專利名稱：雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流電機變頻調(diào)速裝置，尤其是相數(shù)大于3的多相交流電機變 頻調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
三相交流變頻調(diào)速裝置在中小功率電機已得到較廣泛的應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu) 如圖1所示。圖中1為交流電機(同步或異步)；三相交流電機1定子繞組的一 端引出接三相逆變器2，三相逆變器2由三個橋臂構(gòu)成；C為濾波電容；E為直 流電源， 一般通過整流獲得。
在中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中，橋臂的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的開關(guān)器件采 用IGBT或IGCT等全控型電力電子器件。由于受目前全控型電力電子器件單管 容量的限制，這種橋臂結(jié)構(gòu)無法滿足大功率變頻調(diào)速的需要。因此目前商品化 的大功率變頻器多采用H橋級聯(lián)多電平的方案。這種變頻器的每一相由多個具 有彼此獨立直流電源供電的兩相逆變器(由兩個橋臂并聯(lián)構(gòu)成)串聯(lián)構(gòu)成。其 優(yōu)點是各單元采用常規(guī)電壓，降低了對器件耐壓的要求；其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 需要的電力電子器件和直流電容的數(shù)量多，由于需要許多獨立電源，主電路連 線和結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，大量隔離的直流電源使輸入變壓器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要 多輸出的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的移相變壓器，控制電路復(fù)雜性增加。從而成本高、可靠性 低。
除上述級聯(lián)多電平的方案外，可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)大功率的方案還有 鉗位多電平方案。這個方案的主電路結(jié)構(gòu)仍如圖1所示。但圖1中各橋臂 采用圖3所示的二極管鉗位結(jié)構(gòu)或圖4所示的電容鉗位結(jié)構(gòu)。圖3和圖4所示 的是三電平結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^增加串聯(lián)的級數(shù)得到更多電平如五電平或七電平等 結(jié)構(gòu)。這個方案通過成倍增加一個橋臂上全控開關(guān)器件的數(shù)目和加入二極管或 電容等輔助器件，降低了對單個開關(guān)器件的耐壓，并在輸出端得到多個電平， 輸出電壓的諧波分量較兩電平方案小。但這個方案仍需要十分復(fù)雜的控制系統(tǒng)， 增加大量的輔助器件(二極管，電容)不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且增大了系 統(tǒng)的成本；此外直流電容容易出現(xiàn)不平衡，需要額外控制策略，并可能使開關(guān) 次數(shù)增多，損耗增加。
三相雙端供電方案。這個方案的結(jié)構(gòu)如圖5所示。將三相交流電機1定子 繞組的兩端都引出，在每一端分別用一個三相變頻器3進行供電。當(dāng)兩個三相變頻器采用兩電平結(jié)構(gòu)(即各橋臂采用圖2所示結(jié)構(gòu))時，與上述的其它方案 相比較，本方案所需的電力電子器件的數(shù)量最少，且供電效果與上述鉗位三電 平方案相同，控制也相對簡單。此外，這個方案還有一個優(yōu)點就是它在系統(tǒng)層 面上的冗余性，也就是說，當(dāng)兩個變頻器中的一個發(fā)生故障時，可將這個變頻 器切除并將其輸出短路，整個系統(tǒng)仍可降載運行。但與鉗位三電平方案一樣， 能夠?qū)崿F(xiàn)的功率范圍有限。
多相變頻調(diào)速方案。 一個變頻調(diào)速系統(tǒng)的容量可以表示為S:mVI?？梢?， 除了可以通過提高每相電壓V和增大每相電流I來實現(xiàn)大功率外，還可以通過 增加電機和變頻器輸出的相數(shù)m來實現(xiàn)大功率。多相變頻調(diào)速方案就是利用了 這個原理。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中l(wèi)為多相電機，其相數(shù)m^5; m相電機的 m個末端連接在一起構(gòu)成中性點(也可以幾個末端連接在一起構(gòu)成多個中性點)， m個首端引出，分別由多相逆變器5的一個橋臂進行供電。這個方案不僅所需 的電力電子器件的數(shù)量最少，而且所需的電容數(shù)量也最少，因此本方案的成本 低。采用這個方案，系統(tǒng)中一個或幾個電力電子器件損壞，只要將系統(tǒng)中相應(yīng) 的相切除，適當(dāng)降低負(fù)載水平，調(diào)速系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，也可以正常啟動。因 此其可靠性較三相調(diào)速系統(tǒng)高。這個方案的局限性一是由于制造工藝等原因， 相數(shù)不可能很大(一般情況下采用的相數(shù)m35)，因此能實現(xiàn)的功率范圍也有 一定的限制；二是盡管本方案在電機和變頻器輸出的相數(shù)層面上有冗余，但在 系統(tǒng)層面上卻沒有冗余， 一旦直流電源E或逆變器的控制器故障，系統(tǒng)就無法 繼續(xù)運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)大功率變頻調(diào)速，且具有 較低的成本和更高的可靠性的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置。
本發(fā)明的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，包括一臺多相交流電機， 多相交流電機定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器，多相變 頻器由直流電源、濾波電容、多相逆變器和變頻控制器構(gòu)成，多相交流電機和 多相逆變器的相數(shù)m相等，m25。
上述的多相逆變器的各橋臂可以是兩電平結(jié)構(gòu)，或多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩臺 多相變頻器中的直流電源為同一整流電源、或是具有共同地電位的兩個整流電 源，或是完全獨立的兩個整流電源；兩直流電源的電壓相等或不等。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
本發(fā)明所涉及的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置綜合了多種大功率變頻調(diào)速方案的優(yōu)點，不僅可以使用單管容量有限的電力電子器件在較大的范圍 內(nèi)實現(xiàn)大功率，而且由于在相單元和系統(tǒng)的層面上都具有冗余性，具有高的可 靠性。當(dāng)某相中的元件發(fā)生故障時，可以將這一相停止使用，其余各正常相繼 續(xù)工作。在適當(dāng)降載后裝置可正常啟動和運行；當(dāng)兩臺變頻器中的一臺發(fā)生故 障，可將這臺變頻器切除，并將其輸出短路，另一臺變頻器繼續(xù)工作。在半載 下裝置可正常啟動和運行。此外，本發(fā)明在使用盡量少的電力電子器件和電容 的前提下實現(xiàn)大功率，同時所使用的電力電子器件和電容的耐壓也是各種已有 方案中最小的。因此本發(fā)明在變頻調(diào)速裝置的成本上具有較強的優(yōu)勢。最后， 本發(fā)明可以利用多相系統(tǒng)所特有的多控制自由度和新的設(shè)計自由度，提高變頻 調(diào)速系統(tǒng)的性能如功率密度等。


圖1為三相交流變頻調(diào)速裝置； 圖2為兩電平結(jié)構(gòu)的逆變器橋臂結(jié)構(gòu)； 圖3為二極管鉗位三電平逆變器橋臂結(jié)構(gòu)； 圖4為電容鉗位三電平逆變器橋臂結(jié)構(gòu)； 圖5為雙端供電三相交流電機變頻調(diào)速裝置示意圖； 圖6為單端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置示意圖； 圖7為本發(fā)明的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置示意圖； 圖8為雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置中直流電源的連接方案。 具體實施方案
參見圖7，雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，包括一臺多相交流電機1， 多相交流電機1定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器2，多 相變頻器2由直流電源E、濾波電容C、多相逆變器5和變頻控制器6構(gòu)成，多 相交流電機1和多相逆變器5的相數(shù)m相等，m25。
多相變頻器的直流電源E通過整流獲得，兩直流電源Ei、 E2的大小可以相 同也可以不同，連接方案有圖8所示的三種，即為同一整流電源(圖a)，或是 具有共同地電位的兩個整流電源(圖b)，或是完全獨立的兩個整流電源(圖c)。 兩臺多相變頻器中開關(guān)器件和電容耐受的最大電壓等于直流母線的電壓，電機 端部的最大線電壓為兩直流母線電壓之和Ei+E2。
多相逆變器5的各橋臂可以采用如圖2-圖4所示的兩電平或多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
裝置中的變頻控制器6可以采用一個微處理器實現(xiàn)，也就是說采用一個控
5制器實現(xiàn)對兩臺多相變頻器的控制。也可以采用兩個微處理器構(gòu)成兩臺獨立的 變頻控制器，各控制一臺多相變頻器(如圖7所示)，以使裝置在控制器層面也 具有冗余性。
以微處理器(單片機、DSP或FPGA等)為核心的變頻控制器6完成對直 流母線電壓檢測和電機檢測(如電機的電流、轉(zhuǎn)速等)，根據(jù)運行指令，產(chǎn)生多 相逆變器中各開關(guān)器件的PWM驅(qū)動脈沖信號。PWM驅(qū)動脈沖信號的頻率為數(shù) 百Hz到數(shù)十kHz。將PWM驅(qū)動脈沖信號連接到上述開關(guān)器件的控制端。
兩臺多相變頻器的電壓控制信號具有相位差，這個相位差一般為半個周期。 當(dāng)采用兩個獨立的變頻控制器時，其中一個作為主控制器，另一個作為從控制 器，這個相位差可以根據(jù)兩個變頻控制器間的同步信號來實現(xiàn)。
在兩個變頻器的輸出端可以采用機電開關(guān)(如接觸器)或半導(dǎo)體開關(guān)器件 構(gòu)成短路機構(gòu)。在一個變頻器發(fā)生故障時，在將之切除之后可通過上述短路機 構(gòu)將其輸出短路。這樣另一個變頻器可繼續(xù)給多相電機供電，裝置在降載的情 況下可繼續(xù)啟動和運行。
權(quán)利要求
1. 雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，其特征是包括一臺多相交流電機(1)，多相交流電機(1)定子繞組的m個首端和m個末端引出，分別接多相變頻器(2)，多相變頻器(2)由直流電源(E)、濾波電容(C)、多相逆變器(5)和變頻控制器(6)構(gòu)成，多相電機(1)和多相逆變器(5)的相數(shù)m相等，m≥5。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，其特征是 多相逆變器(5)的各橋臂是兩電平結(jié)構(gòu)，或多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，其特征是 兩臺多相變頻器(2)中的直流電源(E)為同一整流電源、或是具有共同地電 位的兩個整流電源，或是完全獨立的兩個整流電源；兩直流電源(E)的電壓相 等或不等。
全文摘要
本發(fā)明公開的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置，包括一臺多相交流電機，多相交流電機定子繞組的m個首端和m個末端引出分別接多相變頻器，多相變頻器由直流電源、濾波電容、多相逆變器和變頻控制器構(gòu)成，多相交流電機和多相逆變器的相數(shù)m相等，m≥5。本發(fā)明的雙端供電多相交流電機變頻調(diào)速裝置不僅可以使用單管容量有限的電力電子器件在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)大功率，而且由于在相單元和系統(tǒng)的層面上都具有冗余性，具有高的可靠性。
文檔編號H02P27/04GK101459409SQ20081016411
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者東 劉, 孔武斌, 敏 康, 楊家強, 進 黃 申請人:浙江大學(xué)