專利名稱：一種用于高壓變頻器的諧振式預充電電路及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于高壓變頻器的預充電電路及其控制方法，特別是一種通過諧 振式電路產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。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。高壓大功率變頻器有多種拓撲結構，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。本專利所述技術應用于其他拓撲結構的 高壓變頻器時，其工作原理、拓撲結構、控制方法與本說明書的敘述完全相同。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。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，會對高壓電網產生7至10倍于額定電流的沖擊 電流，影響電網的安全、穩(wěn)定運行。同時，會對功率單元內的直流電容和整流器件產生很大 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(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，充電過程結束。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。這種方法雖然能夠實現(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。

發(fā)明內容
本發(fā)明的發(fā)明目的是解決現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種通過諧振式電路產生 激磁電流對變壓器進行勵磁的預充電電路及其控制方法，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 對電網和功率單元的沖擊。本發(fā)明的發(fā)明目的是通過下述技術方案予以實現(xiàn)的一種用于高壓變頻器的諧振式預充電電路，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；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成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構成； 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。一種用于高壓變頻器的諧振式預充電控制方法，包括如下步驟(1)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器，為所述高壓變頻器 充電；(2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，斷開所述交流接觸 器；(3)當所述交流接觸器斷開后，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器，使 高壓變頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。一種用于高壓變頻器的諧振式預充電控制方法，用于所述低壓電源與高壓電源相 位相同的情形，包括如下步驟(al)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器，為所述高壓變頻器充電；(a2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，閉合為高壓變頻器 提供高壓電源的高壓斷路器，使高壓變頻器接入高壓電源；(a3)當所述高壓斷路器閉合后，斷開所述交流接觸器，完成高壓變頻器高壓上電 過程。在所述步驟(a 1)閉合交流接觸器的同時，閉合所述第二交流接觸器；在所述步 驟(a3)斷開交流接觸器的同時，斷開所述第二交流接觸器。本發(fā)明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構；圖2為典型的功率單元結構；圖3為用于高壓變頻器的諧振式預充電電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。圖3是用于高壓變頻器的諧振式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。所述用于高壓變頻器的諧振式預充電電路 設置在整流變壓器1的副邊側，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，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成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構成。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成。每組單相電容器由一 個或者多個單相電容器并聯(lián)構成。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。如上述結構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生激磁電流。因此，通過本發(fā)明所設計的諧 振式預充電電路對整流變壓器進行充電過程中，其實質流經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
5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，對高壓電網仍可能產生沖擊電流，沖擊電流的幅度由高壓合 閘時刻的高壓電網電壓相位，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，本發(fā)明所設計結構的諧振式預充電電路中，流經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，電網的額定頻率為f，則其工頻 感抗為XL = 2 31 f L設電容器的星型等效單相容值為C，則其工頻容抗為 [。。42]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y=++-4r=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，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)本發(fā)明所設計的諧振式預充電電路結構，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， 這也是本發(fā)明的主要設計目的。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，本發(fā)明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，改由高壓側提供變壓器的激磁電流，從而保護 該輔助繞組4?；谏鲜鲈O計的用于高壓變頻器的諧振式預充電電路，其充電過程控制方法具體 包括如下步驟 (1)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器7，為所述高壓變頻 器充電；(2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，斷開所述交流接觸器 7 ；(3)當所述交流接觸器7斷開后，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器， 使高壓變頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。如前所述，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，對高壓電網仍可能產 生沖擊電流。因此，依據(jù)上述控制方法高壓上電的高壓變頻器仍然會對高壓電網產生沖擊 電流。為避免這一情況，在有條件的情況下應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。在這種情況下，上述充電過程控制方法則可調整為如 下步驟(al)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器7，為所述高壓變 頻器充電；(a2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，閉合為高壓變頻器 提供高壓電源的高壓斷路器，使高壓變頻器接入高壓電源；(a3)當所述高壓斷路器閉合后，斷開所述交流接觸器7，完成高壓變頻器高壓上 電過程。依據(jù)上述控制流程對高壓變頻器的預充電過程進行控制，則可完全避免前面所說 的由于整流變壓器中存在激磁涌流，而對高壓電網造成沖擊影響。另外，針對前面所述輔助繞組容量較小，不足以長時間承受穩(wěn)態(tài)激磁電流，而在輔 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的情況，應該在上述步驟(1)和 (al)閉合交流接觸器7的同時，閉合所述交流接觸器9 ；在上述步驟(2)和(a3)斷開交流 接觸器7的同時，斷開所述交流接觸器9。綜上所述，本發(fā)明所設計的用于高壓變頻器的諧振式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。本領域一般技術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，均應視為在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種用于高壓變頻器的諧振式預充電電路，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；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成或者由多個三相電容器相互并聯(lián)構成；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)構成。
2.如權利要求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。
6.一種用于高壓變頻器的諧振式預充電控制方法，基于權利要求1所述的預充電電路 實現(xiàn)，其特征在于，包括如下步驟(1)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器，為所述高壓變頻器充電；(2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，斷開所述交流接觸器；(3)當所述交流接觸器斷開后，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器，使高壓 變頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。
7.如權利要求6所述的預充電控制方法，基于權利要求5所述的預充電電路實現(xiàn)，其 特征在于在所述步驟(1)閉合交流接觸器的同時，閉合所述第二交流接觸器；在所述步驟 (2)斷開交流接觸器的同時，斷開所述第二交流接觸器。
8.一種用于高壓變頻器的諧振式預充電控制方法，基于權利要求2所述的預充電電路 實現(xiàn)，其特征在于，包括如下步驟(al)當高壓變頻器準備高壓上電時，首先閉合所述交流接觸器，為所述高壓變頻器充電；(a2)檢測高壓變頻器的充電情況，當高壓變頻器充電完成后，閉合為高壓變頻器提供 高壓電源的高壓斷路器，使高壓變頻器接入高壓電源；(a3)當所述高壓斷路器閉合后，斷開所述交流接觸器，完成高壓變頻器高壓上電過程。
9.如權利要求8所述的預充電控制方法，基于權利要求5所述的預充電電路實現(xiàn)，其特 征在于在所述步驟(al)閉合交流接觸器的同時，閉合所述第二交流接觸器；在所述步驟 (a3)斷開交流接觸器的同時，斷開所述第二交流接觸器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于高壓變頻器的諧振式預充電電路，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；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H02M5/46GK101860232SQ20101013648
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權日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有限公司