雙端供電多相交流電機變頻調速裝置的製作方法
2023-05-31 00:34:46 1
專利名稱：雙端供電多相交流電機變頻調速裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及交流電機變頻調速裝置，尤其是相數大於3的多相交流電機變 頻調速裝置。
背景技術：
三相交流變頻調速裝置在中小功率電機已得到較廣泛的應用，其基本結構 如圖1所示。圖中1為交流電機(同步或異步)；三相交流電機1定子繞組的一 端引出接三相逆變器2，三相逆變器2由三個橋臂構成；C為濾波電容；E為直 流電源， 一般通過整流獲得。
在中小功率變頻調速系統中，橋臂的結構如圖2所示。圖中的開關器件採 用IGBT或IGCT等全控型電力電子器件。由於受目前全控型電力電子器件單管 容量的限制，這種橋臂結構無法滿足大功率變頻調速的需要。因此目前商品化 的大功率變頻器多採用H橋級聯多電平的方案。這種變頻器的每一相由多個具 有彼此獨立直流電源供電的兩相逆變器(由兩個橋臂並聯構成)串聯構成。其 優點是各單元採用常規電壓，降低了對器件耐壓的要求；其缺點是結構複雜， 需要的電力電子器件和直流電容的數量多，由於需要許多獨立電源，主電路連 線和結構也比較複雜，大量隔離的直流電源使輸入變壓器結構非常複雜，需要 多輸出的結構複雜的移相變壓器，控制電路複雜性增加。從而成本高、可靠性 低。
除上述級聯多電平的方案外，可以在一定範圍內實現大功率的方案還有 鉗位多電平方案。這個方案的主電路結構仍如圖1所示。但圖1中各橋臂 採用圖3所示的二極體鉗位結構或圖4所示的電容鉗位結構。圖3和圖4所示 的是三電平結構。可以通過增加串聯的級數得到更多電平如五電平或七電平等 結構。這個方案通過成倍增加一個橋臂上全控開關器件的數目和加入二極體或 電容等輔助器件，降低了對單個開關器件的耐壓，並在輸出端得到多個電平， 輸出電壓的諧波分量較兩電平方案小。但這個方案仍需要十分複雜的控制系統， 增加大量的輔助器件(二極體，電容)不僅使系統結構複雜化，而且增大了系 統的成本；此外直流電容容易出現不平衡，需要額外控制策略，並可能使開關 次數增多，損耗增加。
三相雙端供電方案。這個方案的結構如圖5所示。將三相交流電機1定子 繞組的兩端都引出，在每一端分別用一個三相變頻器3進行供電。當兩個三相變頻器採用兩電平結構(即各橋臂採用圖2所示結構)時，與上述的其它方案 相比較，本方案所需的電力電子器件的數量最少，且供電效果與上述鉗位三電 平方案相同，控制也相對簡單。此外，這個方案還有一個優點就是它在系統層 面上的冗餘性，也就是說，當兩個變頻器中的一個發生故障時，可將這個變頻 器切除並將其輸出短路，整個系統仍可降載運行。但與鉗位三電平方案一樣， 能夠實現的功率範圍有限。
多相變頻調速方案。 一個變頻調速系統的容量可以表示為S:mVI。可見， 除了可以通過提高每相電壓V和增大每相電流I來實現大功率外，還可以通過 增加電機和變頻器輸出的相數m來實現大功率。多相變頻調速方案就是利用了 這個原理。其結構如圖6所示。圖中l為多相電機，其相數m^5; m相電機的 m個末端連接在一起構成中性點(也可以幾個末端連接在一起構成多個中性點)， m個首端引出，分別由多相逆變器5的一個橋臂進行供電。這個方案不僅所需 的電力電子器件的數量最少，而且所需的電容數量也最少，因此本方案的成本 低。採用這個方案，系統中一個或幾個電力電子器件損壞，只要將系統中相應 的相切除，適當降低負載水平，調速系統可以繼續工作，也可以正常啟動。因 此其可靠性較三相調速系統高。這個方案的局限性一是由於製造工藝等原因， 相數不可能很大(一般情況下採用的相數m35)，因此能實現的功率範圍也有 一定的限制；二是儘管本方案在電機和變頻器輸出的相數層面上有冗餘，但在 系統層面上卻沒有冗餘， 一旦直流電源E或逆變器的控制器故障，系統就無法 繼續運行。
發明內容
本發明的目的是提供一種可以在更大範圍內實現大功率變頻調速，且具有 較低的成本和更高的可靠性的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置。
本發明的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，包括一臺多相交流電機， 多相交流電機定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器，多相變 頻器由直流電源、濾波電容、多相逆變器和變頻控制器構成，多相交流電機和 多相逆變器的相數m相等，m25。
上述的多相逆變器的各橋臂可以是兩電平結構，或多電平拓撲結構。兩臺 多相變頻器中的直流電源為同一整流電源、或是具有共同地電位的兩個整流電 源，或是完全獨立的兩個整流電源；兩直流電源的電壓相等或不等。
本發明的優點在於
本發明所涉及的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置綜合了多種大功率變頻調速方案的優點，不僅可以使用單管容量有限的電力電子器件在較大的範圍 內實現大功率，而且由於在相單元和系統的層面上都具有冗餘性，具有高的可 靠性。當某相中的元件發生故障時，可以將這一相停止使用，其餘各正常相繼 續工作。在適當降載後裝置可正常啟動和運行；當兩臺變頻器中的一臺發生故 障，可將這臺變頻器切除，並將其輸出短路，另一臺變頻器繼續工作。在半載 下裝置可正常啟動和運行。此外，本發明在使用儘量少的電力電子器件和電容 的前提下實現大功率，同時所使用的電力電子器件和電容的耐壓也是各種已有 方案中最小的。因此本發明在變頻調速裝置的成本上具有較強的優勢。最後， 本發明可以利用多相系統所特有的多控制自由度和新的設計自由度，提高變頻 調速系統的性能如功率密度等。
圖1為三相交流變頻調速裝置； 圖2為兩電平結構的逆變器橋臂結構； 圖3為二極體鉗位三電平逆變器橋臂結構； 圖4為電容鉗位三電平逆變器橋臂結構； 圖5為雙端供電三相交流電機變頻調速裝置示意圖； 圖6為單端供電多相交流電機變頻調速裝置示意圖； 圖7為本發明的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置示意圖； 圖8為雙端供電多相交流電機變頻調速裝置中直流電源的連接方案。 具體實施方案
參見圖7，雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，包括一臺多相交流電機1， 多相交流電機1定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器2，多 相變頻器2由直流電源E、濾波電容C、多相逆變器5和變頻控制器6構成，多 相交流電機1和多相逆變器5的相數m相等，m25。
多相變頻器的直流電源E通過整流獲得，兩直流電源Ei、 E2的大小可以相 同也可以不同，連接方案有圖8所示的三種，即為同一整流電源(圖a)，或是 具有共同地電位的兩個整流電源(圖b)，或是完全獨立的兩個整流電源(圖c)。 兩臺多相變頻器中開關器件和電容耐受的最大電壓等於直流母線的電壓，電機 端部的最大線電壓為兩直流母線電壓之和Ei+E2。
多相逆變器5的各橋臂可以採用如圖2-圖4所示的兩電平或多電平拓撲結構。
裝置中的變頻控制器6可以採用一個微處理器實現，也就是說採用一個控
5制器實現對兩臺多相變頻器的控制。也可以採用兩個微處理器構成兩臺獨立的 變頻控制器，各控制一臺多相變頻器(如圖7所示)，以使裝置在控制器層面也 具有冗餘性。
以微處理器(單片機、DSP或FPGA等)為核心的變頻控制器6完成對直 流母線電壓檢測和電機檢測(如電機的電流、轉速等)，根據運行指令，產生多 相逆變器中各開關器件的PWM驅動脈衝信號。PWM驅動脈衝信號的頻率為數 百Hz到數十kHz。將PWM驅動脈衝信號連接到上述開關器件的控制端。
兩臺多相變頻器的電壓控制信號具有相位差，這個相位差一般為半個周期。 當採用兩個獨立的變頻控制器時，其中一個作為主控制器，另一個作為從控制 器，這個相位差可以根據兩個變頻控制器間的同步信號來實現。
在兩個變頻器的輸出端可以採用機電開關(如接觸器)或半導體開關器件 構成短路機構。在一個變頻器發生故障時，在將之切除之後可通過上述短路機 構將其輸出短路。這樣另一個變頻器可繼續給多相電機供電，裝置在降載的情 況下可繼續啟動和運行。
權利要求
1. 雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，其特徵是包括一臺多相交流電機(1)，多相交流電機(1)定子繞組的m個首端和m個末端引出，分別接多相變頻器(2)，多相變頻器(2)由直流電源(E)、濾波電容(C)、多相逆變器(5)和變頻控制器(6)構成，多相電機(1)和多相逆變器(5)的相數m相等，m≥5。
2. 根據權利要求1所述的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，其特徵是 多相逆變器(5)的各橋臂是兩電平結構，或多電平拓撲結構。
3. 根據權利要求1所述的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，其特徵是 兩臺多相變頻器(2)中的直流電源(E)為同一整流電源、或是具有共同地電 位的兩個整流電源，或是完全獨立的兩個整流電源；兩直流電源(E)的電壓相 等或不等。
全文摘要
本發明公開的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置，包括一臺多相交流電機，多相交流電機定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器，多相變頻器由直流電源、濾波電容、多相逆變器和變頻控制器構成，多相交流電機和多相逆變器的相數m相等，m≥5。本發明的雙端供電多相交流電機變頻調速裝置不僅可以使用單管容量有限的電力電子器件在較大的範圍內實現大功率，而且由於在相單元和系統的層面上都具有冗餘性，具有高的可靠性。
文檔編號H02P27/04GK101459409SQ20081016411
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者東 劉, 孔武斌, 敏 康, 楊家強, 進 黃 申請人:浙江大學