專(zhuān)利名稱(chēng)：一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)，尤其涉及一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，工業(yè)節(jié)能降耗逐漸受到普遍重視。作為重要的耗電設(shè)備，高壓電機(jī)也越來(lái)越多地采用了變頻調(diào)速以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在高壓變頻器領(lǐng)域，自Peter W. Hammond在1995年提出單元串聯(lián)高壓變頻器以來(lái)，這種通過(guò)低壓電力變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓電力變換的方法由于其輸出電壓波型好、輸入諧波電流低、成本低、維護(hù)方便，已經(jīng)成為高壓變頻器的主流技術(shù)，國(guó)內(nèi)外許多高壓變頻器廠家都已經(jīng)推出了基于這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品。但是，傳統(tǒng)的變頻器只能實(shí)現(xiàn)電能由電網(wǎng)向變頻器的單向輸送，不能實(shí)現(xiàn)電能由變頻器向電網(wǎng)的回饋，因而更多地用于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載。而對(duì)于需要頻繁起停的牽引、提升類(lèi)負(fù)載，在電機(jī)制動(dòng)時(shí)往往產(chǎn)生很大的制動(dòng)能量，必須將其回饋到電網(wǎng)。在不污染電網(wǎng)的前提下如何實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量向電網(wǎng)的回饋，就成為對(duì)牽引、提升類(lèi)高壓變頻器的基本功能要求。一些廠家采用了三相有源前端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的能量回饋，并將其成功地應(yīng)用到煤礦提升機(jī)等領(lǐng)域。如圖IA所示，描述的就是這類(lèi)高壓變頻器的一種典型方案，圖IB則是其功率單元的電路示意圖。圖中所示的高壓變頻器包括一個(gè)移相主變壓器1、九個(gè)相同的三相電抗器(如2AU)、九個(gè)相同的功率單元(如3AU)和主控制器 4。主變壓器1包括1個(gè)原邊繞組11和9路三相副邊繞組(如12AU)，原邊繞組11與高壓三相電網(wǎng)7連接；9個(gè)功率單元(如3AU)按照輸出分成U、V、W三相，每相的三個(gè)功率單元 (如3AU、3BU、3⑶)的輸出依次串聯(lián)分別作為三相(如U相)，三相的一端auUavUawl連接在一起作為三相輸出的中性點(diǎn)0，另外一端cu2、cv2、cw2分別作為高壓變頻器的U、V、W 輸出，用于驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)6。主控制器4通過(guò)光纖分別與各功率單元(如3AU)連接，向各功率單元(如3AU)的逆變橋33提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并接收各功率單元(如3AU)的運(yùn)行信息，以進(jìn)行集中處理。在移相主變壓器1的各組副邊繞組(如12AU)與對(duì)應(yīng)的功率單元(如3AU)之間， 分別接入三相電抗器(如2AU)，以承受主變壓器副邊繞組(如12AU)與功率單元整流橋 31’之間的電壓差；每個(gè)功率單元(如3AU)的整流部分應(yīng)該是由如固態(tài)開(kāi)關(guān)絕緣柵極三極管(IGBT)等實(shí)現(xiàn)的三相全控橋31，以實(shí)現(xiàn)功率單元的能量雙向傳輸；各個(gè)功率單元(如 3AU)都具有單獨(dú)的整流控制電路36，根據(jù)功率單元(如3AU)對(duì)應(yīng)的主變壓器副邊繞組(如 12AU)的輸出電壓、電流和功率單元(如3AU)內(nèi)部的直流濾波電路32兩端的的直流電壓， 控制整流全控橋31’的狀態(tài)，使功率單元(如3AU)的輸入電流相位與對(duì)應(yīng)的主變壓器副邊繞組(如12AU)的輸出電壓相位相同(從電網(wǎng)吸取能量)或相反(向電網(wǎng)回饋能量)。在這種單元串聯(lián)多電平高壓變頻器中，移相主變壓器1的每組副邊繞組(如12AU) 都是三相繞組，包括三個(gè)無(wú)移相繞組12BU、12BV、12BW(各包括3個(gè)繞組)和六個(gè)移相繞組12AU、12AV、12AW、12CU、12CV、12Cff(各包括6個(gè)繞組)，這樣，主變壓器1就包括45個(gè)副邊繞組，結(jié)構(gòu)、工藝相當(dāng)復(fù)雜；每個(gè)功率單元(如3AU)的整流橋31’都包括6個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān) 311-316，逆變橋33包括四個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān)331-334，于是整臺(tái)變頻器共包括90個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān)，成本高昂；電抗器(如2AU)都為三相電抗器，體積龐大而且笨重；另外，由于每個(gè)功率單元 (如3AU)的整流橋31’都由功率單元內(nèi)部單獨(dú)控制，因此，存在電路復(fù)雜、成本高、且各功率單元(如3AU)的整流橋31’無(wú)法協(xié)調(diào)動(dòng)作等缺陷。以上所述的僅僅是針對(duì)每相三個(gè)功率單元串聯(lián)進(jìn)行的，若對(duì)于更多功率單元的情形，所述缺點(diǎn)將更加突出。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，能夠簡(jiǎn)化能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的結(jié)構(gòu)，改善變頻器性能，并降低所述變頻器的成本。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，包括主變壓器，其原邊繞組連接三相高壓電網(wǎng)；還包括9N個(gè)電抗器、9N個(gè)功率單元、主控制器和傳感器電路；所述主變壓器為三相多副邊繞組變壓器，所述的副邊繞組分為N組，且每組副邊繞組包含有相同的三路，所述每路包括匝數(shù)相同的三個(gè)繞組，所述三個(gè)繞組分別對(duì)應(yīng)主變壓器的三相；各個(gè)繞組分別通過(guò)電抗器連接一個(gè)功率單元；所述功率單元對(duì)應(yīng)高壓變頻器的三相輸出分成數(shù)量相同的三組，每組對(duì)應(yīng)的功率單元數(shù)量為3N ；同輸出相的功率單元逆變橋的交流側(cè)依次串聯(lián)獲得高壓相電壓；對(duì)應(yīng)高壓變頻器各輸出相的功率單元輸出鏈的一端連接在一起，另一端分別作為高壓變頻器的各相輸出端；其中，N為自然數(shù)；所述電抗器是單相電抗器，為兩個(gè)耦合電感，其連接主變壓器的副邊繞組的兩端和功率單元整流橋的直流側(cè)兩端；所述主控制器通過(guò)光纖與每個(gè)功率單元相連；所述傳感器電路為主控制器提供主變壓器的三相副邊繞組的電壓、電流信號(hào)和功率單元的直流濾波電路端電壓信號(hào)。其中，所述主變壓器的副邊繞組中的同路三相副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元分別串接到不同的輸出相；而高壓變頻器同輸出相的各功率單元分別通過(guò)電抗器連接主變壓器的不同路的副邊繞組。所述功率單元進(jìn)一步包括單相全控整流橋、預(yù)充電電路、直流濾波電路、單相全控逆變橋和單元控制電路；所述功率單元中整流橋的交流側(cè)通過(guò)電抗器連接主變壓器的一個(gè)副邊繞組；整流橋的直流側(cè)則通過(guò)預(yù)充電電路與直流濾波電路、逆變橋的直流側(cè)連接；所述功率單元的單元控制電路通過(guò)光纖與主控制器連接，通過(guò)光纖接收來(lái)自主控制器的信號(hào)以控制整流橋和逆變橋的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將功率單元的運(yùn)行狀態(tài)由光纖發(fā)送給主控制器；所述預(yù)充電電路進(jìn)一步包括可控開(kāi)關(guān)、電阻器和控制電路，其中可控開(kāi)關(guān)與電阻并聯(lián)。所述的各個(gè)功率單元的整流橋固態(tài)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)都是脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)， 其基準(zhǔn)波與高壓電網(wǎng)頻率相同；所述主變壓器的同路副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中整流橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)，基準(zhǔn)波信號(hào)相同但相位彼此相差120度，載波信號(hào)相同；所述主變壓器的各個(gè)同相副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中整流橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同，載波波形、頻率相同但相位依次相差120/N度；其中，N為自然數(shù)。所述的各個(gè)功率單元的逆變橋固態(tài)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)都是PWM信號(hào)；所述主變壓器的同路副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中逆變橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同但相位彼此相差120度，載波相同；相同高壓輸出相中各功率單元的逆變橋的對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波相同，載波相同但相位依次相差120/N度；其中，N為自然數(shù)。所述預(yù)充電電路的可控開(kāi)關(guān)為固態(tài)開(kāi)關(guān)或機(jī)械開(kāi)關(guān)；預(yù)充電電路由主控制器控制，或由功率單元內(nèi)部自行控制。所述電抗器為單相電抗器，是一個(gè)電感連接主變壓器副邊繞組的一端和功率單元整流橋的一個(gè)輸入端。所述主變壓器為移相變壓器。本發(fā)明所提供的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，由于所述功率單元采用單相有源整流電路，使主變壓器的副邊繞組數(shù)量減少到9個(gè)，主變壓器的結(jié)構(gòu)顯著簡(jiǎn)化；每個(gè)電抗器的繞組數(shù)也減少到一個(gè)或兩個(gè)，電抗器的成本可以降低、體積也能夠減少；每個(gè)功率單元中的固態(tài)開(kāi)關(guān)數(shù)量減少到8個(gè)，整臺(tái)變頻器的固態(tài)開(kāi)關(guān)減少到72個(gè)；由于功率單元的整流橋和逆變橋都是由主控制器集中控制，二者的功率固態(tài)開(kāi)關(guān)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的載波頻率可以是相同的，因而消除了變頻器輸入電流和輸出電壓可能出現(xiàn)的低頻脈動(dòng)。另外， 通過(guò)各功率單元的整流橋的錯(cuò)相PWM控制，可以使每相各功率單元導(dǎo)致的輸入電流紋波相互抵消，在保持相同電流紋波的前提下，電抗器的電感值可以顯著降低，從而降低電抗器的體積和重量，還能降低變頻器的成本。功率單元中預(yù)充電電路的存在，使得本發(fā)明的高壓變頻器方案更加完善可行。


圖IA為現(xiàn)有能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的主電路示意圖；圖IB為現(xiàn)有能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的功率單元示意圖；圖2A為本發(fā)明能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的主電路示意圖；圖2B為本發(fā)明能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的功率單元示意圖；圖2C為本發(fā)明能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的電抗器變化形式示意圖；圖2D為高壓變頻器輸入電流合成示意圖；圖2E為高壓變頻器輸出電壓合成示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例之每相九單元串聯(lián)高壓變頻器主電路示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例之每相六單元串聯(lián)高壓變頻器主電路變化示意圖。主要部件符號(hào)說(shuō)明1 主變壓器(或移相主變壓器)11 原邊繞組12AU、12AV、12AW ;12BU、12BV、12BW ； 12CU、12CV、12CW ；12RU、12RV、12RW ;12SU、12SV、12SW ； 12TU、12TV、12TW 副邊繞組2AU、2AV、2AW ；2BU、2BV、2BW ；2CU、2CV、2CW ；2RU、2RV、2RW ；2SU.2SV.2SW ；2TU、2TV、 2TW 電抗器
3AU、3AV、3AW ；3BU、3BV、3BW ；3CU、3CV、3CW ；3RU、3RV、3RW ；3SU.3SV.3SW ；3TU、3TV、 3TW 功率單元31、31，全控整流橋311 316:固態(tài)開(kāi)關(guān)32:直流濾波電路33 逆變橋331 334:固態(tài)開(kāi)關(guān)34:單元控制電路35:預(yù)充電電路；351:電阻器352 可控開(kāi)關(guān)353:控制電路36:整流控制電路4:主控制器5 傳感器電路6:高壓電機(jī)7:三相高壓電網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的產(chǎn)品作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這里以每相三個(gè)功率單元串聯(lián)的能量回饋型高壓變頻器為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖2A 所示，是其主電路接線示意圖，圖2B為其功率單元的電路組成。所示的高壓變頻器包括主變壓器1、9個(gè)電抗器(如2AU)、9個(gè)功率單元(如3AU)、主控制器4和傳感器電路5。所示主變壓器1為三相多副邊繞組變壓器，其原邊繞組11連接三相高壓電網(wǎng)7， 所有副邊繞組(如12AU)作為一組，包括相同的三路(如12AU/12BV/12CW)，每路副邊繞組 (如12AU/12BV/12CW)又包括匝數(shù)相同的三個(gè)繞組(如12AU、12BV、12CW)，這三個(gè)繞組相位彼此相差120度，上述9個(gè)副邊繞組(如12AU)分別通過(guò)電抗器(如2AU)連接對(duì)應(yīng)功率單元(如3AU)的整流橋31的交流側(cè)接入端al、a2。功率單元3(如3AU)包括單相全控整流橋31、預(yù)充電電路35、直流濾波電路32、 單相全控逆變橋33和單元控制電路34。功率單元(如3AU)的整流橋31的交流側(cè)al、a2 作為功率單元的輸入，通過(guò)電抗器2(如2AU)接到主變壓器1的對(duì)應(yīng)副邊繞組(如12AU)； 整流橋31的直流側(cè)通過(guò)預(yù)充電電路35與濾波電路32、逆變橋33的直流側(cè)連接。單元控制電路34通過(guò)光纖與主控制器4連接，通過(guò)光纖接收來(lái)自主控制器4的信號(hào)以控制功率單元(如3AU)的整流橋31和逆變橋33的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將功率單元(如3AU)的運(yùn)行狀態(tài)由光纖發(fā)送給主控制器4。傳感器電路5為主控制器4提供主變壓器1的三相副邊繞組(如 12AU)的電壓、電流信號(hào)和功率單元(如3AU)的直流濾波電路端電壓(p2-n)信號(hào)。預(yù)充電電路35包括可控開(kāi)關(guān)352、電阻器351和控制電路353，其中可控開(kāi)關(guān)352與電阻351并聯(lián)。預(yù)充電電路35能夠限制變頻器初上電時(shí)對(duì)濾波電路32充電的沖擊電流，并且對(duì)變頻器的正常運(yùn)行無(wú)影響；開(kāi)關(guān)353可以是固態(tài)開(kāi)關(guān)如IGBT，也可以是機(jī)械開(kāi)關(guān)如直流接觸器；預(yù)充電電路35可以由主控制器4控制，也可以由功率單元(如3AU)內(nèi)部自行控制。各功率單元(如3AU)對(duì)應(yīng)高壓變頻器的輸出U、V、W相分為三組，每組三個(gè)單元 (如U相包括3AU、3BU和3CU)；逆變橋33的交流側(cè)ol、o2作為功率單元(如3AU)的輸出， 同相的功率單元(如3AU、3BU和3CU)的輸出依次串聯(lián)獲得高壓相電壓(如U相)；對(duì)應(yīng)高壓變頻器輸出U、V、W相的功率單元鏈的一個(gè)輸出端aul、bvl、cwl連接在一起0作為高壓變頻器的輸出中性點(diǎn)，另一端cu2、av2、bw2分別作為高壓變頻器的U、V、W相的輸出端。主變壓器1的同路三相副邊繞組(如12AU、12BV、12CV)對(duì)應(yīng)的功率單元(如3AU、 3BV、3CW)分別串接到高壓變頻器的U、V、W輸出相；而同一輸出相(如U相)的各功率單元 (如3AU、3BU、3⑶)分別通過(guò)電抗器連接主變壓器1的不同路的副邊繞組(如12AU、12BU、 12⑶)。于是，輸出U相對(duì)應(yīng)主變壓器1的副邊繞組12AU、12BU、12⑶，輸出V相對(duì)應(yīng)主變壓器1的副邊繞組12BV、12CV、12AV，輸出W相對(duì)應(yīng)主變壓器1的副邊繞組12CW、12AW、12BW。 通過(guò)這樣的單元組合，各相內(nèi)功率單元的濾波電路32兩端的直流電壓紋波可以相互抵消， 從而降低高壓變頻器的輸出電壓紋波。各個(gè)功率單元(如3AU)的整流橋31的固態(tài)開(kāi)關(guān)311-314的控制信號(hào)都是脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，其基準(zhǔn)波與高壓電網(wǎng)頻率相同。主變壓器1的同路副邊繞組(如12AU、 12BVU2CW)對(duì)應(yīng)的功率單元(如3AU、3BV、3CW)中整流橋31對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)(如311)的P麗信號(hào)，基準(zhǔn)波信號(hào)相同，但相位彼此相差120度，而載波信號(hào)相同。相同高壓輸出相的功率單元(如3AU、3BU和3⑶)中整流橋31對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)(如311)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同、載波波形、頻率相同但相位彼此相差120度(每相3個(gè)單元，360度/3 = 120度)。通過(guò)這樣的整流橋PWM組合方式，各相對(duì)應(yīng)的各功率單元導(dǎo)致的主變壓器原邊電流紋波能夠相互抵消。以A相為例，參照?qǐng)D2D，IA1、IA2、IA3分別示意的是功率單元3AU、 3AV、3AW引起的主變壓器A相輸入電流分量的波形，IA示意的是三者的合成電流。主變壓器1的副邊繞組12AU、12AV、12AW分別屬于不同路的三相副邊繞組，對(duì)應(yīng)的功率單元3AU、 3AV、3AW中整流電路31的對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)(如311)控制PWM信號(hào)載波相同但相位彼此相差120 度，所以IAl和IA2、IA3的紋波電流能夠部分相互抵消，因而在合成電流IA中的紋波分量與單一分量(如IAl)相比顯著降低?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)上述措施，能夠改善高壓變頻器的輸入電流諧波特性。各個(gè)功率單元(如3AU)的逆變橋33的固態(tài)開(kāi)關(guān)331-334的控制信號(hào)也都是PWM 信號(hào)。主變壓器1的同路副邊繞組(如12AU、12BV、12CW)對(duì)應(yīng)的功率單元(如3AU、3BV、 3CW)中逆變橋33對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)(如331)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同但相位彼此相差120度， 載波相同；相同高壓輸出相(如U相)中各功率單元(如3AU、3BU、3CU)的逆變橋33的對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)(如331)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波相同、載波信號(hào)相同但相位依次相差120度(每相3個(gè)單元，360度/3 = 120度)。通過(guò)這樣的組合，能夠使各相內(nèi)(如U相)各功率單元(如 3AU、3BU、3CU)的輸出電壓低頻分量相等，而脈沖能夠彼此錯(cuò)開(kāi)，獲得多電平的輸出相電壓。圖2E中，U1、U2、U3分別是功率單元3AU、3BU、3CU的輸出波形，V1、V2、V3分別是功率單元;3BV、3CV、3AV的輸出波形，UU,UV分別是高壓變頻器U相、V相的相電壓波形，UUV 是U-V之間的線電壓，UUV最多可以達(dá)到13個(gè)電位等級(jí)，不但能夠降低輸出電壓的諧波，而且也降低了輸出電壓的變化率。電抗器(如2AU)為單相電抗器，可以是一個(gè)電感連接主變壓器副邊繞組(如12AU)的一端和功率單元(如3AU)的整流橋31的一個(gè)輸入端之間(如圖2C)，也可以是兩個(gè)耦合電感，連接主變壓器1的副邊繞組(如12AU)的兩端和功率單元(如3AU)的整流橋 31的兩個(gè)輸入端之間，如圖2B所示。在上述方案中，由于功率單元采用了單相有源整流電路，使主變壓器1的副邊繞組數(shù)量減少到9個(gè)，主變壓器1的結(jié)構(gòu)顯著簡(jiǎn)化；每個(gè)電抗器的繞組數(shù)也減少到一個(gè)或兩個(gè)，電抗器的成本可以降低、體積也能夠減少；每個(gè)功率單元中的固態(tài)開(kāi)關(guān)數(shù)量減少到8 個(gè)，整臺(tái)變頻器的固態(tài)開(kāi)關(guān)減少到72個(gè)；由于功率單元的整流橋和逆變橋都是由主控制器集中控制，二者的功率固態(tài)開(kāi)關(guān)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的載波頻率可以是相同的，因而可以消除變頻器輸入電流和輸出電壓可能出現(xiàn)的低頻脈動(dòng)；最重要的是，通過(guò)各功率單元的整流橋的錯(cuò)相PWM控制，可以使各功率單元導(dǎo)致的每相輸入電流紋波相互抵消，在保持相同電流紋波的前提下，電抗器的電感值可以顯著降低，從而降低電抗器的體積和重量，也能降低變頻器的成本。功率單元中預(yù)充電電路的存在，使得本發(fā)明的高壓變頻器方案更加完善可行。為了適應(yīng)更高的電網(wǎng)電壓，圖3提供了一個(gè)每相九個(gè)功率單元串聯(lián)的高壓變頻器實(shí)施例，其功率單元的電路組成形式如圖2B所示。如果每個(gè)功率單元的輸入、輸出電壓為 642V，通過(guò)每相九個(gè)單元串聯(lián)，就能夠?qū)崿F(xiàn)IOKV電壓等級(jí)的能量回饋型高壓變頻器。在圖 3中，主變壓器1包括三組副邊繞組，分別為lhyl、lhy2和12xy3 (其中χ為A、B或C，y 為 U、V 或 W)；每組(如 12xyl)包括三路(如 12AU1/12BV1/12CW1U2AW1/12BU1/12CV1 和 12AV1/12BW1/12⑶1)。在這種情況下，高壓變頻器各相(如U相)對(duì)應(yīng)的功率單元中，整流橋31和逆變橋33的PWM信號(hào)的載波信號(hào)相位依次相差40度(360度/9 = 40度)，其它與每相三個(gè)單元串聯(lián)方案(如圖2A)相同或相似。對(duì)于本發(fā)明的高壓變頻器方案，盡管主變壓器采用移相變壓器不是必須的，但采用移相變壓器仍然能夠使整臺(tái)變頻器輸入電流的紋波和輸出電壓的脈動(dòng)得以進(jìn)一步改善。圖4給出了一個(gè)每相六個(gè)功率單元串聯(lián)的高壓變頻器實(shí)施例，其功率單元的電路組成形式也同圖2B。在圖4中，主變壓器1包括兩組副邊繞組，每組包括三路，一組分別是 12AU/12BV/12CW、12AW/12BU/12CV 和 12AV/12BW/12CU，另一組分別是 12RU/12SV/12TW、 12RW/12SU/12TV和12RV/12SW/12TU，二組之間存在30度相差；高壓變頻器各相(如U相) 對(duì)應(yīng)的功率單元中，整流橋31和逆變橋33的PWM調(diào)制信號(hào)的載波信號(hào)相位依次相差60度 (360度/6 = 60度)；傳感器電路需要同時(shí)檢測(cè)不同相的兩路變壓器副邊繞組的輸出電壓和輸出電流，其它與每相三個(gè)單元串聯(lián)方案(圖2A)相同或相似。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，包括主變壓器，其原邊繞組連接三相高壓電網(wǎng)；其特征在于，還包括9N個(gè)電抗器、9N個(gè)功率單元、主控制器和傳感器電路；所述主變壓器為三相多副邊繞組變壓器，所述的副邊繞組分為N組，且每組副邊繞組包含有相同的三路，所述每路包括匝數(shù)相同的三個(gè)繞組，所述三個(gè)繞組分別對(duì)應(yīng)主變壓器的三相；各個(gè)繞組分別通過(guò)電抗器連接一個(gè)功率單元；所述功率單元對(duì)應(yīng)高壓變頻器的三相輸出分成數(shù)量相同的三組，每組對(duì)應(yīng)的功率單元數(shù)量為3N ；同輸出相的功率單元逆變橋的交流側(cè)依次串聯(lián)獲得高壓相電壓；對(duì)應(yīng)高壓變頻器各輸出相的功率單元輸出鏈的一端連接在一起，另一端分別作為高壓變頻器的各相輸出端；其中，N為自然數(shù)；所述電抗器是單相電抗器，為兩個(gè)耦合電感，其連接主變壓器的副邊繞組的兩端和功率單元整流橋的直流側(cè)兩端；所述主控制器通過(guò)光纖與每個(gè)功率單元相連；所述傳感器電路為主控制器提供主變壓器的三相副邊繞組的電壓、電流信號(hào)和功率單元的直流濾波電路端電壓信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述主變壓器的副邊繞組中的同路三相副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元分別串接到不同的輸出相；而高壓變頻器同輸出相的各功率單元分別通過(guò)電抗器連接主變壓器的不同路的副邊繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述功率單元進(jìn)一步包括單相全控整流橋、預(yù)充電電路、直流濾波電路、單相全控逆變橋和單元控制電路；所述功率單元中整流橋的交流側(cè)通過(guò)電抗器連接主變壓器的一個(gè)副邊繞組；整流橋的直流側(cè)則通過(guò)預(yù)充電電路與直流濾波電路、逆變橋的直流側(cè)連接；所述功率單元的單元控制電路通過(guò)光纖與主控制器連接，通過(guò)光纖接收來(lái)自主控制器的信號(hào)以控制整流橋和逆變橋的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將功率單元的運(yùn)行狀態(tài)由光纖發(fā)送給主控制器；所述預(yù)充電電路進(jìn)一步包括可控開(kāi)關(guān)、電阻器和控制電路，其中可控開(kāi)關(guān)與電阻并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述的各個(gè)功率單元的整流橋固態(tài)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)都是脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)，其基準(zhǔn)波與高壓電網(wǎng)頻率相同；所述主變壓器的同路副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中整流橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM 信號(hào)，基準(zhǔn)波信號(hào)相同但相位彼此相差120度，載波信號(hào)相同；所述主變壓器的各個(gè)同相副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中整流橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同，載波波形、頻率相同但相位依次相差120/N度；其中，N為自然數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述的各個(gè)功率單元的逆變橋固態(tài)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)都是PWM信號(hào)；所述主變壓器的同路副邊繞組對(duì)應(yīng)的功率單元中逆變橋?qū)?yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波信號(hào)相同但相位彼此相差120度， 載波相同；相同高壓輸出相中各功率單元的逆變橋的對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)基準(zhǔn)波相同，載波相同但相位依次相差120/N度；其中，N為自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述預(yù)充電電路的可控開(kāi)關(guān)為固態(tài)開(kāi)關(guān)或機(jī)械開(kāi)關(guān)；預(yù)充電電路由主控制器控制，或由功率單元內(nèi)部自行控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述電抗器為單相電抗器，是一個(gè)電感連接主變壓器副邊繞組的一端和功率單元整流橋的一個(gè)輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述的能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征在于，所述主變壓器為移相變壓器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種能量回饋型功率單元串聯(lián)高壓變頻器，包括主變壓器、電抗器、功率單元和主控制器等；所述主變壓器為三相多副邊繞組變壓器，所述的副邊繞組每組數(shù)量相同，且每組副邊繞組包含有相同的三路，所述每路包括匝數(shù)相同的三個(gè)繞組，所述三個(gè)繞組分別對(duì)應(yīng)主變壓器的三相；各個(gè)繞組分別通過(guò)電抗器連接對(duì)應(yīng)的一個(gè)功率單元；所述功率單元對(duì)應(yīng)高壓變頻器的三相輸出分成數(shù)量相同的三組；同相輸出的功率單元逆變橋的交流側(cè)依次串聯(lián)獲得高壓相電壓，對(duì)應(yīng)高壓變頻器各輸出相的功率單元輸出鏈的一端連接在一起，另一端分別作為高壓變頻器的各相輸出端。能夠簡(jiǎn)化能量回饋型單元串聯(lián)高壓變頻器的結(jié)構(gòu)，改善變頻器性能，并降低所述變頻器的成本。
文檔編號(hào)H02M1/14GK102158097SQ20111008648
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者李永盼 申請(qǐng)人:李永盼