專利名稱：高壓交流傳動(dòng)用背靠背變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種背靠背變流器，特別涉及一種高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)與控制的多電平背靠背變流器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子以及交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)，例如高壓變頻調(diào)速 系統(tǒng)等作為節(jié)能減排的主要手段之一，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 在高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，很多場合需要在電機(jī)制動(dòng)時(shí)將其能量回饋至電網(wǎng) 側(cè)，以便節(jié)約能源，因此具備能量雙向流動(dòng)與控制能力的背靠背型變流器也獲得了廣泛的 應(yīng)用。然而，在目前的電力電子技術(shù)發(fā)展水平下單臺(tái)以及單個(gè)使用的電力電子開關(guān)器件 一般不能承受高電壓，例如6kV、10kV等場合的耐壓要求。因此，通過變壓器、功率模塊串 聯(lián)、開關(guān)器件串聯(lián)和多電平變流器等來實(shí)現(xiàn)的高壓背靠背變流器得到了關(guān)注和應(yīng)用。目前， 高壓變流器的主要拓?fù)湫问接?、通過變壓器將多個(gè)低壓的變流器組合成高壓變流器。例如，中國專利 200320121533,200720190811,200780018970,200910184413,02114225.4,03126473.5、 97100477. 3,200410009469. 8,200710114461. 1,200820014044. X,200820238870. 2 采用了 工頻變壓器與低壓變流器結(jié)合的方式構(gòu)成高壓多電平變流器；而中國專利200820208579 和美國專利 US7554824B2、US7558087B2、US2008/0198637A1、US 2008/0158921A1 則采用了 中頻變壓器與低壓變流器結(jié)合的方式構(gòu)成高壓多電平變流器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)施容易，模 塊化程度高，但由于變壓器的大量采用導(dǎo)致其裝置體積大，重量大，成本高。2、通過電力電子開關(guān)器件的直接串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的高壓變流器。例如，中國專利 200720140987,200720148108采用了 IGBT直接串聯(lián)兩電平變流器的方式構(gòu)成了高壓變流 器。這種結(jié)構(gòu)的變流器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，但開關(guān)器件動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓問題不易解 決，輸出電壓dv/dt大，諧波含量高，容易對(duì)電機(jī)造成損害。3、通過采用多電平的變流器，例如二極管箝位式、飛跨電容式多電平變流器、級(jí) 聯(lián)H橋型多電平變流器等構(gòu)成的高壓變流器。例如，美國專利US 5644483、US 5532575 和US2007/0159749A1采用了二極管箝位式的多電平變流器構(gòu)成高壓變流器；而美國專利 US6005788通過級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器構(gòu)成高壓變流器，但是這一結(jié)構(gòu)的變流器作為背 靠背變流器時(shí)又需要變壓器進(jìn)行電氣隔離。而美國專利US 2006/0044857A1將二極管箝位 式多電平變流器中需要的多個(gè)直流母線所需的多個(gè)隔離的交流電源集成到了發(fā)電機(jī)的繞 組中，雖然省去了變壓器，卻需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，這在很多實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中尤其是與電網(wǎng) 連接的情況下是不現(xiàn)實(shí)的。這一結(jié)構(gòu)的變流器不需要變壓器，也不存在開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)均 壓問題。但是，這些類型的變流器的高壓直流母線一般需要高壓直流電容，隨著電平數(shù)量的 增加二極管或高壓電容的數(shù)量也會(huì)急劇增加，且存在電容均壓問題，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中 三電平的結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣，然而在目前的電力電子開關(guān)器件水平下三電平變流器承受7kV以上的高壓是幾乎不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有高壓交流傳動(dòng)領(lǐng)域用背靠背變流器的缺點(diǎn)，簡化裝置結(jié)構(gòu)， 減小裝置的體積和重量，降低制造成本，提出一種高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化多電平背靠 背變流器。本發(fā)明的特征在于由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的上橋臂和下橋臂均由 數(shù)量相同的n(n ^ 1)個(gè)低壓功率單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每一相輸入或輸出分別對(duì)應(yīng)一個(gè)橋臂。每 個(gè)橋臂的上端連接在一起，每個(gè)橋臂的下端連接在一起，不需要直流母線支撐電容。同時(shí)， 每相橋臂包含一個(gè)電感模塊，電感模塊由兩個(gè)電感構(gòu)成，這兩個(gè)電感既可以是相互獨(dú)立的 分立電感，也可以是耦合系數(shù)很高的兩個(gè)耦合電感。兩個(gè)電感直接串聯(lián)(若為耦合電感則 為順接串聯(lián))，兩個(gè)電感的共同連接點(diǎn)作為該相橋臂的輸出端子；兩個(gè)電感的另外兩個(gè)端 子一個(gè)與該相橋臂上橋臂的下端相連，另外一個(gè)端子與該相橋臂下橋臂的上端相連。橋臂 的數(shù)量根據(jù)應(yīng)用場合的不同來確定，例如，當(dāng)電網(wǎng)和電機(jī)均為三相三線制時(shí)，則電網(wǎng)側(cè)需要 三個(gè)橋臂，電機(jī)側(cè)需要三個(gè)橋臂，也就是共需要六個(gè)橋臂；當(dāng)電網(wǎng)為單相而電機(jī)為三相時(shí)， 則電網(wǎng)側(cè)需要一個(gè)橋臂，電機(jī)側(cè)需要三個(gè)橋臂，即共需要四個(gè)橋臂。本發(fā)明高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化多電平背靠背變流器具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)1.采用級(jí)聯(lián)式模塊化結(jié)構(gòu)，只要級(jí)聯(lián)足夠的低壓功率單元，可以承受 非常高的電 壓。同時(shí)，模塊化的結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)制造和安裝調(diào)試。2.在高壓大容量交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，變壓器的重量體積一般占整個(gè)系統(tǒng)的三分之一 以上。而本發(fā)明無需變壓器，因此能夠顯著降低裝置的體積、重量以及制造成本。3.電力電子開關(guān)器件的開通和關(guān)斷無需死區(qū)時(shí)間，減小了死區(qū)效應(yīng)帶來的電壓、 電流畸變，也提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。4.本發(fā)明每個(gè)橋臂中級(jí)聯(lián)的功率單元只采用兩個(gè)開關(guān)器件就能產(chǎn)生三電平的輸 出電壓，而現(xiàn)有拓?fù)渲胁捎脙蓚€(gè)開關(guān)器件只能產(chǎn)生兩電平的輸出電壓，在同樣的功率等級(jí) 和開關(guān)器件耐壓及開關(guān)頻率條件下，本發(fā)明的等效開關(guān)頻率幾乎提高了近一倍。因此，本發(fā) 明能夠大大減小輸入/輸出電壓和電流的諧波含量，提高了電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量，減小了電 機(jī)側(cè)諧波損耗。5.高壓直流側(cè)無需直流母線支撐電容，減少了系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，也消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 中采用高壓直流電容帶來的困難。6.本發(fā)明可四象限運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)與控制。對(duì)于交流傳動(dòng)系統(tǒng)而 言，能夠節(jié)約能源，省去制動(dòng)電路，降低硬件成本。7.本發(fā)明配置靈活，適用范圍廣，既可以用于典型的三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)，也可以用 于單相或多相的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化多電平背靠背變流器在三相/三相交流 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明中低壓功率單元Ukii (K = A、B、C、a、b、或c)的電路結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明電感模塊UK2 (K =々、8、(、113、或(3)的電路結(jié)構(gòu)圖，圖3a為由兩個(gè)分立的電感構(gòu)成的電感模塊；圖3b為由兩個(gè)耦合電感構(gòu)成的電感模塊。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。本發(fā)明由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的上橋臂和下橋臂均由數(shù)量相同的 η (η ^ 1)個(gè)低壓功率單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每一相輸入或輸出分別對(duì)應(yīng)一個(gè)橋臂。每個(gè)橋臂的上 端連接在一起，每個(gè)橋臂的下端連接在一起，不需要直流母線支撐電容。圖1所示為本發(fā)明高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化多電平背靠背變流器在三相/三相 交流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的整體結(jié)構(gòu)。圖1所示的本發(fā)明共由六個(gè)橋臂組成，六個(gè)橋臂的上端 連接在同一點(diǎn)P，六個(gè)橋臂的下端連接在同一點(diǎn)N。每個(gè)橋臂均結(jié)構(gòu)完全相同第Κ(Κ = A、 B、C、a、b、或c)相橋臂的上半橋臂由低壓功率模塊Ukii UKln串聯(lián)構(gòu)成，即Ukii的11端子與 Uki(^1)的12端子相連，而Unj的12端子與Uki(j+1)的11端子相連(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、C、a、b、或c)相橋臂的下半橋臂由低壓功率模塊Uk21 UK2n串聯(lián)構(gòu)成，即UK2j的11端 子與Umj-D的12端子相連，而UK2j的12端子與UK2(j+1)的11端子相連(2彡j彡n-1) ；Ukii 的11端子連接到P點(diǎn)；UKln的12端子連接到電感模塊Uk2的21端子；Uk21的11端子連接到 電感模塊Uk2的23端子；UK2n的12端子連接到N點(diǎn)；電感模塊Uk2的22端子作為第K (K = A、B、C、a、b、或c)相橋臂的輸入/輸出端子K。低壓功率單元Ukii UKln和Uk21 UK2n的電 路結(jié)構(gòu)完全相同且可以相互替換。A、B、C三個(gè)端子及a、b、c三個(gè)端子分別與三相高壓電網(wǎng) 及三相高壓電機(jī)相連，且A、B、C、a、b、c六個(gè)端子中的任意兩個(gè)位置均可互換。圖2為本發(fā)明低壓功率單元Ukii (K = A、B、C、a、b、或c)的具體電路結(jié)構(gòu)。低壓功 率單元Ukii由第十三開關(guān)T13、第十四開關(guān)T14，第十三二極管D13、第十四二極管D14、第十五二 極管D15、第十六二極管D16、帶中間抽頭的耦合電感和第一電容C1構(gòu)成；第十三開關(guān)T13的集 電極與第十三二極管D13的負(fù)極相連，第十三開關(guān)T13的發(fā)射極與第十三二極管D13的正極相 連；第十四開關(guān)T14的集電極與第十四二極管D14的負(fù)極相連，第十四開關(guān)T14的發(fā)射極與第 十四二極管D14的正極相連；第十三二極管D13和第十五二極管D15正向串聯(lián)，兩者的共同連 接點(diǎn)與帶中間抽頭的耦合電感非中間抽頭的一個(gè)端子相連；第十四二極管D14和第十六二 極管D16正向串聯(lián)，兩者的共同連接點(diǎn)與帶中間抽頭的耦合電感的非中間抽頭另一個(gè)端子 相連；第十三二極管D13的負(fù)極與第一電容C1的正極相連，第十五二極管D15的正極與第一 電容C1的負(fù)極相連；第十六二極管D16的負(fù)極與第一電容C1的正極相連，第十四二極管D14 的正極與第一電容C1的負(fù)極相連；耦合電感的中間抽頭作為低壓功率單元的第一端子11， 第一電容(^的負(fù)極作為低壓功率單元的第二端子12。通過控制開關(guān)T13和T14，這一結(jié)構(gòu)的 低壓功率單元可以產(chǎn)生三電平輸出電壓。其余低壓功率單元Uk12 UKln和Uk21 UK2n(K = A、B、C、a、b、或c)的結(jié)構(gòu)和低壓功率單元Ukii相同。圖3為本發(fā)明中電感模塊Uk2 (K = A、B、C、a、b、或c)的具體電路結(jié)構(gòu)。這里給出 了兩種具體的實(shí)施方式。其中，圖3a由兩個(gè)分立的電感直接串聯(lián)構(gòu)成；兩個(gè)電感的兩個(gè)端 子連接在一起，其共同連接點(diǎn)作為電感模塊Uk2的端子22，這里的端子22也作為第K橋臂的 輸入或輸出端子K ；兩個(gè)電感其余的兩個(gè)端子作為電感模塊Uk2的端子21和23，且端子21 和23可以互換位置。
如圖3b所示，電感模塊UK2 (K = A、B、C、a、b、或c)的另一種具體的實(shí)施方式由兩 個(gè)耦合系數(shù)很高的耦合電感構(gòu)成；兩個(gè)耦合電感順接連接，即第一個(gè)電感的同名端連接另 外一個(gè)電感的非同名端，其共同連接點(diǎn)作為電感模塊Uk2的端子22，這里的端子22也作為 第K橋臂的輸入或輸出端子K ；兩個(gè)耦合電感其余的兩個(gè)端子作為電感模塊Uk2的端子21 和23，且端子21和23可以互換位置。以上所述，只是本發(fā)明在三相/三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的具體實(shí)施方式
。對(duì)于其他的應(yīng)用場合，例如單相/單相，單相/三相，三相/多相等高壓交流傳動(dòng)領(lǐng)域，只要改變 相應(yīng)的橋臂數(shù)量即可，不再贅述。
權(quán)利要求
一種用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征在于所述的背靠背變流器由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂對(duì)應(yīng)輸入或輸出的一相，每相橋臂指輸入或輸出的每相所對(duì)應(yīng)的每個(gè)橋臂。每個(gè)橋臂的上橋臂和下橋臂均由數(shù)量相同的n個(gè)低壓功率單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，n≥1；所述的每個(gè)橋臂的上端連接在一起，每個(gè)橋臂的下端連接在一起，高壓直流母線無需支撐電容。
2.如權(quán)利要求1所述的用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征 在于所述的每個(gè)橋臂包含一個(gè)電感模塊，所述的電感模塊由兩個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成；兩個(gè)電 感的兩個(gè)端子連接在一起，其共同連接點(diǎn)作為該相橋臂的輸出端子；兩個(gè)電感的另外兩個(gè) 端子中，其中一個(gè)端子與該相橋臂上橋臂的下端相連，另一個(gè)端子與該相橋臂下橋臂的上 端相連。
3.如權(quán)利要求2所述的用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征 在于所述的電感模塊中，所述的電感是相互獨(dú)立的分立電感或耦合電感。
4.如權(quán)利要求1所述的用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特 征在于所述的低壓功率單元(UK11)由第十三開關(guān)(T13)、第十四開關(guān)(T14)，第十三二極 管(D13)、第十四二極管(D14)、第十五二極管(D15)、第十六二極管(D16)、帶中間抽頭的 耦合電感和第一電容(C1)構(gòu)成；第十三開關(guān)(T13)的集電極與第十三二極管(D13)的負(fù) 極相連，第十三開關(guān)(T13)的發(fā)射極與第十三二極管(D13)的正極相連；第十四開關(guān)(T14) 的集電極與第十四二極管(D14)的負(fù)極相連，第十四開關(guān)(T14)的發(fā)射極與第十四二極管 (D14)的正極相連；第十三二極管(D13)和第十五二極管(D15)正向串聯(lián)，第十三二極管 (D13)和第十五二極管(D15)的共同連接點(diǎn)與所述的耦合電感非中間抽頭的一個(gè)端子相 連；第十四二極管(D14)和第十六二極管(D16)正向串聯(lián)，第十四二極管(D14)和第十六二 極管(D16)的共同連接點(diǎn)與所述的耦合電感的另一個(gè)非中間抽頭的端子相連；第十三二 極管(D13)的負(fù)極與第一電容(C1)的正極相連，第十五二極管(D15)的正極與第一電容 (C1)的負(fù)極相連；第十六二極管(D16)的負(fù)極與第一電容(C1)的正極相連，第十四二極管 (D14)的正極與第一電容(C1)的負(fù)極相連；所述的耦合電感的中間抽頭作為低壓功率單 元(UK11)的第一端子(11)，第一電容(C1)的負(fù)極作為低壓功率單元(UK11)的第二端子 (12)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征 在于每個(gè)低壓功率單元的兩個(gè)全控型電力電子開關(guān)器件在開通和關(guān)斷的時(shí)刻均不需要設(shè) 置死區(qū)時(shí)間。
6.如權(quán)利要求1所述的用于高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征 在于通過改變每個(gè)橋臂上級(jí)聯(lián)的低壓功率單元的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)不同電平數(shù)的輸入/輸出多電 平電壓。
全文摘要
一種用于高電壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，由結(jié)構(gòu)相同的多個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由低壓功率單元和電感模塊串聯(lián)構(gòu)成。每個(gè)低壓功率單元結(jié)構(gòu)相同，每一個(gè)橋臂分別對(duì)應(yīng)變流器輸入或輸出的一相；所述的每個(gè)橋臂的上端連接在一起，每個(gè)橋臂的下端連接在一起。高壓直流母線中無需支撐電容。所述的電感模塊由兩個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成；兩個(gè)電感的兩個(gè)端子連接在一起，其共同連接點(diǎn)作為該相橋臂的輸出端子；兩個(gè)電感的另外兩個(gè)端子中，其中一個(gè)端子與該相橋臂上橋臂的下端相連，另一個(gè)端子與該相橋臂下橋臂的上端相連。每個(gè)低壓功率單元采用兩個(gè)電力電子開關(guān)器件即可實(shí)現(xiàn)三電平電壓輸出，且開關(guān)器件的開通和關(guān)斷無需設(shè)置死區(qū)時(shí)間。
文檔編號(hào)H02M7/483GK101834452SQ201010172320
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者劉育紅, 朱海濱, 李子欣, 李耀華, 武林, 王平, 勝曉松 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所