一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路及其控制方法
2023-04-27 15:27:41 1
專利名稱：一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用於高壓變頻器的預充電電路及其控制方法，特別是一種通過晶 閘管產生激磁電流對變壓器進行勵磁，從而避免了激磁電流在限流電阻上消耗較大功率的 預充電電路，屬於高壓變頻器技術領域。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，變頻器作為電力電子技術發展的產物，在國民經濟的 各個領域如冶金、石化、自來水、電力等行業得到廣泛的應用，並發揮著越來越重要的作用， 特別是，高壓大功率變頻器的應用日漸廣泛。在高壓變頻器中，由功率單元(又稱功率模塊、變流單元，如圖2所示)串聯構成 的高壓大功率變頻器(如圖1所示)作為適合中國國情、性能優異的變頻器，受到眾多變頻 器生產廠商、科研院所、工程技術人員、用戶的青睞。高壓大功率變頻器有多種拓撲結構，篇幅所限，本說明書僅針對在市場上應用最 為廣泛的單元串聯多電平型高壓變頻器進行敘述。本專利所述技術應用於其他拓撲結構的 高壓變頻器時，其工作原理、拓撲結構、控制方法與本說明書的敘述完全相同。這種高壓變頻器結構已經在中國發明專利ZL97100477. 3中公開。該高壓變頻器 在電網側有一個整流變壓器，此整流變壓器有多個副邊繞組，為了抑制對電網的諧波，這些 副邊繞組常常採用曲折繞法，達到移相的效果，分別給各個串聯的功率單元供電。每個功率 單元為3相輸入、單相輸出的電壓源型變頻器。在電路原理上，此整流變壓器起到了隔離的作用，使各功率單元相互之間在輸入 側隔離，這樣，由於功率單元的逆變橋在輸出側相互串聯，功率單元的整體電位(電勢)就 會逐級提高。通常，此整流變壓器有一個輔助繞組，為變頻器的冷卻風機供電。目前，高壓變頻器在高壓上電時，通常採用直接衝擊的方法，即直接閉合為其供電 的高壓斷路器。用這種方法在高壓上電時，會對高壓電網產生7至10倍於額定電流的衝擊 電流，影響電網的安全、穩定運行。同時，會對功率單元內的直流電容和整流器件產生很大 的衝擊電流，影響其使用壽命。一種解決方法是在變頻器的高壓輸入側安裝激磁湧流抑制電路。該電路由限流電 阻和與之並聯的高壓開關(高壓真空斷路器或者高壓真空接觸器)組成。該電路串聯在高 壓電源與高壓變頻器的輸入端之間。在高壓上電前，高壓開關處於斷開狀態，通過限流電阻 對高壓變頻器進行充電，充電完成後，閉合高壓開關，充電過程結束。由於該電路屬於高壓 電路，所用的器件為高壓器件，所以成本遠高於本專利所述電路，體積也遠大於本專利所述 電路。另一種解決方法是通過低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過 變壓器在副邊繞組上產生感應電壓，對功率單元的直流電容進行充電。隨著充電過程的進行，逐漸用交流接觸器旁路掉部分限流電阻，充電完成後，斷開充電電路，閉合高壓斷路器。 這種方法雖然能夠實現用低壓電源對變頻器的充電，但是存在著一些問題第一，由於整流 變壓器整機的額定容量遠大於其輔助繞組的額定容量，因此通過輔助繞組激磁時，穩態激 磁電流非常大，過大的激磁電流會在限流電阻上產生過大的電壓降，如果選擇較少的交流 接觸器，每次旁路的電阻阻值較大，則每次旁路突加在輔助繞組上的電壓較高，從而每次用 交流接觸器旁路電阻時會對低壓電源產生很大的衝擊電流，同時也對功率單元中的直流電 容有一定的衝擊，如果選擇較多的交流接觸器，則成本較高；第二，如果為了節省成本，省去 最後一級交流接觸器，在斷開充電電路前未旁路所有限流電阻，則考慮到電阻上的電壓降， 預充電是不充分的，在高壓上電時仍會有衝擊電流；第三，由於過大的激磁電流使電阻嚴重 發熱，因而此電路需要採用大功率電阻，體積大，成本高，效率低。
發明內容
本發明的發明目的是解決現有技術中存在的問題，提供一種通過晶閘管產生激磁 電流對變壓器進行勵磁的預充電電路及其控制方法，避免了變壓器激磁電流對預充電的影 響，最大限度地降低了電路損耗，提高了系統效率，降低了系統成本，降低了上電過程對電 網和功率單元的衝擊。本發明的發明目的是通過下述技術方案予以實現的一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於，包括輔助繞組、 晶閘管調壓器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側，與該原邊繞組相對應；所述晶閘管調 壓器串聯在輔助繞組和三相交流低壓電源之間；該晶間管調壓器的輸入端與三相交流低壓 電源相連，其輸出端與輔助繞組相連。在所述晶閘管調壓器的輸出端與輔助繞組之間還可以設置有濾波器。所述濾波器為LC濾波器或者RC濾波器。在所述晶閘管調壓器的輸入側和/或輸出側可以安裝有交流接觸器。所述的三相交流低壓電源一般採用用戶現場為高壓變頻器提供的380V控制電 源，在條件允許的情況下，儘量選擇與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源。一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電控制方法，包括如下步驟(1)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶閘管調壓器處於封鎖狀態；(2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從 180度逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；(3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，封鎖該晶閘管調壓器；(4)當封鎖晶閘管調壓器後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器，使高 壓變頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電控制方法，用於低壓電源與高壓電源 相位相同的情形，包括如下步驟(al)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶閘管調壓器處於封鎖狀態；(a2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從 180度逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；
(a3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高 壓斷路器，使高壓變頻器接入高壓電源；(a4)當檢測到高壓斷路器閉合後，封鎖該晶閘管調壓器，完成高壓變頻器高壓上 電過程。本發明的有益效果是該充電電路通過用晶閘管調壓組替代現有的限流電阻產生 激磁電流對變壓器進行勵磁，避免了變壓器激磁電流對預充電的影響，最大限度地降低了 電路損耗，提高了系統效率，降低了系統成本，降低了上電過程對電網和功率單元的衝擊。
圖1為單元串聯多電平高壓變頻器的結構；圖2為典型的功率單元結構；圖3為用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。圖3是用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路的電路圖。如圖所示，高壓變 頻器的整流變壓器1包括有原邊繞組2和副邊繞組3。所述用於高壓變頻器的諧振式預充 電電路設置在整流變壓器1的副邊側，包括輔助繞組4、晶間管調壓器6和三相交流低壓 電源8。所述輔助繞組4設置在整流變壓器的副邊側，與該原邊繞組2相對應。所述晶閘 管調壓器6串聯在輔助繞組4和三相交流低壓電源8之間。該晶閘管調壓器6的輸入端與 三相交流低壓電源8相連，其輸出端與輔助繞組4相連。如上述結構的晶閘管調壓式預充電電路相較於現有高壓變頻器的預充電電路其 主要特點是通過晶閘管調壓器替代現有預充電電路中的限流電阻的作用，使得三相交流低 壓電源對高壓變頻器的充電過程通過晶間管調壓器進行調壓控制。所謂晶間管是一種可以 控制電路導通或者截止的電力電子器件，其接收到觸發脈衝後，使電路導通，允許流過正向 電流，正向電流降低至零後，恢復到截止狀態，直至下一次觸發脈衝信號到來。在交流應用 領域，一般將兩個晶閘管反向並聯，構成雙向晶閘管。包含一個雙向晶閘管及其控制電路的 設備為單相晶間管調壓器，包含分布於三相的三個雙向晶間管及其控制電路的設備為三相 晶閘管調壓器。晶閘管交流調壓器可以通過改變觸發脈衝對應電網電壓的角度(稱為觸發 角)，實現其輸出電壓有效值的漸進、無級的調節。觸發角為180度時，晶閘管導通後，由於 其兩端的電壓立即變為負值，因此立即截止，從而輸出電壓為0 ；逐漸降低觸發角後，從晶 閘管導通到截止的時間將逐漸增長，通過晶閘管傳遞至其輸出側的電壓維持的時間也就逐 漸增長，因而其輸出電壓的有效值將逐漸增加；觸發角降低至0時，正向晶閘管截止後將立 即觸發反向晶間管，因此晶間管調壓器的輸出電壓與電源電壓相同。對於高壓變頻器來說， 通過採用晶間管調壓器，可以從零開始逐漸提升變壓器輔助繞組的電壓，進而可以實現對 變壓器的柔性的激磁和對功率單元內直流電容的緩慢充電。在這一過程中，其充電的時間 和速度完全受控，因此相比採用限流電阻的現有技術來說，充電過程可控性更強、更柔和。 由於晶閘管的內電阻阻值遠遠小於現有技術採用的限流電阻，因此充電過程功率消耗和發
5熱更小，效率更高。所述三相交流低壓電源8 一般採用用戶現場為高壓變頻器提供的380V控制電源。 該三相交流低壓電源8即可以選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源，也 可以選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位不同的低壓電源。但是，當該三相交流低壓電 源8選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位不同的低壓電源時，由於變壓器存在激磁湧 流，這種情形下在高壓上電時，對高壓電網仍可能產生衝擊電流。因此，為了儘可能減小衝 擊電流對高壓電網的衝擊影響，在有條件的情況下應儘量選用與高壓變頻器接入的高壓電 源相位相同的低壓電源作為三相交流低壓電源。另外，根據需要，在所述晶閘管調壓器6的輸出端與輔助繞組4之間還可設置有濾 波器5，用以降低晶閘管調壓器6輸出電壓的諧波並補償一定的充電所需無功功率。該濾波 器5可以採用LC濾波器或者RC濾波器。除此之外，有時為了避免在高壓上電後晶閘管調壓器長期帶電，或者避免高壓電 源與三相交流低壓電源在主變壓器以外的地方耦合，可在晶間管調壓器的輸入側和/或輸 出側安裝交流接觸器，使晶間管調壓器在非預充電狀態下與三相交流低壓電源/整流變壓 器進行電氣隔離。該晶閘管調壓器6容量選用原則為其額定輸出電流不低於整流變壓器依賴輔助 繞組4進行激磁時的激磁電流，一般選為該值的2至3倍，以避免充電時晶閘管調壓器6發 生過載。基於上述設計的用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路，其充電過程控制方 法具體包括如下步驟(1)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶閘管調壓器處於封鎖狀態；此時，由於晶閘管調壓器處於封鎖狀態，三相交流低壓電源不向高壓變頻器充電。(2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從 180度逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；(3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，封鎖該晶閘管調壓器，即停止三相交流 低壓電源對高壓變頻器充電；(4)當封鎖晶閘管調壓器後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器，使高 壓變頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。如前所述，當該三相交流低壓電源8選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位不同 的低壓電源時，由於變壓器存在激磁湧流，這種情形下在高壓上電時，對高壓電網仍可能產 生衝擊電流。因此，依據上述控制方法高壓上電的高壓變頻器仍然會對高壓電網產生衝擊 電流。為避免這一情況，在有條件的情況下應選用與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同 的低壓電源作為三相交流低壓電源。在這種情況下，上述充電過程控制方法則可調整為如 下步驟(al)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶閘管調壓器處於封鎖狀態；(a2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從 180度逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；(a3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高 壓斷路器，使高壓變頻器接入高壓電源；
(a4)當檢測到高壓斷路器閉合後，封鎖該晶閘管調壓器，完成高壓變頻器高壓上 電過程。綜上所述，本發明所設計的用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路及其控制 方法是通過用晶間管調壓器替代現有的限流電阻產生激磁電流對變壓器進行勵磁，避免了 變壓器激磁電流對預充電的影響，最大限度地降低了電路損耗，提高了系統效率，降低了系 統成本，降低了上電過程對電網和功率單元的衝擊。本領域一般技術人員基於上述設計思 想所做的任何不具有創造性的改造，均應視為在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於，包括輔助繞組、晶閘管調壓器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側，與該原邊繞組相對應；所述晶閘管調壓器串聯在輔助繞組和三相交流低壓電源之間；該晶閘管調壓器的輸入端與三相交流低壓電源相連，其輸出端與輔助繞組相連。
2.如權利要求1所述的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於在所述晶閘管調壓器 的輸出端與輔助繞組之間還設置有濾波器。
3.如權利要求2所述的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於所述濾波器為LC濾波 器或者RC濾波器。
4.如權利要求1或2或3所述的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於在所述晶閘 管調壓器的輸入側和/或輸出側安裝有交流接觸器。
5.如權利要求1或2或3所述的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於所述三相交 流低壓電源為與高壓變頻器接入的高壓電源相位相同的低壓電源。
6.一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電控制方法，基於權利要求1或2或3或 4所述的預充電電路實現，其特徵在於，包括如下步驟(1)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶間管調壓器處於封鎖狀態；(2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從180度 逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；(3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，封鎖該晶閘管調壓器；(4)當封鎖晶間管調壓器後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷路器，使高壓變 頻器接入高壓電源，完成高壓變頻器高壓上電過程。
7.一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電控制方法，基於權利要求5所述的預充 電電路實現，其特徵在於，包括如下步驟(al)高壓變頻器在準備高壓上電前，所述晶間管調壓器處於封鎖狀態；(a2)當高壓變頻器準備高壓上電時，啟動該晶閘管調壓器，並按照預設的時間從180 度逐漸減小晶閘管調壓器的觸發角，提高其輸出電壓；(a3)當晶閘管調壓器的觸發角調至0度後，閉合為高壓變頻器提供高壓電源的高壓斷 路器，使高壓變頻器接入高壓電源；(a4)當檢測到高壓斷路器閉合後，封鎖該晶間管調壓器，完成高壓變頻器高壓上電過
全文摘要
本發明提供了一種用於高壓變頻器的晶閘管調壓式預充電電路，其特徵在於，包括輔助繞組、晶閘管調壓器和三相交流低壓電源；所述輔助繞組設置在整流變壓器的副邊側，與該原邊繞組相對應；所述晶閘管調壓器串聯在輔助繞組和三相交流低壓電源之間；該晶閘管調壓器的輸入端與三相交流低壓電源相連，其輸出端與輔助繞組相連。通過用晶閘管調壓組替代現有的限流電阻產生激磁電流對變壓器進行勵磁，避免了變壓器激磁電流對預充電的影響，最大限度地降低了電路損耗，提高了系統效率，降低了系統成本，降低了上電過程對電網和功率單元的衝擊。
文檔編號H02M5/451GK101860229SQ201010136520
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月29日 優先權日2010年3月29日
發明者馬永健 申請人:北京利德華福電氣技術有限公司