能實現高壓電機系統能量回饋的變流器的製作方法
2023-07-03 16:49:31
專利名稱：能實現高壓電機系統能量回饋的變流器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及高壓變流器領域，尤其涉及一種能饋式級聯型高壓變流器。
背景技術：
隨著電力電子技術的進步，高壓大功率電力電子技術在電力系統中得到了越來越 廣泛的應用。中國是能源消耗大國，而能源利用效率相對很低，因此變流器等節能設備的應 用尤為關鍵。中國變流器市場目前正處於一個高速增長的時期，而且在通用機械、金屬機 床、空調、電梯、冶金等行業得到廣泛應用，並在發揮越來越重要的作用。特別是，大功率高 壓變流器的應用日益廣泛。 級聯型高壓變流器以其無需高壓功率器件，易於提高輸出電壓等級以及輸出電流
諧波低等優點很好地解決了風機、泵類等高壓大功率負載場合的電機調速問題，並取得了
顯著的節能效果。但傳統的基於不可控整流橋功率單元的級聯型高壓變流器存在輸入電流
對電網產生嚴重的諧波汙染，能量只能單向流動，無法應用於礦井提升機等要求能量雙向
流動的負載場合等問題，限制了其進一步的應用。
發明內容技術問題本實用新型的目的是提出一種能實現高壓電機系統能量回饋的變流 器，它可在輸入電流近似正弦，當負載的高壓電動機處於再生制動狀態時，將再生能量回饋 到電網，保證了電動機系統的安全可靠運行，進而拓展了應用場合。 技術方案本實用新型是在改進傳統的功率單元的基礎上實現的。對於每個級聯 單元，用單相P麗整流器代替了不可控整流橋，而原有的H橋逆變器保持不變。藉助P麗整 流器優良的輸入電流控制特性和能量雙向可控等特點，實現高壓電機系統的能量回饋。將 各個功率單元輸入端通過整流變壓器並聯，輸出端級聯，即構成了饋能式級聯型變流器。級
聯型能饋式高壓變流器由多繞組整流變壓器、若干個能饋式功率單元模塊以及控制系統構 成。 本實用新型的能實現高壓電機系統能量回饋的變流器包括多繞組整流變壓器、3 組且每組N個單相輸入的功率單元；所述的多繞組整流變壓器原邊的三相三角形輸入由電 網側接入，副邊繞組有3組XN個且每一個副邊繞組與一個功率單元的輸入端相連接，高壓 變流器的每相輸出由本組中的N個功率單元輸出級聯而成，三相之間採用星形接法，其中 N = Vl/V2， VI為變流器需要的輸出電壓，V2為功率單元的輸出電壓。 所述的功率單元包括四個整流IGBT即第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四 IGBT組成H橋可控整流電路，整流電路的輸入端分別通過熔斷器、電感連結到交流輸入端， 整流電路的輸出端連結到並聯的電阻和電容組成的電容濾波電路兩端；四個整流IGBT即 第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT組成H橋逆變電路，逆變電路的輸入端連結到電 容濾波電路的兩端，輸出端接有旁路電路。 多繞組整流變壓器採用原邊三相三角形輸入、副邊3組N個單相電壓輸出，其中副 邊第一組繞組由原邊線電壓AB變壓而來，包括ailbu、ai2b12、ai3b13……a1Nb1N ;第二組繞組由
原邊線電壓BC變壓而來，包括b^(^、b22C22、b23C23、……b2NC2N ;第三組繞組由原邊線電壓CA變壓而來，包括c31a31、 c32a32、 c33a33、……c3Na3N ;變壓器各副邊繞組之間相互絕緣；每個功 率單元最大輸出電壓為V且副邊按照三組順序排列，貝幅lj邊繞組的組間絕緣電壓不得小於 NXV。 所述的旁路單元包括四個整流二極體即第一整流二極體、第二整流二極體、第三 整流二極體、第四整流二極體組成不可控的旁路整流H橋，旁路整流H橋的輸入連結到逆變 電路的輸出端上，旁路整流H橋的正、負極分別連接到晶閘管的陽、陰極，並在晶閘管兩端 連接有電阻、電容組成的RC電路。 有益效果 (1)通過將P麗整流器引入到級聯單元中，可實現高壓變流器的能量回饋功能。
採用此方案的高壓變流器輸入電流正弦性好，以近似單位功率因數運行； 當應用的異步電動機處於再生發電狀態時，輸入電流自動反相，能量從電動機流
向電網，並保持母線電壓恆定，保證了系統安全可靠運行。可使輸出轉速、轉矩變化平穩，能
快速產生再生制動轉矩，系統很快達到穩定。
(2)高壓變流器的控制系統採用光纖與功率單元通訊，保證了可靠的電氣隔離，從 而使得高壓變流器的數字控制部分能夠安全地工作。
(3)在電路設計中，每個功率單元均裝有旁路單元，一旦發生故障，電路可以自動
切換到旁路，實現了不因某個或某幾個功率單元的故障而影響整個系統的工作。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明。 圖1是能實現高壓電機系統能量回饋的變流器的結構示意圖； 圖2是功率單元的內部結構示意圖圖； 圖3是控制系統與各功率單元的連接方式示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的能實現高壓電機系統能量回饋的變流器由多繞組整流 變壓器1、3組N個能饋式功率單元模塊2以及控制系統構成。 多繞組整流變壓器1採用原邊三相三角形輸入、副邊3組N個單相電壓輸出，其中 副邊第一組繞組由原邊線電壓AB變壓而來，包括ailbu、ai2b12、ai3b13……a1Nb1N ;第二組繞組
由原邊線電壓BC變壓而來，包括b^(^、b22C22、b23C23、……b2NC2N ;第三組繞組由原邊線電壓
CA變壓而來，包括c31a31、 c32a32、 c33a33、……c3Na3N。變壓器各副邊繞組之間相互絕緣，假定 每個功率單元最大輸出電壓為V且副邊按照三組順序排列，則副邊繞組的組間絕緣電壓不 得小於NXV。 多繞組變壓器原邊從電網側接入三相電，副邊每一繞組與一個功率單元相連接。 第一組繞組anbn、 a12b12、 a13b13 a1Nb1N分別並聯接入功率單元Al、 A2、 A3、 AN，此N
個功率單元的輸出側級聯以組成輸出的A相。B、C相同此，然後三相以星型方式連接，從而 形成輸出側的三相A'、B'、C'。 如圖2所示，本高壓變流器的功率單元包括由IGBT構成的的H橋整流電路3、電 容濾波電路4、由IGBT構成的H橋逆變電路5、旁路電路6、單元控制電路7、熔斷器8、電感 9和散熱器。 其中，整流電路3和逆變電路5均是由IGBTQ1-Q8組成H橋電路，且每個IGBT均
4有與其反並聯的二極體，以此來保護IGBT。 功率單元的電容濾波電路4採用RC並聯的結構，亦可採用多組並聯方式相連接 的串聯電解電容陣列和平衡電阻。由於電解電容的耐壓等級較低，當功率單元直流側達kv 時，只有採用串聯方式以提高耐壓，但串聯後等效電容值會降低，故採用多組串聯電容並聯 的方式，並採用平衡電阻均衡各串聯電容上的電壓。 功率單元的旁路單元6包括晶閘管S1、單相二極體整流橋D1-D4以及並聯的RC電 路R2、C2。 RC電路用於平滑電壓波形和減少輸出的du/dt，保證晶閘管能夠可靠地導通，而 電阻R2的附加作用還用於當變流器退出運行後釋放電容C2的電荷。 功率單元的單元控制電路7主要用於接受控制系統的指令、控制本單元IGBT的通 斷和旁路的運作，並將本單元的錯誤信息編碼上傳給控制系統。 功率單元中還包括熔斷器8及電感9，熔斷器8用於輸入側的過流保護，電感9用 於濾除網側的電流諧波。 如圖3所示，高壓變流器的控制系統用於控制高壓變流器各個功率單元的協同運 作，其通過光纖以星型網絡的方式與各個功率單元相連接，其中與每個功率單元相連的有 兩組光纖，一組為下行控制光纖IO，一組為上行信息反饋光纖11。
權利要求一種能實現高壓電機系統能量回饋的變流器，其特徵在於該變流器包括多繞組整流變壓器(1)、3組且每組N個單相輸入的功率單元(2)；所述的多繞組整流變壓器(1)原邊的三相三角形輸入由電網側接入，副邊繞組有3組×N個且每一個副邊繞組與一個功率單元(2)的輸入端相連接，高壓變流器的每相輸出由本組中的N個功率單元輸出級聯而成，三相之間採用星形接法，其中N＝V1/V2，V1為變流器需要的輸出電壓，V2為功率單元的輸出電壓。
2. 根據權利要求1所述的能實現高壓電機系統能量回饋的變流器，其特徵在於所述的功率單元(2)包括四個整流IGBT即第一 IGBT(Q1)、第二 IGBT(Q2)、第三IGBT(Q3)、第 四IGBT(Q4)組成H橋可控整流電路(3)，整流電路(3)的輸入端分別通過熔斷器(8)、電感 (9)連結到交流輸入端，整流電路(3)的輸出端連結到並聯的電阻(Rl)和電容(Rl)組成的 電容濾波電路(4)兩端；四個整流IGBT即第五IGBT(Q5)、第六IGBT(Q6)、第七IGBT(Q7)、 第八IGBT(Q8)組成H橋逆變電路(5)，逆變電路(5)的輸入端連結到電容濾波電路(4)的 兩端，輸出端接有旁路電路(6)。
3. 根據權利要求1所述的能實現高壓電機系統能量回饋的變流器，其特徵在於多繞 組整流變壓器(1)採用原邊三相三角形輸入、副邊3組N個單相電壓輸出，其中副邊第一組 繞組由原邊線電壓AB變壓而來，包括ailbu、ai2b12、ai3b13……a1Nb1N ;第二組繞組由原邊線電 壓BC變壓而來，包括b21c21、 b22c22、 b23c23、 ......b2Nc2N ;第三組繞組由原邊線電壓CA變壓而來，包括 ;變壓器各副邊繞組之間相互絕緣；每個功率單元最大輸出電壓為V且副邊按照三組順序排列，貝幅U邊繞組的組間絕緣電壓不得小於NX V。
4. 根據權利要求1所述的能實現高壓電機系統能量回饋的變流器，其特徵在於所述的 旁路單元(6)包括四個整流二極體即第一整流二極體(Dl)、第二整流二極體(D2)、第三 整流二極體(D3)、第四整流二極體(D4)組成不可控的旁路整流H橋，旁路整流H橋的輸入 連結到逆變電路(5)的輸出端上，旁路整流H橋的正、負極分別連接到晶閘管(Sl)的陽、陰 極，並在晶閘管(Sl)兩端連接有電阻(R2)、電容(C2)組成的RC電路。
專利摘要能實現高壓電機系統能量回饋的變流器由多繞組整流變壓器、3組N個單相輸入的功率單元和控制系統組成。所述的多繞組整流變壓器採用原邊三相三角形輸入、副邊3組N個單相電壓輸出，每一個副邊繞組與一個功率單元的輸入端相連接。高壓變流器各相輸出由N個功率單元的輸出端級聯而成，三相間採用星型連接。所述的功率單元主要包括由IGBT構成的H橋整流電路、電容濾波電路、由IGBT構成的H橋逆變電路、旁路電路和單元控制電路。所述的高壓變流器控制系統通過光纖以星型網絡方式與各個功率單元的控制電路相連接。本實用新型的功率單元採用與傳統方式不同的單相可控整流橋，因而具有能量回饋的功能，進一步拓寬了級聯型高壓變流器的應用。
文檔編號H02M5/458GK201523327SQ200920234290
公開日2010年7月7日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者倪喜軍, 季振東, 趙劍鋒 申請人:東南大學