CN103051283B - 再生式中压变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种再生式中压变频器,所述变频器能够使得通过改变串联H桥中压变频器处的单元电池的输入端的结构而进行再生操作,并且与常规的中压变频器相比,不需要动态制动电阻器来减小直流母线电容器的大小。

Description

再生式中压变频器
技术领域
本公开涉及一种再生式中压变频器。
背景技术
本部分提供关于本公开的背景信息,其不一定是现有技术。
通常地,采用称为电力转换器、变频器或者驱动器的设备向诸如电动机的另一个设备提供电力。特别地,将这种变频器(此处变频器用于泛指变频器、转换器、驱动器)联接至公用接线以接收诸如三相AC(交流)电力的输入电力。此外,中压变频器是具有线间电压的rms(均方根)值在600V以上的输入电力的变频器,并且通常用于驱动惯性大的工业负载,但不限于驱动风扇、泵和压缩机。
在这些应用领域中,如果需要迅速加速或者迅速减速,则当产生再生操作时会经常发生变速操作。
图1是根据现有技术的串联H桥中压变频器的构造图,其中变频器配置有三级单元电池。
常规的中压变频器100接收来自输入电力单元200的3相电力并且将电力供应给电动机300。输入电力单元200提供线间电压的rms(均方根)值在600V以上的3相。电动机300是3相高压电动机,并且可以是感应式电机或者同步电机。
移相变压器110提供输入电力单元200和中压变频器100之间的电绝缘,减少输入端处的谐波并且提供适于各个单元电池120的输入3相电力。单元电池120接收来自移相变压器110的电力并且将相电压输出给电动机300,其中各个单元电池120由组构成。
参照图1,电池A1、A2和A3以输出电压串联地连接以合成电动机300的‘a’相电压,电池B1、B2和B3以输出电压串联地连接以合成电动机300的‘b’相电压,并且电池C1、C2和C3以输出电压串联地连接以合成电动机300的‘c’相电压。合成的‘b’相电压和‘a’相电压相隔120度的相位差,并且合成的‘c’相电压和‘b’相电压也相隔120度的相位差。
图2是图示出图1的单元电池的构造图。参照图2,单元电池120包括3相二极管整流器121、直流母线电容器122和变频器123。3相二极管整流器121利用移相变压器110的输出电压作为输入来输出3相整流直流电压。直流母线电容器122存储3相二极管整流器121的输入电力。变频器123是单相全桥式变频器以利用从直流母线电容器122接收到的电压经由切换元件123a~123d的切换来合成输出电压。
现在,将描述图1和图2的***。
移相变压器110迎合单元电池120的要求而转换高压输入电力的相位和大小。移相变压器110的输出电压成为每个单元电池120的输入电力并且通过图2的3相二极管整流器121被转换成直流。直流母线电容器122用于恒定地保持3相二极管整流器121的输出电压。
单相全桥式变频器123利用来自直流母线电容器122的电压对AC输出电压进行合成。如果直流母线电容器122的电压被假定为‘E’,那么根据切换状态可以将变频器123的输出电压示出为‘E’、‘0’和‘﹣E’。
对于非限定性示例,如果123a和123d是导电的,那么合成的输出电压为‘E’,并且如果123b和123c是导电的,那么合成的输出电压为‘﹣E’,如果123a和123c,或者123b和123d是导电的,那么合成的输出电压为‘0’。
在图1的单元电池结构中,A1、A2、A3、B1、B2、B3和C1、C2、C3的输出电压都串联地连接,以使得串联连接的输出相电压在‘3E’、‘2E’、‘E’、‘0’、‘﹣E’、‘﹣2E’和‘﹣3E’这7级中合成。来自合成的输出相电压的电动机输出线间电压可以在‘6E’、‘5E’、‘4E’、‘3E’、‘2E’、‘E’、‘0’、‘﹣E’、‘﹣2E’、‘﹣3E’、‘﹣4E’、‘﹣5E’、‘﹣6E’这13级中合成,这可以被归纳如下。
【等式1】
m=2H+1
【等式2】
p=2m-1=4H+1
其中,m是输出相电压的级数,H是安装在电动机300的各相处的单元电池120的个数,并且p是输出线间电压的级数。
同时,在每个单元电池120的输出作为单全桥式变频器的输出的情况下,直流母线电力的输出形成有电压纹波。首先,每个电池的输出电压和输出电流被限定如下。
【等式3】
v O = 2 V O sin ωt
【等式4】
i o = 2 I o sin ( ωt - φ )
其中,φ是负载角,ω是工作频率,t是时间,Vo和Io是输出电压以及输出电流的rms值。能够基于等式3和等式4获得单元电池120的输出功率如下。
【等式5】
po=voio=VoIocosφ-VoIocos(2ωt-φ)
如从等式5注意到的,可以得出单元电池120的输出被分成VoIocosφ的直流分量和VoIocos(2ωt-φ)的交流分量,其中交流分量具有相当于工作频率的纹波两倍的纹波。现在,能够获得在直流母线中流动的电流如下。
【等式6】
i DC = p o v DC = V o I o v DC cos φ - V o I o v DC cos ( 2 ωt - φ )
基于等式5和等式6,能够得出直流母线产生有工作频率的纹波两倍的纹波。
因而,所描述的常规串联H桥中压变频器具有以下缺陷:因为其形成有用于单元电池的输入端的二极管整流器,所以无法执行再生操作,使得难以执行迅速加速或者迅速减速。
其结果是,此处描述的常规串联H桥中压变频器具有以下缺陷:在减速操作期间减速操作占用了较长的时间。另一个缺陷是必须扩大所有单元电池的直流母线电容器的各个电容量以增加整个***的规模。
因此,需要解决上述缺陷。
发明内容
本部分提供了本公开的概要,并且不是其全部的范围或者所有特征的全面公开。
提出了本公开以解决上述缺陷,并且本公开的目的在于提供这样一种局部再生式中压变频器:其构造为将常规串联H桥中压变频器与具有能够执行再生操作的有源整流器的再生式单元电池组合在一起。
然而,应当强调的是,本公开不限于上文说明的特定公开内容。应当理解的是,本领域技术人员可以理解此处未提到的其他技术主题。
在本公开的一个总方案中,提供了一种再生式中压变频器,所述变频器包括:多个电池,其构造为通过串联连接的三个组将相电压传输给所述电动机;多个输入滤波器,其连接在输入电力单元和所述电池之间以减少3相输入电力的谐波;以及多个切换信号生成单元,其连接在输入电力单元和所述电池之间以切换输入至所述电池的电压。
优选地,但是不是必须地,所述变频器进一步包括移相变压器,所述移相变压器使得来自所述输入电力单元的输入电力电绝缘,以及将电绝缘的输入电力提供给多个电池中的每一个。
优选地,但是不是必须地,所述输入滤波器安装有接收所述输入电力的三个输入端,并且包括电感器和电容器,所述电感器分别连接至所述输入端,所述电容器以三角形接法与所述电感器相连接。
优选地,但是不是必须地,所述输入滤波器进一步包括并联地连接至每个电感器的电阻器以去除所述输入电力的谐振。
优选地,但是不是必须地,所述电池包括:有源整流单元,其接收所述输入滤波器的输出电压以输出由所述输出电压整流后的直流电压;直流母线电容器,其存储所述直流电压;以及变频器单元,其由存储的直流电压合成输出电压。
优选地,但是不是必须地,所述有源整流单元包括并联地连接至各个相电压的多个开关。
优选地,但是不是必须地,所述切换信号生成单元对所述多个开关进行控制以顺序地连接所述电池和所述输入电力单元。
优选地,但是不是必须地,所述开关中的每一个开关包括并联地连接的晶体管和二极管。
优选地,但是不是必须地,所述切换信号生成单元利用来自所述输入电力单元的输入电力来测量线间电压,利用测量到的线间电压来提取功角以及切换输入至所述电池的电压。
根据本公开的示例性实施例的再生式中压变频器具有的有益效果在于:通过改变串联H桥中压变频器处的单元电池的输入端的结构能够进行再生操作,并且与常规的中压变频器相比,不需要动态制动电阻器来减小直流母线电容器的大小。
附图说明
为了解释本公开的原理,为了图示、示例以及描述的目的,在下文中呈现了与其优选实施例相关的一些附图,但是它们并非旨在是详尽的。仅通过示例,而不是通过限定,附图描述了根据本构思的一个以上示例性实施例。在附图中,相似的附图标记表示相同的或类似的元件。
因此,参照示例性附图,通过以下对于特定示例性实施例的详细描述,可以更加容易地理解多种潜在的实用且有用的实施例,在附图中:
图1是图示出根据现有技术的串联H桥中压变频器的结构图;
图2是图示出图1的单元电池的结构图;
图3是图示出根据本公开的示例性实施例的再生式中压变频器的结构图;
图4是图示出根据本公开的示例性实施例的图3的输入滤波器的详细结构图;
图5是图示出根据本公开的另一个示例性实施例的图3的输入滤波器的详细结构图;
图6是图示出根据本公开的示例性实施例的图3的电池的详细结构图;
图7是图示出切换信号生成单元和图3中的连接至电池的输入滤波器的示意图;以及
图8是图示出根据本公开的示例性实施例的由图3的切换信号生成单元生成的切换信号和由此产生的有源整流单元的切换的示意图。
具体实施方式
通过参照附图的图1至图8,可以很好地理解所公开的实施例及其优点,相似的附图标记用于各个附图中相似的部件和相应的部件。对于本领域的普通技术人员来说,在查阅以下附图和详细描述时,所公开的实施例的其他特征和优点将是或者将变得明显。其旨在使所有这种附加的特征和优点均被包括在所公开的实施例的范围内,并受附图保护。此外,图示的附图仅为示例性的并且不旨在主张或暗示对于可实施不同实施例的环境、结构或过程的任何限制。因此,所描述的方案旨在包含落在本发明的范围和新颖构思内的所有这种替代、改进以及变化。
与此同时,在此使用的术语仅仅用于描述特殊实施方式的目的而不旨在作为对本公开的限定。这里,术语“第一”、“第二”等类似的术语不表示任何顺序、数量或重要性,而是用来区分一个元件和另一个元件。例如,第二组成元件可被表示为第一组成元件而不会脱离本公开的范围和精神,并且类似地,第一组成元件可被表示为第二组成元件。
如此处所使用的,这里,术语“一(a)”和“一(an)”并不指示数量的限制,而是指示存在至少一个所指项。也就是说,如此处所使用的,单数形式“一(a)”、“一(an)”和“这个(the)”均旨在还包括复数形式,除非上下文另外清楚地指出。
可以理解的是,当元件被称为“连接”或者“联接”到另一元件时,其可直接地连接或联接到另一元件或者可存在中间元件。相反地,当元件被称为“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时,则不存在中间元件。
还将进一步理解的是,当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”或者“包含”和/或“包含有”时,这些术语指定了所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在,但是也不排除一个以上其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其群组的存在或附加。
而且,“示例性”仅仅意在指示例,而不是最佳的。还应当了解的是,为了简洁且易于理解的目的,在此所描述的特征、层和/或元件均图示有相对于彼此的特定尺寸和/或定向,并且实际的尺寸和/或定向可大体上不同于所图示的尺寸和/或定向。
也就是说,在附图中,为了清晰起见可以扩大或缩小层、区域和/或其他元件的大小和相对大小。在整个说明书中相似的附图标记指代相似的元件并且将省略彼此相同的说明。如在此可使用的,术语“大致上”和“大约”为其相应的术语提供了工业上可接受的容限和/或物件之间的相对性。
在下文中,将参照附图详细描述根据本公开的再生式中压变频器。
图3是图示出根据本公开的示例性实施例的再生式中压变频器的结构图,其中示例出了串联H桥中压变频器。
然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,虽然示例出构造有3级单元电池的再生式中压变频器,但是本公开不限于此,并且单元电池的个数可以按照需要而变化。
根据本公开的再生式中压变频器10是这样一种变频器:其接收来自输入电力单元20的电压(其线间电压的rms(均方根)值在600V以上),并且将3相电力供应给电动机30。优选地,电动机30为感应式电动机或者同步电动机但是不限于此。
参照图3,再生式中压变频器10包括移相变压器11、多个输入滤波器12、多个切换信号生成单元13和多个电池14。图3示例出了3级单元电池,以使得向电动机30提供3相电压的电池14的个数总计为9,并且分别连接至电池14的输入滤波器12和切换信号生成单元13的个数在本公开中分别总计为9。然而,对于本领域技术人员而言应当明显的是,这些个数可以根据电池14的个数而改变。
虽然为了方便起见,在图3中仅图示出一个切换信号生成单元13作为至A1的传输信号,但是并限于此并且应当显而易见的是,切换信号生成单元13安装至每个电池。
移相变压器11用于提供输入电力单元20和再生式中压变频器10之间的电绝缘,用于减少来自输入电力的谐波以及向各个电池14提供3相电力。输入滤波器12起到减少来自输入电力的谐波的作用。
图4是图示出根据本公开的示例性实施例的图3的输入滤波器的详细结构图,以及图5是图示出根据本公开的另一个示例性实施例的图3的输入滤波器的详细结构图。
参照图4,输入滤波器12包括:电感器41a~41c,其分别串联地连接至移相变压器11的二次绕组侧的3相输出端(为此,输入滤波器12形成有三个输入端);以及电容器42a~42c,其以三角形(delta)接法连接至电感器41a~41c。
现在,参照图5,根据本公开的另一个示例性实施例的输入滤波器12包括:电感器51a~51c,其分别串联地连接至移相变压器11的二次绕组侧的3相输出端(为此,输入滤波器12形成有三个输入端);电容器52a~52c,其以三角形接法连接至电感器51a~51c;以及阻尼电阻器53a~53c,其分别并联地连接至电感器51a~51c。如果在输入电压中产生了谐振,那么阻尼电阻器53a~53c用于去除输入电压中的谐振。
单元电池14起到输出电动机30的相电压的作用,并且各个单元电池14形成有串联连接的三个组。在图3中,A1、A2和A3以输出电压串联地连接以合成电动机30的‘a’相电压,B1、B2和B3以输出电压串联地连接以合成电动机30的‘b’相电压,并且C1、C2和C3以输出电压串联地连接以合成电动机30的‘c’相电压。合成的‘b’相电压和‘a’相电压具有120°的相位差,并且合成的‘c’相电压和‘b’相电压也具有120°的相位差。
图6是图示出根据本公开的示例性实施例的图3的电池的详细结构图,其中多个电池14中的每一个具有相同的结构。
参照图6,电池14包括有源整流单元61、直流母线电容器62和变频器单元63。
有源整流单元61的输入是图3的输入滤波器12的输出电压,从其输出了由3相电压整流后的直流。有源整流单元61包括六个晶体管开关(在下文中称为开关61a~61f),其中如图6所示,晶体管优选为IGBT(绝缘栅双极晶体管)。直流母线电容器62存储有源整流单元61的输入电力。
变频器单元63优选的是单相全桥变频器以响应于控制器(未示出)的控制而合成来自直流母线的电压的输出电压。变频器单元63包括四个开关63a~63d,并且每个开关通过并联地连接晶体管和二极管而形成。现在,将详细描述图3的电路,其中重点在于与图1的电路的区别。
首先,如图4或者图5构造的图3的输入滤波器12接收移相变压器11的输出,并且输入滤波器12处的电感器41a~41c或51a~51c的电感的值充分大于移相变压器11的漏电感的值。
【等式7】
L滤波器>2L漏_2nd
其中,L滤波器是输入滤波器12处的电感器41a~41c或51a~51c的电感,并且L漏_2nd是转换至二次绕组侧的移相变压器11的漏电感。此外,可以从以下关系式得到图4或者图5的电容器42a~42c或52a~52c的电容。
【等式8】
其中,ωc是输入滤波器12的截止频率,并且具有大于输入电力频率六倍的值。
【等式9】
其中,ω是输入电力频率。
同时,具有相对于图5的阻尼电阻器53a~53c的最大阻尼的电阻如下。
【等式10】
R阻尼=ωcL滤波器
由输入滤波器12测量的输入线间电压决定图6的有源整流单元的切换,其中电压的测量位置位于移相变压器11和输入滤波器12之间。
图7是图示出切换信号生成单元和图3中的连接至电池的输入滤波器的示意图。
切换信号生成单元13用于生成有源整流单元61的切换信号。也即是说,切换信号生成单元13测量从输入滤波器12输入的3相电压中的输入线间电压,从测量到的线间电压中提取输入功角并且将选通信号(即切换信号)传输给有源整流单元61的六个晶体管61a~61f。
图8是图示出根据本公开的示例性实施例的由图3的切换信号生成单元生成的切换信号和由此产生的有源整流单元的切换的示意图,其中示例出了响应于输入线间电压由图3的切换信号生成单元生成的切换信号。
参照图8,‘Vab’表示ab线间电压,‘Vbc’表示bc线间电压并且‘Vca’表示ca线间电压,并且切换信号生成单元13传输与有源整流单元61的开关61a~61f有关的通/断信号至晶体管的各个开关61a~61f。
参照图8,应当注意的是,有源整流单元的切换具有与输入电力的频率相同的切换频率。
也即是说,在ωt的输入功角在从0至π/3的情形下,图6的开关61d和61e被接通,在输入功角在从π/3至2π/3的情形下,开关61a和61d被接通,而在输入功角在从2π/3至π的情形下,开关61a和61f被接通。
此外,在输入功角在从π至4π/3的情形下,开关61c和61f被接通,在输入功角在从4π/3至5π/3的情形下,开关61b和61c被接通,并且在输入功角在从5π/3至2π的情形下,开关61b和61e被接通。
切换模式响应于输入功角的变化而以每2π周期性地重复,通过此使得包括有源整流单元61的电池14能够进行双向电力传输。
虽然图8图示出了相对于输入线间电压的有源整流单元61的切换,但是对于本领域技术人员而言应当显而易见的是,能够通过测量输入相电压而做出相同的操作,这将随后进行描述。
下文表示出了输入线间电压和输入相电压之间的关系。
【等式11】
E a = V ab - V ca 3
【等式12】
E b = V bc - V ab 3
【等式13】
E c = V ca - V bc 3
在以上等式11、等式12和等式13中,Ea是输入‘a’相电压,Eb是输入‘b’相电压,并且Ec是输入‘c’相电压。因为能够从线间电压获得相电压,所以图8的切换也可以应用于相电压。
通过切换信号生成单元13的切换,有源整流单元61能够使得开关61a~61f在与二极管整流单元21的二极管操作的点相同的点操作,由此移相变压器11和电池14被即时地电连接以使得能够进行再生操作。
在移相变压器11和电池14通过图8的切换而连接的情形下,发生了如下关系。
首先,可以通过以下等式14和等式15分别限定电动机30的‘a’输出电压和电流,并且还可以通过以下等式16、等式17、等式18和等式19分别限定电动机30的‘b’输出电压和‘c’输出电压和电流。
【等式14】
v o _ a = 2 V o sin ωt
【等式15】
i o _ a = 2 I o sin ( ωt - φ )
【等式16】
v o _ b = 2 V o sin ( ωt - 2 3 π )
【等式17】
i o _ b = 2 I o sin ( ωt - 2 3 π - φ )
【等式18】
v o _ c = 2 V o sin ( ωt + 2 3 π )
【等式19】
i o _ c = 2 I o sin ( ωt + 2 3 π - φ )
其中,φ是负载角,ω是工作频率,t是时间,Vo和Io是输出电压的rms值以及输出电流的rms值。
通过等式14和等式15,能够从以下等式20获得从电动机30的‘a’相产生的功率,并且类似地,能够从等式21和等式22获得从‘b’相和‘c’相产生的功率。
【等式20】
po_a=vo-aio_a=VoIocosφ-VoIocos(2ωt-φ)
【等式21】
p o _ b = v o _ b i o _ b = V o I o cos φ - V o I o cos ( 2 ωt - φ + 2 3 π )
【等式22】
p o _ c = v o _ c i o _ c = V o I o cos φ - V o I o cos ( 2 ωt - φ + 2 3 π )
因此,如下文所示仅以DC分量示出了全部功率的大小。
【等式23】
po=po_a+po_b+po_c=3VoIocosφ
也即是说,如在等式23中,根据本公开的有源整流单元61,移相变压器11和电池14被即时地连接以允许***输出预定的功率,由此,单元电池14的直流母线电容器与常规的中压变频器相比,大小会减小。
如图1和图2所示的具有常规二极管整流单元的单元电池具有两倍于如等式20、等式21和等式22所示的由每个单元电池输出的功率中的工作频率的纹波。存在扩大单元电池的直流母线电容器的大小以减小纹波的缺陷。
然而,因为输入端和输出端被即时地连接,所以根据本公开的包括有源整流单元61的电池14能够有利地减小各个电池14的直流母线电容器的大小,纹波电力不会集中在每个单元电池的直流母线电容器中,并且如等式23所示可以仅以直流分量得到3相功率的总和。
虽然已参照本公开的多个示例性实施例描述了本公开,但是应当理解的是,本领域技术人员能够设想出将落在本公开原理的精神和范围内的多种其他改进和实施例。
更特别地,在本公开、附图和附属的权利要求的范围内对主题组合布置的组成部件和/或布置进行的各种变化和改进都是可能的。对于本领域的技术人员而言,除了对组成部件和/或布置的变化和改进以外,替代性使用也将是显而易见的。
根据本公开的示例性实施例的再生式中压变频器具有的工业适用性在于:通过改变串联H桥中压变频器处的单元电池的输入端的结构能够进行再生操作,并且与常规的中压变频器相比,不需要动态制动电阻器来减小直流母线电容器的大小。

Claims (5)

1.一种将来自输入电力单元的3相输入电力输出给电动机的再生式中压变频器,所述变频器包括:
多个电池,其构造为通过串联连接的三个组将相电压传输给所述电动机;
多个输入滤波器,每一个输入滤波器连接在所述输入电力单元和所述多个电池之一之间以减少3相输入电力的谐波;以及
多个切换信号生成单元,每一个切换信号生成单元连接在所述输入电力单元和所述多个电池之一之间以切换输入至对应的所述电池的电压,
其中,所述多个电池的每一个包括:
有源整流单元,其接收所述输入滤波器的输出电压以输出自所述输出电压整流后的直流电压;
直流母线电容器,其存储所述直流电压;以及
变频器单元,其由存储的直流电压合成输出电压,
其中,所述输入滤波器安装有接收所述输入电力的三个输入端,并且包括电感器和电容器,所述电感器分别连接至所述输入端,所述电容器以三角形接法与所述电感器相连接,
其中,所述输入滤波器的截止频率具有大于输入电力频率六倍的值,
其中,所述有源整流单元具有与所述输入电力单元的频率相同的切换频率,
其中,所述有源整流单元包括并联地连接至各个相电压的多个开关,以及
其中,所述多个切换信号生成单元的每一个对所述多个开关进行控制以顺序地连接所述电池和所述输入电力单元,并且控制切换模式响应于输入功角的变化而以每2π周期性地重复。
2.根据权利要求1所述的变频器,进一步包括移相变压器,所述移相变压器使得来自所述输入电力单元的输入电力电绝缘,并且将电绝缘的输入电力提供给多个电池中的每一个。
3.根据权利要求1所述的变频器,其中,所述输入滤波器进一步包括并联地连接至每个电感器的电阻器以去除所述输入电力的谐振。
4.根据权利要求1所述的变频器,其中,所述开关中的每一个开关包括并联地连接的晶体管和二极管。
5.根据权利要求1所述的变频器,其中,所述切换信号生成单元利用来自所述输入电力单元的输入电力来测量线间电压,利用测量到的线间电压来提取功角并且切换输入至所述电池的电压。
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