專利名稱：一種諧振式高壓變頻器預充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于高壓變頻器的預充電電路，特別是一種通過諧振式電路 產(chǎn)生激磁電流對變壓器進行勵磁，從而避免了激磁電流在限流電阻上消耗較大功率的預充 電電路，屬于高壓變頻器技術(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。在高壓變頻器中，由功率單元(又稱功率模塊、變流單元，如圖2所示)串聯(lián)構(gòu)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(chǎn)廠商、科研院所、工程技術(shù)人員、用戶的青睞。高壓大功率變頻器有多種拓撲結(jié)構(gòu)，篇幅所限，本說明書僅針對在市場上應用最 為廣泛的單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器進行敘述。本專利所述技術(shù)應用于其他拓撲結(jié)構(gòu)的 高壓變頻器時，其工作原理、拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法與本說明書的敘述完全相同。這種高壓變頻器結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國實用新型專利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。通常，此整流變壓器有一個輔助繞組，為變頻器的冷卻風機供電。目前，高壓變頻器在高壓上電時，通常采用直接沖擊的方法，即直接閉合為其供電 的高壓斷路器。用這種方法在高壓上電時，會對高壓電網(wǎng)產(chǎn)生7至10倍于額定電流的沖擊 電流，影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。同時，會對功率單元內(nèi)的直流電容和整流器件產(chǎn)生很大 的沖擊電流，影響其使用壽命。一種解決方法是在變頻器的高壓輸入側(cè)安裝激磁涌流抑制電路。該電路由限流電 阻和與之并聯(lián)的高壓開關(guān)(高壓真空斷路器或者高壓真空接觸器)組成。該電路串聯(lián)在高 壓電源與高壓變頻器的輸入端之間。在高壓上電前，高壓開關(guān)處于斷開狀態(tài)，通過限流電阻 對高壓變頻器進行充電，充電完成后，閉合高壓開關(guān)，充電過程結(jié)束。由于該電路屬于高壓 電路，所用的器件為高壓器件，所以成本遠高于本專利所述電路，體積也遠大于本專利所述 電路。另一種解決方法是通過低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過 變壓器在副邊繞組上產(chǎn)生感應電壓，對功率單元的直流電容進行充電。隨著充電過程的進 行，逐漸用交流接觸器旁路掉部分限流電阻，充電完成后，斷開充電電路，閉合高壓斷路器。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)用低壓電源對變頻器的充電，但是存在著一些問題第一，由于整流 變壓器整機的額定容量遠大于其輔助繞組的額定容量，因此通過輔助繞組激磁時，穩(wěn)態(tài)激 磁電流非常大，過大的激磁電流會在限流電阻上產(chǎn)生過大的電壓降，如果選擇較少的交流 接觸器，每次旁路的電阻阻值較大，則每次旁路突加在輔助繞組上的電壓較高，從而每次用 交流接觸器旁路電阻時會對低壓電源產(chǎn)生很大的沖擊電流，同時也對功率單元中的直流電 容有一定的沖擊，如果選擇較多的交流接觸器，則成本較高；第二，如果為了節(jié)省成本，省去 最后一級交流接觸器，在斷開充電電路前未旁路所有限流電阻，則考慮到電阻上的電壓降， 預充電是不充分的，在高壓上電時仍會有沖擊電流；第三，由于過大的激磁電流使電阻嚴重 發(fā)熱，因而此電路需要采用大功率電阻，體積大，成本高，效率低。

實用新型內(nèi)容本實用新型的主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種通過諧振式電路 產(chǎn)生激磁電流對變壓器進行勵磁的預充電電路，避免了變壓器激磁電流對預充電的影響， 最大限度地降低了電路損耗，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本，降低了上電過程對電網(wǎng)和 功率單元的沖擊。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)的一種諧振式高壓變頻器預充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、三相電容器組、 限流電阻組、交流接觸器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側(cè)；所述三相電容器組的三個端一方面與 輔助繞組相連，另一方面通過所述限流電阻組與所述三相交流低壓電源相連；在限流電阻 組與三相交流低壓電源之間設置有交流接觸器；所述三相電容器組由一個三相電容器構(gòu)成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構(gòu)成； 所述每個三相電容器由三組單相電容器按照星型接法或者三角型接法相互連接構(gòu)成；所述 每組單相電容器由一個或者多個單相電容器并聯(lián)構(gòu)成。所述的三相交流低壓電源一般采用用戶現(xiàn)場為高壓變頻器提供的380V控制電 源，在條件允許的情況下，盡量選擇與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源。所述三相電容器組的容抗與輔助繞組自感的感抗相匹配。所述限流電阻組可以替換為電感組。在所述輔助繞組與三相電容器組之間還可以設有第二交流接觸器。本實用新型的有益效果是該諧振式預充電電路通過在輔助繞組與限流電阻組之 間并聯(lián)有三相電容器組，使得該三相電容器組與輔助繞組上的各相線繞組形成LC振蕩回 路，從而由三相電容器組與輔助繞組所形成的LC振蕩回路對整流變壓器產(chǎn)生激磁電流，避 免了因激磁電流在限流電阻上消耗較大功率而引起的電路消耗大，成本高，效率低等問題。

圖1為單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的結(jié)構(gòu)；圖2為典型的功率單元結(jié)構(gòu)；圖3為諧振式高壓變頻器預充電電路的電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。圖3是諧振式高壓變頻器預充電電路的電路圖。如圖所示，高壓變頻器的整流變 壓器1包括有原邊繞組2和副邊繞組3。所述諧振式高壓變頻器預充電電路設置在整流變 壓器1的副邊側(cè)，包括輔助繞組4、三相電容器組5、限流電阻組6、交流接觸器7和三相交 流低壓電源8。所述輔助繞組4設置在整流變壓器的副邊側(cè)，與該原邊繞組2相對應。所述三相 電容器組5由一個三相電容器構(gòu)成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構(gòu)成。其中每個三相電 容器由三組單相電容器按照星型接法或者三角型接法相互連接構(gòu)成。每組單相電容器由一 個或者多個單相電容器并聯(lián)構(gòu)成。所述三相電容器組5的三端分別與輔助繞組4的三相線 相對應，一方面與輔助繞組4相連，另一方面則通過限流電阻組6與三相交流低壓電源8相 連。所述限流電阻組6由三個限流電阻構(gòu)成，分別對應輔助繞組4的三個相線。在限流電 阻組6與三相交流低壓電源8之間設置有交流接觸器7，以控制該線路的斷開或閉合。如上述結(jié)構(gòu)的諧振式預充電電路相較于現(xiàn)有高壓變頻器的預充電電路其主要特 點是在輔助繞組4與限流電阻組6之間并聯(lián)有三相電容器組5，使得該三相電容器組5與輔 助繞組4上的各相線繞組形成LC振蕩回路。這樣，在高壓變頻器進行預充電時就不再是由 三相交流低壓電源通過限流電阻對整流變壓器產(chǎn)生激磁電流，而是由三相電容器組5與輔 助繞組4所形成的LC振蕩回路對整流變壓器產(chǎn)生激磁電流。因此，通過本實用新型所設計 的諧振式預充電電路對整流變壓器進行充電過程中，其實質(zhì)流經(jīng)限流電阻的激磁電流非常 小，這樣就避免了前面所說的現(xiàn)有技術(shù)中對電阻功率要求大，成本高，效率低等問題。所述三相交流低壓電源8 一般采用用戶現(xiàn)場為高壓變頻器提供的380V控制電源。 該三相交流低壓電源8既可以選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源，也 可以選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位不同的低壓電源。但是，當該三相交流低壓電 源8選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位不同的低壓電源時，由于變壓器存在激磁涌 流，這種情形下在高壓上電時，對高壓電網(wǎng)仍可能產(chǎn)生沖擊電流，沖擊電流的幅度由高壓合 閘時刻的高壓電網(wǎng)電壓相位，和預充電電路中交流接觸器斷開時刻的低壓三相交流低壓電 源電壓相位之差決定。因此，為了盡可能減小沖擊電流對高壓電網(wǎng)的沖擊影響，在有條件的 情況下應盡量選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源作為三相交流低壓 電源。另外，本實用新型所設計結(jié)構(gòu)的諧振式預充電電路中，流經(jīng)限流電阻的激磁電流 大小是由輔助繞組的單相自感與三相電容器組的單相電容匹配關(guān)系決定的。設整流變壓器輔助繞組的星型等效單相自感為L，電網(wǎng)的額定頻率為f，則其工頻 感抗為Xl = 2 JifL設電容器的星型等效單相容值為C，則其工頻容抗為 剛~ 為了滿足并聯(lián)諧振條件，感抗和容抗取相同的數(shù)值。根據(jù)電路學原理，此時，電感、 電容并聯(lián)支路的總導納為[0035]F = + + -^TT = 0 ’(式中，j為虛數(shù)單位)
JaL -JaC總阻抗Z 為無窮大，即穩(wěn)態(tài)時從三相交流低壓電源流入的電流為零。在充電的動態(tài)過程中，由于并聯(lián)諧振支路的總阻抗與其上所加的電壓無關(guān)，恒定 為無窮大，因此三相交流低壓電源僅提供充電用的有功電流和變頻器空載損耗用的有功電 流，無需提供變壓器的激磁電流。因此，依據(jù)本實用新型所設計的諧振式預充電電路結(jié)構(gòu)， 只要三相電容器組與輔助繞組的設計匹配合適，理論上是不會有激磁電流流過限流電阻組 的，這也是本實用新型的主要設計目的。當然，在實際裝置中，三相電容器組與輔助繞組并不一定能完全匹配，且變頻器存 在一定的空載損耗，因此充電完成后，三相交流低壓電源將提供少量的有功電流。因此，本實用新型中所設計的限流電阻組6主要目的是為三相交流低壓電源8提 供電流限制。該預充電電路中限流電阻阻值的選取原則為阻值不低于三相交流低壓電源 相電壓與其設計承受的預充電電流之比，以保證在預充電過程中，三相交流低壓電源自始 至終不會發(fā)生過流。如果需要進一步降低充電過程的功率消耗，在允許增加一定成本的情況下，可以 采用將所述的限流電阻組6替換成三個單相電感，或者一個三相電感的方式。在這種實施 情況下，由于該限流電感不會影響到諧振電容與變壓器輔助繞組自感間的諧振關(guān)系，因此 不會降低到上述預充電電路的性能。另外，在實際使用中，根據(jù)輔助繞組額定容量的不同，可以選擇在高壓帶電時始終 接入三相電容器組或者高壓帶電時斷開三相電容器組。前者輔助繞組直接與三相電容器組 相連，用于輔助繞組容量較大的情形，這將有助于進一步提高變頻器的功率因數(shù)，且可以省 去一個交流接觸器。后者在輔助繞組4與三相電容器組5之間相連有一個交流接觸器9，用 于輔助繞組容量較小，不足以長時間承受穩(wěn)態(tài)激磁電流的情形，在斷開連至三相交流低壓 電源的接觸器同時，也斷開該交流接觸器9，改由高壓側(cè)提供變壓器的激磁電流，從而保護 該輔助繞組4。綜上所述，本實用新型所設計的諧振式高壓變頻器預充電電路及其控制方法是通 過在輔助繞組與限流電阻組之間并聯(lián)有三相電容器組，使得該三相電容器組與輔助繞組上 的各相線繞組形成LC振蕩回路，從而由三相電容器組與輔助繞組所形成的LC振蕩回路對 整流變壓器產(chǎn)生激磁電流，避免了因激磁電流在限流電阻上消耗較大功率而引起的電路消 耗大，成本高，效率低等問題。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員基于上述設計思想所做的任何不具有創(chuàng) 造性的改造，均應視為在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種諧振式高壓變頻器預充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、三相電容器組、限流電阻組、交流接觸器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側(cè)；所述三相電容器組的三個端一方面與輔助繞組相連，另一方面通過所述限流電阻組與所述三相交流低壓電源相連；在限流電阻組與三相交流低壓電源之間設置有交流接觸器；所述三相電容器組由一個三相電容器構(gòu)成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構(gòu)成；所述每個三相電容器由三組單相電容器按照星型接法或者三角型接法相互連接構(gòu)成；所述每組單相電容器由一個或者多個單相電容器并聯(lián)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振式預充電電路，其特征在于所述三相交流低壓電源為與 高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振式預充電電路，其特征在于所述三相電容器組的容抗與 輔助繞組自感的感抗相匹配。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的諧振式預充電電路，其特征在于所述限流電阻組替 換為電感組。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的諧振式預充電電路，其特征在于在所述輔助繞組與 三相電容器組之間還設有第二交流接觸器。
專利摘要本實用新型提供了一種諧振式高壓變頻器預充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、三相電容器組、限流電阻組、交流接觸器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側(cè)；所述三相電容器組的三個端一方面與輔助繞組相連，另一方面通過所述限流電阻組與三相交流低壓電源相連；在限流電阻組與三相交流低壓電源之間設置有交流接觸器。通過在輔助繞組與限流電阻組之間并聯(lián)有三相電容器組，使得該三相電容器組與輔助繞組上的各相線繞組形成LC振蕩回路，從而由三相電容器組與輔助繞組所形成的LC振蕩回路對整流變壓器產(chǎn)生激磁電流，避免了因激磁電流在限流電阻上消耗較大功率而引起的電路消耗大，成本高，效率低等問題。
文檔編號H02M5/16GK201682423SQ201020146448
公開日2010年12月22日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者馬永健 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司