專利名稱：開關切換型單元冗余高壓變頻器的制作方法
技術領域：
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。屬于電力電子技術領域。
背景技術：
隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器作為電力電子技術發(fā)展的產物， 在國民經濟的各個領域如冶金、石化、自來水、電力等行業(yè)得到廣泛的 應用，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)構成的高 壓大功率變頻器(如圖1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廠商、科研院所、工程技術人員、用戶的青睞。
這種高壓變頻器結構已經在中國發(fā)明專利ZL97100477.3中公開。 該高壓變頻器在電網側有一個整流變壓器，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 互之間在輸入側隔離，這樣，由于功率單元的逆變橋在輸出側相互串聯(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，設有旁路電路，能夠在功率單元需要退出運行 時在其輸出側的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。功率單元的輸出側沒有旁路機構的，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 過控制其內部的電力電子開關的狀態(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計。這種為了確保高壓變頻器
4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
輸出能力的冗余結構稱為N+l單元冗余結構。
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，整流變壓器相應增加三組副邊繞組。 這種做法雖然能夠實現(xiàn)N+1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單元冗余結構進行了結構設計， 使其實現(xiàn)成本降低。
實用新型內容
本實用新型的實用新型目的在于解決現(xiàn)有技術中為實現(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 元冗余結構的高壓變頻器。
本實用新型的實用新型目的是通過下述技術方案予以實現(xiàn)的
開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓
器、3m+l個功率單元和兩個開關組構成；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)構成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相
線；所述兩個開關組分別為第一開關組和第二開關組；
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 率單元的輸出端分別為正極和負極；
所述備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；該備用功率單元 與第二相線相連的一端為第一接點，未與第二相線相連的一端為第二接 點；所述備用功率單元的兩個輸出端均與所述的第一、第二開關組相連； 所述第一、第三相線分別與所述第一、第二開關組相連，并在該兩個開 關組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通； 所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關組相連的一端構成 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)或者輸出零矢量，或者所述兩個開關組將第一、第三相線與之相連的一端同時與備用功率單元的第一接點相連通。
所述第一、第二開關組分別由兩個切換開關組成；所述第一開關組
的兩個切換開關一端與所述第一相線的一端相連，另一端分別與所述備
用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關組的兩個切換開
關一端與所述第三相線的一端相連，另一端分別與所述備用功率單元的 第一接點和第二接點相連。
所述兩個開關組分別為一個單刀雙擲開關；所述第一開關組的單刀 雙擲開關的動觸點與所述第一相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述
備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關組的單刀雙擲
開關的動觸點與所述第三相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述備用 功率單元的第一接點和第二接點相連。
所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是多個原邊串聯(lián) 或并聯(lián)的變壓器構成的變壓器組。
所述開關組為機械式開關或者電力電子器件。
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+1單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術需要3m+3個功率單元節(jié)省了 兩個功率單元和兩組變壓器副邊繞組，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)有高壓變頻器的結構示意圖； 圖2為典型功率單元結構示意圖3為開關切換型單元冗余高壓變頻器的結構示意圖； 圖4為開關切換型單元冗余高壓變頻器的第一實施例結構示意圖； 圖5為開關切換型單元冗余高壓變頻器的第二實施例結構示意圖。
具體實施方式

以下結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構通常如圖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)，
6以提高輸出電壓。而三個功率單元串聯(lián)組則共同構成該高壓變頻器的三 相輸出端，連接至負載。由于，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。這一結構也是現(xiàn)有高壓變頻器的典型結構。
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上 增加冗余結構，使其在能夠實現(xiàn)N+1單元冗余功能的同時，又盡量降低 實現(xiàn)成本。因此，這里所設計的冗余結構應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，可以根據控制補 償該故障相線，使得三相線可以恢復為均等數量的在運行功率單元或是 等效為均等數量的在運行功率單元。
本實用新型即是基于這一設計思想設計該冗余結構。圖3為本實用 新型所設計高壓變頻器結構示意圖。如圖3所示，高壓變頻器的輸出部 分由3m+l個功率單元構成(m為正整數)和兩個開關組KG1、 KG2構 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構圖。如圖2所示，每個功率單元為一個
三相輸入、單相輸出的電壓源型變頻器。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有旁路機
構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 出側沒有旁路機構的，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)"可以是旁路電路導通，也可以是 功率單元輸出零矢量。
所述備用功率單元的一輸出端與第二相線的一端相連。這里將該備 用功率單元與第二相線相連的一端定義為第一接點，未與第二相線相連
的一端定義為第二接點。備用功率單元的第二接點同時與兩個開關組 KG1、 KG2相連。所述第一相線的一端與KG1相連、第三相線的一端與KG2相連。
在開關組KG1、 KG2的開關控制下，可以選擇第一、第三相線與開 關組相連的端與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通。所述 第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關組KG1、 KG2相連的一 端構成變頻器的三相輸出端，連接至負載。
應當指出，上述第一、第二、第三相線為高壓變頻器中三個對稱的 相線。這里，所提備用功率單元與其中第二相線相連只是為了便于敘述， 事實上備用功率單元可以任意選取其中一個相線進行連接。因此，此處 這樣的表述并不失其一般性。
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 組KG1、 KG2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，則開關組KG1可以將第一相線與之相連的端 連接至備用功率單元的第一接點，或第二接點、或同時連至兩個接點， 開關組KG2可以將第三相線與之相連的端連接至備用功率單元的第 一接點，或第二接點、或同時連至兩個接點。第二種，開關組KG1、 KG2同時將第一、第三相線與之相連的端與備用功率單元的第一接點 相連通，則備用功率單元可以處于不輸出、輸出零矢量、或旁路狀態(tài)； 如果此時開關組KG1、 KG2控制第一、第三相線與之相連的端與備用 功率單元的第二接點同時不連通，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正常運行時，以該兩個開關組的連通點為中 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。
另外應當指出，上述多副邊繞組變壓器在實際應用時，并不應理解 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分別給出所述開關組KG1、 KG2兩種具體的實施方式。
如圖4所示，開關組KG1由兩個切換開關Kl、 K4組成，開關組 KG2由兩個切換開關K2、 K3組成。所述切換開關K1、 K4一端與第一 相線的一端相連，另一端分別與備用功率單元的第一接點和第二接點相連。所述切換開關K2、 K3 —端與第三相線的一端相連，另一端分別與 備用功率單元的第一接點和第二接點相連。
如圖5所示，開關組KG1、 KG2分別選用一個單刀雙擲開關K5、 K6來實現(xiàn)，通過單刀雙擲開關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，所述切換開關及單刀雙擲開關可以為接觸器、斷路器等機械 式開關，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通狀態(tài)(低阻抗狀態(tài))與分斷狀態(tài) (髙阻抗狀態(tài))間轉換的器件、電路或設備。
上述圖3所示的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)，或是開關組KG1、 KG2同時與備用功率單元的第一接 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 m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 查該故障功率單元所處位置。這里，所述第一、第二、第三相線與前述 圖3所示高壓變頻器的結構描述相一致。
如果該故障功率單元處于第一相線，高壓變頻器控制開關組KG1與 備用功率單元的第二接點相連通，控制開關組KG2與備用功率單元的第
一接點相連通；該備用功率單元的輸出電壓與原應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。此時，三相線以備用功 率單元的第一接點作為變頻器三相線間的中性點。而備用功率單元被接 入發(fā)生故障的第一相線中，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。
如果該故障功率單元處于第二相線，高壓變頻器控制開關組KG1與 備用功率單元的第二接點相連通，控制開關組KG2與備用功率單元的第 二接點相連通；該備用功率單元的輸出電壓與原應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。此時，三相線以備用功 率單元的第二接點作為變頻器三相線間的中性點。而備用功率單元被接 入發(fā)生故障的第二相線中，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。
如果該故障功率單元處于第二相線，高壓變頻器控制開關組KG1與
備用功率單元的第一接點相連通，控制開關組KG2與備用功率單元的第 二接點相連通；該備用功率單元的輸出電壓與原應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。此時，三相線以備用功 率單元的第一接點作為變頻器三相線間的中性點。而備用功率單元被接 入發(fā)生故障的第三相線中，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，本實用新型所設計的開關切換型單元冗余高壓變頻器在上述 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 功率單元和2個變壓器副邊繞組，降低了實現(xiàn)成本。同時，由于本實用 新型所設計的備用功率單元在變頻器正常工作時可以被開關組短路不投 入運行，只有在有運行功率單元發(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。
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權利要求1、開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元和兩個開關組構成；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)構成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線；所述兩個開關組分別為第一開關組和第二開關組；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別為正極和負極；所述備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；該備用功率單元與第二相線相連的一端為第一接點，未與第二相線相連的一端為第二接點；所述備用功率單元的兩個輸出端均與所述的第一、第二開關組相連；所述第一、第三相線分別與所述第一、第二開關組相連，并在該兩個開關組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關組相連的一端構成變頻器的三相輸出端。
2、 如權利要求1所述的開關切換型單元冗余高壓變頻器，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)或者輸出零矢量，或者所述兩個開關組將第一、第三相線與之 相連的一端同時與備用功率單元的第一接點相連通。
3、 如權利要求1所述的開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征 在于所述第一、第二開關組分別由兩個切換開關組成；所述第一開關組的兩個切換開關一端與所述第一相線的一端相連，另一端分別與所述備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關組的兩個切換開關一端與所述第三相線的一端相連，另一端分別與所述備用功率單元 的第一接點和第二接點相連。
4、 如權利要求1所述的開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于所述兩個開關組分別為一個單刀雙擲開關；所述第一開關組的單 刀雙擲開關的動觸點與所述第一相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所 述備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關組的單刀雙擲開關的動觸點與所述第三相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述備 用功率單元的第一接點和第二接點相連。
5、 如權利要求1所述的開關切換型單元冗余高壓變頻器，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多個原邊串聯(lián) 或并聯(lián)的變壓器構成的變壓器組。
6、 如權利要求l、 3或4所述的開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于所述開關組為機械式開關或者電力電子器件。
專利摘要本實用新型提供了一種開關切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元和兩個開關組構成；3m+1個功率單元中包括一個備用功率單元，3m個功率單元均分為三組，每組分別由m個功率單元串聯(lián)構成變頻器的一個相線；備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；所述第一、第三相線分別與第一、第二開關組相連，并在該兩個開關組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關組相連的一端構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H02M5/16GK201435681SQ20092010778
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者馬永健 申請人:北京利德華福電氣技術有限公司