高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置及其控制方法

2023-06-13 08:49:21

專利名稱：高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置及其控制方法
技術領域：
本發明屬於電力電子技術領域，更具體的涉及一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置及其控制方法，具有簡化變頻器的結構、降低變頻器的製造成本和提高效率的優點。
背景技術：
目前，在工程上用於交流變頻調速的串聯H橋高壓變頻器中，直流母線上並聯了體積龐大、價格昂貴的濾波電容器組，用來抑制直流電壓波動。具有四象限運行功能的大功率單元串聯式高壓變頻器一般採用如下結構每一個功率單元包含由IGBT組成的三相雙PWM整流橋、濾波電容器組、由IGBT組成的單相H橋逆變器以及控制電路。每一相的多個功率單元相串聯，可得到三相輸出的高電壓。每一個功率單元的三相雙PWM整流橋與電源變壓器的一組二次側繞組相聯。為了抑制直流電壓波動，三相雙PWM整流橋輸出側與單相H橋逆變器輸入側之間的直流母線上並聯了濾波電容器組。為了減小高壓變頻器輸出的電壓諧波，每相的功率單元中的H橋逆變器採用載波移相控制。這種變頻器可以使高壓大功率電機在很寬的範圍內實現四象限平滑調速。其缺點是功率單元中濾波電容器組的容量較大，需要的電容器數量較多。電容器的價格昂貴，電容器組的體積龐大。因此，有必要克服現有技術的不足，提供一種串聯H橋高壓變頻器直流側母線電容器容量最小化裝置及其控制方法，減小功率單元中濾波電容器的數量，降低高壓變頻器的製造成本。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置。使得通過功率單元中濾波電容器的電流接近於零，則所需要電容器數量減小，從而縮小了功率單元體積，降低了高壓變頻器的製造成本。為了實現上述目的，採用如下技術方案一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置，包括移相變壓器、一次繞組、第一二次繞組、第一功率單元、第二功率單元、第三功率單元；其特徵在於移相變壓器設有一次繞組一組，接成星形或角形；設有二次繞組九組，分為三部分第一二次繞組、第二二次繞組、第三二次繞組組成第一部分；第四二次繞組、第五二次繞組、第六二次繞組組成第二部分；第七二次繞組、第八二次繞組、第九二次繞組組成第三部分，每部分中三組二次繞組對應的線電壓有相同的相位。一次繞組與三相電源相連接。第一二次繞組的三個輸出端與第一功率單元的三個輸入端相連接；第二二次繞組的三個輸出端與第二功率單元的三個輸入端相連接；第三二次繞組的三個輸出端與第三功率單元的三個輸入端相連接。
第四二次繞組的三個輸出端與第四功率單元的三個輸入端相連接；第五二次繞組的三個輸出端與第五功率單元的三個輸入端相連接；第六二次繞組的三個輸出端與第六功率單元的三個輸入端相連接。第七二次繞組的三個輸出端與第七功率單元的三個輸入端相連接；第八二次繞組的三個輸出端與第八功率單元的三個輸入端相連接；第九二次繞組的三個輸出端與第九功率單元的三個輸入端相連接。第一功率單元、第二功率單元、第三功率單元、第四功率單元、第五功率單元、第六功率單元、第七功率單元、第八功率單元、第九功率單元等九個功率單元結構相同，每個功率單元的H橋逆變器都有兩個交流輸出端，第一功率單元、第四功率單元和第七功率單元的交流輸出端依次串聯，組成高壓變頻器交流輸出中的一相；第二功率單元、第五功率單元和第八功率單元的交流輸出端依次串聯；第三功率單元、第六功率單元和第九功率單元的交流輸出端依次串聯，分別組成高壓變頻器交流輸出中的另外兩相；每相的一個對應端連接在一起，構成星形連接，每相的另一端與三相負載的一個輸入端相連接，構成高壓變頻器三相交流輸出端與三相交流負載三個輸入端相連。所述的第一功率單元內部結構包括熔斷器、IGBT構成的雙向PWM變流器、直流濾波電容器、IGBT構成的H橋逆變器及連接電抗器。其中雙向PWM變流器的三個輸入端經連接電抗器及熔斷器與移相變壓器中對應的一組二次繞組接連；雙向PWM變流器的兩個輸出端與直流濾波電容器兩端及H橋逆變器輸入端並連。所述的第二功率單元、第三功率單元、第四功率單元、第五功率單元、第六功率單元、第七功率單元、第八功率單元、第九功率單元等內部結構與第一功率單元相同。每一相的功率單元數量不限於3個，每一相實際所需要的功率單元數量按照高壓變頻器的電壓等級設置。本發明的另一目的在於提出了一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化控制方法。使得通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，直流母線上的電壓接近恆定。為了實現上述目的，採用如下技術方案一種串聯H橋高壓變頻器直流側母線電容器容量最小化的控制方法，其步驟如下A、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中雙PWM整流器輸入側的三相電壓及三相電流的大小和相位。B、利用矢量控制原理進行座標變換，將電機電壓矢量Ul的位置定位為d_q坐標系中的d軸，超前90電角度的位置定為q軸，則輸入電流中的無功分量及有功分量均可確定。C、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中H橋逆變器輸出側的電流；將H橋逆變器的參考正弦波電壓與H橋逆變器輸出側電流相乘，得到H橋逆變器輸出功率；將H橋逆變器輸出功率除以雙PWM整流器輸入側的d軸電壓，經低通濾波濾去諧波後可得到H橋逆變器輸出電流中的有功分量。D、串聯H橋高壓變頻器在運行時，必須維持濾波電容器上的直流電壓為設定值; 利用現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中直流側濾波電容器上的直流電壓，與設定值比較後經PI調節得到直流側電流的設定值。E、為了使通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，並保持直流母線上的電壓接近恆定，必須迫使功率單元中雙PWM整流器輸入側的所需要的有功電流等於H橋逆變器輸出有功電流與直流側電流設定值之和。F、為了提高串聯H橋高壓變頻器的功率因數，在通常情況下雙PWM整流器輸入側的無功電流設定值為零，無功電流的實測值與設定值(設定值為零)比較後，經PI調節得到雙PWM整流器輸入側的無功電流的指令值。G、雙PWM整流器輸入側的有功電流實測值與的所需要的有功電比較後，經PI調節得到雙PWM整流器輸入側的有無功電流的指令值。H、根據雙PWM整流器電路原理，通過計算，由上述步驟F和步驟G所得到的有功電流給定值和無功電流給定值可得到d軸及q軸指令電壓。I、根據步驟H所得到的d軸及q軸給定電壓，經坐標變換後，可得到雙PWM整流器所需要的產生三相PWM的參考正弦電壓。與現有技術相比本發明具有如下優點和有益效果各組二次側繞組輸出線電壓相位相同，不需要移相。採用雙PWM控制整流器及連接電抗器，可減少電源變壓器一次側的電流諧波。在高壓變頻器運行時，控制功率單元中三相雙PWM整流橋輸入側的瞬時功率逼近 H橋逆變器輸出側的瞬時功率，使得通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，直流母線上的電壓接近恆定，則所需要的濾波電容器的數量就可以顯著減少，從而縮小了功率單元體積，降低了高壓變頻器的製造成本。


圖I為高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置結構示意圖。圖2為功率單元結構3為控制系統原理圖其中1_第一功率單兀、2_第二功率單兀、3_第二功率單兀、4_第四功率單兀、 5_第五功率單兀、6_第六功率單兀、7_第七功率單兀、8_第八功率單兀、9_第九功率單兀、 10-移相變壓器、11-熔斷器、12-雙向PWM變流器、13-直流濾波電容器、14-H橋逆變器、 15-電抗器、100-—次繞組、101-第一二次繞組、102-第二二次繞組、103-第三二次繞組、 104-第四二次繞組、105-第五二次繞組、106-第六二次繞組、107-第七二次繞組、108-第八二次繞組、109-第九二次繞組。
具體實施例方式—種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置，包括移相變壓器10、一次繞組 100、第一二次繞組101、第一功率單元I、第二功率單元2、第三功率單元3 ;其特徵在於移相變壓器10設有一次繞組100 —組，接成星形或角形；設有二次繞組九組，分為三部分第一二次繞組101、第二二次繞組102、第三二次繞組103組成第一部分；第四二次繞組104、第五二次繞組105、第六二次繞組106組成第二部分；第七二次繞組107、第八二次繞組108、第九二次繞組109組成第三部分，每部分中三組二次繞組對應的線電壓有相同的相位。一次繞組100與三相電源相連接。
第一二次繞組101的三個輸出端與第一功率單元I的三個輸入端相連接；第二二次繞組102的三個輸出端與第二功率單元2的三個輸入端相連接；第三二次繞組103的三個輸出端與第三功率單元3的三個輸入端相連接。第四二次繞組104的三個輸出端與第四功率單元4的三個輸入端相連接；第五二次繞組105的三個輸出端與第五功率單元5的三個輸入端相連接；第六二次繞組106的三個輸出端與第六功率單元6的三個輸入端相連接。第七二次繞組107的三個輸出端與第七功率單元7的三個輸入端相連接；第八二次繞組108的三個輸出端與第八功率單元8的三個輸入端相連接；第九二次繞組109的三個輸出端與第九功率單元9的三個輸入端相連接。第一功率單元I、第二功率單元2、第三功率單元3、第四功率單元4、第五功率單元 5、第六功率單元6、第七功率單元7、第八功率單元8、第九功率單元9九個功率單元結構相同，每個功率單元的H橋逆變器都有兩個交流輸出端，第一功率單元I、第四功率單元4和第七功率單元7的交流輸出端依次串聯，組成高壓變頻器交流輸出中的一相；第二功率單元
2、第五功率單元5和第八功率單元8的交流輸出端依次串聯；第三功率單元3、第六功率單元6和第九功率單元9的交流輸出端依次串聯，分別組成高壓變頻器交流輸出中的另外兩相；每相的一個對應端連接在一起，構成星形連接，每相的另一端與三相負載的一個輸入端相連接，構成高壓變頻器三相交流輸出端與三相交流負載三個輸入端相連。所述的第一功率單元I內部結構包括熔斷器IUIGBT構成的雙向PWM變流器12、 直流濾波電容器13、IGBT構成的H橋逆變器14及連接電抗器15。其中雙向PWM變流器12 的三個輸入端經連接電抗器15及熔斷器11與移相變壓器10中對應的一組二次繞組接連； 雙向PWM變流器12的兩個輸出端與直流濾波電容器13兩端及H橋逆變器14輸入端並連。所述的第二功率單元2、第三功率單元3、第四功率單元4、第五功率單元5、第六功率單元6、第七功率單元7、第八功率單元8、第九功率單元9內部結構與第一功率單元I相同。每一相的功率單元數量不限於3個，每一相實際所需要的功率單元數量按照高壓變頻器的電壓等級設置。一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化控制方法，其步驟如下A、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中雙PWM整流器輸入側的三相電壓及三相電流的大小和相位。B、利用矢量控制原理進行座標變換，將電機電壓矢量Ul的位置定位為d_q坐標系中的d軸，超前90電角度的位置定為q軸，則輸入電流中的無功分量及有功分量均可確定。C、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中H橋逆變器輸出側的電流；將H橋逆變器的參考正弦波電壓與H橋逆變器輸出側電流相乘，得到H橋逆變器輸出功率；將H橋逆變器輸出功率除以雙PWM整流器輸入側的d軸電壓，經低通濾波濾去諧波後可得到H橋逆變器輸出電流中的有功分量。D、串聯H橋高壓變頻器在運行時，必須維持濾波電容器上的直流電壓為設定值； 利用現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中直流側濾波電容器上的直流電壓，與設定值比較後經PI調節得到直流側電流的設定值。E、為了使通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，並保持直流母線上的電壓接近恆定，必須迫使功率單元中雙PWM整流器輸入側的所需要的有功電流等於H橋逆變器輸出有功電流與直流側電流設定值之和。F、為了提高串聯H橋高壓變頻器的功率因數，在通常情況下雙PWM整流器輸入側的無功電流設定值為零，無功電流的實測值與設定值(設定值為零)比較後，經PI調節得到雙PWM整流器輸入側的無功電流的指令值。G、雙PWM整流器輸入側的有功電流實測值與的所需要的有功電比較後，經PI調節得到雙PWM整流器輸入側的有無功電流的指令值。H、根據雙PWM整流器電路原理，通過計算，由上述步驟F和步驟G所得到的有功電流給定值和無功電流給定值可得到d軸及q軸指令電壓。I、根據步驟H所得到的d軸及q軸給定電壓，經坐標變換後，可得到雙PWM整流器所需要的產生三相PWM的參考正弦電壓。下面結合圖4，詳細說明本發明的實施方法I、圖3中，ua、ub、U。分別為雙PWM整流橋的三相輸入相電壓，ia、ib、i。分別為雙 PWM整流橋的三相輸入電流。作坐標變換，由三相abc固定坐標系變換到二相dq同步旋轉
坐標系，變換矩陣為式(I)中，
cos Θ cos(6>-120。) cos(6> + 120。) -sin ^ -sin(沒-120。)-sin(沒+ 120。)
為綜合電壓矢量[^與α軸夾角，可得即式(3)中，U1為雙PWM整流輸入相電壓的有效值。同理可得2、圖3中，Ud。為功率單元直流母線直流電壓，「為H橋逆變器的輸出電流，《為H 橋逆變器的參考正弦電壓。H橋逆變器輸出的瞬時功率為Ph = UhIh( 5 )對式(5)求平均值，可得H橋逆變器輸出的有功功率為式(6)中T為基波周期。式(6)也可用低通濾波器實現。
3、功率單元中，雙PWM整流橋的輸入功率為Pz = uDid(7)式(7)中Ud電源電壓，id為直軸電流。由式(7)可知，H橋逆變器中輸出電流的 有功分量為
權利要求
1.一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置，包括移相變壓器(10)、一次繞組 (100)、第一二次繞組(101)、第一功率單元(I)、第二功率單元(2)、第三功率單元(3);其特徵在於移相變壓器(10)設有一次繞組(100) —組，接成星形或角形；設有二次繞組九組，分為三部分第一二次繞組(101)、第二二次繞組(102)、第三二次繞組(103)組成第一部分； 第四二次繞組(104)、第五二次繞組(105)、第六二次繞組(106)組成第二部分；第七二次繞組(107)、第八二次繞組(108)、第九二次繞組(109)組成第三部分，每部分中三組二次繞組對應的線電壓有相同的相位；一次繞組(100)與三相電源相連接；第一二次繞組(101)的三個輸出端與第一功率單元(I)的三個輸入端相連接；第二二次繞組(102)的三個輸出端與第二功率單元(2)的三個輸入端相連接；第三二次繞組(103) 的三個輸出端與第三功率單元(3)的三個輸入端相連接；第四二次繞組(104)的三個輸出端與第四功率單元(4)的三個輸入端相連接；第五二次繞組(105)的三個輸出端與第五功率單元(5)的三個輸入端相連接；第六二次繞組(106) 的三個輸出端與第六功率單元(6)的三個輸入端相連接；第七二次繞組(107)的三個輸出端與第七功率單元(7)的三個輸入端相連接；第八二次繞組(108)的三個輸出端與第八功率單元(8)的三個輸入端相連接；第九二次繞組(109) 的三個輸出端與第九功率單元(9)的三個輸入端相連接；第一功率單元(I)、第二功率單元(2)、第三功率單元(3)、第四功率單元(4)、第五功率單元(5)、第六功率單元(6)、第七功率單元(7)、第八功率單元(8)、第九功率單元(9)九個功率單元結構相同，每個功率單元的H橋逆變器都有兩個交流輸出端，第一功率單元(I)、 第四功率單元(4)和第七功率單元(7)的交流輸出端依次串聯，組成高壓變頻器交流輸出中的一相；第二功率單元(2)、第五功率單元(5)和第八功率單元(8)的交流輸出端依次串聯；第三功率單元(3)、第六功率單元(6)和第九功率單元(9)的交流輸出端依次串聯，分別組成高壓變頻器交流輸出中的另外兩相；每相的一個對應端連接在一起，構成星形連接， 每相的另一端與三相負載的一個輸入端相連接，構成高壓變頻器三相交流輸出端與三相交流負載三個輸入端相連。
2.如權利要求I所述的一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置，其特徵在於所述的第一功率單元(I)內部結構包括熔斷器(11)、IGBT構成的雙向PWM變流器(12)、直流濾波電容器(13)、IGBT構成的H橋逆變器(14)及連接電抗器(15)。
3.其中雙向PWM變流器(12)的三個輸入端經連接電抗器(15)及熔斷器(11)與移相變壓器(10)中對應的一組二次繞組接連；雙向PWM變流器(12)的兩個輸出端與直流濾波電容器(13)兩端及H橋逆變器(14)輸入端並連。
4.如權利要求I所述的一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化裝置，其特徵在於 所述的第二功率單元(2)、第三功率單元(3)、第四功率單元(4)、第五功率單元(5)、第六功率單元(6)、第七功率單元(7)、第八功率單元(8)、第九功率單元(9)內部結構與第一功率單元(I)相同。
5.一種高壓變頻器直流母線電容容量最小化控制方法，其步驟如下A、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中雙PWM整流器輸入側的三相電壓及三相電流的大小和相位；B、利用矢量控制原理進行座標變換，將電機電壓矢量Ul的位置定位為d-q坐標系中的 d軸，超前90電角度的位置定為q軸，則輸入電流中的無功分量及有功分量均可確定；C、通過現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中H橋逆變器輸出側的電流；將H橋逆變器的參考正弦波電壓與H橋逆變器輸出側電流相乘，得到H橋逆變器輸出功率；將H橋逆變器輸出功率除以雙PWM整流器輸入側的d軸電壓，經低通濾波濾去諧波後可得到H橋逆變器輸出電流中的有功分量；D、串聯H橋高壓變頻器在運行時，必須維持濾波電容器上的直流電壓為設定值；利用現有的傳統檢測技術，檢測功率單元中直流側濾波電容器上的直流電壓，與設定值比較後經PI調節得到直流側電流的設定值；E、為了使通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，並保持直流母線上的電壓接近恆定，必須迫使功率單元中雙PWM整流器輸入側的所需要的有功電流等於H橋逆變器輸出有功電流與直流側電流設定值之和；F、為了提高串聯H橋高壓變頻器的功率因數，在通常情況下雙PWM整流器輸入側的無功電流設定值為零，無功電流的實測值與設定值(設定值為零)比較後，經PI調節得到雙 PWM整流器輸入側的無功電流的指令值；G、雙PWM整流器輸入側的有功電流實測值與的所需要的有功電比較後，經PI調節得到雙PWM整流器輸入側的有無功電流的指令值；H、根據雙PWM整流器電路原理，通過計算，由上述步驟F和步驟G所得到的有功電流給定值和無功電流給定值可得到d軸及q軸指令電壓；I、根據步驟H所得到的d軸及q軸給定電壓，經坐標變換後，可得到雙PWM整流器所需要的產生三相PWM的參考正弦電壓。
全文摘要
本發明公開了一種串聯H橋高壓變頻器直流側母線電容器容量最小化裝置及控制方法。該裝置包括移相變壓器、九個一次繞組和九個功率單元；功率單元中，雙向PWM變流器的三個輸入端經連接電抗器及熔斷器與移相變壓器中對應的一組二次繞組接連；雙向PWM變流器的兩個輸出端與直流濾波電容器兩端及H橋逆變器輸入端並連；該方法根據矢量變換控制原理，控制功率單元中三相雙PWM整流橋輸入側的瞬時功率逼近H橋逆變器輸出側的瞬時功率，使得通過直流側母線濾波電容器的電流接近於零，直流母線上的電壓就接近恆定，所需要的濾波電容器的數量就可以顯著減少，從而縮小了功率單元體積，降低了高壓變頻器的製造成本。
文檔編號H02M5/458GK102611326SQ20111043094
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者畢平勁, 範少春, 蔣紹濤, 龔世纓 申請人:湖北三環發展股份有限公司