CN101826838A - 一种高能效igbt直接串联多电平高压变频调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置。本发明包括：与电网连接的具有六相输出的输入单元，所述的输入单元与单臂为8只IGBT的集电极与发射极依次连接形成的上下对称的3臂5电平逆变单元，每臂的8只IGBT每两只连接的IGBT合为一组，两组IGBT之间的连接点同对称桥臂的对应的IGBT组之间以两只二极管相连接，所述的逆变单元通过输出电抗器与电机连接。IGBT串联使用，每个桥臂有8只IGBT，设备的电压等级可以轻松达到10kV。每个桥臂的8只IGBT两两分组，带有均衡二极管，电源电路简单、稳定。上下对称的桥臂之间输出的线间电平达到11电平，非常接近正弦波，输入及输出侧谐波含量小。
Description
技术领域
本发明涉及一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置，是一种电子装置，是一种用于数千伏、数十千伏的高电压调速变频装置。
背景技术
目前，在世界上交流电动机的传动领域，变频调速技术的运用已经比较成熟，特别是在低压变频调速技术方面。但是在高压变频领域，由于组成变频器的功率器件耐压值有限，所以目前还没有像低压变频器一样的成熟一致的拓扑结构。现在高压变频领域比较多的是单元串联多重化电压源型变频器。就是利用低压单相变频器串联，来弥补功率器件IGBT耐压能力的不足。所谓多重化技术，就是每相由几个低压功率单元串联而成，各功率单元由一个多绕组移相隔离变压器供电，用数字信号处理器实现控制并以光纤来隔离驱动。该结构的问题较多，例如，功率器件数量过多，无法实现能量回馈及四象限运行，故障点多，轻负载时效率低于90%。基于这些问题，提出了直接串联IGBT的方式，例如：中国专利《IGBT直接串联高压变频器》（专利号：ZL200720148107.6，公告日：2008年4月30日）。该专利虽然在一定程度上解决了上述的问题，但又产生了新的问题，例如：动态与静态均压、控制信号的同步、输出侧谐波畸变率高、需要加装正弦滤波器等问题。更重要的是使用上述专利的3电平技术方案，就现有的IGBT元件的耐压还不足以达到数十千伏的变频控制水平。
发明内容
本发明的目的是提出一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置，所述的装置将IGBT串联使用，形成的上下对称的3个桥臂5电平逆变单元，每个桥臂有8只IGBT，设备的电压等级可以轻松达到10kV。
本发明的目的是这样实现的：一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置，所述的装置包括：与电网连接的具有六相输出的输入单元，所述的输入单元与单臂为8只IGBT的集电极与发射极依次连接形成的上下对称的3臂5电平逆变单元，每臂的8只IGBT每两只连接的IGBT合为一组，两组IGBT之间的连接点同对称桥臂的对应的IGBT组之间以两只二极管相连接，所述的逆变单元通过输出电抗器与电机连接。
本发明产生的有益效果是：IGBT串联使用，每个桥臂有8只IGBT，设备的电压等级可以轻松达到10kV。每个桥臂的8只IGBT两两分组，形成5电平运行，并带有均衡二极管，电源电路简单、稳定。上下对称的桥臂之间输出的线间电平达到11电平，非常接近正弦波，输入及输出侧谐波含量小，dv/dt、di/dt小。结构简洁，有利于控制成本，同时也便于维护。电网高压经过移相电抗器，直接经过高压二极管整流、滤波后，由逆变器进行逆变，通过输出电抗器到电机。由于移相电抗器是串联在主电路中，需要的移相线圈匝数很少，与移相变压器相比，体积和重量要小得多，从而可大大降低移相电路的成本。而且输出侧不需要连接LC滤波器，可以简单易行地实现高压变频调速功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是发明实施例一所述装置的拓扑结构主电路图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置，如图1所示。本实施例所述的装置包括：与电网连接的具有六相输出的输入单元，所述的输入单元与单臂为8只IGBT的集电极与发射极依次连接形成的上下对称的3臂5电平逆变单元，每臂的8只IGBT每两只连接的IGBT合为一组，两组IGBT之间的连接点同对称桥臂的对应的IGBT组之间以两只二极管相连接，所述的逆变单元通过输出电抗器与电机连接。
在现有IGBT元件的耐压基础上，要提高变频器的高压变频调速功能，不是简单的将多个IGBT直接串联了事。因为IGBT开关时间短，以微秒为单位，很难保证所有的管子串联同时开关。如果开关时间不一致，有的开的早，那么所有的电压都将会加在晚开的管子上，那么这个晚开的管子所承受的电压将会超过其耐压限制，从而导致此器件损坏，从而引起连锁反应，使整串的管子全部损坏。
本实施例将8只IGBT的集电极与发射极依次连接，形成8只IGBT的串联，组成逆变桥一相的一个桥臂，上下对称的一对桥臂组成逆变电路的一相，三组对称的桥臂组成三相全桥逆变电路。IGBT在串联时时常会出现的动态不均压的问题，引起其不均匀的因素比较多，如门槛电压、输出电容、密勒电容及栅极电阻、栅极驱动电压波形等。这些因素共同影响串联IGBT开通及关断时间的一致性，使得直接串联的动态均压复杂化。串联IGBT实行均压的目的是为了保证在开通、关断瞬间对每个IGBT的过电压保持均衡，因而要求控制电路的响应时快速的，不允许产生更多的损耗和降低***的开关频率。基于此，本实施例采取了如下的一些措施来进行串联IGBT的动态均压。a、选用相同型号的IGBT；b、选择合适的吸收电路，吸收电路参数和结构应保持一致；c、门极驱动信号保持一致；d、门极电路参数保持一致；e、每相上每只桥臂的8只IGBT每两两为一组，同对称桥臂的对应的IGBT组之间以两只二极管相连接。两只二极管起到钳位作用，使其两只二极管连接点处的电压基本保持为直流电源电压的一半，当两只二极管中某一只的管子两端出现过冲电压大于直流电压一半的时候，相应的二极管导通，将端电压钳制为直流电压的一半，避免了过电压对器件的损坏，同时起到了对每只管子均压的作用。
输入单元可以有多种形式，传统的三相全桥不控整流方式在运行时向电网注入谐波电流，由此带来交流电网波形畸变和***的传导、辐射干扰，使电力***中某些设备不能正常工作甚至损坏。解决这个问题的方案之一就是增加整流相数，本实施例采用了六相全桥整流电路，并且利用4只IGBT使整流环节具有可控性，使得其di/dt与du/dt大大降低，从而减少了电网侧的谐波畸变率。
实施例二：
本实施例是实施一的改进，是实施例一关于输入单元的细化。本实施例所述的输入单元包括：与电网连接的三相移相电抗器，所述的三相移相电抗器与六相整流电路连接；所述的六相整流电路由12只高压整流二极管两两串联形成6组二极管组，所述6组二极管组并联，并且与4只集电极和发射极串联的IGBT而形成的整流控制电路并联构成；所述的六相整流电路与由直流电感器、电容滤波器和电阻器组成的滤波电路并联连接，滤波电路与所述逆变单元连接。
本实施例输入单元的移相电抗器的作用是用来削弱或消除电力半导体变流装置和非线性负载产生的谐波电流和电压对供电***的影响。考虑到三相对称供电***中一般以5、7、11和13次谐波含量较大且对***影响较为严重，故移相电抗器可主要针对综合削弱这几次谐波来设计。
实施例三：
本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于输入电抗器的细化。本实施例所述的三相移相电抗器为五柱式铁心的三相移相电抗器。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如输入单元的形式、IGBT的串联和分组、输出电抗器的安排等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置，所述的装置包括：与电网连接的具有六相输出的输入单元，其特征在于，所述的输入单元与单臂为8只IGBT的集电极与发射极依次连接形成的上下对称的3臂5电平逆变单元，每臂的8只IGBT每两只连接的IGBT合为一组，两组IGBT之间的连接点同对称桥臂的对应的IGBT组之间以两只二极管相连接，所述的逆变单元通过输出电抗器与电机连接。
2.根据权利要求1所述的变频调速装置，其特征在于，所述的输入单元包括：与电网连接的三相移相电抗器，所述的三相移相电抗器与六相整流电路连接；所述的六相整流电路由12只高压整流二极管两两串联形成6组二极管组，所述6组二极管组并联，并且与4只集电极和发射极串联的IGBT而形成的整流控制电路并联构成；所述的六相整流电路与由直流电感器、电容滤波器和电阻器组成的滤波电路并联连接，滤波电路与所述逆变单元连接。
3.根据权利要求2所述的变频调速装置，其特征在于，所述的三相移相电抗器为五柱式铁心的三相移相电抗器。
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