專利名稱：單功率單元冗余的高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高壓變頻器，特別是一種能夠確保在任意一個 功率單元因故障而旁路退出運行的情況下，仍具有額定電壓輸出能力，
即具有"N+1單元冗余"功能的高壓變頻器。屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物， 在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域如冶金、石化、自來水、電力等行業(yè)得到廣泛的 應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是，高壓大功率變頻器的應(yīng)用
日漸廣泛。而由功率單元(又稱功率模塊，如圖2所示)串聯(lián)構(gòu)成的高 壓大功率變頻器(如圖l所示)作為適合中國國情、性能優(yōu)異的變頻器， 受到眾多變頻器生產(chǎn)廠商、科研院所、工程技術(shù)人員、用戶的青睞。
這種高壓變頻器結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國發(fā)明專利ZL97100477.3中公開。 該高壓變頻器在電網(wǎng)側(cè)有一個整流變壓器，此整流變壓器有多個副邊繞 組，為了抑制對電網(wǎng)的諧波，這些副邊繞組常常采用曲折繞法，達到移 相的效果，分別給各個串聯(lián)的功率單元供電。每個功率單元為3相輸入、 單相輸出的電壓源型變頻器。
在電路原理上，此整流變壓器起到了隔離的作用，使各功率單元相 互之間在輸入側(cè)隔離，這樣，由于功率單元的逆變橋在輸出側(cè)相互串聯(lián)， 功率單元的整體電位(電勢)就會逐級提高。
在每個功率單元中，設(shè)有旁路電路，能夠在功率單元需要退出運行 時在其輸出側(cè)的2個接點間建立低阻電流通路，使得該功率單元退出運 行后，整機仍能工作。
功率單元的輸出側(cè)沒有旁路機構(gòu)的，可以通過控制該功率單元輸出
零矢量實現(xiàn)單元旁路。所謂"零矢量"是指功率單元通過控制其內(nèi)部的電 力電子開關(guān)的狀態(tài)，使其兩個輸出端之間輸出零電壓，即為低阻抗短路 狀態(tài)。
當(dāng)有功率單元因故障而旁路退出運行時，變頻器的電壓輸出能力必 然有所降低，無法輸出其額定輸出電壓，必然會影響負載的正常運行。 因此，為了避免這種因個別功率單元故障影響負載的正常運行的情況發(fā)生，有必要對高壓變頻器進行故障冗余設(shè)計。這種為了確保高壓變頻器 在任意一個功率單元因故障而旁路退出運行的情況下，仍具有額定電壓 輸出能力的冗余結(jié)構(gòu)稱為N+l單元冗余結(jié)構(gòu)。
目前，為實現(xiàn)上述N+1單元冗余功能通常的做法是在已有變頻器的 基礎(chǔ)上增加一級共三個功率單元。即由原先的m級共3m個功率單元增 加到m+l級共3m+3個功率單元，整流變壓器相應(yīng)增加三組副邊繞組。 這種做法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)N+l單元冗余功能，但需要增加三個功率單元及 三組副邊繞組，可見其所需增加的成本也較高。
本實用新型即是針對現(xiàn)有技術(shù)中為實現(xiàn)N+l單元冗余功能所需成 本過高的問題，對高壓變頻器中的N+l單元冗余結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使其實現(xiàn)成本降低。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的實用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中為實現(xiàn)N+1單元冗 余功能所需成本過高的問題，提供一種實現(xiàn)成本更為低廉的具有N+1單 元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器
本實用新型的實用新型目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、
3m十l個功率單元構(gòu)成和三個開關(guān)組構(gòu)成；所述3m+l個功率單元中包 括有一個備用功率單元；剩下3m個功率單元均分為三組，每組分別由 m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相
線；所述三個開關(guān)組分別為第一、第二、第三開關(guān)組；
所述功率單元為一個三相輸入、單相輸出的變頻器；各個功率單元
的輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器中的一個副邊繞組相連；所述功 率單元的輸出端分為正極和負極；
所述第一開關(guān)組與第一相線的一端相連，第二開關(guān)組與第二相線的 一端相連，第三開關(guān)組與第三相線的一端相連；每個所述開關(guān)組同時與 所述備用功率單元的兩個輸出端相連，所述第一、第二、第三相線分別 通過所述第一、第二、第三開關(guān)組的控制選擇與所述備用功率單元輸出 端的正極或負極相連通；所述第一、第二、第三相線未與開關(guān)組相連的 一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。
在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)下，所述備用功率單元處于旁 路狀態(tài)或輸出零矢量，或者所述三個開關(guān)組同時與備用功率單元輸出所述三個開關(guān)組，每個開關(guān)組分別由兩個切換開關(guān)構(gòu)成，每個開關(guān) 組中的兩個切換開關(guān)的一端分別與所述備用功率單元輸出端的正極和負 極相連，另一端相互連接在一起并與連接至該開關(guān)組的相線的端相連。
所述三個開關(guān)組各為一個單刀雙擲開關(guān)；該單刀雙擲開關(guān)的動觸點 與連接至該開關(guān)組的相線的端相連，兩個靜觸點分別與所述備用功率單 元輸出端的正極和負極相連。
所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是由多個變壓器 在原邊側(cè)相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的等效多副邊繞組變壓器。
所述開關(guān)組為機械式開關(guān)或者電力電子器件。
本實用新型的有益效果是該高壓變頻器僅需要3m+l個功率單元 來實現(xiàn)N+l單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元節(jié)省了 兩個功率單元，降低了實現(xiàn)成本。同時，該該備用功率單元在變頻器正 常工作時處于旁路狀態(tài)可以不投入工作，只有在有在運行功率單元發(fā)生 故障時才投入運行，因此降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率。

圖1為現(xiàn)有高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖2為典型功率單元結(jié)構(gòu)示意圖3為單功率單元冗余的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖4為單功率單元冗余的高壓變頻器的第一實施例結(jié)構(gòu)示意圖5為單功率單元冗余的高壓變頻器的第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步描述。
如前所述，現(xiàn)有的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)通常如圖1所示，由多副邊繞
組變壓器和三個功率單元串聯(lián)組構(gòu)成。其中，每個功率單元為3相輸入、 單相輸出的電壓源型變頻器。每個功率單元的輸入端分別與所述多副邊 繞組變壓器中的一個副邊繞組相連。在同一串聯(lián)組的功率單元相互串聯(lián)， 以提高輸出電壓。而三個功率單元串聯(lián)組則共同構(gòu)成該高壓變頻器的三 相輸出端，連接至負載，三個串聯(lián)組分別作為高壓變頻器三相輸出端的 一個相線。因此為了達到三相輸出平衡，該高壓變頻器的最精簡的實現(xiàn) 形式就是三個串聯(lián)組所串聯(lián)的功率單元的個數(shù)相等。即高壓變頻器中包 括有3m個功率單元，每個相線中分別串聯(lián)有m個功率單元，其中m為正整數(shù)。這一結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)有高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)。
本實用新型的實用新型目的即是在上述最精簡的高壓變頻器基礎(chǔ)上 增加冗余結(jié)構(gòu)，使其在能夠?qū)崿F(xiàn)N+1單元冗余功能的同時，又盡量降低 實現(xiàn)成本。因此，這里所設(shè)計的冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)該是能使高壓變頻器中任一 相線中出現(xiàn)功率單元因故障而旁路退出運行的情況時，可以根據(jù)控制補 償該故障相線，使得三相線可以恢復(fù)為均等數(shù)量的在運行功率單元或是 等效為均等數(shù)量的在運行功率單元。
本實用新型即是基于這一設(shè)計思想設(shè)計該冗余結(jié)構(gòu)。圖3為本實用
新型所設(shè)計高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該單功率單元冗余 的高壓變頻器由多副邊繞組變壓器、3m+l個功率單元構(gòu)成(m為正整 數(shù))和三個開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3構(gòu)成。其中，3m+l個功率單元中 包括有一個備用功率單元。剩下3m個功率單元均分為三組，每組分別 由m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線。
圖2為功率單元的典型結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，每個功率單元為一個 三相輸入、單相輸出的變頻器。其輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器 中的一個副邊繞組相連。每個功率單元的輸出端有兩個接點，分別正向 輸出端和負向輸出端。不失一般性，在圖2中分別用U、 V標記功率單 元的正向輸出端和負向輸出端。在功率單元輸出端設(shè)有旁路機構(gòu)能夠在 該功率單元需要退出運行時，在其輸出端的兩個接點U和V之間建立低 阻電流通路，使該功率單元被旁路掉退出運行。功率單元的輸出側(cè)沒有 旁路機構(gòu)的，可以通過控制該功率單元輸出零矢量實現(xiàn)單元旁路。因此， 本實用新型所述"處于旁路狀態(tài)"可以是旁路電路導(dǎo)通，也可以是功率 單元輸出零矢量。
所述第一開關(guān)組KG1與第一相線的一端相連，第二開關(guān)組KG2與 第二相線的一端相連，第三開關(guān)組KG3與第三相線的一端相連。所述第 一、第二、第三相線分別通過開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3的控制選擇與所 述備用功率單元輸出端的兩個接點相連通，設(shè)這兩個接點分別為第一接 點和第二接點。所述第一、第二、第三相線未與開關(guān)組相連的一端構(gòu)成 變頻器的三相輸出端，連接至負載。
應(yīng)當(dāng)指出，上述第一、第二、第三相線為高壓變頻器中三個對稱的 相線。此處將其標注為第一、第二、第三的表述只是為了下面敘述方便，
7并不失其一般性。
在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，所述備用功率單元與開關(guān)
組KG1、 KG2、 KG3的狀態(tài)可以有兩種選擇。第一種，備用功率單元 處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量，則開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3將每一相線 與之相連的端與備用功率單元的至少一端相連。第二種，開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3同時將每一相線與之相連的端與備用功率單元的第一接點
相連通，或是將其同時與備用功率單元的第二接點相連通，則備用功 率單元可以處于任意狀態(tài)。
這樣該高壓變頻器在所有功率均無故障時時，以該三個開關(guān)組的 連通點為中性點，各個相線中各有m個功率單元在投入運行，即處于 上述高壓變頻器最精簡的運行模式下，因此可以滿足了變頻器的額定 輸出需要。
另外應(yīng)當(dāng)指出，上述多副邊繞組變壓器在實際應(yīng)用時，并不應(yīng)理解 為局限于單個多副邊繞組變壓器的形式。它同樣也可以用由原邊相互串 聯(lián)或相互并聯(lián)的能夠等效為一個多副邊繞組變壓器的多個變壓器來實 現(xiàn)。因此，此處所提多副邊繞組變壓器，其具體的實現(xiàn)形式并不應(yīng)作為 本實用新型保護范圍的限定性因素。
圖4、圖5分別給出所述開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3兩種具體的實施 方式。
如圖4所示，每個開關(guān)組分別由兩個切換開關(guān)構(gòu)成，每個開關(guān)組中 的兩個切換開關(guān)分別與所述備用功率單元輸出端的第一接點和第二接點 相連。具體地說，第一開關(guān)組由切換開關(guān)Kl和K2構(gòu)成，第二開關(guān)組由 切換開關(guān)K3和K4構(gòu)成，第三開關(guān)組由切換開關(guān)K5和K6構(gòu)成。所述 切換開關(guān)K1、 K3、 K5與備用功率單元的第一接點相連，所述切換開關(guān) K2、 K4、 K6與備用功率單元的第二接點相連。
如圖5所示，開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3分別選用一個單刀雙擲開關(guān) K7、 K8、 K9來實現(xiàn)，通過單刀雙擲開關(guān)的切換選擇連接備用功率單元 的第一接點或第二接點。
這里，所述切換開關(guān)及單刀雙擲開關(guān)可以為接觸器、斷路器等機械 式開關(guān)，或者為可控硅、雙向可控硅、GTO、 IGBT、 IGCT等電力電子 器件，或者為其它能夠控制電路在導(dǎo)通狀態(tài)(低阻抗狀態(tài))與分斷狀態(tài) (高阻抗狀態(tài))間轉(zhuǎn)換的器件、電路或設(shè)備。在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁路狀
態(tài)，或是開關(guān)組KG1、 KG2、 KG3同時與備用功率單元的同一接點相連 通。這樣，變頻器處于正常運行狀態(tài)時，其三個相線中分別有ra個功 率單元處于運行狀態(tài)，即按照前述最精簡的高壓變頻器運行方式在運 行。
當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變頻器檢 査該故障功率單元所處位置。
高壓變頻器控制與故障功率單元所在相線相連的開關(guān)組與備用功率 單元的一個接點相連通；高壓變頻器控制與非故障功率單元所在相線相 連的開關(guān)組與備用功率單元的另一接點相連通；該備用功率單元的輸出 電壓與原應(yīng)由所述故障功率單元輸出的電壓基波相同，相位相同或相差 180度。
這樣，三相線以與非故障功率單元所在相線相連的開關(guān)組與備用功 率單元相連的接點為變頻器三相線間的中性點。而備用功率單元被接入 發(fā)生故障功率單元所在相線中，補償故障功率單元的輸出，使得三相線 仍能保持三相線各有m個功率單元在線運行的最精簡方式運行，滿足了 變頻器的額定輸出需要。
可見，本實用新型所設(shè)計的單功率單元冗余的高壓變頻器在上述冗 余控制方法的控制下，可以滿足在任意一個功率單元因故障而旁路退出 運行的情況下，變頻器仍具有額定電壓輸出能力的N+l單元冗余功能。 這相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元來實現(xiàn)這一功能節(jié)省了兩個功率 單元，降低了實現(xiàn)成本。同時，由于本實用新型所設(shè)計的該備用功率單 元在變頻器正常工作時可以處于旁路狀態(tài)并不投入工作，只有在有在運 行功率單元發(fā)生故障時才投入運行，因此降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng) 效率。
權(quán)利要求1、單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元構(gòu)成和三個開關(guān)組構(gòu)成；所述3m+1個功率單元中包括有一個備用功率單元；剩下3m個功率單元均分為三組，每組分別由m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線；所述三個開關(guān)組分別為第一、第二、第三開關(guān)組；所述功率單元為一個三相輸入、單相輸出的變頻器；各個功率單元的輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器中的一個副邊繞組相連；所述功率單元的輸出端分為正極和負極；所述第一開關(guān)組與第一相線的一端相連，第二開關(guān)組與第二相線的一端相連，第三開關(guān)組與第三相線的一端相連；每個所述開關(guān)組同時與所述備用功率單元的兩個輸出端相連，所述第一、第二、第三相線分別通過所述第一、第二、第三開關(guān)組的控制選擇與所述備用功率單元輸出端的正極或負極相連通；所述第一、第二、第三相線未與開關(guān)組相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。
2、 如權(quán)利要求1所述的單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在于 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)下，所述備用功率單元處于旁路狀 態(tài)或輸出零矢量，或者所述三個開關(guān)組同時與備用功率單元輸出端的 同一極相連通。
3、 如權(quán)利要求1所述的單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在 于所述三個開關(guān)組，每個開關(guān)組分別由兩個切換開關(guān)構(gòu)成，每個開關(guān) 組中的兩個切換開關(guān)的一端分別與所述備用功率單元輸出端的正極和負 極相連，另一端相互連接在一起并與連接至該開關(guān)組的相線的端相連。
4、 如權(quán)利要求1所述的單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在 于所述三個開關(guān)組各為一個單刀雙擲開關(guān)；該單刀雙擲開關(guān)的動觸點 與連接至該開關(guān)組的相線的端相連，兩個靜觸點分別與所述備用功率單 元輸出端的正極和負極相連。
5、 如權(quán)利要求1所述的單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在于 所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是由多個變壓器在原 邊側(cè)相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的等效多副邊繞組變壓器。
6、如權(quán)利要求1、 3或4所述的具有單功率單元冗余的高壓變頻器， 其特征在于所述開關(guān)組為機械式開關(guān)或者電力電子器件。
專利摘要本實用新型提供了一種單功率單元冗余的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元構(gòu)成和三個開關(guān)組構(gòu)成；3m+1個功率單元中包括一個備用功率單元，3m個功率單元均為分為三組，每組分別由m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線；所述第一、第二、第三相線分別通過所述第一、第二、第三開關(guān)組的控制選擇與所述備用功率單元輸出端的正極或負極相連通；所述第一、第二、第三相線未與開關(guān)組相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。該高壓變頻器僅需要3m+1個功率單元來實現(xiàn)N+1單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元節(jié)省了兩個功率單元，降低了實現(xiàn)成本。
文檔編號H02M5/16GK201435680SQ20092010778
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者原紀鵬, 李柄才 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司