高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器的製作方法

2024-03-06 19:21:15

專利名稱：高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓電動機絕緣柵雙極電晶體(IGBT)並聯斬波式雙 逆變調速技術。廣泛應用於電力、水泥及冶金等行業的風機水泵類負載的 繞線式電動機無級調速，特別適合於繞線式電機的調速技術改造項目。屬 於機電技術領域。
(二)
背景技術：
風機、水泵的應用範圍極廣，其年耗電量約佔總用量的43%。目 前，這類設備大多不能調速，只能採用閥門或擋風板來調節流量以滿 足負荷變化的要求。在低壓系統中，變頻調速技術已經相當成熟，完 全可以滿足國內調速市場的需要。而在大功率(》250kW)高壓系統 中，變頻調速和高頻斬波內反饋調速是目前比較常用的調速方式。
變頻調速串接在電源和電動機之間，因此要承受電動機的全部功 率，變頻調速裝置通過改變定子頻率和電壓來調節電動機轉速，而大 功率電機供電電壓高(3-10kV)，目前電力電子器件的耐壓製造水平低， 變頻器承受較高的電壓，大量的電力電子器件串聯運行，結構複雜。
內反饋調速屬於串級調速的範疇，有移相式和斬波式兩種控制方 式。高頻斬波內反饋調速是電動機轉子側接不可控整流，轉子輸出能
量經過整流變化輸出，通過斬波器進行脈寬調製升壓，然後通過晶閘管逆 變裝置，將電動機轉差率反饋到電動機的附加繞組。其中關鍵技術就是斬 波變流控制。移相式內反饋調速，產生大量的感性無功功率和高次諧波電 流，斬波控制從根本上解決了移相控制的缺點，固定晶閘管逆變器的相角，
通過IGBT斬波開關的通斷，控制反饋功率的大小，因而以較小功率的低 壓設備控制全功率的高壓電動機，功率因數提高，諧波分量減少。但是在 電動機功率較大時，受目前絕緣柵雙極電晶體單管容量的限制，單只絕緣 柵雙極電晶體組成的斬波開關不能滿足要求，需要兩隻甚至多只絕緣柵雙 極電晶體並聯(如圖2所示)，並聯後的電路存在著分流後的均流的問題， 直接並聯運行的絕緣柵雙極電晶體斬波控制方式嚴重降低了系統的可靠 性。
對於基建項目，採用高頻斬波內反饋調速和變頻調速都是可行的 方案。對於改造項目，如原負載電動機是鼠籠式的，可以採用變頻調 速方案，如採用高頻斬波內反饋調速，需要更換成內反饋電動機，原 來的鼠籠電機報廢，增加了大量的投資，另外，更換後的電動機同原 電動機安裝尺寸不匹配，還需要改造電動機安裝基礎，工程量較大。
在水泥、冶金等高耗能行業，存在著大量的繞線式電動機，這部 分電機在進行節能改造時，如果採用變頻調速方案，需要把電動機的 轉子引線短接，但是如果變頻器運行中出現故障，電動機改為工頻運 行時，由於轉子短接後的電動機不能直接啟動(繞線式電動機正常啟 動時，需要在轉子迴路串入電阻實現軟啟動)，需要重新把原來的繞
線電機啟動系統恢復，影響正常的生產並且工程投資和工程量大。如 果採用傳統的串級調速方式，通過逆變變壓器向電網反饋能量，雖然 可以通過斬波控制減少逆變變壓器的容量，功率因數有所提高，但是 由於沒有了內反饋調節線圈的繞組分布消除諧波的效果，以及與高壓 電源的隔離作用，傳統的串級斬波調速方式存在著對電網的諧波影響 大的問題。

發明內容
本發明的第一目的在於克服原串級調速電路中絕緣柵雙極電晶體 並聯時的均流問題，提供一種可以保證每路並聯迴路的絕緣柵雙極晶 體管電流的大小基本一致的高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控 制器。
本發明的第二目的在於對於繞線式電動機調速改造項目，克服採 用高頻斬波內反饋調速需要更換成內反饋電動機的缺點，以及採用高 壓變頻需轉子繞組短接但無法直接工頻啟動的缺點，可以保留原電動 機，提供一種可以通過逆變變壓器同時能夠降低諧波影響，不用再增 加濾波裝置的高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器。
本發明的第三目的在於可以實現多臺調速裝置的並聯運行的高壓 電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器。
本發明的目的是這樣實現的 一種高壓電機並聯斬波和雙逆變調 速節能控制器，其特徵在於所述控制器包括並聯斬波器和雙重逆變 器，
所述並聯斬波器包括平波電抗器Ll、 L2，絕緣柵雙極電晶體Sl、 S2，快恢復二極體D1、 D2和電容器C1、 C2，所述平波電抗器L1和L2 的一端並聯一起接到並聯斬波器輸入正極端(Pl)，平波電抗器L1的另一 端同絕緣柵雙極電晶體Sl正端和快恢復二極體Dl的陽極連接，平波 電抗器L2的另一端同絕緣柵雙電晶體S2正端和快恢復二極體D2的 陽極連接，快恢復二極體D1的陰極與電容器C1的正端連接一起接到 並聯斬波器輸出的正極端(P2)，快恢復二極體D2的陰極與電容器 C2的正端連接一起接到並聯斬波器輸出的正極端(P2)，絕緣柵雙晶 體管Sl的負端和絕緣柵雙極型電晶體S2的負端與電容器Cl的負端 和電容器C2的負端連接一起接到並聯斬波器輸出的負極端(E)，
所述雙重逆變器包括兩個獨立的逆變器Ql、 Q2和一個雙逆變三繞組 變壓器T，所述兩個獨立的逆變器Ql、 Q2並聯連接，逆變器Ql包括6 支晶閘管Q11 Q16和一個電抗器L3，晶閘管Qll的陽極、晶閘管Q13 的陽極和晶閘管Q15的陽極共同連接在一起，連接到電抗器L3的輸出 端；晶閘管Q14的陰極和晶閘管Q16的陰極和晶閘管Q12的陰極共 同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸入負極端(E端)；晶閘管Qll 的陰極和晶閘管Q14的陽極共同連接在一起、晶閘管Q13的陰極和晶 閘管Q16的陽極共同連接在一起以及晶閘管Q15的陰極和晶閘管Q12 的陽極共同連接在一起分別構成逆變器Q1的三相交流輸出端(Al、 Bl、 Cl)，
相同結構的逆變器Q2包括6支晶閘管Q21 Q26和一個電抗器L4，
晶閘管的Q 21陽極、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q25的陽極共同連接在 一起，連接到電抗器L4的輸出端；晶閘管Q24的陰極、晶閘管Q26的陰 極和晶閘管Q22的陰極共同連接在一起，連接到雙重逆變部分的輸入負 極端(E端)；晶閘管Q21的陰極和晶閘管Q24的陽極共同連接在一 起、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q26的陽極共同連接在一起以及晶閘 管Q25的陰極和晶閘管Q22的陽極共同連接在一起分別構成逆變器 Q2的三相交流輸出端(A2、 B2、 C2)，
逆變器Ql的電抗器L3的輸入端和逆變器Q2的電抗器L4的輸 入端共同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸入正極端(P2端)。
所述雙重逆變器的輸入正極端(P2端)和輸入負極端(E)分別 同並聯斬波器的輸出正極端(P2)和輸出負極端(E)連接，
所述雙逆變三繞組變壓器T有三套繞組，其中高壓側有一套繞組， 三相接成Y形，連接到高壓電動機電源入口側U、 V、 W，低壓側有兩套 繞組， 一套繞組Tql三相接成Y形，連接到逆變器Q1的三相交流輸出端 (Al、 Bl、 Cl)，另一套繞組Tq2三相接成A形，連接到逆變器Q2的三 相交流輸出端(A2、 B2、 C2)，
所述低壓側的兩套繞組Tql和Tq2設計為移相繞組，相位相差60° 。
本發明具有如下優點
1、採用本發明絕緣柵雙極電晶體並聯技術，可以保證每路並聯回 路的電流的大小基本一致，解決了原並聯電路中絕緣柵雙極電晶體並 聯時的均流問題，確保每隻IGBT的安全運行。
2、 對於繞線式電動機調速改造項目，可以保留原電動機，利用本 調速系統中的一臺三繞組移相式逆變變壓器，把能量反饋到電動機的 電源入口側，克服了採用高頻斬波內反饋調速更換成內反饋電動機的 缺點，同時由於採用了三繞組逆變變壓器，可以降低諧波影響，不用 再增加濾波裝置。
3、 可以實現多臺調速裝置的並聯運行，特別有利於超大容量電機 的運行控制。例如，可以將兩臺3500KW的調速裝置並聯運行，控制 一臺7000KW的繞線電動機、雙饋電動機或內反饋電動機調速運行， 本發明特別適合用于于大型水泵電機(功率大於5000KW)的調速運 行。
(四)


圖1為本發明高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器的電路圖。 圖2為常規的斬波器並聯電路圖。 圖3為本發明的雙重逆變器電路運行電流的矢量圖。 圖4為本發明的雙重逆變器電路運行電流的波形圖。 圖5為採用本發明高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器的 調速裝置並聯運行的電路框圖。
圖6為本發明應用於普通繞線式高壓電動機的電路框圖一。
圖7為本發明應用於內反饋式高壓電動機的電路框圖二。
圖8為本發明應用於繞籠式無滑環高壓電動機的電路框圖三。
(五)
具體實施例方式
參見圖1，本發明涉及的高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控 制器，由並聯斬波器和雙重逆變器兩部分組成。
參見圖1的A部分並聯斬波器所述並聯斬波器由平波電抗器
Ll、 L2，絕緣柵雙極電晶體S1、 S2，快恢復二極體D1、 D2和電容器 Cl、 C2組成。其用途為將輸入到並聯斬波器正極端(Pl)和負極端
(E)的直流低電壓ul升高到逆變需要的高電壓u2。所述平波電抗器 Ll和L2的一端並聯一起接到並聯斬波器輸入正極端(Pl)，平波電 抗器Ll的另一端同絕緣柵雙極電晶體Sl正端和快恢復二極體Dl的 陽極連接，平波電抗器L2的另一端同絕緣柵雙電晶體S2正端和快恢 復二極體D2的陽極連接，快恢復二極體D1的陰極與電容器C1的正 端連接一起接到並聯斬波器輸出的正極端(P2)，快恢復二極體D2的 陰極與電容器C2的正端連接一起接到並聯斬波器輸出的正極端(P2)， 絕緣柵雙電晶體Sl的負端和絕緣柵雙極型電晶體S2的負端與電容器 Cl的負端和電容器C2的負端連接一起接到並聯斬波器輸出的負極端
(E)。
與以往直接並聯的絕緣柵雙極電晶體電路(圖2)相比，本發明 並聯斬波器的拓撲電路結構不同，圖2中的平波電抗器Ll，和電容器 C1'在本發明中分為兩個平波電抗器L1、 L2和兩個電容器C1、 C2 。 在圖2中，絕緣柵雙極電晶體Sl'和S2'直接並聯，為了保證兩隻絕 緣柵雙極電晶體儘可能的電流一致，必須選用門極特性及開通和關斷 時間等儘量接近的絕緣柵雙極電晶體，並且絕緣柵雙極電晶體的特性參數與溫度有關，因此其散熱條件也應儘可能的一致。
在本發明的並聯斬波器中，由於兩隻絕緣柵雙極電晶體不是直接
並聯，只要二極體D1和二極體D2輸出的電壓相等，就能保證兩隻絕
緣柵雙極電晶體的正常工作，否則，如果某隻二極體輸出電壓高，那 麼另一隻二極體就會因承受反向電壓而截至，所有電流只從一個絕緣
柵雙極電晶體流過，就會造成絕緣柵雙極電晶體過流。
本發明中的絕緣柵雙極電晶體工作在脈寬調製(PWM)開關狀態 下，絕緣柵雙電晶體Sl和S2的門極端Gl與G2相連，輸入相同的 脈寬調製(PWM)驅動信號。通電後，電源先通過平波電抗器L1和 二極體Dl對電容器Cl充電，然後以一定的頻率使絕緣柵雙極電晶體 Sl導通關斷。當絕緣柵雙極電晶體Sl導通時，平波電抗器Ll開始儲 能，當絕緣柵雙極電晶體Sl關斷時，平波電抗器L1的反電動勢改變 方向，二極體D1開始導通，ul加上L1的反電動勢，經二極體D1向 電容器C1充電並向負載提供電流，另一併聯的絕緣柵雙電晶體S2、 平波電抗器L2、 二極體D2和電容器C2電路的工作過程和上面描述 的相同。輸出電壓u2和輸入電壓ul的關係為
formula see original document page 11
式中 ^一開關S1的開關周期
-8-
r一開關Sl的導通時間
由式(l)可以看出，輸出電壓u2隻與輸入電壓ul、 Sl的開關頻率 和Sl的導通時間有關，而與平波電抗器Ll、 L2以及絕緣柵雙電晶體 Sl、 S2的特性參數無關，這就保證了二極體Dl和二極體D2的輸出 電壓相等，因此每路並聯迴路的電流的大小也基本一致，克服了原並 聯電路中絕緣柵雙電晶體並聯時的均流問題，確保了每隻絕緣柵雙晶 體管的安全運行。
由式(l)可以看出，增大絕緣柵雙電晶體Sl的導通時間、輸出電 壓u2將高於輸入電壓ul，斬波器的這一特性，恰好滿足了電機在高 速段運行時調速的需要，因為電極運行在高速段時，轉子的輸出電壓 小，整流後的直流電壓連接到圖1的Pl和E端，通過控制斬波電路 的導通時間r，就可以升高逆變器的直流側電壓，保證了電機在整個 調速範圍的運行。
參見圖1的B部分雙重逆變器部分。雙重逆變器的輸入正極端 (P2 )和負極端(E)分別同並聯斬波器的輸出正極端(P2)和輸出 負極端(E)連接。雙重逆變器由兩個獨立的逆變器Ql、 Q2和一個 雙逆變三繞組變壓器T組成。所述兩個獨立的逆變器Q1、 Q2並聯連 接。
逆變器Q1由6支晶閘管Q11 Q16和一個電抗器L3組成。晶閘 管Qll的陽極、晶閘管Q13的陽極和晶閘管Q15的陽極共同連接在 一起，連接到電抗器L3的輸出端；晶閘管Q14的陰極和晶閘管Q16 的陰極和晶閘管Q12的陰極共同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸
入負極端(E端)；晶閘管Qll的陰極和晶閘管Q14的陽極共同連接 在一起、晶閘管Q13的陰極和晶閘管Q16的陽極共同連接在一起以及 晶閘管Q15的陰極和晶閘管Q12的陽極共同連接在一起分別構成逆變 器Q1的三相交流輸出端(Al、 Bl、 Cl)。
相同結構的逆變器Q2由6支晶閘管Q21 Q26和一個電抗器L4 組成。晶閘管的Q21陽極、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q25的陽極 共同連接在一起，連接到電抗器L4的輸出端；晶閘管Q24的陰極、 晶閘管Q26的陰極和晶閘管Q22的陰極共同連接在一起，連接到雙重 逆變器的輸入負極端(E端)；晶閘管Q21的陰極和晶閘管Q24的陽 極共同連接在一起、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q26的陽極共同連接 在一起以及晶閘管Q25的陰極和晶閘管Q22的陽極共同連接在一起分 別構成逆變器Q2的三相交流輸出端(A2、 B2、 C2)。
逆變器Ql的電抗器L3的輸入端和逆變器Q2的電抗器L4的輸 入端共同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸入正極端(P2端)。
所述雙逆變三繞組變壓器T有三套繞組，其中高壓側有一套繞組， 三相接成Y形，連接到高壓電動機電源入口側U、 V、 W。低壓側有 兩套繞組， 一套繞組Tql三相接成Y形，連接到逆變器Q1的三相交 流輸出端(Al、 Bl、 Cl)，另一套繞組Tq2三相接成A形，連接到逆 變器Q2的三相交流輸出端(A2、 B2、 C2)。用於將直流電逆變成50Hz 的交流電；雙逆變三繞組變壓器T用於將逆變器生成的低電壓變換成高 電壓，反饋到電動機高壓入口側。
低壓側的兩套繞組Tql和Tq2設計為移相繞組，相位相差6 0 ° ，如 圖3所示矢量圖，Tql繞組的電流Ila、 Ilb、 Ilc比Tq2繞組的電流12a、 12b、 12c相位超前60。，逆變電流波形如圖4所示，矢量合成後的逆變變 壓器高壓側電流Iu、 Iv、 Iw波形諧波含量明顯的減少。因此，通過雙重逆 變後逆變變壓器T輸出電流波形中的諧波成分大幅減少，在不採取任何濾 波措施的情況下，電能質量的標準完全能夠滿足"GB/T 14549電能質 量公用電網諧波"的要求。
參見圖5，採用本發明高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器的 調速裝置可以很方便上的實現調速裝置的並聯運行，該發明可以採用 簡單並且低成本的方法解決大容量繞線電機的調速運行可靠性問題。總 所周知，目前大功率電力電子器件的耐壓等級和額定電流受器件製造水平 和價格的限制，大容量電機(功率超過5000KW)的高壓電機實現調速運 行的代價是很高的，電力電子器件的直接並聯和串聯將會帶來均壓和均流 以及可靠性等多方面的問題。採用該發明的技術可以直接將應用成熟並且 性價比合適的IGBT並聯斬波式雙逆變調速技術的調速裝置直接並聯運行， 實現多臺調速裝置的並聯運行，特別有利於超大容量電機的運行控制。
圖6、圖7、圖8為本發明在不同電機上的應用情況。圖6是本發明在 繞線電機上的應用原理框圖，圖7是本發明在內反饋電機上的應用原理框 圖，圖8是本發明在繞籠電機上的應用原理框圖。
1權利要求
1、一種高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器，其特徵在於所述控制器包括並聯斬波器和雙重逆變器，所述並聯斬波器包括平波電抗器L1、L2，絕緣柵雙極電晶體S1、S2，快恢復二極體D1、D2和電容器C1、C2，所述平波電抗器L1和L2的一端並聯一起接到並聯斬波器輸入正極端(P1)，平波電抗器L1的另一端同絕緣柵雙極電晶體S1正端和快恢復二極體D1的陽極連接，平波電抗器L2的另一端同絕緣柵雙電晶體S2正端和快恢復二極體D2的陽極連接，快恢復二極體D1的陰極與電容器C1的正端連接一起接到並聯斬波器輸出的正極端(P2)，快恢復二極體D2的陰極與電容器C2的正端連接一起接到並聯斬波器輸出的正極端(P2)，絕緣柵雙電晶體S1的負端和絕緣柵雙極型電晶體S2的負端與電容器C1的負端和電容器C2的負端連接一起接到並聯斬波器輸出的負極端(E)，所述雙重逆變器包括兩個獨立的逆變器Q1、Q2和一個雙逆變三繞組變壓器T，所述兩個獨立的逆變器Q1、Q2並聯連接，逆變器Q1包括6支晶閘管Q11～Q16和一個電抗器L3，晶閘管Q11的陽極、晶閘管Q13的陽極和晶閘管Q15的陽極共同連接在一起，連接到電抗器L3的輸出端；晶閘管Q14的陰極和晶閘管Q16的陰極和晶閘管Q12的陰極共同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸入負極端(E端)；晶閘管Q11的陰極和晶閘管Q14的陽極共同連接在一起、晶閘管Q13的陰極和晶閘管Q16的陽極共同連接在一起以及晶閘管Q15的陰極和晶閘管Q12的陽極共同連接在一起分別構成逆變器Q1的三相交流輸出端(A1、B1、C1)，相同結構的逆變器Q2包括6支晶閘管Q21～Q26和一個電抗器L4，晶閘管的Q21陽極、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q25的陽極共同連接在一起，連接到電抗器L4的輸出端；晶閘管Q24的陰極、晶閘管Q26的陰極和晶閘管Q22的陰極共同連接在一起，連接到雙重逆變部分的輸入負極端(E端)；晶閘管Q21的陰極和晶閘管Q24的陽極共同連接在一起、晶閘管Q23的陰極和晶閘管Q26的陽極共同連接在一起以及晶閘管Q25的陰極和晶閘管Q22的陽極共同連接在一起分別構成逆變器Q2的三相交流輸出端(A2、B2、C2)，逆變器Q1的電抗器L3的輸入端和逆變器Q2的電抗器L4的輸入端共同連接在一起，連接到雙重逆變器的輸入正極端(P2端)，所述雙重逆變器的輸入正極端(P2端)和輸入負極端(E)分別同並聯斬波器的輸出正極端(P2)和輸出負極端(E)連接，所述雙逆變三繞組變壓器T有三套繞組，其中高壓側有一套繞組，三相接成Y形，連接到高壓電動機電源入口側U、V、W，低壓側有兩套繞組，一套繞組Tq1三相接成Y形，連接到逆變器Q1的三相交流輸出端(A1、B1、C1)，另一套繞組Tq2三相接成Δ形，連接到逆變器Q2的三相交流輸出端(A2、B2、C2)，所述低壓側的兩套繞組Tq1和Tq2設計為移相繞組，相位相差60°。
全文摘要
本發明一種高壓電機並聯斬波和雙逆變調速節能控制器，應用於電力、水泥及冶金等行業的風機水泵類負載的繞線式電動機無級調速。包括並聯斬波器和雙重逆變器，並聯斬波器包括平波電抗器L1、L2，絕緣柵雙極電晶體S1、S2，快恢復二極體D1、D2和電容器C1、C2，雙重逆變器包括兩個獨立的逆變器Q1、Q2和一個雙逆變三繞組變壓器T，逆變器Q1包括6支晶閘管Q11～Q16和一個電抗器L3，逆變器Q2包括6支晶閘管Q21～Q26和一個電抗器L4，雙逆變三繞組變壓器T有三套繞組，其中高壓側有一套繞組，三相接成Y形，低壓側有兩套繞組，一套繞組Tq1三相接成Y形，另一套繞組Tq2三相接成△形。本發明可以保證每路並聯迴路的絕緣柵雙極電晶體電流的大小基本一致。
文檔編號H02M7/505GK101378244SQ20081015540
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月28日 優先權日2008年9月28日
發明者張建興, 殷祥芬 申請人:江蘇方程電力科技有限公司