CN103036449A

CN103036449A - 四象限三电平功率单元及高压变频器

Info

Publication number: CN103036449A
Application number: CN2011102978890A
Authority: CN
Inventors: 陈实; 刘宇川; 冷严冬; 翁翔羿
Original assignee: Suzhou Inovance Technology Co Ltd; Shenzhen Inovance Technology Co Ltd; Suzhou Monarch Control Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Inovance Technology Co Ltd; Shenzhen Inovance Technology Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明涉及一种四象限三电平功率单元，其特征在于，包括分别连接到直流母线的三相三电平整流桥、均压电阻、直流支撑电容模块以及单相三电平逆变桥，其中所述三相三电平整流桥与单相三电平逆变桥背靠背连接，所述三相三电平整流桥包括三相第一桥臂且每相第一桥臂包括四个功率开关管及其反并联续流功率管以及两个箝位模块，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。本发明还提供一种包括上述四象限三电平功率单元的高压变频器。本发明通过三电平拓扑结构，使得功率单元输出电压得到大幅提升，从而可使高压变频器整机串联的功率单元数量大大减少，整机可靠性高，寿命长。

Description

四象限三电平功率单元及高压变频器

技术领域

本发明涉及高压变频器领域，更具体地说，涉及一种四象限三电平功率单元及高压变频器。

背景技术

随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频器技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量。此外，使用电机还可大幅度节约能源，降低生产成本。

功率单元串联型多电平高压变频器是目前国内厂商最为青睐的技术方案，其通过在输入端设置一台输入隔离变压器，将输入高压交流电变成多组低压交流电，每组低压交流电分别输入到一个功率单元，经整流滤波为直流电后，再逆变成为交流电，各功率单元输出的交流信号在逆变侧串联成为高压交流输出供给高压电动机。该方案采用低压器件实现高压变频输出，器件无需串联，输入输出谐波非常小，是一种很优秀的高压变频方案。

如图1所示，是功率单元串联多电平式高压变频器的结构示意图，该高压变频器主要由多副边绕组移相变压器1’、多个功率单元2’和控制***3’构成；其中多个功率单元2’彼此串联形成频率可调的高压交流电源U、V、W。整个电路由A、B、C三相组成，每一相由功能结构相同的N个功率单元叠加而成。每一相的N个功率单元的输出端顺次相连，从而构成串联叠加的方式，控制每个功率单元的输出情况，经叠加后就可得到一个接近正弦的多阶梯波。

构成上述高压变频器的主要元器件功率单元2’的内部结构如图2所示，主要由二极管整流桥21’、并联在直流母线侧的大电容、均压电阻22’和逆变桥23’构成。

采用上述功率单元21’的高压变频器存在以下缺点：单元输出电压低，要达到高压输出需要串联的单元数量多，故障率高；输入变压器副边绕组多，制造工艺复杂；整机体积庞大，成本高；较难实现四象限运行。

如图3所示，是目前普遍使用的具备能量回馈的功率单元。该功率单元主要由二极管整流桥21、反馈桥22(由反并联在整流桥21的每一二极管的多个开关管组成)、并联在直流母线侧的母线电容和均压电阻23和逆变桥24构成。

在高压变频器正常运行时，反馈桥22关断，电路其他部分的工作与没有此反馈桥是一样的。当电机制动运行时，能量通过功率单元逆变桥24回馈到直流母线电容中，导致母线电容电压升高，当电容电压高于二极管整流桥21的整流电压峰值时，二极管整流桥关断，此时可以有选择的使反馈桥22的器件导通，将母线电容中的能量通过反馈桥、移相整流变压器反馈回电网。这种方式的功率单元虽然可以实现简单的能量回馈，但由于反馈桥开关管为半控型器件，开关频率低，导致回馈到电网的电能的谐波含量大，损耗高。且单元输出电压仍然不高，整机串联的功率单元数量并没有下降。

针对以上缺点，许多厂商也做了大量的试验来试图提高功率单元的输出电压，减少整机串联功率单元的个数。但由于功率器件耐压的限制，单元电压输出最高也只能在750V左右。仍不能将整机串联功率单元数减少，无法解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有功率单元单元输出电压不足的缺陷，提供一种四象限三电平功率单元及高压变频器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种四象限三电平功率单元，包括分别连接到直流母线的三相三电平整流桥、均压电阻、直流支撑电容模块以及单相三电平逆变桥，其中所述三相三电平整流桥与单相三电平逆变桥背靠背连接，所述三相三电平整流桥包括三相第一桥臂且每相第一桥臂包括四个功率开关管及其反并联续流功率管以及两个箝位模块，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，所述单相三电平逆变桥包括两相第二桥臂，且每相第二桥臂包括串联在所述直流母线间的四个功率开关管、两个箝位模块以及分别并联在每一所述功率开关管两端的四个续流功率管，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，还包括连接在三相电平整流桥输入端的滤波电路。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，所述直流支撑电容模块具有中间抽头，且将直流母线分为三个电平。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，具有旁路模块。

本发明还提供一种高压变频器，包括变压器、功率单元以及控制***，其中，所述功率单元为以上任一项所述的功率单元。

在本发明所述的高压变频器中，包含三相功率单元电路，每相包含多个功率单元，且各单元输出侧依次串联成高压。

在本发明所述的高压变频器中，所述变压器为干式整流变压器。

本发明的四象限三电平功率单元及高压变频器，通过三电平拓扑结构，使得功率单元输出电压得到大幅提升，从而可使高压变频器整机串联的功率单元数量大大减少，整机可靠性高，寿命长。并且，本发明能够实现四象限运行功能，***稳定性高，对电网谐波污染小。

附图说明

图1是现有的功率单元串联型高压变频器的示意图。

图2是图1中功率单元的一个实例的示意图。

图3是图1中功率单元的另一实例的示意图。

图4是本发明的四象限三电平功率单元实施例的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图4所示，是本发明四象限三电平功率单元实施例的示意图。在本实施例中，功率单元包括分别连接到直流母线的三相三电平整流桥51、由均压电阻和直流支撑电容C1、C2组成的直流滤波电路52、单相三电平逆变桥54以及旁路模块55，其中三相三电平整流桥51与单相三电平逆变桥54背靠背连接。该三相三电平整流桥51包括三相第一桥臂且每相第一桥臂包括四个功率开关管VI11-14/VI21-24/VI31-34、四个续流功率管VD11-14/VD21-24/VD31-34以及两个箝位模块VD15-16/VD25-26/VD35/36，其中箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块C1、C2的中间抽头。旁路模块55与三电平功率模块的逆变输出端相连接。

通过每相的箝位模块，可实现两直流支撑电容C1、C2的中点电压(0)的输出，从而每一相均实现P、0、N三种电平的输出。

上述单相三电平逆变桥54包括两相第二桥臂，且每相第二桥臂包括四个功率开关管VI41-44/VI51-54和续流功率管VD41-44/VD51-54、两个箝位模块VD45-46/VD55/56，其中箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块C1、C2的中间抽头。

特别地，上述三电平功率单元中，功率开关管、续流功率管以及箝位模块的耐压参数相同。

具备上述结构的功率单元可以实现任意一相电压的三种输出状态，即输出为正(P)，输出为零(0)，输出为负(N)。当VI41和VI42导通，VI43和VI44关断时，v相输出端接到直流母线的正端P(直流支撑电容C1正极)。当定义0点为参考地时，v相输出电压为Uv＝Ud＝Uc1，若电流由P端流出，则经VI41、VI42到v端，再经另一相流回到N或0端(此时VI41、VI42导通，VD41、VD42不导通)；若电流由v端流入，则经VD41、VD42到P端(此时VD41、VD42导通，VI41、VI42因承受由VD41与VD42导通引起的反向电压截止)。

当VI42和VI43导通，VI41和VI44关断时，v相输出段接到直流母线的中点0(电容C1负极)。当定义0点位参考地，v相输出电压为Uv＝0，若电流由0端流出，则经VD45、VI42到v端，再经另一相流回到P或N端(此时VD45、VI42导通，VI43、VD43、VD46不导通)；若电流由v端流入，则经VI43、VD46到0端(此时VI43、VD46导通，其余元件均截止)。

当VI41和VI42关断，VI43和VI44导通时，v相输出端接到直流母线的负端N(电容C2的负极)。当定义0点位参考地时，v相输出电压为Uv＝-Ud＝-Uc2，若电流由N端流出，则经VD44、VD34到v端，再经过另一相流回到P或0端(此时VD43、VD44导通，其余元件均截止)；若电流由v端流入，则经VI43、VI44到N端(此时VI43、VI44导通，其余元件均截止)。

依次类推，功率单元的三相输入、单相输出均可以实现P、0、N三种电平的输出，比普通的两电平电路的相电压输出多了一个状态。当能量由电网流向电机侧时，三相三电平整流桥51将电网交流电压整流成直流电并经直流滤波电路52供单相三电平逆变桥54将其逆变成变频、变压的交流电以控制电机，整流桥51可以对直流母线进行闭环控制，保证直流母线稳定在额定值，减小了对逆变桥54的冲击，提高***的稳定性；当能量从电机侧流向电网侧时，三相三电平整流桥51执行逆变动作，将直流电逆变成与电网同频同相的交流电，并经交流滤波电路53滤波后，传送至电网，以实现四象限运行控制。

在上述功率单元中，还包括连接在三相电平整流桥输入端的滤波电路53。当高压上电时，可有效减少对前端整流变压器的电流冲击，延长变压器的寿命。能量回馈时，滤波电路53也能有效滤除谐波成分，减小对电网的谐波污染。

在上述三电平功率单元中，还包含旁路模块55，。所述旁路模块在三电平功率单元发生故障时，可将该三电平功率单元旁路，保证整机不停机的情况下该三电平功率单元退出运行状态。

本发明还提供一种高压变频器，包括变压器、多个功率单元以及控制***，其中，功率单元即为上述功率单元。变频器共包含三相功率单元，每相由若干功率单元串联组成。电网输入经隔离变压器隔离并降为多组低压三相电，每组低压三相电分别接到相应的功率单元，各相功率单元逆变侧按一定规律串联起来，最后形成高压输出。当负载吸收能量时，能量从电网经变压器、变频器调整成可变频、变压的交流电到负载；当负载发出能量时，多余的能量经变频器、变压器调理成与电网同频、同相的交流电回馈给电网。

与采用普通的两电平功率单元的高压变频器相比，由于功率单元的输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压。在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出dv/dt也相应下降，输出谐波减少，具有较高的动态性能；同时，该结构可使功率器件所需耐压要求降低一半。

此外，上述高压变频器可通过控制各个电子器件的工作状态，实现变频器的输入功率因数的连续可调，将反馈到直流侧的能量再逆变成为交流电反送给电网，输入谐波很低，实现***的四象限运行。

由于三电平功率单元可极大提高输出电压，所以可以有效减少高压变频器串联的功率单元的个数，降低功率单元的制造成本，同时也减少故障发生的概率。由于功率单元的输出电压得到提升，要实现额定电压的功率单元的个数相应减少，采用该功率单元的高压变频器的变压器副边绕组因功率单元个数的减少而相应减少，可进一步减低成品成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种四象限三电平功率单元，其特征在于，包括分别连接到直流母线的三相三电平整流桥、均压电阻、直流支撑电容模块以及单相三电平逆变桥，其中所述三相三电平整流桥与单相三电平逆变桥背靠背连接，所述三相三电平整流桥包括三相第一桥臂且每相第一桥臂包括四个功率开关管及其反并联续流功率管以及两个箝位模块，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

2.根据权利要求1所述的四象限三电平功率单元，其特征在于，所述单相三电平逆变桥包括两相第二桥臂，且每相第二桥臂包括串联在所述直流母线间的四个功率开关管、两个箝位模块以及分别并联在每一所述功率开关管两端的四个续流功率管，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

3.根据权利要求1所述的四象限三电平功率单元，其特征在于，还包括连接在三相电平整流桥输入端的滤波电路。

4.根据权利要求1所述的四象限三电平功率单元，其特征在于，所述直流支撑电容模块具有中间抽头，且将直流母线分为三个电平。

5.根据权利要求1所述的四象限三电平功率单元，其特征在于，具有旁路模块。

6.一种高压变频器，包括变压器、功率单元以及控制***，其特征在于，所述功率单元为权利要求1、2、3、4、5、6中任一项所述的功率单元。

7.根据权利要求8所述的高压变频器，其特征在于，包含三相功率单元电路，每相包含多个功率单元，且各单元输出侧依次串联成高压。

8.根据权利要求8所述的高压变频器，其特征在于，所述变压器为干式整流变压器。