雙串聯高電壓變頻裝置的製作方法

2023-05-16 15:43:06 2

專利名稱：雙串聯高電壓變頻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於實現中、高壓交流電動機變頻調速的高電壓變頻裝置。
背景技術：
眾所周知，在生產實踐中，凡是需要交流電源的頻率高於或低於電網頻率， 或頻率要求可調的地方，都要使用變頻器。在工業上，採用交流電動機實現電 力傳動比採用直流電動機，在結構上更簡單，製造更容易，價格更便宜，而且 維修更方便，因而各種容量的交流電動機均獲得了廣泛和大量使用。這類機械 大多採用恆速交流傳動，而輸出量的調節是利用擋板、閥門或空放回流的辦法 進行，白白損失了大量的電能。因此，在這類機械上採用變頻調速，根據輸出 量的要求用電氣手段改變輸出功率，對節能有著巨大意義。由於電力電子技術的迅速發展，現在由電力半導體器件如IGBT構成的靜 止式變頻器技術已很成熟，因而交流電動機的變壓變頻(VVVF)調速已日益 普及，其優越性亦廣為人們所熟知。目前，變頻器在我國的應用正高速上升。 但是變頻調速至今主要還是應用在200KW以下的中、小容量和380V的低壓電 機上，而在礦山、冶金、化工、石油、建材等工業部門和水廠、電廠，使用著 大量的6—10KV的中、高壓風機、水泵、壓縮機和攪拌機等，這些機械功率都 在200KW以上，有的高達數千甚至上萬KW,它們在電力傳動消耗上所佔的 比重和所消耗的電能是非常可觀的。公告號為CN 1039271C的中國專利95119585.9，述及一種高電壓電力變換 方法及裝置，公開了單元串聯多電平高電壓變頻裝置，輸出釆用若干"功率單元，，串聯的新型結構，即由切分單元將高電壓切分為多路獨立低電壓、由多個 功率電子單元將多路低電壓串聯為可變幅值、頻率、相數、相位的高電壓裝置， 解決了高壓變頻裝置要求高而電力半導體器件耐壓能力有限、器件串聯可靠性 低的問題。該已有技術公開的高壓變頻變換方法與裝置已成為高電壓變頻器領 域的主流技術。為了電平隔離及避免輸入和輸出相互牽制，高電壓變頻器輸入側都裝有輸 入變壓器。然而由於銅、鐵等原材料的價格不斷上漲，環保費用的不斷上升， 使以鐵心、線圏和絕緣材料為主要構件的變壓器的成本不斷提高，導致高壓變 頻器的價格日趨高昂。為此，人們期望應用變頻調速技術的同時，能夠儘量減少節能的代價，而革除輸入變壓器成為行業內持續努力的i果題。 發明內容本發明的目的是提供一種成本低、易於製造、重量輕的新式高壓變頻裝置， 通過電力電子器件實現輸入和輸出雙串聯，充分利用已形成^L模的通用變頻器 製造技術，進一步降低上述已有技術的裝置造價，使高壓變頻器單位功率成本 接近低壓通用變頻器的單位功率成本。為了實現上述目的，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置採用了以下技術方案。 本發明提供的一種雙串聯高電壓變頻裝置，包括輸入單元組、耦合單元組、 輸出單元組和控制驅動電路，所述輸入單元組包括多個輸入單元，每個輸入單 元有兩個輸入端和三個輸出端，各輸入單元串連起來用於接收輸入直流或將輸 入交流整為直流的電力， 一個輸入單元對應一個或多個輸出單元。每個輸入單 元包括電容、電力電子元件、限流電阻和保護開關，所述電容用於支撐單元電 壓，所述電力電子元件組成三相逆變橋，產生高頻交流電壓，以降低耦合單元 的造價，所述限流電阻與保護開關並聯，用於裝置啟動和停機時限流，所述保 護開關用於啟動結束將電阻旁路，並對裝置起保護作用。所述耦合單元組包括 多個耦合單元，每個耦合單元由一個三相脈沖變壓器或三個單相脈沖變壓器組成，處於所述輸入單元和輸出單元之間，用於電壓隔離並傳遞功率和避免輸出 被輸入牽制，所述耦合單元的輸入線圈接成星形或三角形，並且與所述的輸入單元三相逆變橋相連，所述的脈沖變壓器輸出線圏各對應裝置輸出的一相。所 述輸出單元組包括多個輸出單元。每個輸出單元包括可控極性的高頻整流電路 和電容，高頻整流電路接耦合單元的脈沖變壓器輸出端，脈沖變壓器線圏等效 電感和電容組成濾波器，各輸出單元同極性堆疊成三相輸出。所述輸入單元各保護開關採用低壓開關，所述輸入單元是將380伏至690 伏的低壓通用變頻器的整流橋去掉，僅調整波形發生器或在波形發生器後加裝 邏輯轉換電路，使其調製脈衝變為相鄰極性相反，適應高頻波形產生的要求， 即產生幾千赫茲的高頻波形。所述的脈沖變壓器輸出線圈除兩端外可帶有中心抽頭。一個輸出單元可對應一個或多個輸入單元，輸出單元的空間排列順序與其 對應的輸入單元空間排列順序 一致。所述輸出單元的 一種實現方式是由兩組快速反並聯晶閘管和電容組成，兩 組反並聯晶閘管的一端各與所述耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連接，兩組反 並聯晶閘管的另 一端連在一起接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈衝變壓器 輸出線圈中心抽頭。所述輸出單元的又一種實現方式是由四支快恢復整流管，兩支串連的晶閘 管或IGBT元件及電容組成，兩組串聯的快恢復整流管中點各與所述耦合單元 脈衝變壓器一輸出端相連接，其餘兩陽極連接串聯的晶閘管或IGBT的負端， 其餘兩陰極連接串連的晶閘管或IGBT的正端，所述串連的晶閘管或.IGBT的 中點接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈沖變壓器輸出線圏中心抽頭。所述輸出單元的另一種實現方式是由快恢復整流管組成的單相整流橋、單 相逆變橋、電容組成，在這種情況下，脈衝變壓器輸出線圏不設中心抽頭。此外，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的若干輸出單元同極性串聯成a、b、 c三相輸出。所述輸出單元的串聯結構可變換為並聯結構，以適應恆功率輸出 的應用場合。控制驅動電路包含數據採集器、開關控制器、波形發生器、通信系統、微 處理器和驅動器，其中數據採集器、開關控制器、波形發生器和通信系統分別 與微處理器連接，驅動器經波形發生器與微處理器連接。各單元可設置自己的微處理器，主機微處理器通過通信系統與單元微處理器相連，協調運行。本發明的雙串聯高電壓變頻裝置將"單元串聯，，首次應用於輸入，輸入變 壓器被蘋除，採用了輸入單元串聯與輸出單元串聯的原理，並充分的利用較成 熟的通用變頻器相關技術，利用輸入單元的能量承接和能量調製，通過脈沖變 壓器耦合實現了能量變換。很顯然與單純採用變壓器切分隔離原理和電路的現 有技術相比較，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置可靠性更好，而且結構簡單更 易製造、成本低、體積小、重量輕。


圖1是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置實施例的主結構圖。圖2是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置整流橋的電路圖。圖3是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置輸入單元的電路圖。圖4是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置耦合單元及輸出單元的電路圖。圖5是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置耦合單元副邊及輸出單元的第一實 施例的電路圖。圖6是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置耦合單元副邊及輸出單元的第二實 施例的電路圖。圖7是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置耦合單元副邊及輸出單元的第三實 施例的電路圖。圖8是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置耦合單元副邊及輸出單元的第四實 施例的電路圖。圖9是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的輸出單元的串、並聯結構變換實 例的電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖具體說明本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的實施例，但本發明的雙串聯高電壓變頻裝置不限於以下各實施例。圖1是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置實施例的主結構圖。如圖l所示，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置包括1、整流橋，2、輸入單元，3、耦合單 元及輸出單元。三相高電壓A、 B、 C送入整流橋後輸出高電壓直流。每個輸 入單元有兩個輸入端和三個輸出端，若干輸入單元串聯起來承接整流橋輸出的 直流高電壓。若干輸出單元串聯成a、 b、 c三相輸出，串聯時要保持相同的極 性。圖2是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置整流橋的電路圖。如圖2所示，整 流橋由六隻整流管4組成。圖3是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置輸入單元的電路圖。如圖3所示， 本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的輸入單元由保護開關5、限流電阻6、電容7、 IGBT元件8等部件組成，其中電容7用於支撐單元電壓，所述IGBT元件通過 六顆IGBT元件和六顆反並聯整流管組成三相逆變橋，產生高頻交流電壓，以 降低耦合單元的造價。所述限流電阻6與保護開關5並聯，用於裝置啟動和停 機時限流，所述各保護開關5採用低壓開關，用於啟動結束將電阻6旁路，並 對裝置起保護作用，各輸入單元串連起來用於接收輸入直流或將輸入交流整為 直流的電力， 一個輸入單元對應一個或多個輸出單元。圖4所示的是本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的耦合單元及輸出單元。圖 中，a、 b、 c代表脈衝變壓器原邊線圏，ala2、 blb2、 clc2代表輸出單元的輸 出端，D代表脈沖變壓器副邊和輸出單元。耦合單元由一個三相脈衝變壓器或三個單相脈衝變壓器組成，處於所述輸 入單元和輸出單元之間，用於電壓隔離並傳遞功率和避免輸出被輸入牽制，所 述耦合單元的輸入線圈接成星形或三角形，並且與所述的輸入單元組三相逆變 橋相連，所述的脈沖變壓器輸出線圏各對應裝置輸出的一相。輸出單元包括整流管和可控開關元件。每個輸出單元包括可控極性的高頻 整流電路和電容，高頻整流電路接耦合單元的脈衝變壓器輸出端，脈衝變壓器 線圏等效電感和電容組成濾波器，各輸出單元同極性串聯成三相輸出。 一個輸 出單元可對應一個或多個輸入單元，輸出單元的空間排列順序與其對應的輸入單元空間4非列順序 一 致。'所述的月永衝變壓器專敘出線圏除兩端外可帶有中心抽 頭。圖5-圖8所示的是本發明雙串聯高電壓變頻裝置的耦合單元副邊及輸出 單元的四個可替換的實施方式。圖5所述的實施方式為耦合單元脈衝變壓器副邊9將能量從原邊耦合過 來，經快恢復整流管4組成的整流電路，再經IGBT元件逆變橋8和電容輸出。 在這種情況下，脈衝變壓器輸出線圏不設中心抽頭。圖中X1、 X2代表輸出端。圖6-8所示的三個耦合單元副邊及輸出單元的實施方式，脈衝變壓器輸出 線圏除兩端外可帶有中心抽頭。圖6所述的實施方式為耦合單元脈衝變壓器副邊9 (帶中心抽頭)將能量 從原邊耦合過來，經晶閘管IO輸出。輸出單元由兩組快速反並聯晶閘管和電 容組成，兩組反並聯晶閘管的 一端各與所述耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連 接，兩組反並聯晶閘管的另一端連在一起接電容一極，電容另一極接耦合單元 脈衝變壓器輸出線圏中心抽頭。圖7所述的實施方式為耦合單元脈沖變壓器副邊9 (帶中心抽頭)將能量 從原邊耦合過來，經整流管4組成的整流電路，再經IGBT元件8輸出。輸出 單元由四支快恢復整流管，兩支串連的IGBT元件及電容組成，兩組串聯的快 恢復整流管中點各與所述耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連接，其餘兩陽極連 接串聯的IGBT的負端，其餘兩陰極連接串連的IGBT的正端，所述串連的IGBT 的中點接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈衝變壓器輸出線圏中心抽頭。圖8所述的實施方式為耦合單元脈衝變壓器副邊9 (帶中心抽頭)將能量 從原邊耦合過來，經晶閘管IO輸出。輸出單元的不同於圖7的又一種實現方 式是由四支快恢復整流管，兩支串連的晶閘管及電容組成，兩組串聯的快恢復 整流管中點各與所述耦合單元脈沖變壓器一輸出端相連接，其餘兩陽極連接串 聯的晶閘管的負端，其餘兩陰極連接串連的晶閘管的正端，所述串連的晶閘管 的中點接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈沖變壓器輸出線圈中心抽頭。在圖9所示的本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的輸出單元D的串、並聯結構變換實例的電路圖中，當開關K1打開時，兩個開關K2均閉合，輸出單元D 呈並聯結構；當開關K1閉合，兩個開關K2打開，輸出單元D呈串聯結構。 因此，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的輸出方式給用戶的變換提供了方便。下面結合附圖l-4說明本發明的雙串聯高電壓變頻裝置的工作過程。三相高電壓A、 B、 C (參見圖1或圖2)送入整流橋，輸出高電壓直流。 初始狀態時輸入單元保護開關5打開(參見圖3),若干輸入單元經限流電阻 6串聯起來承接整流橋4輸出的直流電壓，電容7上的電壓逐漸升高，充電結 束後保護開關5閉合。IGBT元件8開始工作，輸出較高頻率的三相交流電壓。 耦合單元原邊接收這個高頻電壓(參見圖4),經耦合三個副邊連接三個輸出 單元，若干輸出單元串聯成a、 b、 c三相輸出，串聯時要保持相同的極性。停 機時圖3中保護開關5打開，將電容中能量全部利用。本發明的雙串聯高電壓變頻裝置巧妙地藉助於成熟的低電壓通用變頻器 結構，僅增加脈沖變壓器和可控整流元件。試驗證明，與現有技術的同類高電 壓變頻裝置相比，本發明的雙串聯高電壓變頻裝置在效率上、可靠性上和製造 成本上均具有顯著的積極效果。
權利要求
1. 一種雙串聯高電壓變頻裝置，包括輸入單元組、耦合單元組、輸出單元組和控制驅動電路，其特徵在於所述輸入單元組包括多個輸入單元，每個輸入單元有兩個輸入端和三個輸出端，各輸入單元串連起來用於接收輸入直流或將輸入交流整為直流的電力，一個輸入單元對應一個或多個輸出單元；每個輸入單元包括電容、電力電子元件、限流電阻和保護開關，所述電容用於支撐單元電壓，所述電力電子元件組成三相逆變橋，產生高頻交流電壓，所述限流電阻與保護開關並聯，用於裝置啟動和停機時限流，所述保護開關用於啟動結束將電阻旁路，並對裝置起保護作用；所述耦合單元組包括多個耦合單元，每個耦合單元由一個三相脈衝變壓器或三個單相脈衝變壓器組成，處於所述輸入單元和輸出單元之間，用於電壓隔離並傳遞功率和避免輸出被輸入牽制，所述耦合單元的輸入線圈接成星形或三角形，並且與所述的輸入單元組三相逆變橋相連，所述的脈衝變壓器輸出線圈各對應裝置輸出的一相；每個輸出單元包括可控極性的高頻整流電路和電容，高頻整流電路接耦合單元的脈衝變壓器輸出端，濾波器由脈衝變壓器線圈等效電感和電容組成，各輸出單元同極性堆疊成三相輸出。
2、 根據權利要求1所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於所述 的脈衝變壓器輸出線圏除兩端外可帶有中心抽頭。
3、 根據權利要求1所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於 一個 輸出單元可對應一個或多個輸入單元，輸出單元的空間排列順序與其對應的輸 入單元空間排列順序 一致。
4、 根據權利要求1或2或3所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在 於所迷輸出單元由兩組快速反並聯晶閘管和電容組成，兩組反並聯晶閘管的 一端各與所述耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連接，兩組反並聯晶閘管的另一端連在一起接電容一極，電容另一極接耦合單元脈衝變壓器輸出線圏中心抽 頭。
5、 根據權利要求1或2或3所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於 所述輸出單元由四支快恢復整流管、兩支串連的晶閘管及電容組成，兩組串聯 的快恢復整流管中點各與耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連接，其兩陽極連接 串聯的晶閘管的負端，其兩陰極連接串連的晶閘管的正端，所述串連的晶閘管 的中點接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈衝變壓器輸出線圈中心抽頭。
6、 根據權利要求1或2或3所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於 所述輸出單元由四支快恢復整流管、兩支串連的IGBT元件及電容組成，兩組 串聯的快恢復整流管中點各與耦合單元脈衝變壓器一輸出端相連接，其兩陽極 連接串聯的IGBT的負端，其兩陰極連接串連的IGBT的正端，所述串連的IGBT 的中點接電容一極，電容另 一極接耦合單元脈沖變壓器輸出線圏中心抽頭。
7、 根據權利要求1或3所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於所 述輸出單元由快恢復整流管組成的單相整流橋、單相逆變橋、電容組成，在這 種情況下，所述的脈衝變壓器輸出線圏不設中心抽頭。
8、 根據權利要求1所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於所述輸 出單元同極性堆疊成三相輸出是指串聯連接結構，或可變換為並聯連接結構， 以適應恆功率輸出的應用場合。
9、 根據權利要求1所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於所述輸 入單元的保護開關採用低壓開關，所述輸入單元是將低壓通用變頻器的整流橋 去掉，調整低壓通用變頻器的波形發生器或在波形發生器後加裝邏輯轉換電 路，使其調製脈沖變為相鄰極性相反，產生幾千赫茲的高頻波形。
10、 根據權利要求1所述的雙串聯高電壓變頻裝置，其特徵在於控制驅 動電路中數據採集器、開關控制器、波形發生器和通信系統分別與微處理器連 接，驅動器經波形發生器與微處理器連接，各單元可設置自己的微處理器，主 機微處理器通過通信系統與單元微處理器相連，協調運行。
全文摘要
一種高電壓變頻裝置，包括控制驅動電路、輸入單元組、輸出單元組和處於輸入單元和輸出單元之間的耦合單元組。每個耦合單元由三相脈衝變壓器或三個單相脈衝變壓器組成，脈衝變壓器輸出線圈各對應裝置輸出的一相。輸入單元組的每個輸入單元包括支撐單元電壓的電容、組成三相逆變橋的電力電子元件、與保護開關並聯的限流電阻，一個輸入單元對應一個或多個輸出單元。每個輸出單元包括可控極性的高頻整流電路和電容，高頻整流電路接耦合單元的脈衝變壓器輸出端，各輸出單元串聯成三相輸出。輸出單元與其對應的輸入單元空間排列順序一致。本發明通過電力電子器件實現輸入輸出雙串聯，輸入變壓器被革除，使高壓變頻器單位功率成本接近低壓通用變頻器。
文檔編號H02M7/5387GK101232253SQ20071006301
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月24日 優先權日2007年1月24日
發明者馬志剛 申請人:馬志剛