CN109462340A - 变频装置及其变压方法 - Google Patents

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张盛
郭艳玲
时迎亮
金辛海
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Abstract

本发明实施例涉及变频器，公开了一种变频装置及其变压方法。本发明中，变频装置包括若干个变频器；主控模块，与各变频器电性连接，用于对各变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；第一变压模块，与各变频器电性连接，用于将任意两个变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加。与现有技术相比，通过通用的低压变频器可形成中压变频器，通用的低压变频器可以得到充分的复用，并实现通过低技术难度和简单的控制让变频装置产生需要的稳定的额定电压，还降低开发成本和物料管理成本。

Description

变频装置及其变压方法
技术领域
本发明实施例涉及变频器，特别涉及变频装置及其变压方法。
背景技术
中压变频器被广泛地应用于大型矿业生产、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。
目前中压变频器多采用3300V的IGBT器件组成两电平拓扑来实现1140V的变频输出，或者采用1700V的IGBT器件组成三电平拓扑来实现1140V的变频输出。或是需要实现更高电压等级的变频器产品如2300V级变频器时，需要采用更多的3300V的IGBT器件或是1700V的IGBT器件。但是发明人发现，现有市场中3300V的IGBT器件不是行业常用标准器件，器件成本高且货期不稳定。采用3300V级IGBT器件开发的变频器输出电压特性不好，电压畸变度高，dudt值较大。采用1700V级IGBT进行多电平开发，控制复杂，技术难度大，研发成本高。且新器件的导入及全新产品的开发，物料复用性差，原来的低压产品成熟技术也很难复用，增加了物料运营成本和产品运营成本。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种变频装置及其变压方法。使得通过通用的低压变频器可形成中压变频器，降低技术难度以及研发成本，通用的低压变频器还可以得到充分的复用，不用额外开发器件，降低物料运营成本和产品运营成本。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种变频装置，包括：
至少N个变频器，所述N为大于2的自然数；
主控模块，与各所述变频器电性连接，用于对各所述变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各所述变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；
第一变压模块，与各所述变频器电性连接，用于将任意两个所述变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加。
本发明的实施方式还提供了一种变频装置的变压方法，包括：如下步骤：
对各所述变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各所述变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；
将任意两个所述变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加；
对叠加后的线电压进行输出。
本发明实施方式相对于现有技术而言，由于设有多个变频器、主控模块和第一变压模块，变频器为标准变频器，无需重新开发利用，且在现有多产品中均可运用，物料复用性高，主控模块与各变频器电性连接，且主控模块对各变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使得各变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开，而第一变压模块与各变频器电性连接，与任意两个变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加，从而实现通过低技术难度和简单的控制让变频装置产生需要的稳定的额定电压，进而也降低了研发成本。并在产生额定电压的同时，降低了物料运营成本和产品运营成本。
另外，所述N为3，所述第一变压模块包括：与所述变频器数量相等的变压器，且各所述变压器与各所述变频器一一对应；
任意一个所述变频器的任意两相分别与各自所对应的所述变压器的原边绕组电性连接，且该两相中的任意一相还与剩余两个变压器中的其中一个变压器的副边绕组电性连接，且任意一个所述变压器的副边绕组仅与一个所述变频器电性连接。
另外，所述N为4，所述第一变压模块包括：与其中三个变频器一一对应的三个第一变压器、与另外一个变频器对应的三个第二变压器；
对应任意一个所述第一变压器的变频器的任意两相分别与该第一变压器的原边绕组电性连接，且该两相中的其中一项还与另外两个所述第一变压器中的一个所述第一变压器的副边绕组电性连接，另一项还与任意一个所述第二变压器的副边绕组电性连接；
其中，一个所述第一变压器的副边绕组分别仅与一个对应第一变压器的变频器和一个第二变压器的副边绕组电性连接，且一个所述第二变压器的副边绕组仅与一个对应任意所述第一变压器的变频器电性连接。
另外，所述变频装置还包括：第二变压模块，分别与电网和各所述变频器电性连接。
另外，所述第二变压模块包括：与所述电网电性连接的原边绕组、与原边绕组耦合的若干个副边绕组，且副边绕组的数量与所述变频器的数量相同，并一一对应电性连接。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施方式中变频装置的框图；
图2是是本发明第一实施方式中变频装置输出电压矢量图；
图3是是本发明第一实施方式中变频装置载波移相控制框图；
图4是本发明第二实施方式中变频装置的框图；
图5是是本发明第二实施方式中变频装置输出电压矢量图；
图6是是本发明第二实施方式中变频装置载波移相控制框图；
图7是本发明第三实施方式中变频装置的的变压方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种变频装置，如图1所示，包括至少两个变频器、主控模块、第一变压模块，主控模块与各变频器电性连接，对各变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开。第一变压模块与各变频器电性连接，用于将任意两个变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加。
通过上述内容不难发现，由于设有多个变频器、主控模块和第一变压模块，变频器为标准变频器，无需重新开发利用，且在现有多产品中均可用，物料复用性高，主控模块与各变频器电性连接，且主控模块对各变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使得各变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开，而第一变压模块与各变频器电性连接，与任意两个变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加，从而实现通过低技术难度和简单的控制让变频装置产生需要的温定的额定电压，进而也降低了研发成本。并在产生额定电压的同时，降低了物料运营成本和产品运营成本。
另外，在本实施方式中，如图1所示，变频器为三个，分别为变频器CON1、变频器CON2和变频器CON3，各变频器均为400V级三相变频器。第一变压模块包括与变频器数量相等的变压器，且各变压器与各变频器一一对应，变压器为三个，分别为变压器TR1、变压器TR2和变压器TR3，各变压器均为单相变压器。变压器TR1的原边绕组TR1-1，变压器TR1的副边绕组TR1-2，原边绕组TR1-1和副边绕组TR1-2的匝比为1：1，变压器TR2的原边绕组TR2-1，变压器TR2的副边绕组TR2-2，原边绕组TR2-1和副边绕组TR2-2的匝比为1：1，变压器TR3的原边绕组TR3-1，变压器TR3的副边绕组TR3-2，原边绕组TR3-1和副边绕组TR3-2的匝比为1：1。
具体的说，如图1所示，变频器CON1的输出端分别为输出端a1、输出端b1、输出端c1，变频器CON2的输出端分别为输出端a2、输出端b2、输出端c2，变频器CON3的输出端分别为输出端a3、输出端b3、输出端c3，变压器TR1的原边绕组TR1-1接在变频器CON1的两相上，分别接在输出端c1和输出端b1上，变压器TR1的副边绕组TR1-2分别接入变频器CON2的一相和变频器CON3的一相，接在输出端c2和输出端b3。变压器TR2的原边绕组TR2-1接在变频器CON2的两相上，分别接在输出端a2和输出端c2上，变压器TR2的副边绕组TR2-2分别接入变频器CON1的一相和变频器CON3的一相，接在输出端c1和输出端a3。变压器TR3的原边绕组TR3-1接在变频器CON3的两相上，分别接在输出端a3和输出端b3上，变压器TR3的副边绕组TR3-2分别接入变频器CON1的一相和变频器CON2的一相，分别接在输出端b1和输出端a2上。变频器CON1的输出端a1、变频器CON2的输出端b2、变频器CON3的输出端c3接入电机设备。如图3所示，主控模块向变频器CON1、变频器CON2和变频器CON3输入同向的调制波，将变频器CON1、变频器CON2、变频器CON3的载波依次移相开关周期的1/3，将变频器CON1的载波为0周期、变频器CON2的载波为1/3周期、变频器CON3的载波为2/3周期，形成需要的PWM脉冲。从而形成如图2所示的电压矢量图，针对图2进行电压矢量叠加如下：
Ua1b2＝Ua1b1+Ub1a2+Ua2b2；
Ub2c3＝Ub2c2+Uc2b3+Ub3c3；
Uc3a1＝Uc3a3+Ua3c1+Uc1a1；
由于变压器TR1-1/TR1-2是TR1的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ub1c1＝Uc2b3；
由于变压器TR2-1/TR2-2是TR2的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ua2c2＝Uc1a3；
由于变压器TR3-1/TR3-2是TR3的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ub1a2＝Ua3b3；
因此有：
Ua1b2＝Ua1b1+Ua3b3+Ua2b2；
Ub2c3＝Ub2c2+Ub1c1+Ub3c3；
Uc3a1＝Uc3a3+Uc2a2+Uc1a1。
通过上述内容可知，变压器TR1～变压器TR3通过各自的原副边耦合，将原边电压耦合到副边，并与三个标准的400V级变频器输出的电压进行叠加，实现1140V的中压变频输出。
更值得一提的是，如图1所示，变频装置还包括第二变压模块TR0，分别与电网和各变频器电性连接。第二变压模块为输入整流移相变压器，包括一个原边绕组和三个副边绕组，三个副边绕组一一对应与变频器CON1、变频器CON2和变频器CON3的输入端相连。从而通过第二变压模块TR0进行电气隔离，消除电网的额外负载，防止谐波影响其他敏感设备，并能够使各个变频器相互独立，实现电压迭加串联。移相接法可以有效地消除低频谐波，可以消除6n-1次以下的谐波，n位单元级数。在本实施方式中，n为3，则可以消除17次以下的谐波。
本发明的第二实施方式涉及一种变频装置，在第一实施方式中采用标准的400V级三相变频器，通过磁耦合方案，实现1140V的中压变频输出。而在第二实施方式中，同样采用标准的400V级三相变频器，通过磁耦合方案，但实现的是2300V级高压变频输出。在本实施方式中，如图4所示，变频器为四个，分别为变频器CON1、变频器CON2、变频器CON3和变频器CON4，各变频器均为400V级三相变频器。第一变压模块包括与其中三个变频器一一对应的三个第一变压器，即与变频器CON1对应的变压器TR1，与变频器CON2对应的变压器TR2，与变频器CON3对应的变压器TR3，与变频器CON4对应的三个第二变压器，分别为变压器TR4、变压器TR5、变压器TR6，各变压器均为单相变压器。变压器TR1的原边绕组TR1-1，变压器TR1的副边绕组TR1-2，原边绕组TR1-1和副边绕组TR1-2的匝比为1：1，变压器TR2的原边绕组TR2-1，变压器TR2的副边绕组TR2-2，原边绕组TR2-1和副边绕组TR2-2的匝比为1：1，变压器TR3的原边绕组TR3-1，变压器TR3的副边绕组TR3-2，原边绕组TR3-1和副边绕组TR3-2的匝比为1：1。变压器TR4的原边绕组TR4-1，变压器TR4的副边绕组TR4-2，原边绕组TR4-1和副边绕组TR4-2的匝比为1：1，变压器TR5的原边绕组TR5-1，变压器TR5的副边绕组TR5-2，原边绕组TR5-1和副边绕组TR5-2的匝比为1：1，变压器TR6的原边绕组TR6-1，变压器TR6的副边绕组TR6-2，原边绕组TR6-1和副边绕组TR6-2的匝比为1：1。
具体的说，如图4所示，变频器CON1的输出端分别为输出端a1、输出端b1、输出端c1，变频器CON2的输出端分别为输出端a2、输出端b2、输出端c2，变频器CON3的输出端分别为输出端a3、输出端b3、输出端c3，变频器CON4的输出端分别为输出端a4、输出端b4、输出端c4。变压器TR1的原边绕组TR1-1接在变频器CON1的两相上，分别接在输出端c1和输出端b1上，变压器TR1的副边绕组TR1-2接入变压器TR2的一相，接在输出端c2上，还接在变压器TR4的副边绕组TR4-2的一端。变压器TR2的原边绕组TR2-1接在变频器CON2的两相上，分别接在输出端a2和输出端c2上，变压器TR2的副边绕组TR2-2分别接入变频器CON1的一相，接在输出端c1上，还接在变压器TR6的副边绕组TR6-2的一端。变压器TR3的原边绕组TR3-1接在变频器CON3的两相上，分别接在输出端a3和输出端b3上，变压器TR3的副边绕组TR3-2接入变频器CON1的一相接在输出端b1上，还接在变压器TR5的副边绕组TR5-2的一端。变频器CON1的输出端a1、变频器CON2的输出端b2、变频器CON3的输出端c3接入电机设备。如图6所示主控模块向变频器CON1、变频器CON2、变频器CON3和变频器CON4输入同向的调制波，将变频器CON1、变频器CON2、变频器CON3和变频器CON4的载波依次移相开关周期的1/4，将变频器CON1的载波为0周期、变频器CON2的载波为1/4周期、变频器CON3的载波为2/4周期、变频器CON2的载波为3/4周期，形成需要的PWM脉冲。从而形成如图5所示的电压矢量图，针对图5进行电压矢量叠加如下：
Ua1b2＝Ua1b1+UTR3-2+UTR5-2+Ua2b2；
Ub2c3＝Ub2c2+UTR1-2+UTR4-2+Ub3c3；
Uc3a1＝Uc3a3+UTR2-2+UTR6-2+Uc1a1；
由于变压器TR1-1/TR1-2是TR1的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ub1c1＝UTR1-2；
由于变压器TR2-1/TR2-2是TR2的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ua2c2＝UTR2-2；
由于变压器TR3-1/TR3-2是TR3的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ua3b3＝UTR3-2；
由于变压器TR4-1/TR4-2是TR4的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ub4c4＝UTR4-2；
由于变压器TR5-1/TR5-2是TR5的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ua4b4＝UTR5-2；
由于变压器TR6-1/TR6-2是TR6的原副边绕组，且匝比为1：1，因此有Ua4c4＝UTR6-2；
因此有：
Ua1b2＝Ua1b1+Ua2b2+Ua3b3+Ua4b4；
Ub2c3＝Ub2c2+Ub1c1+Ub3c3+Ub4c4；
Uc3a1＝Uc3a3+Uc2a2+Uc1a1+Uc4a4；
通过上述内容可知，变压器TR1～变压器TR4通过各自的原副边耦合，将原边电压耦合到副边，并与三个标准的400V级变频器输出的电压进行叠加，实现2300V的高压变频输出。
本发明的第三实施方式涉及一种变频装置的变压方法，如图7所示，采用第一实施方式或第二实施方式中的变频装置，包括如下步骤：
步骤710，对各变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；
步骤720，将任意两个所述变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加；
步骤730，对叠加后的线电压进行输出。
具体的说，本实施方式中的方法实施在第一实施方式中时形成的线电压在第一实施方式已进行阐述，在此不再详细说明。同样的，本实施方式中的方法实施在第二实施方式中时形成的线电压在第二实施方式已进行阐述，在此不再详细说明。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种变频装置，其特征在于：包括：
至少N个变频器，所述N为大于2的自然数；
主控模块，与各所述变频器电性连接，用于对各所述变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各所述变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；
第一变压模块，与各所述变频器电性连接，用于将任意两个所述变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加。
2.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于：所述N为3，所述第一变压模块包括：与所述变频器数量相等的变压器，且各所述变压器与各所述变频器一一对应；
任意一个所述变频器的任意两相分别与各自所对应的所述变压器的原边绕组电性连接，且该两相中的任意一相还与剩余两个变压器中的其中一个变压器的副边绕组电性连接，且任意一个所述变压器的副边绕组仅与一个所述变频器电性连接。
3.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于：所述N为4，所述第一变压模块包括：与其中三个变频器一一对应的三个第一变压器、与另外一个变频器对应的三个第二变压器；
对应任意一个所述第一变压器的变频器的任意两相分别与该第一变压器的原边绕组电性连接，且该两相中的其中一项还与另外两个所述第一变压器中的一个所述第一变压器的副边绕组电性连接，另一项还与任意一个所述第二变压器的副边绕组电性连接；
其中，一个所述第一变压器的副边绕组分别仅与一个对应第一变压器的变频器和一个第二变压器的副边绕组电性连接，且一个所述第二变压器的副边绕组仅与一个对应任意所述第一变压器的变频器电性连接。
4.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于：所述变频装置还包括：
第二变压模块，分别与电网和各所述变频器电性连接。
5.根据权利要求4所述的变频装置，其特征在于：所述第二变压模块包括：与所述电网电性连接的原边绕组、与原边绕组耦合的若干个副边绕组，且副边绕组的数量与所述变频器的数量相同，并一一对应电性连接。
6.一种如权利要求1至5中任意一项所述的变频装置的变压方法，其特征在于：包括如下步骤：
对各所述变频器在得电时所需要的载波移相1/N个开关周期，使各所述变频器在得电时所需要的各PWM脉冲相互错开；
将任意两个所述变频器处于相同矢量边线上的两个输出线电压和其余变频器与该矢量边线方向相同的输出线电压进行耦合叠加；
对叠加后的线电压进行输出。
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