專利名稱：基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器的制作方法
基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于中點鉗位三電平技術(shù) 的6kV中壓變頻器。
背景技術(shù)：
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為所需頻率的電能控 制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動或變頻調(diào)速，最常用的變頻器是交-直-交電壓型 變頻器，通常分為四部分整流器、貯能電容、逆變器和控制器。整流器是將頻率固定的交流 電轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備；貯能電容用來存儲轉(zhuǎn)換后的電能；逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化成不同 頻率、幅度的交流電的設(shè)備；控制器是按設(shè)定的程序工作，控制變頻器輸出電壓方波的脈沖 寬度，使輸出電壓基波為等效正弦波，進而驅(qū)動交流電動機的設(shè)備。
中點鉗位三電平(簡稱3L-NPC)變頻器是大功率(> 1MW)中壓交流電動機變頻調(diào) 速技術(shù)領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的電壓型變頻器之一?，F(xiàn)有的3L-NPC變頻器的逆變器由三個 3L-NPC支路並聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，在每個3L-NPC支路上均由四個開關(guān)組件(其中每個開 關(guān)組件包含一個可控器件和一個續(xù)流二極管)及兩個中點鉗位二極管構(gòu)成，其優(yōu)點是主 電路簡單，開關(guān)器件數(shù)量少，只需一套整流電源，能量回饋容易實現(xiàn)，其存在的問題是在現(xiàn) 有高壓開關(guān)器件不串聯(lián)的情況下，3L-NPC變頻器的逆變器的額定輸出電壓達不到6kV，不 滿足我國國標；而且輸出電壓波形的dv/dt較高，影響普通標準電動機的絕緣和使用壽命， 需使用加強絕緣的特殊電動機。
為了提高輸出電壓，一種方法是采用開關(guān)組件串聯(lián)方式實現(xiàn)其將圖1主電路中 的每個開關(guān)組件改為兩串，直流母線電壓Ud提高至9kV，使得逆變器最大輸出線電壓達到 6. 3kV，這種方法存在的問題是開關(guān)組件串聯(lián)需有均壓措施，可靠性受到影響，而且由于 dv/dt增大，需要加裝龐大的輸出濾波器；另一種方法是采用3個3L-NPC單相H橋構(gòu)成的變 頻器，每相一個單相H橋，每橋由兩個并聯(lián)3L-NPC支路及一組浮空的士2. 5kV整流電源構(gòu) 成，如圖2所示，這種方法存在的問題是需要使用3套浮空整流電源，喪失了常規(guī)3L-NPC 變頻器的變壓器和整流電源簡單、實現(xiàn)回饋容易的優(yōu)點，而且，單相H橋要求比三相逆變橋 大的多的貯能電容量。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)不能在保證現(xiàn)有3L-NPC變頻器優(yōu)點的基礎(chǔ)上將其額定輸出 電壓提高至6kV。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的 6kV中壓變頻器，既保留現(xiàn)有3L-NPC變頻器的優(yōu)點，同時又能夠?qū)⑵漕~定輸出電壓提高至 6kV0
本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，包括整流電源、中點鉗位三電平逆變器和零序電抗器，在中點聯(lián)線打開的電動機定子三相繞組兩邊各連接一套中點鉗位 三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點鉗位三電平逆變器共用一組整流電源，零序電抗器 繞組與電動機定子三相繞組串聯(lián)在一起。
而且，所述的中點鉗位三電平逆變器由三個中點鉗位三電平支路並聯(lián)構(gòu)成，每個 中點鉗位三電平支路均由四個開關(guān)組件及兩個中點鉗位二極管構(gòu)成，每個開關(guān)組件均由一 個可控器件和一個續(xù)流二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。
而且，所述的可控器件為IGBT或IGCT或IEGT高壓器件。
而且，所述的零序電抗器為3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器。
而且，所述電動機定子三相繞組與零序電抗器繞組采用如下三種方式之一連接 使用一臺3繞組零序電抗器串接于電動機定子三相繞組一側(cè)；使用兩臺3繞組零序電抗器 分別串接于電動機定子三相繞組的兩側(cè)；使用一臺6繞組零序電抗器，其中3個繞組串接于 電動機定子三相繞組一側(cè)，另3個繞組串接于電動機定子三相繞組另一側(cè)。
而且，所述的整流電源由整流器和貯能電容組成。
而且，所述的整流電源的直流母線電壓Ud 5kV，該整流電源為如下三種方式之 一不可控整流電源、整流/回饋電源和PWM整流電源。
而且，所述兩套中點鉗位三電平逆變器的輸入端分別連接一對貯能電容，或兩套 中點鉗位三電平逆變器共用一對貯能電容。
而且，兩套中點鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制策略為電壓空間矢量法或有3倍頻 交流偏置的三角載波比較法，兩套中點鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制周期錯開半周期，使 輸出相電壓達到5電平、等效開關(guān)頻率加倍。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是
1、本中壓變頻器通過在中點聯(lián)線打開的電動機定子三相繞組兩邊各連接一套 3L-NPC中點鉗位三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，實現(xiàn)了將現(xiàn)有的3L-NPC變頻器的輸出電壓 從3kV提高到了 6kV，滿足了我國電壓等級標準要求，具有電路簡單、容易實現(xiàn)回饋、運行可 靠等特點。
2、本6kV中壓變頻器的dv/dt與3kV的現(xiàn)有3L-NPC逆變器輸出電壓的dv/dt相 同，不會影響電動機絕緣和使用壽命，并且在逆變器輸出及電動機定子三相繞組間增加的 零序電抗器不僅限制零序電流，還可進一步減小dv/dt對電機的影響，因此本變頻器可直 接驅(qū)動普通6kV交流電機。
3、本中壓變頻器的整流電源使用一組約為士2. 5kV直流電源，變壓器和整流電源 簡單，容易實現(xiàn)回饋，并可用于公共直流母線。
4、本中壓變頻器使兩套逆變器的PWM調(diào)制周期錯開Τ/2 (T_調(diào)制周期)，使得輸出 相電壓電平數(shù)從3增至了 5，并且等效開關(guān)頻率加倍，使諧波減小了，有助于解決使用高壓 開關(guān)器件后開關(guān)頻率降低帶來的困難。
5、本中壓變壓器將貯能電容接在三相逆變器輸入端，較之單相H橋級聯(lián)方案電容量小。


圖1是常規(guī)三相3L-NPC逆變器主電路的電路圖2是ABB公司的ACS-5000變頻器的電路圖3是本發(fā)明實施例提供的基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器的電路 圖4是是本發(fā)明實施例提供的3繞組零序電抗器零序電抗器示意圖5是是本發(fā)明實施例提供的6繞組零序電抗器零序電抗器示意圖6是是本發(fā)明實施例提供的逆變器輸出的電壓波形圖7是兩套3L-NPC整流電源(AFE)並聯(lián)電路的電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述
一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，如圖3所示，圖中，Ud是直流母 線電壓W^b,。和un,a,b,。分別是第I套和第II套三相3L-NPC逆變器輸出的相電壓禮^ 是電動機定子三相繞組上電壓；Utl是零序電壓；三個三態(tài)開關(guān)分別表示常規(guī)三相3L-NPC逆 變器中的每一個3L-NPC支路。
在本實施例中，基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器包括中點鉗位三電平 逆變器、整流電源和零序電抗器，在中點聯(lián)線打開的電動機定子三相繞組兩邊各連接一套 中點鉗位三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點鉗位三電平逆變器共用一組由整流器和貯 能電容組成的整流電源，兩套中點鉗位三電平逆變器的輸入端分別連接一對貯能電容或兩 套中點鉗位三電平逆變器共用一對貯能電容，電動機定子三相繞組與零序電抗器繞組串聯(lián) 在一起。
在本實施例中，驅(qū)動電動機為6kV異步電動機或同步電動機(永磁或勵磁)，電 動機定子三相繞組兩邊連接的逆變器均采用三相3L-NPC逆變器，如圖1所示的，該三相 3L-NPC逆變器由三個中點鉗位三電平支路並聯(lián)構(gòu)成，每個中點鉗位三電平支路均由四個開 關(guān)組件及兩個中點鉗位二極管構(gòu)成，每個開關(guān)組件均由一個可控器件和一個續(xù)流二極管反 向并聯(lián)構(gòu)成，在該圖中，V1 V4是中點鉗位三電平支路中的可控器件，該可控器件可以為 IGBT，也可以是IGCT或IEGT高壓器件，該可控器件的額定電壓為4. 5kV。兩套逆變器共用 一組約為士2. 5kV(Ud^5kV)的整流電源，每套逆變器輸出的理想空載線電壓(有效值)為 3. 5kV，兩套串聯(lián)后輸出7kV，完全滿足6kV電動機需要。
兩套逆變器共用一組直流母線后，在電機繞組中除正序或負序電流外，還會有零 序電流流過。為抑制零序電流，引入一臺零序電抗器(又稱共模零序電抗器)，它是在一個 鐵芯上繞有3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器，3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗 器分別如圖4及圖5所示，其繞組分別與電動機三相繞組串聯(lián)。在流過正序或負序電流時， 三相電流之和等于0，鐵心不被磁化，只有漏磁鏈，零序電抗器變成三個小電感，不影響逆變 器輸出的基波電壓；在流過零序電流時，三相電流同相，三相電流之和興0，鐵心被磁化，零 序電抗器變成一個大電感，抑制零序電流。零序電壓由兩部分組成一是3倍基波頻率的分 量，它的幅值不大，僅為基波輸出電壓的15 20%，隨基波頻率和電壓幅值降低，3倍頻分 量的頻率和幅值按比例下降，不會出現(xiàn)低頻時伏-秒面積加大，使鐵心飽和情況；另一部分 是開關(guān)頻率的分量，幅值較高，但頻率高且固定，伏-秒面積不大，不會隨基波頻率降低而 加大。伏-秒面積與鐵心截面成比例，伏-秒面積不大，零序電抗器體積和重量就不大。零5序電抗器繞組與電動機定子三相繞組的連接方式有三種一臺3繞組零序電抗器串接于電 動機定子三相繞組一側(cè)；兩臺較小的3繞組零序電抗器分別串接于電動機定子三相繞組的 兩側(cè)；一臺6繞組零序電抗器，3個繞組串接于電動機定子三相繞組一側(cè)，另3個繞組串接 于電動機定子三相繞組另一側(cè)。
在本發(fā)明提供的變頻器中，兩套三相3L-NPC逆變器的PWM調(diào)制采用常規(guī)策略電 壓空間矢量法(SVPWM)或有3倍頻交流偏置的三角載波比較法(SPWM)。但是，要求兩套逆 變器的PWM調(diào)制周期錯開T/2(T-調(diào)制周期)，則在輸出基波電壓> 0時的相電壓輸出波形 (Ul+U )如圖6所示，在該圖中，U1和U11分別是第I套和第II套三相3L-NPC逆變器輸出 的相電壓波形^+Un是U1和U11的合成；D是PWM調(diào)制的占空比。
從圖6看出，相輸出波形有5種電平(士Ud、士Ud/2和0，負電平在輸出基波電壓 < 0時才出現(xiàn))，且輸出電壓的等效開關(guān)頻率加倍。輸出電壓電平數(shù)從3增至5，能減小諧 波。等效開關(guān)頻率加倍后，相應(yīng)數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣頻率也可加倍(每T/2采樣一次)，對 減小諧波、改善系統(tǒng)動態(tài)性能有很大幫助。使用高壓大功率開關(guān)器件后，由于開關(guān)損耗大， 開關(guān)頻率降至幾百Hz，諧波大，動態(tài)性能受影響，給變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大困難。等 效開關(guān)頻率和采樣頻率加倍將緩解低開關(guān)頻率帶來的困難。
從圖6還可以看出，輸出電壓突跳幅值為Ud/2 ^ 2. 5kV，也就是說新的6kV逆變器 輸出電壓的dv/dt與3kV的常規(guī)3L-NPC逆變器相同。由于在新逆變器與電動機間加入了 零序電抗器，它還會進一步降低加至電機繞組的dv/dt。
本發(fā)明的整流電源與常規(guī)三相3L-NPC變頻器的整流電源相同，有三種形式不可 控整流電源，用于單象限傳動，加裝制動單元和能耗制動電阻后，也可用于四象限傳動；整 流/回饋電源，用于四象限傳動；PWM整流(也稱有源前端AFE)電源，用于四象限傳動及電 網(wǎng)質(zhì)量要求高場合。
如果想用AFE電源，并且希望使用與逆變器同樣規(guī)格的開關(guān)器件及變換器，可以 采用兩套3L-NPC整流電源(AFE)並聯(lián)電路，如圖7所示，在該圖中，Ud是直流母線電壓， 3L-NPC表示3L-NPC整流電源(AFE)，可以看出直流母線電壓仍約為士2. 5kV，但電流加倍。
需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并 不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出 的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kv中壓變頻器，包括整流電源、中點鉗位三電平 逆變器和零序電抗器，其特征在于在中點聯(lián)線打開的電動機定子三相繞組兩邊各連接一 套中點鉗位三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點鉗位三電平逆變器共用一組整流電源， 零序電抗器繞組與電動機定子三相繞組串聯(lián)在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述的中點鉗位三電平逆變器由三個中點鉗位三電平支路並聯(lián)構(gòu)成，每個中點鉗位三 電平支路均由四個開關(guān)組件及兩個中點鉗位二極管構(gòu)成，每個開關(guān)組件均由一個可控器件 和一個續(xù)流二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述的可控器件為IGBT或IGCT或IEGT高壓器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述的零序電抗器為3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述電動機定子三相繞組與零序電抗器繞組采用如下三種方式之一連接使用一臺3 繞組零序電抗器串接于電動機定子三相繞組一側(cè)；使用兩臺3繞組零序電抗器分別串接于 電動機定子三相繞組的兩側(cè)；使用一臺6繞組零序電抗器，其中3個繞組串接于電動機定子 三相繞組一側(cè)，另3個繞組串接于電動機定子三相繞組另一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述的整流電源由整流器和貯能電容組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特 征在于所述的整流電源的直流母線電壓Ud 5kV，該整流電源為如下三種方式之一不可 控整流電源、整流/回饋電源和PWM整流電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征在 于所述兩套中點鉗位三電平逆變器的輸入端分別連接一對貯能電容，或兩套中點鉗位三 電平逆變器共用一對貯能電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，其特征是 兩套中點鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制策略為電壓空間矢量法或有3倍頻交流偏置的三角 載波比較法，兩套中點鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制周期錯開半周期，使輸出相電壓達到5 電平、等效開關(guān)頻率加倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于中點鉗位三電平技術(shù)的6kV中壓變頻器，包括整流電源、中點鉗位三電平逆變器和零序電抗器，其主要技術(shù)特點是在中點聯(lián)線打開的電動機定子三相繞組兩邊各連接一套逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套逆變器共用一組整流電源。本發(fā)明實現(xiàn)了在現(xiàn)有中點鉗位三電平3L-NPC變頻器優(yōu)點的基礎(chǔ)上將其額定輸出電壓提高至6kV的功能，同時輸出相電壓為5電平，dv/dt與現(xiàn)有3kV中點鉗位三電平逆變器相同，可以直接使用6kV電動機，滿足了我國電壓等級標準要求，具有電路簡單、容易實現(xiàn)回饋、運行可靠等特點。
文檔編號H02P27/08GK102035463SQ201010584298
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者馬小亮 申請人:天津天傳電氣有限公司, 天津電氣傳動設(shè)計研究所