專利名稱：帶接觸器旁路功能的功率單元和高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓變頻器領(lǐng)域，特別是公開一種帶接觸器旁路功能的功率單元和高壓變頻器，通過多個(gè)功率單元串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出的高壓變頻器的旁路功能。
背景技術(shù)：
美國專利4674024，5625545和中國機(jī)械工業(yè)出版社《通用變頻器及其應(yīng)用》第二版(ISBN7-111-04766-4/TP.598)第395頁介紹了一種單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型高壓變頻器(高壓變頻器一般輸出電壓等級(jí)為交流1kV-35kV，國外習(xí)慣稱中壓)。該結(jié)構(gòu)的變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式，以實(shí)現(xiàn)多電平高壓輸出，改善輸出電壓波形。變頻器輸入采用多副邊的移相多重化隔離變壓器，給每個(gè)功率單元分別供電的同時(shí)達(dá)到諧波抵消，改善輸入電流波形，提高輸入功率因數(shù)的目的。該變頻器還可以通過控制系統(tǒng)將故障功率單元自動(dòng)旁路，使變頻器在一個(gè)或多個(gè)功率單元故障的情況下還能滿載或降額運(yùn)行，大大提高系統(tǒng)的可靠性。
現(xiàn)有高壓變頻器的功率單元旁路方式主要有以下二種，即采取可控硅等電力電子器件作為旁路開關(guān)的功率單元旁路技術(shù)和采取接觸器為旁路開關(guān)的功率單元旁路技術(shù)。接觸器功率單元旁路方式由于可靠性高，有明顯隔離斷開點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)越來越得到認(rèn)可。常規(guī)的接觸器旁路方式采用旁路接觸器線圈集中控制方式，存在以下缺點(diǎn)接觸器觸點(diǎn)和線圈之間需要很高的絕緣耐壓(相當(dāng)于變頻器主回路輸出電壓等級(jí)，如6kV)，需要使用特殊設(shè)計(jì)或者經(jīng)過改裝的接觸器(比如在觸點(diǎn)和推動(dòng)線圈之間加入絕緣桿)，成本非常高，可靠性大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有功率單元接觸器旁路存在的要求高絕緣的特殊接觸器等問題，本發(fā)明的目的是提供一種新的接觸器旁路，能使用常規(guī)的接觸器，不需要高壓絕緣，具有可靠，或本低，制造標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種功率單元接觸器旁路，包括線圈為直流供電的一路轉(zhuǎn)換型(即包含一個(gè)常開觸點(diǎn)和一個(gè)常閉觸點(diǎn))接觸器，直流電源電路，接觸器驅(qū)動(dòng)電路，檢測(cè)電路等，其特征在于接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間不需要高壓絕緣；每個(gè)功率單元有獨(dú)立的接觸器控制電路，其電源分別取自每個(gè)功率單元，接觸器控制電路具有接觸器的驅(qū)動(dòng)，旁路允許檢測(cè)和旁路成功檢測(cè)，接觸器的控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)通過接觸器控制電路傳送給每個(gè)功率單元的控制板，最終由功率單元控制板通過光纖和變頻器主控系統(tǒng)通信。
根據(jù)本發(fā)明的一種功率單元的接觸器旁路模塊包括一路轉(zhuǎn)換型接觸器(電保持方式或磁保持方式)；驅(qū)動(dòng)電路，用于根據(jù)外部命令驅(qū)動(dòng)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器，以旁路所述功率單元；以及電源電路，用于為所述接觸器旁路模塊內(nèi)的各電路提供低壓直流電源，其輸入取自每個(gè)功率單元的交流輸入端；其中，接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間無需高壓絕緣。
另外，通常在接觸器線圈反并聯(lián)續(xù)流二極管，用于線圈內(nèi)感性電流的續(xù)流。
根據(jù)本發(fā)明的一種功率單元包括整流電路，用于將輸入的交流電整流為脈動(dòng)直流電；濾波電路，用于對(duì)整流電路輸出的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波；逆變橋電路，用于對(duì)濾波電路輸出的直流電進(jìn)行逆變，以輸出可變壓變頻的交流電；接觸器旁路模塊，用于在功率單元故障時(shí)將其旁路；以及控制電路，用于對(duì)逆變橋電路和接觸器旁路模塊進(jìn)行控制。
根據(jù)本發(fā)明的一種高壓變頻器包括多個(gè)串聯(lián)連接的功率單元，其特征在于每一個(gè)功率單元都包括整流電路，用于將輸入的交流電整流為脈動(dòng)直流電；濾波電路，用于對(duì)整流電路輸出的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波；逆變橋電路，用于對(duì)濾波電路輸出的直流電進(jìn)行逆變，以輸出可變壓變頻的交流電；接觸器旁路模塊，用于在功率單元故障時(shí)將其旁路；以及控制電路，用于對(duì)逆變橋電路和接觸器旁路模塊進(jìn)行控制。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，由于每個(gè)接觸器的線圈采用了由對(duì)應(yīng)的功率單元分布式供電，接觸器的觸點(diǎn)和線圈基本處于低壓電位差(如600V等級(jí))，二者之間不必采用額外線圈絕緣。每個(gè)接觸器的控制和檢測(cè)部分通過每個(gè)功率單元完成，利用功率單元原有的光纖和主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，大大提高可靠性，降低成本。


圖1是單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是功率單元的結(jié)構(gòu)，圖中虛線部分為接觸器功率單元旁路主電路結(jié)構(gòu)；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的接觸器功率單元旁路方案的示意電路方框圖；圖4是本發(fā)明的功率單元旁路方案的示意電路方框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是單元串聯(lián)式高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接到高壓變頻器輸入端的高壓交流電經(jīng)過輸入變壓器進(jìn)行隔離和降壓后形成的中間交流電分別供給各個(gè)功率單元。每個(gè)功率單元為交直交電壓源型結(jié)構(gòu)，輸入為三相固定交流電，輸出為單相變壓變頻的交流電。功率單元的輸入分別連接到變壓器副邊，相鄰功率單元的輸出串聯(lián)起來，形成變壓變頻的高壓輸出，供給高壓交流電機(jī)。圖中采用每相3個(gè)功率單元串聯(lián)的方式為例，功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)和每個(gè)功率單元的最高輸出電壓決定整個(gè)變頻器的最高輸出電壓。
圖2是每個(gè)功率單元的結(jié)構(gòu)，圖中虛線部分為功率單元旁路接觸器。功率單元的交流輸入經(jīng)過進(jìn)線熔斷器(過流保護(hù)用)后經(jīng)過由二極管組成的整流橋(整流電路)后形成脈動(dòng)直流電，由濾波電容組成的直流環(huán)節(jié)濾波電路對(duì)整流橋輸出的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波。直流環(huán)節(jié)的正、負(fù)母線之間的直流電壓經(jīng)過由自關(guān)斷電力電子器件Q組成的逆變橋輸出。每個(gè)自關(guān)斷電力電子器件Q還反并聯(lián)有一個(gè)續(xù)流二極管。通過對(duì)逆變橋的各自關(guān)斷電力電子器件的控制端施加合適的控制信號(hào)，可以改變逆變橋輸出的電壓幅值和/或頻率，從而可以輸出各種合適的信號(hào)，通常是可變壓變頻的交流電。每個(gè)功率單元內(nèi)部有單元控制板，并通過光纖和主控系統(tǒng)(未示出)進(jìn)行通信。主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)各單元的控制，接受來自單元的信息并給單元發(fā)送命令。當(dāng)采用功率單元旁路功能時(shí)，功率單元輸出額外增加如圖虛線框所示的旁路接觸器，用于將故障的功率單元進(jìn)行自動(dòng)旁路。正常工作時(shí)，接觸器觸點(diǎn)處于圖2所示的上部位置(即常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)斷開)，每個(gè)功率單元的輸出都能被有效的串聯(lián)起來，形成高壓輸出。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到功率單元故障時(shí)，先封鎖對(duì)應(yīng)功率單元中逆變器件的觸發(fā)脈沖，適當(dāng)延時(shí)后，將接觸器動(dòng)作，使其位置移動(dòng)到下部位置(即常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，與圖中的狀態(tài)剛好相反)。這樣，該單元的輸出和整個(gè)高壓變頻器主電路斷開了，不在串聯(lián)的單元之列，相當(dāng)于將該故障功率單元切除了。功率單元輸出端原來串聯(lián)到高壓變頻器的位置被接觸器的觸點(diǎn)所短接。余下的功率單元繼續(xù)工作，串聯(lián)起來提供輸出電壓。根據(jù)需要，旁路接觸器可以位于功率單元上，也可獨(dú)立于功率單元設(shè)置，安裝在變頻器整機(jī)架構(gòu)上。接觸器通常采用一路轉(zhuǎn)換型(也可用常開接觸器和常閉接觸器組合而成)，可以選取電保持方式或磁保持方式的接觸器。
圖3是現(xiàn)有的常規(guī)功率單元接觸器旁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該圖為旁路控制板控制1號(hào)功率單元旁路接觸器的示意圖，其余n-1個(gè)功率單元的接觸器(2號(hào)至n號(hào))只畫了其線圈，以做示意。由一塊集中的旁路控制板對(duì)所有功率單元的旁路接觸器線圈進(jìn)行控制。旁路控制板的電源取自外部控制電源或者輸入變壓器的其中一個(gè)副邊。旁路控制板通過光纖等方式和主控系統(tǒng)直接通信，根據(jù)主控系統(tǒng)的旁路命令，給對(duì)應(yīng)功率單元的接觸器線圈施加電壓，實(shí)現(xiàn)接觸器的動(dòng)作。由于所有n個(gè)功率單元的旁路接觸器線圈都由同一旁路控制板控制。每個(gè)功率單元串聯(lián)后會(huì)處于不同的電位(不同功率單元之間的最大電位相當(dāng)于高壓變頻器的輸出線電壓)，而所有這些功率單元旁路接觸器的線圈都由同一旁路控制板驅(qū)動(dòng)，這些線圈基本處于同一電位。這就要求每個(gè)接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間要求保證足夠的高壓絕緣，其絕緣水平相當(dāng)于變頻器的最高輸出線電壓，比如6kV。常規(guī)的接觸器觸點(diǎn)和線圈之間不可能達(dá)到如此高的耐壓，所以需要采用特殊設(shè)計(jì)的接觸器，或者對(duì)常規(guī)接觸器進(jìn)行改造，以滿足耐壓要求。這樣一來，接觸器的成本大大上升，可靠性也因此下降。而且由于所有單元的接觸器都采用同一旁路控制板，當(dāng)旁路控制板或其供電電源故障時(shí)，每個(gè)單元都喪失了旁路功能，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降。
圖4是本發(fā)明的功率單元旁路結(jié)構(gòu)。圖中顯示了一個(gè)功率單元的旁路原理圖，每個(gè)功率單元的旁路電路都一樣。
每個(gè)功率單元都有各自獨(dú)立的旁路控制板，旁路控制板的電源由每個(gè)單元的交流輸入(功率單元的主輸入熔斷器前))經(jīng)過熔斷器，AC/DC整流、降壓和穩(wěn)壓(此環(huán)節(jié)可采用各種類型的DC/DC變換電路)后提供，電源輸出包括接觸器的工作電源(此處以+48V為例，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)接觸器的電壓等級(jí)可以采用110V，24V等)和旁路控制板內(nèi)部的控制電源，比如5V，根據(jù)電路設(shè)計(jì)，可能還需要+15V，-15V等。
接觸器線圈的正端連接到+48V，另一端經(jīng)過開關(guān)管(如MOSFET或IGBT)回到電源地(中間可串聯(lián)采樣電阻)。當(dāng)功率單元需要旁路時(shí)候，主控系統(tǒng)通過光纖給單元控制板發(fā)送命令，單元控制板把命令傳送給旁路控制板，旁路控制電路觸發(fā)開關(guān)管導(dǎo)通，電流從+48V端經(jīng)過接觸器線圈，再經(jīng)過開關(guān)管，回到電源地端，形成回路。這樣等于給接觸器線圈施加了工作電壓，導(dǎo)致接觸器動(dòng)作。+48V和開關(guān)管之間的續(xù)流二極管相當(dāng)于和接觸器線圈反并聯(lián)，用于開關(guān)管關(guān)斷時(shí)候接觸器線圈內(nèi)感性電流的續(xù)流，此二極管根據(jù)需要也可直接安裝在接觸器的線圈上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，開關(guān)和電源地之間可以串入一采樣電阻，用于檢測(cè)接觸器線圈流過的電流，將采樣得到的電壓和一參考電平進(jìn)行比較(可以采用運(yùn)算放大器，比較器或穩(wěn)壓管比較電路等)后輸出信號(hào)，表示接觸器線圈已經(jīng)得電，用于表示旁路成功信號(hào)。
另外，根據(jù)需要，可以通過檢測(cè)開關(guān)管上端的電位，和一參考電平進(jìn)行比較(可以采用運(yùn)算放大器，比較器或穩(wěn)壓管比較電路等)，得到旁路允許信號(hào)。當(dāng)48V正常、接觸器線圈正常，并且和旁路控制板連接正常時(shí)，開關(guān)管上端的電平基本等于48V，比較器輸出對(duì)應(yīng)的高電平信號(hào)，表示旁路功能正常，處于待命狀態(tài)，根據(jù)需要隨時(shí)可以進(jìn)行旁路動(dòng)作。反之，如果電源，線圈或者線圈和旁路控制板的連接有問題，比較器輸出低電平信號(hào)，表示旁路功能失效。
旁路命令來自單元控制板，旁路允許和旁路確認(rèn)信號(hào)可作為狀態(tài)反饋信號(hào)，傳送給單元控制板。
旁路確認(rèn)信號(hào)的檢測(cè)也可通過檢測(cè)接觸器輔助觸點(diǎn)閉合狀態(tài)的方法實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果更加直接，但是安裝輔助觸點(diǎn)會(huì)增加接觸器的成本，同時(shí)降低可靠性。
此外，根據(jù)需要，旁路控制板可單獨(dú)設(shè)置，也可和單元控制板組合成一個(gè)電路板。
除了上述通過功率單元交流輸入對(duì)旁路控制板進(jìn)行供電外，也可增加一路從功率單元直流母線供電來作為備份，從而實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。同時(shí)，旁路板內(nèi)的直流電源(如5V)也可同時(shí)供給單元控制板，作為單元控制板上電源的備份。
以上參照本發(fā)明的具體實(shí)施方式
描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯然可以對(duì)具體實(shí)施方式
作各種修改、變化和改進(jìn)，但這些修改、變化和改進(jìn)都應(yīng)該屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種功率單元的接觸器旁路模塊，其特征在于接觸器旁路模塊包括一路轉(zhuǎn)換型接觸器；驅(qū)動(dòng)電路，用于根據(jù)外部命令驅(qū)動(dòng)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器，以旁路所述功率單元；電源電路，用于為所述接觸器旁路模塊內(nèi)的各電路提供低壓直流電源，其輸入取自每個(gè)功率單元的交流輸入端；所述的一路轉(zhuǎn)換型接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間無需高壓絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率單元的接觸器旁路模塊，還包括旁路成功檢測(cè)電路，用于檢測(cè)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器的線圈流過的電流，以表示旁路是否成功。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率單元的接觸器旁路模塊，還包括旁路允許檢測(cè)電路，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的供電是否正常，以表示是否允許進(jìn)行旁路動(dòng)作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的功率單元的接觸器旁路模塊，其中所述驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)部件為開關(guān)管，所述旁路成功檢測(cè)電路和所述旁路允許檢測(cè)電路為運(yùn)算放大器、比較器或穩(wěn)壓管比較電路。
5.一種由權(quán)利要求1至4任一所組成的帶接觸器旁路功能的功率單元，功率單元包括整流電路，用于將輸入的交流電整流為脈動(dòng)直流電；濾波電路，用于對(duì)整流電路輸出的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波；逆變橋電路，用于對(duì)濾波電路輸出的直流電進(jìn)行逆變，以輸出可變壓變頻的交流電，其特征在于功率單元還包括接觸器旁路模塊，用于在功率單元故障時(shí)將其旁路；控制電路，用于對(duì)逆變橋電路和接觸器旁路模塊進(jìn)行控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率單元，其中所述接觸器旁路模塊包括一路轉(zhuǎn)換型接觸器；驅(qū)動(dòng)電路，用于根據(jù)外部命令驅(qū)動(dòng)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器，以旁路所述功率單元；電源電路，用于為所述接觸器旁路模塊內(nèi)的各電路提供低壓直流電源，其輸入取自每個(gè)功率單元的交流輸入端；所述的一路轉(zhuǎn)換型接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間無需高壓絕緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率單元，其中所述接觸器旁路模塊還包括旁路成功檢測(cè)電路，用于檢測(cè)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器的線圈流過的電流，以表示旁路是否成功。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率單元，其中所述接觸器旁路模塊還包括旁路允許檢測(cè)電路，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的供電是否正常，以表示是否允許進(jìn)行旁路動(dòng)作。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一所述的功率單元，其中所述驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)部件為開關(guān)管，所述旁路成功檢測(cè)電路和所述旁路允許檢測(cè)電路為運(yùn)算放大器、比較器或穩(wěn)壓管比較電路。
10.一種由權(quán)利要求5至9任一帶接觸器旁路功能的功率單元組成的高壓變頻器，包括多個(gè)串聯(lián)連接的功率單元，每一個(gè)功率單元包括整流電路，用于將輸入的交流電整流為脈動(dòng)直流電；濾波電路，用于對(duì)整流電路輸出的脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波；逆變橋電路，用于對(duì)濾波電路輸出的直流電進(jìn)行逆變，以輸出可變壓變頻的交流電；其特征在于每一個(gè)功率單元還包括接觸器旁路模塊，用于在功率單元故障時(shí)將其旁路；控制電路，用于對(duì)逆變橋電路和接觸器旁路模塊進(jìn)行控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的高壓變頻器，其中所述接觸器旁路模塊包括一路轉(zhuǎn)換型接觸器；驅(qū)動(dòng)電路，用于根據(jù)外部命令驅(qū)動(dòng)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器，以旁路所述功率單元；電源電路，用于為所述接觸器旁路模塊內(nèi)的各電路提供低壓直流電源，其輸入取自每個(gè)功率單元的交流輸入端；所述的一路轉(zhuǎn)換型接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間無需高壓絕緣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高壓變頻器，其中所述接觸器旁路模塊還包括旁路成功檢測(cè)電路，用于檢測(cè)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器的線圈流過的電流，以表示旁路是否成功。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高壓變頻器，其中所述接觸器旁路模塊還包括旁路允許檢測(cè)電路，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的供電是否正常，以表示是否允許進(jìn)行旁路動(dòng)作。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13任一所述的高壓變頻器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)部件為開關(guān)管，所述旁路成功檢測(cè)電路和所述旁路允許檢測(cè)電路為運(yùn)算放大器、比較器或穩(wěn)壓管比較電路。
全文摘要
本發(fā)明為一種功率單元的接觸器旁路模塊、帶有該接觸器旁路功能的功率單元和高壓變頻器。所述接觸器旁路模塊，包括一路轉(zhuǎn)換型接觸器；續(xù)流二極管，用于所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器的線圈內(nèi)感性電流的續(xù)流；以及驅(qū)動(dòng)電路，用于根據(jù)外部命令驅(qū)動(dòng)所述一路轉(zhuǎn)換型接觸器，以旁路所述功率單元；其中，接觸器的觸點(diǎn)和線圈之間無需高壓絕緣。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，由于每個(gè)接觸器的線圈采用了由對(duì)應(yīng)的功率單元分布式供電，接觸器的觸點(diǎn)和線圈基本處于低壓電位差，二者之間無需高壓絕緣。每個(gè)接觸器的控制和檢測(cè)部分通過每個(gè)功率單元完成，利用功率單元原有的光纖和主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，大大提高可靠性，降低成本。
文檔編號(hào)H02H7/122GK1983784SQ20061016683
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者竺偉, 陳霖, 陳實(shí), 羅小龍, 劉東平 申請(qǐng)人:上海艾帕電力電子有限公司