CN203289169U - 功率单元级联型高压变频器的预充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，主要包括三相双向开关（44）、三相电抗器（45）和开关控制电路（46）；其中：所述三相双向开关（44）与三相电抗器（45）串联连接；所述三相双向开关（44）的一端连接三相交流电；所述三相电抗器（45）的另一端连接高压变频器中变压器的三相辅助绕组；所述开关控制电路（46）与所述三相双向开关（44）相连，为所述三相双向开关（44）提供控制信号。采用本实用新型的预充电装置，能够降低对三相低压市电电网的干扰，并抑制高压变频器的高压上电时对三相高压电网的冲击。

Description

功率单元级联型高压变频器的预充电装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术，尤其涉及一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，用于实现高压变频器的无级预充电，降低对三相低压市电电网的干扰，抑制高压变频器的高压上电时对三相高压电网的冲击，还可以实现功率单元直流滤波电容的激活使能，从而延长高压变频器工作寿命。

背景技术

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，国内外许多厂家都已经推出了基于这项技术的产品。由于在节能降耗、改善生产工艺性以及提高设备工作寿命等方面效果显著，应用日益普遍。

图1A所描述的就是现有这类高压变频器的典型方案，其每相由3个功率单元串联而成。如图1A所示，该高压变频器包括：变压器1、九个相同的功率单元（如2AU）、控制器3和高压变频器预充电电路4。其中各功率单元的结构完全相同，其结构如图1B所示；变压器1包括1个原边绕组11、9个相位不同的三相副边绕组（如12AU）和一个辅助三相副边绕组12X。

从图1B可以看出，每个功率单元的直流滤波电路23中都包括滤波电容231、232，为了维持功率单元直流母线的电压稳定，滤波电容231、232的容量很大（一般在数千微法以上），通常为电解电容。当高压变频器接通高压三相电源时，需要对各功率单元的滤波电容进行充电，会产生过大的脉冲电流，不但容易导致功率单元的整流电路22损坏和熔断器21的烧毁，而且降低滤波电容的工作寿命；高压变频器也需要从高压电网吸取很大的冲击电流，对高压电网形成冲击，容易影响高压电网上其它负荷的工作，甚至导致高压电网跳闸断电。

为了避免上述现象的发生，目前的普遍做法是在高压上电之前，采用三相低压交流市电（如380V）通过变压器1的三相辅助副边绕组12X对功率单元进行充电，如图2所示，首先接触器41闭合，三相低压交流市电（如380V）通过限流电阻43接通变压器1的三相辅助绕组12X（参考图1A），对各功率单元进行预充电；经过一段时间，待功率单元的直流母线电压基本饱和，再闭合接触器42，三相低压市电直接接通变压器三相辅助副边绕组12X，对功率单元直接充电；最后断开接触器42、41，即可以进行高压上电。

功率单元级联型高压变频器采用上述预充电方式，逻辑简单，实现方便，因而获得广泛应用，但是这种预充电方式存在其不足之处。

首先，预充电通过接触器42旁路限流电阻43实现，为有级切换，当接触器42、41依次闭合时，仍会从三相低压市电网吸取冲击电流，容易对高压变频器控制电路3的工作形成干扰。

其次，由于高压变频器的三相辅助绕组的额定电压与三相低压市电相同，功率单元的滤波电容电压无法达到其额定值，因而当高压上电时，依然从高压电网吸取冲击电流，仍可能影响高压电网上其它设备的正常运行。

第三，当高压变频器在现场长期未运行时，功率单元中滤波电容（通常为电解电容）的性能容易退化，重新投入运行之前必须进行充电激活，即施加额定电压并持续一段时间，而采用现有的预充电方法无法实现上述激活过程。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，以实现高压变频器的无级预充电，降低对三相低压市电电网的干扰，抑制高压变频器的高压上电时对三相高压电网的冲击，还可以实现功率单元中的滤波电容（如电解电容）的激活使能，从而延长高压变频器的工作寿命。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，所述预充电装置主要包括三相双向开关44、三相电抗器45和开关控制电路46；其中：

所述三相双向开关44与三相电抗器45串联连接；所述三相双向开关44的一端连接三相交流电；所述三相电抗器45的另一端连接高压变频器中变压器的三相辅助绕组；

所述开关控制电路46与所述三相双向开关44相连，为所述三相双向开关44提供控制信号。

其中：所述三相双向开关44与三相电抗器45串联后连接的三相交流电为三相低压市电。

开关控制电路46与所述三相低压市电相连以获取所需电力。

所述高压变频器中变压器三相辅助绕组的工作电压低于三相低压市电的电压。

一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，该预充电装置主要包括三相双向开关44、三相电抗器45、开关控制电路46和三相变压器47；其中：

所述三相电抗器45、三相双向开关44和三相变压器47依次串联连接；所述三相变压器47的初级绕组连接三相交流电、次级绕组的输出端与所述三相双向开关44相连；

所述三相电抗器45的另一端与高压变频器中变压器的三相辅助绕组相连；

所述开关控制电路46与所述三相双向开关44相连，为所述三相双向开关44提供控制信号。

其中：所述三相变压器47初级绕组连接的三相交流电为三相低压市电。

开关控制电路46连接所述三相低压市电以获取所需电力。

所述三相变压器47为升压变压器，其次级绕组的电压高于其原边绕组的电压。

所述高压变频器中变压器的三相辅助绕组的额定工作电压与所述三相低压市电相同。

一种权利要求1或5所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，所述三相双向开关44为双向导通的固态功率开关。

本实用新型所提供的功率单元级联型高压变频器的预充电装置，具有以下优点：

首先，可使高压变频器的预充电过程由三相双向开关控制，再经三相电抗器限流、滤波，功率单元充电电压可以连续调节，从三相低压市电网吸取的冲击电流得以限制。

其次，三相辅助绕组的施加电压可以高出三相低压市电电压，只有在功率单元的滤波电容电压高出其正常工作电压时才投入高压电，各功率单元都不会产生输入冲击电流，因而高压变频器高压投入时对高压电网的电流冲击显著降低。

第三，功率单元的滤波电容电压甚至可以达到其额定值，所以，当高压变频器在现场长期闲置后，可以通过高压变频器预充电功能对功率单元中的滤波电容（尤其是电解电容）进行性能恢复，从而延长高压变频器的使用寿命。

附图说明

图1A为现有功率单元级联型高压变频器的原理示意图；

图1B为图1A中高压变频器功率单元的原理示意图；

图2为现有高压变频器预充电电路的原理示意图；

图3为本实用新型的一种高压变频器预充电装置的原理示意图；

图4为本实用新型的另一种高压变频器预充电装置的原理示意图；

图5为本实用新型的高压变频器预充电装置的另一实施例。

【主要部件符号说明】

1：变压器

11：原边绕组；

12AU、12AV、12AW、12BU、12BV、12BW、12CU、12CV、12CW：副边绕组；

12X：三相辅助绕组（u、v、w分别为其三相接线端）；

2、2AU、2AV、2AW；2BU、2BV、2BW；2CU、2CV、2CW：功率单元；

21：熔断器；

22：整流电路；

23：直流滤波电路；

      231、231：滤波电容；

      233、234：均压电阻；

24：逆变电路；

           25：功率单元控制电路；

3、主控制器；

4：预充电装置；

41、42：接触器；

           43：限流电阻；

           44：三相双向开关；

      45：三相电抗器；

46：开关控制电路；

47：三相变压器；

      471：初级绕组；

      472：次级绕组；

5：高压电机；

6：三相高压电网；

7：三相低压市电（R、S、T分别为其三相接线端）。

具体实施方式

下面结合附图及本实用新型的实施例对功率单元级联型高压变频器的预充电装置作进一步说明。

以图3～图5为例对本实用新型的功率单元级联型高压变频器的预充电装置进行说明。

图3为本实用新型的一种高压变频器预充电装置的原理示意图。如图3所示，所述高压变频器预充电装置4，包括：三相双向开关44、三相电抗器45和开关控制电路46。其中，所述三相双向开关44与三相电抗器45串联连接，串联后的下端即R、S、T端为预充电装置4的输入端，连接三相交流电（在图3中为三相低压市电，上端表示预充电装置的输出端即u、v、w端，连接高压变频器中变压器1的三相辅助绕组12X（请参考图1A）。

开关控制电路46与三相双向开关44相连，为所述三相双向开关44提供控制信号。所述三相双向开关44包括三个双向可控硅，开关控制电路46需要为三相双向开关44提供3路双向可控硅门极触发信号。

在图3中，所述预充电装置4的输入端直接连接三相低压市电R、S、T，开关控制电路46也连接三相低压市电，以获取工作所需的电力。

结合图1A、图1B，在采用图3所示的预充电装置时，高压变频器中变压器的三相辅助绕组的额定电压应低于三相低压市电的额定电压。例如，在国内，三相低压市电的额定电压为380V，考虑10%的电压波动，其最低电压不会低于342V；高压电网考虑5%的电压波动，对于10KV电网，其最高电压不会高于10.5KV，如果在高压电网的最高网压下，高压变频器的变压器1的三相辅助绕组12X的工作电压仍低于三相低压市电的最低电压（如342V），则当采用图3所示的高压变频器预充电装置进行预充电时，各功率单元（如2AU）中的滤波电容电压（如231）可以达到其正常工作电压以上。当预充电过程结束后，功率单元滤波电容（如231）的电压随着通过其并联均压电阻（如233）的放电而缓慢下降，如果在滤波电容电压仍然高于其正常工作电压的时间段内对高压变频器投入高压，则功率单元本身不会导致冲击电流，因而高压变频器从高压电网吸取的冲击电流会显著降低。

对于图3所示的高压变频器预充电装置4，其上电过程可以采取以下步骤：首先，投入三相低压市电，预充电装置4中的开关控制电路46开始工作，对三相双向开关44进行控制，使三相双向开关44的导通角逐步增大，预充电装置4的输出电压随之逐渐增大，通过高压变频器变压器1的三相辅助绕组12X对高压变频器的各功率单元（如2AU）中的滤波电容（如231）进行充电（请参考图1A）；经过一段时间，各功率单元的滤波电容（如231）的电压都可以充电到其正常工作电压以上，这时开关控制电路46即可以控制三相双向开关44关断，功率单元的滤波电容电压随即开始衰减，在衰减到其正常工作电压之前的这段时间，高压变频器可以投入高压三相交流电。

结合图1A，在图3所示的高压变频器的预充电装置中，由于变压器1的三相辅助绕组12X经常还具有其他功能，例如在高压变频器的运行过程中，一旦外供三相低压市电断电，即可由三相辅助绕组12X向高压变频器的控制电路、风机等继续供电，而这些负载往往要求变压器的三相辅助绕组的额定输出电压与三相低压市电一致。针对这种情形，图4提供了高压变频器的预充电装置4的另一个实施例。

图4所示的高压变频器的预充电装置4除了包括三相双向开关44、三相电抗器45和开关控制电路46之外，还包括一个三相变压器47；其中三相变压器47的初级绕组471连接三相低压市电R、S、T，作为预充电装置4的输入端；三相变压器47的次级绕组472连接三相双向开关44和三相电抗器串联后的下端，以提供三相交流电源。

在图4中，三相变压器47为升压变压器，其次级绕组472的额定电压高于其初级绕组471的额定电压；开关控制电路46仍然连接三相低压市电R、S、T，以从三相低压市电网获取所需要的电力。

结合图1A、图1B，在图4所示的高压变频器的预充电装置4中，变压器1的三相辅助绕组12X的额定电压与三相低压市电的额定电压相同（如380V）。这样，借助升压变压器47的作用，可以使变压器1的三相辅助绕组12X得到能够连续调节并且能将各功率单元（如2AU）的滤波电容（如231）电压充电到其正常工作电压以上，从而消除高压上电时各功率单元（如2AU）的输入冲击电流，并且不致影响三相辅助绕组12X的正常供电功能。

在本实用新型提供的高压变频器的预充电装置4中，三相双向开关44为固态功率开关，并且可以双向导通。在图3和图4中，三相双向开关分别包括3个双向可控硅，当然也可以采用其它形式的固态功率开关。与图3相对应，图5提供了采用可控硅作为固态功率开关的一个实施例，容易看出，三相双向开关44中包括6个可控硅，两两阴极、阳极反向并联以实现双向导通。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述预充电装置主要包括三相双向开关（44）、三相电抗器（45）和开关控制电路（46）；其中：

所述三相双向开关（44）与三相电抗器（45）串联连接；所述三相双向开关（44）的一端连接三相交流电；所述三相电抗器（45）的另一端连接高压变频器中变压器的三相辅助绕组；

所述开关控制电路（46）与所述三相双向开关（44）相连，为所述三相双向开关（44）提供控制信号。

2.根据权利要求1所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述三相双向开关（44）与三相电抗器（45）串联后连接的三相交流电为三相低压市电。

3.根据权利要求1或2所述的功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，开关控制电路（46）与所述三相低压市电相连以获取所需电力。

4.根据权利要求1或2所述的功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述高压变频器中变压器三相辅助绕组的工作电压低于三相低压市电的电压。

5.一种功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，该预充电装置主要包括三相双向开关（44）、三相电抗器（45）、开关控制电路（46）和三相变压器（47）；其中：

所述三相电抗器（45）、三相双向开关（44）和三相变压器（47）依次串联连接；所述三相变压器（47）的初级绕组连接三相交流电、次级绕组的输出端与所述三相双向开关（44）相连；

所述三相电抗器（45）的另一端与高压变频器中变压器的三相辅助绕组相连；

所述开关控制电路（46）与所述三相双向开关（44）相连，为所述三相双向开关（44）提供控制信号。

6.根据权利要求5所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述三相变压器（47）初级绕组连接的三相交流电为三相低压市电。

7.根据权利要求6所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，开关控制电路（46）连接所述三相低压市电以获取所需电力。

8.根据权利要求5所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述三相变压器（47）为升压变压器，其次级绕组的电压高于其原边绕组的电压。

9.根据权利要求6所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述高压变频器中变压器的三相辅助绕组的额定工作电压与所述三相低压市电相同。

10.一种权利要求1或5所述功率单元级联型高压变频器的预充电装置，其特征在于，所述三相双向开关（44）为双向导通的固态功率开关。

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