CN102158097B - 一种能量回馈型功率单元串联高压变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能量回馈型功率单元串联高压变频器，包括主变压器、电抗器、功率单元和主控制器等；所述主变压器为三相多副边绕组变压器，所述的副边绕组每组数量相同，且每组副边绕组包含有相同的三路，所述每路包括匝数相同的三个绕组，所述三个绕组分别对应主变压器的三相；各个绕组分别通过电抗器连接对应的一个功率单元；所述功率单元对应高压变频器的三相输出分成数量相同的三组；同相输出的功率单元逆变桥的交流侧依次串联获得高压相电压，对应高压变频器各输出相的功率单元输出链的一端连接在一起，另一端分别作为高压变频器的各相输出端。能够简化能量回馈型单元串联高压变频器的结构，改善变频器性能，并降低所述变频器的成本。

Description

一种能量回馈型功率单元串联高压变频器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种能量回馈型功率单元串联高压变频器。

背景技术

近年来，工业节能降耗逐渐受到普遍重视。作为重要的耗电设备，高压电机也越来越多地采用了变频调速以实现经济运行。

在高压变频器领域，自Peter W.Hammond在1995年提出单元串联高压变频器以来，这种通过低压电力变换技术实现高压电力变换的方法由于其输出电压波型好、输入谐波电流低、成本低、维护方便，已经成为高压变频器的主流技术，国内外许多高压变频器厂家都已经推出了基于这项技术的产品。

但是，传统的变频器只能实现电能由电网向变频器的单向输送，不能实现电能由变频器向电网的回馈，因而更多地用于风机、水泵类负载。而对于需要频繁起停的牵引、提升类负载，在电机制动时往往产生很大的制动能量，必须将其回馈到电网。在不污染电网的前提下如何实现制动能量向电网的回馈，就成为对牵引、提升类高压变频器的基本功能要求。

一些厂家采用了三相有源前端技术，实现了单元串联多电平高压变频器的能量回馈，并将其成功地应用到煤矿提升机等领域。如图1A所示，描述的就是这类高压变频器的一种典型方案，图1B则是其功率单元的电路示意图。图中所示的高压变频器包括一个移相主变压器1、九个相同的三相电抗器(如2AU)、九个相同的功率单元(如3AU)和主控制器4。主变压器1包括1个原边绕组11和9路三相副边绕组(如12AU)，原边绕组11与高压三相电网7连接；9个功率单元(如3AU)按照输出分成U、V、W三相，每相的三个功率单元(如3AU、3BU、3CU)的输出依次串联分别作为三相(如U相)，三相的一端au1、av1、aw1连接在一起作为三相输出的中性点O，另外一端cu2、cv2、cw2分别作为高压变频器的U、V、W输出，用于驱动高压电机6。主控制器4通过光纤分别与各功率单元(如3AU)连接，向各功率单元(如3AU)的逆变桥33提供驱动信号，并接收各功率单元(如3AU)的运行信息，以进行集中处理。

在移相主变压器1的各组副边绕组(如12AU)与对应的功率单元(如3AU)之间，分别接入三相电抗器(如2AU)，以承受主变压器副边绕组(如12AU)与功率单元整流桥31’之间的电压差；每个功率单元(如3AU)的整流部分应该是由如固态开关绝缘栅极三极管(IGBT)等实现的三相全控桥31，以实现功率单元的能量双向传输；各个功率单元(如3AU)都具有单独的整流控制电路36，根据功率单元(如3AU)对应的主变压器副边绕组(如12AU)的输出电压、电流和功率单元(如3AU)内部的直流滤波电路32两端的的直流电压，控制整流全控桥31’的状态，使功率单元(如3AU)的输入电流相位与对应的主变压器副边绕组(如12AU)的输出电压相位相同(从电网吸取能量)或相反(向电网回馈能量)。

在这种单元串联多电平高压变频器中，移相主变压器1的每组副边绕组(如12AU)都是三相绕组，包括三个无移相绕组12BU、12BV、12BW(各包括3个绕组)和六个移相绕组12AU、12AV、12AW、12CU、12CV、12CW(各包括6个绕组)，这样，主变压器1就包括45个副边绕组，结构、工艺相当复杂；每个功率单元(如3AU)的整流桥31’都包括6个固态开关311-316，逆变桥33包括四个固态开关331-334，于是整台变频器共包括90个固态开关，成本高昂；电抗器(如2AU)都为三相电抗器，体积庞大而且笨重；另外，由于每个功率单元(如3AU)的整流桥31’都由功率单元内部单独控制，因此，存在电路复杂、成本高、且各功率单元(如3AU)的整流桥31’无法协调动作等缺陷。以上所述的仅仅是针对每相三个功率单元串联进行的，若对于更多功率单元的情形，所述缺点将更加突出。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能量回馈型功率单元串联高压变频器，能够简化能量回馈型单元串联高压变频器的结构，改善变频器性能，并降低所述变频器的成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种能量回馈型功率单元串联高压变频器，包括主变压器，其原边绕组连接三相高压电网；还包括9N个电抗器、9N个功率单元、主控制器和传感器电路；

所述主变压器为三相多副边绕组变压器，所述的副边绕组分为N组，且每组副边绕组包含有相同的三路，所述每路包括匝数相同的三个绕组，所述三个绕组分别对应主变压器的三相；各个绕组分别通过电抗器连接一个功率单元；

所述功率单元对应高压变频器的三相输出分成数量相同的三组，每组对应的功率单元数量为3N；同输出相的功率单元逆变桥的交流侧依次串联获得高压相电压；对应高压变频器各输出相的功率单元输出链的一端连接在一起，另一端分别作为高压变频器的各相输出端；其中，N为自然数；

所述电抗器是单相电抗器，为两个耦合电感，其连接主变压器的副边绕组的两端和功率单元整流桥的直流侧两端；

所述主控制器通过光纤与每个功率单元相连；

所述传感器电路为主控制器提供主变压器的三相副边绕组的电压、电流信号和功率单元的直流滤波电路端电压信号。

其中，所述主变压器的副边绕组中的同路三相副边绕组对应的功率单元分别串接到不同的输出相；而高压变频器同输出相的各功率单元分别通过电抗器连接主变压器的不同路的副边绕组。

所述功率单元进一步包括单相全控整流桥、预充电电路、直流滤波电路、单相全控逆变桥和单元控制电路；所述功率单元中整流桥的交流侧通过电抗器连接主变压器的一个副边绕组；整流桥的直流侧则通过预充电电路与直流滤波电路、逆变桥的直流侧连接；所述功率单元的单元控制电路通过光纤与主控制器连接，通过光纤接收来自主控制器的信号以控制整流桥和逆变桥的开关动作，并将功率单元的运行状态由光纤发送给主控制器；所述预充电电路进一步包括可控开关、电阻器和控制电路，其中可控开关与电阻并联。

所述的各个功率单元的整流桥固态开关的控制信号都是脉冲宽度调制PWM信号，其基准波与高压电网频率相同；所述主变压器的同路副边绕组对应的功率单元中整流桥对应开关的PWM信号，基准波信号相同但相位彼此相差120度，载波信号相同；所述主变压器的各个同相副边绕组对应的功率单元中整流桥对应开关的PWM信号基准波信号相同，载波波形、频率相同但相位依次相差120/N度；其中，N为自然数。

所述的各个功率单元的逆变桥固态开关的控制信号都是PWM信号；所述主变压器的同路副边绕组对应的功率单元中逆变桥对应开关的PWM信号基准波信号相同但相位彼此相差120度，载波相同；相同高压输出相中各功率单元的逆变桥的对应开关的PWM信号基准波相同，载波相同但相位依次相差120/N度；其中，N为自然数。

所述预充电电路的可控开关为固态开关或机械开关；预充电电路由主控制器控制，或由功率单元内部自行控制。

所述电抗器为单相电抗器，是一个电感连接主变压器副边绕组的一端和功率单元整流桥的一个输入端。

所述主变压器为移相变压器。

本发明所提供的能量回馈型功率单元串联高压变频器，由于所述功率单元采用单相有源整流电路，使主变压器的副边绕组数量减少到9个，主变压器的结构显著简化；每个电抗器的绕组数也减少到一个或两个，电抗器的成本可以降低、体积也能够减少；每个功率单元中的固态开关数量减少到8个，整台变频器的固态开关减少到72个；由于功率单元的整流桥和逆变桥都是由主控制器集中控制，二者的功率固态开关的脉冲宽度调制信号的载波频率可以是相同的，因而消除了变频器输入电流和输出电压可能出现的低频脉动。另外，通过各功率单元的整流桥的错相PWM控制，可以使每相各功率单元导致的输入电流纹波相互抵消，在保持相同电流纹波的前提下，电抗器的电感值可以显著降低，从而降低电抗器的体积和重量，还能降低变频器的成本。功率单元中预充电电路的存在，使得本发明的高压变频器方案更加完善可行。

附图说明

图1A为现有能量回馈型单元串联高压变频器的主电路示意图；

图1B为现有能量回馈型单元串联高压变频器的功率单元示意图；

图2A为本发明能量回馈型单元串联高压变频器的主电路示意图；

图2B为本发明能量回馈型单元串联高压变频器的功率单元示意图；

图2C为本发明能量回馈型单元串联高压变频器的电抗器变化形式示意图；

图2D为高压变频器输入电流合成示意图；

图2E为高压变频器输出电压合成示意图；

图3为本发明实施例之每相九单元串联高压变频器主电路示意图；

图4为本发明实施例之每相六单元串联高压变频器主电路变化示意图。

【主要部件符号说明】

1：主变压器(或移相主变压器)

11：原边绕组

12AU、12AV、12AW；12BU、12BV、12BW；12CU、12CV、12CW；

12RU、12RV、12RW；12SU、12SV、12SW；12TU、12TV、12TW：副边绕组

2AU、2AV、2AW；2BU、2BV、2BW；2CU、2CV、2CW；2RU、2RV、2RW；2SU、2SV、2SW；2TU、2TV、2TW：电抗器

3AU、3AV、3AW；3BU、3BV、3BW；3CU、3CV、3CW；3RU、3RV、3RW；3SU、3SV、3SW；3TU、3TV、3TW：功率单元

31、31’：全控整流桥

311～316：固态开关

32：直流滤波电路

33：逆变桥

331～334：固态开关

34：单元控制电路

35：预充电电路

351：电阻器

352：可控开关

353：控制电路

36：整流控制电路

4：主控制器

5：传感器电路

6：高压电机

7：三相高压电网。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的产品作进一步详细的说明。

这里以每相三个功率单元串联的能量回馈型高压变频器为例进行说明，如图2A所示，是其主电路接线示意图，图2B为其功率单元的电路组成。所示的高压变频器包括主变压器1、9个电抗器(如2AU)、9个功率单元(如3AU)、主控制器4和传感器电路5。

所示主变压器1为三相多副边绕组变压器，其原边绕组11连接三相高压电网7，所有副边绕组(如12AU)作为一组，包括相同的三路(如12AU/12BV/12CW)，每路副边绕组(如12AU/12BV/12CW)又包括匝数相同的三个绕组(如12AU、12BV、12CW)，这三个绕组相位彼此相差120度，上述9个副边绕组(如12AU)分别通过电抗器(如2AU)连接对应功率单元(如3AU)的整流桥31的交流侧接入端a1、a2。

功率单元3(如3AU)包括单相全控整流桥31、预充电电路35、直流滤波电路32、单相全控逆变桥33和单元控制电路34。功率单元(如3AU)的整流桥31的交流侧a1、a2作为功率单元的输入，通过电抗器2(如2AU)接到主变压器1的对应副边绕组(如12AU)；整流桥31的直流侧通过预充电电路35与滤波电路32、逆变桥33的直流侧连接。单元控制电路34通过光纤与主控制器4连接，通过光纤接收来自主控制器4的信号以控制功率单元(如3AU)的整流桥31和逆变桥33的开关动作，并将功率单元(如3AU)的运行状态由光纤发送给主控制器4。传感器电路5为主控制器4提供主变压器1的三相副边绕组(如12AU)的电压、电流信号和功率单元(如3AU)的直流滤波电路端电压(p2-n)信号。预充电电路35包括可控开关352、电阻器351和控制电路353，其中可控开关352与电阻351并联。预充电电路35能够限制变频器初上电时对滤波电路32充电的冲击电流，并且对变频器的正常运行无影响；开关353可以是固态开关如IGBT，也可以是机械开关如直流接触器；预充电电路35可以由主控制器4控制，也可以由功率单元(如3AU)内部自行控制。

各功率单元(如3AU)对应高压变频器的输出U、V、W相分为三组，每组三个单元(如U相包括3AU、3BU和3CU)；逆变桥33的交流侧o1、o2作为功率单元(如3AU)的输出，同相的功率单元(如3AU、3BU和3CU)的输出依次串联获得高压相电压(如U相)；对应高压变频器输出U、V、W相的功率单元链的一个输出端au1、bv1、cw1连接在一起O作为高压变频器的输出中性点，另一端cu2、av2、bw2分别作为高压变频器的U、V、W相的输出端。

主变压器1的同路三相副边绕组(如12AU、12BV、12CV)对应的功率单元(如3AU、3BV、3CW)分别串接到高压变频器的U、V、W输出相；而同一输出相(如U相)的各功率单元(如3AU、3BU、3CU)分别通过电抗器连接主变压器1的不同路的副边绕组(如12AU、12BU、12CU)。于是，输出U相对应主变压器1的副边绕组12AU、12BU、12CU，输出V相对应主变压器1的副边绕组12BV、12CV、12AV，输出W相对应主变压器1的副边绕组12CW、12AW、12BW。通过这样的单元组合，各相内功率单元的滤波电路32两端的直流电压纹波可以相互抵消，从而降低高压变频器的输出电压纹波。

各个功率单元(如3AU)的整流桥31的固态开关311-314的控制信号都是脉冲宽度调制(PWM)信号，其基准波与高压电网频率相同。主变压器1的同路副边绕组(如12AU、12BV、12CW)对应的功率单元(如3AU、3BV、3CW)中整流桥31对应开关(如311)的PWM信号，基准波信号相同，但相位彼此相差120度，而载波信号相同。相同高压输出相的功率单元(如3AU、3BU和3CU)中整流桥31对应开关(如311)的PWM信号基准波信号相同、载波波形、频率相同但相位彼此相差120度(每相3个单元，360度/3＝120度)。

通过这样的整流桥PWM组合方式，各相对应的各功率单元导致的主变压器原边电流纹波能够相互抵消。以A相为例，参照图2D，IA1、IA2、IA3分别示意的是功率单元3AU、3AV、3AW引起的主变压器A相输入电流分量的波形，IA示意的是三者的合成电流。主变压器1的副边绕组12AU、12AV、12AW分别属于不同路的三相副边绕组，对应的功率单元3AU、3AV、3AW中整流电路31的对应开关(如311)控制PWM信号载波相同但相位彼此相差120度，所以IA1和IA2、IA3的纹波电流能够部分相互抵消，因而在合成电流IA中的纹波分量与单一分量(如IA1)相比显著降低。可以看出，通过上述措施，能够改善高压变频器的输入电流谐波特性。

各个功率单元(如3AU)的逆变桥33的固态开关331-334的控制信号也都是PWM信号。主变压器1的同路副边绕组(如12AU、12BV、12CW)对应的功率单元(如3AU、3BV、3CW)中逆变桥33对应开关(如331)的PWM信号基准波信号相同但相位彼此相差120度，载波相同；相同高压输出相(如U相)中各功率单元(如3AU、3BU、3CU)的逆变桥33的对应开关(如331)的PWM信号基准波相同、载波信号相同但相位依次相差120度(每相3个单元，360度/3＝120度)。通过这样的组合，能够使各相内(如U相)各功率单元(如3AU、3BU、3CU)的输出电压低频分量相等，而脉冲能够彼此错开，获得多电平的输出相电压。

图2E中，U1、U2、U3分别是功率单元3AU、3BU、3CU的输出波形，V1、V2、V3分别是功率单元3BV、3CV、3AV的输出波形，UU、UV分别是高压变频器U相、V相的相电压波形，UUV是U-V之间的线电压，UUV最多可以达到13个电位等级，不但能够降低输出电压的谐波，而且也降低了输出电压的变化率。

电抗器(如2AU)为单相电抗器，可以是一个电感连接主变压器副边绕组(如12AU)的一端和功率单元(如3AU)的整流桥31的一个输入端之间(如图2C)，也可以是两个耦合电感，连接主变压器1的副边绕组(如12AU)的两端和功率单元(如3AU)的整流桥31的两个输入端之间，如图2B所示。

在上述方案中，由于功率单元采用了单相有源整流电路，使主变压器1的副边绕组数量减少到9个，主变压器1的结构显著简化；每个电抗器的绕组数也减少到一个或两个，电抗器的成本可以降低、体积也能够减少；每个功率单元中的固态开关数量减少到8个，整台变频器的固态开关减少到72个；由于功率单元的整流桥和逆变桥都是由主控制器集中控制，二者的功率固态开关的脉冲宽度调制信号的载波频率可以是相同的，因而可以消除变频器输入电流和输出电压可能出现的低频脉动；最重要的是，通过各功率单元的整流桥的错相PWM控制，可以使各功率单元导致的每相输入电流纹波相互抵消，在保持相同电流纹波的前提下，电抗器的电感值可以显著降低，从而降低电抗器的体积和重量，也能降低变频器的成本。功率单元中预充电电路的存在，使得本发明的高压变频器方案更加完善可行。

为了适应更高的电网电压，图3提供了一个每相九个功率单元串联的高压变频器实施例，其功率单元的电路组成形式如图2B所示。如果每个功率单元的输入、输出电压为642V，通过每相九个单元串联，就能够实现10KV电压等级的能量回馈型高压变频器。在图3中，主变压器1包括三组副边绕组，分别为12xy1、12xy2和12xy3(其中x为A、B或C，y为U、V或W)；每组(如12xy1)包括三路(如12AU1/12BV1/12CW1、12AW1/12BU1/12CV1和12AV1/12BW1/12CU1)。在这种情况下，高压变频器各相(如U相)对应的功率单元中，整流桥31和逆变桥33的PWM信号的载波信号相位依次相差40度(360度/9＝40度)，其它与每相三个单元串联方案(如图2A)相同或相似。

对于本发明的高压变频器方案，尽管主变压器采用移相变压器不是必须的，但采用移相变压器仍然能够使整台变频器输入电流的纹波和输出电压的脉动得以进一步改善。

图4给出了一个每相六个功率单元串联的高压变频器实施例，其功率单元的电路组成形式也同图2B。在图4中，主变压器1包括两组副边绕组，每组包括三路，一组分别是12AU/12BV/12CW、12AW/12BU/12CV和12AV/12BW/12CU，另一组分别是12RU/12SV/12TW、12RW/12SU/12TV和12RV/12SW/12TU，二组之间存在30度相差；高压变频器各相(如U相)对应的功率单元中，整流桥31和逆变桥33的PWM调制信号的载波信号相位依次相差60度(360度/6＝60度)；传感器电路需要同时检测不同相的两路变压器副边绕组的输出电压和输出电流，其它与每相三个单元串联方案(图2A)相同或相似。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种能量回馈型功率单元串联高压变频器，包括主变压器，其原边绕组连接三相高压电网；其特征在于，还包括9N个电抗器、9N个功率单元、主控制器和传感器电路；

所述主变压器为三相多副边绕组变压器，所述的副边绕组分为N组，且每组副边绕组包含有相同的三路，所述每路包括匝数相同的三个绕组，所述三个绕组分别对应主变压器的三相；各个绕组分别通过电抗器连接一个功率单元；

所述功率单元对应高压变频器的三相输出分成数量相同的三组，每组对应的功率单元数量为3N；同输出相的功率单元逆变桥的交流侧依次串联获得高压相电压；对应高压变频器各输出相的功率单元输出链的一端连接在一起，另一端分别作为高压变频器的各相输出端；其中，N为自然数；

所述电抗器是单相电抗器，为两个耦合电感，其连接主变压器的副边绕组的两端和功率单元整流桥的直流侧两端；

所述主控制器通过光纤与每个功率单元相连；

所述传感器电路为主控制器提供主变压器的三相副边绕组的电压、电流信号和功率单元的直流滤波电路端电压信号。

2. 根据权利要求1所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述主变压器的副边绕组中的同路三相副边绕组对应的功率单元分别串接到不同的输出相；而高压变频器同输出相的各功率单元分别通过电抗器连接主变压器的不同路的副边绕组。

3.根据权利要求1所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述功率单元进一步包括单相全控整流桥、预充电电路、直流滤波电路、单相全控逆变桥和单元控制电路；所述功率单元中整流桥的交流侧通过电抗器连接主变压器的一个副边绕组；整流桥的直流侧则通过预充电电路与直流滤波电路、逆变桥的直流侧连接；所述功率单元的单元控制电路通过光纤与主控制器连接，通过光纤接收来自主控制器的信号以控制整流桥和逆变桥的开关动作，并将功率单元的运行状态由光纤发送给主控制器；所述预充电电路进一步包括可控开关、电阻器和控制电路，其中可控开关与电阻并联。

4. 根据权利要求3所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述的各个功率单元的整流桥固态开关的控制信号都是脉冲宽度调制PWM信号，其基准波与高压电网频率相同；所述主变压器的同路副边绕组对应的功率单元中整流桥对应开关的PWM信号，基准波信号相同但相位彼此相差120度，载波信号相同；所述主变压器的各个同相副边绕组对应的功率单元中整流桥对应开关的PWM信号基准波信号相同，载波波形、频率相同但相位依次相差120/N度；其中，N为自然数。

5. 根据权利要求3所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述的各个功率单元的逆变桥固态开关的控制信号都是PWM信号；所述主变压器的同路副边绕组对应的功率单元中逆变桥对应开关的PWM信号基准波信号相同但相位彼此相差120度，载波相同；相同高压输出相中各功率单元的逆变桥的对应开关的PWM信号基准波相同，载波相同但相位依次相差120/N度；其中，N为自然数。

6. 根据权利要求3所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述预充电电路的可控开关为固态开关或机械开关；预充电电路由主控制器控制，或由功率单元内部自行控制。

7.根据权利要求1所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述单相电抗器的一个电感连接主变压器副边绕组的一端和功率单元整流桥的一个输入端。

8.根据权利要求1～5和7任一项所述的能量回馈型功率单元串联高压变频器，其特征在于，所述主变压器为移相变压器。

Images