用大容量中高壓電動機數(shù)量巨大，并且多采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量，電能浪費嚴重，另外，冶金、石油、化工、城市供水、煤炭、建材等行業(yè)的大量中高壓電動機也同樣存在著電能浪費的問題。電能既是最重要的能源，又是生長其他能源的必需品，節(jié)能關鍵在于節(jié)電。近年來，全球煤、油、電價持續(xù)上漲，這為節(jié)電產(chǎn)業(yè)迎來了巨大的發(fā)展空間，因此，大功率、中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的市場應用前景非常廣闊，并且隨著電力電子工業(yè)、控制、計算機等的日益發(fā)展，大功率中高壓變頻器也正日益廣泛地應用于調(diào)速節(jié)能領域。
但是由于半導體開關器件耐壓水平的有限性，為了得到高壓電動機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的大功率變頻器，專家和學者提出了多種變頻器拓撲結構以滿足實際工業(yè)設備對耐壓的要求，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。然而上述結構也存在著不足之處。
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，兩電平結構中，為了獲得較好的輸出波形，器件的開關頻率較高，這將進一步降低整個變頻器裝置的效率。在串聯(lián)多重化型變頻器中，整流用的裂相變壓器結構復雜，且該結構涉及的器件數(shù)較多，控制復雜。在三電平變頻器中，根據(jù)現(xiàn)有的器件耐壓水平，如果要滿足我國6kV電壓等級電動機的驅動要求，則需要兩只開關器件、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)設計較為困難，且由于阻容吸收回路的存在使得整個變頻器效率下降；如果要滿足10kV電動機的驅動要求，則需要四只開關器件、吸收回路及靜態(tài)均壓電阻的串聯(lián)使用，這使得變頻器的設計更為復雜，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)均壓電阻損耗進一步加大。
綜上所述，如何選用合適的新型拓撲結構使得變頻器能夠在較少的器件串聯(lián)條件下或者無器件串聯(lián)、無阻容吸收方式下滿足實際工業(yè)運行需要以提高變頻器效率并同時滿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，使得在無器件串聯(lián)及相應的阻容吸收或者較少器件串聯(lián)條件下，實現(xiàn)變頻器高壓輸入及輸出，并有效地限制輸入、輸出諧波，同時使變頻器負載對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、負母線排分別與直流單元的正、負端相聯(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、負母線及中性點分別與直流單元的二組正母線、負母線及中性點對應聯(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應聯(lián)接，第一、第二LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動機的二組三相繞組抽頭對應聯(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)三電平逆變單元開關過程中流過開關器件的di/dt值及限制開關過程中正負直流母線尖峰過電壓。本發(fā)明中的兩組并聯(lián)的三電平逆變單元均通過各自的LC三相輸出濾波器輸出三相交流電壓，并分別聯(lián)接在電動機三相繞組的兩端(也可以是其它三相能獨立接線的負載)，LC三相輸出濾波器的設置有效地降低了變頻器加在電動機繞組上的電壓應力，限制了電動機輸入電壓的諧波含量。通過調(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，在不增加開關損耗的前提下使得等效開關頻率上升了一倍，從而能夠進一步降低變頻器的輸出諧波；通過調(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撲結構方框圖。
圖2是整流單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖3是直流單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖4是三電平逆變單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖5是LC三相濾波單元的具體實施方式
的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
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分別表示負載電動機7的三相繞組。目前，電動機繞組的6個端子均布置在電動機外殼上的接線端子牌上，只需要打開相應的聯(lián)接點，并按照圖1所示的方式聯(lián)線即可。
整流單元1的正負母線排RP、RN分別與直流單元2的正負端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IP1、負母線IN1及中性點O1′分別與直流單元2的正母線DP1端、負母線DN1端及中性點O相聯(lián)接，第二三電平逆變單元4的正母線IP2、負母線IN2及中性點O2′分別與直流單元2的正母線DP2端、負母線DN2端及中性點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分別與電動機的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分別與電動機的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組錯相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋構成，n為正整數(shù)，它根據(jù)對電網(wǎng)的諧波污染的要求來確定。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由兩組標準的直流環(huán)節(jié)(DC-Link)構成，兩組DC-Link電路通過直流濾波電容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關過程中的電流變化率及關斷暫態(tài)過電壓。
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采用標準的二極管鉗位型三電平逆變電路，其構成如圖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)提供的交流電轉化為直流電，并經(jīng)過直流單元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。通過整流單元1可以有效地限制變頻器對電網(wǎng)的諧波污染。
如圖5所示，本發(fā)明中的LC三相濾波單元由標準的LC電路構成。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)接在電動機三相繞組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的設置可以很大程度上降低電動機繞組7的端電壓應力，延長電動機的使用壽命。
與現(xiàn)有的通用三電平變頻器相比，在器件開關頻率相同的前提下通過對并聯(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，可進一步降低電動機繞組7的輸入電壓諧波，降低由于諧波所帶來的電動機發(fā)熱及震動等問題。
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可通過調(diào)整各自的輸出電壓和相位，輸出到變頻器負載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，電動機各相繞組7對地最大值降低了一半，降低了電動機繞組7對地的絕緣要求，從而有望縮小電動機的整個外形體積，使得電動機結構更為緊湊并有效降低電動機的制造成本。
下面我們以雙三電平移相型6kV高壓大功率變頻器的設計為例作進一步的分析。
目前，我國6kV高壓大功率電動機的應用非常廣泛，6kV高壓變頻器的應用也越來越多。本發(fā)明所提出的結構應用于6kV高壓變頻器有著很大的優(yōu)勢。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，此時直流單元2的正負母線直流電壓只有4.5kV左右，根據(jù)目前的器件耐壓等級，我們可以采用IGBT或者IGCT器件在無需串聯(lián)的前提下搭建三電平逆變單元3、4。由于無需器件的串聯(lián)使用，則不需要相應的保持器件動態(tài)均壓所需的動態(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)明所采用的全控開關器件及二極管的數(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)設計大為簡化。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電壓電壓的一半為3kV，但是相位相差180度，從而滿足整個變頻器額定6kV電壓輸出的要求，并且電動機各相繞組7對地電壓最大值降低了一半，延長電動機絕緣壽命。通過對第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4采用錯相SPWM調(diào)制方式，提高了變頻器裝置的等效開關頻率，進一步降低了變頻器的輸出諧波。
如果要實現(xiàn)6kV以上10kV以下變頻器的設計，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計難度大幅度提高，器件的選型相當困難，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構，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，相應的圖2～圖4中的半導體器件均為兩只串聯(lián)，這使得變頻器的均壓設計及阻容吸收設計也相對大為簡化。當然，隨著電壓等級的進一步升高，所需串聯(lián)的器件數(shù)也隨之上升。但是與傳統(tǒng)的三電平結構相比，本發(fā)明使得串聯(lián)的器件數(shù)下降了一半，降低了裝置對絕緣的要求，相對簡化了變頻器參數(shù)的設計，提高了變頻器裝置的效率并同時也將變頻器所驅動負載7對地的最高電壓減少一半，延長了現(xiàn)有負載的絕緣使用壽命。
權利要求
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、負母線排分別與直流單元(2)的正、負端相聯(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、負母線及中性點分別與直流單元(2)的二組正母線、負母線及中性點對應聯(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應聯(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機的二組三相繞組抽頭對應聯(lián)接。
2.根據(jù)權利要求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組錯相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋構成，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組錯相位串聯(lián)的6脈波不控整流橋的輸入端對應聯(lián)接。
3.根據(jù)權利要求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)構成，兩組直流環(huán)節(jié)通過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、二個三電平逆變單元和二個LC三相濾波單元。整流單元的正、負母線排分別與直流單元的正、負端相聯(lián)接；二個三電平逆變單元并聯(lián)，三電平逆變單元的正母線、負母線及中性點分別與直流單元的二組正母線、負母線及中性點對應聯(lián)接；其三相輸出端分別與二個LC三相濾波單元的三相濾波輸入端對應聯(lián)接，二個LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動機的二組三相繞組抽頭對應聯(lián)接。本發(fā)明基于載波移相能使變頻器等效開關頻率上升一倍，從而降低了電動機輸入電壓的諧波含量，并能有效提高變頻器效率。
文檔編號H02M5/451GK101071975SQ200710051809
公開日2007年11月14日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者毛承雄, 陸繼明, 李國棟, 王丹, 婁慧波, 劉海波 申請人:華中科技大學