專利名稱：單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于高壓電源頻率變換的高壓變頻器，屬于高壓大功率電力 電子應用4頁域。
背景技術：
據(jù)國家《電動機調(diào)速技術產(chǎn)業(yè)化途徑與對策的研究》才艮告中，中國發(fā)電量總
量的66%消耗在電動機上，而中國目前電動機總裝機容量已超過40萬兆瓦，高壓 電機約占一半。高壓電動機由于設計余量、工況要求、負荷變化等因素，很多高 壓電動機存在著大馬拉小車的現(xiàn)象，浪費了大量的電能，因此利用高壓變頻器進 行調(diào)速節(jié)能已經(jīng)是國家工業(yè)發(fā)展的方向。
高壓變頻器屬于高技術、高復雜、高難度的電力電子產(chǎn)品，在國內(nèi)成熟應用 的高壓變頻器都是多電平單元串聯(lián)結構，每個功率單元都是三相變單相的小型變 頻器，其結構復雜，體積龐大。目前，對于多電壓單元串聯(lián)電壓源型原理的高壓 變頻器中，對其拓樸結構都是從用三相變單相的功率單元組合而成，沒有用單相 換流功率單元所組合而成的多電平單元串聯(lián)電壓源型原理的高壓變頻器。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種能實現(xiàn)大容量、小體積的單相 分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，其所采取的技術方案為
該變頻器包括單向分壓輸入隔離變壓器、單向換流功率單元和集中控制單 元，單向分壓輸入隔離變壓器的輸入側接入三相高壓電源，其輸出側連接單向換 流功率單元，單向換流功率單元通過光纖連接集中控制單元，單向分壓輸入隔離 變壓器將三相高壓電源變換為單相輸入電源，單向換流功率單元在集中控制單元 的控制下把單相輸入電源進行逆變，輸出頻率可調(diào)的三相高壓輸出電壓。單向分壓輸入隔離變壓器采用三相心式鐵芯變壓器結構，輸入側為星形三相 高壓繞組，輸出側為多個相同且相互隔離的單相繞組，每個單相繞組連接與其相 對應的單向換流功率單元，每個單向換流功率單元按單元串聯(lián)結構連接后接入用 戶端。
單向換流功率單元包括整流橋、扼流環(huán)、電容陣列、主控板、IGBT模塊和旁 路接觸器，單向分壓輸入隔離變壓器的單相繞組連接整流橋，經(jīng)整流橋輸出的直 流電壓通過扼流環(huán)平波后，輸入至電容陣列，主控板控制IGBT模塊輸出相控制輸 出波形的電壓，由主控板控制的旁膝接觸器與扼流環(huán)并聯(lián)。
集中控制單元包括光纖端口、中央控制板、信號接口板、相控制輸出板、電 源板和總線板，電源板通過總線板對光纖端口、中央控制板、信號接口板和相控 制輸出板進行供電，中央控制板、信號接口板和相控制輸出板間的信號通過總線 板傳輸。
該變頻器將三相輸入高壓電源轉化為多個單相輸入電源，采用標準單相換流 功率單元進行逆變?yōu)閱蜗嘞嗫刂戚敵霾?，多個單相相控制輸出波輸出疊加為三相 正弦高壓輸出電壓，能夠實現(xiàn)小體積、大容量的高壓變頻器結構。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點為該變頻器采用獨創(chuàng)的三相心式鐵芯輸入變壓器結 構；利用單相變流功率單元組成多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器的拓樸結構 形式；單相變流功率單元為單相工頻電壓輸出和單相相控制輸出波電壓輸出；在
多電平單元串聯(lián)電壓源型的高壓變頻器拓樸原理制作的高壓變頻器中，具有容量
大、體積小、結構簡單的優(yōu)點。
圖l是本發(fā)明的結構框圖2是本發(fā)明中單相分壓輸入隔離變壓器繞組的分置圖； 圖3是本發(fā)明中單相換流功率單元的電路原理圖； 圖4是本發(fā)明中集中控制單元的結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細描述
如圖l所示，單向分壓輸入隔離變壓器l的輸入側接入三相高壓電源，其輸 出側連接單向換流功率單元2，單向換流功率單元2通過光纖4連接集中控制單 元3,單向換流功率單元2按單元串聯(lián)結構連接后接入用戶端(高壓電動機)。
如圖2所示，單相分壓輸入隔離變壓器l采用三相心式鐵芯變壓器結構，輸 入高壓側為星形三相高壓繞組，該高壓繞組位于靠近芯柱的內(nèi)側，輸出低壓側為 電壓、功率均相同且相互完全隔離的單相繞組，在A相芯柱上是 ai， a2, a3， a4, a5, a6六個單相繞組，在B相芯柱上是bl， b2， b3, b4， b5， b6六個單 相繞組，在C相芯柱上是cl， c2， c3， c4， c5， c6六個單相繞組。al, a2， a3, a4， a5， a6 六個單相繞組接到如圖1所示的Al， A2, A3， A4, A5， A6這六個標準單相換流功率單 元，bl， b2, b3, b4, b5， b6六個單相繞組接到Bl， B2， B3, B4， B5， B6這六個標準單相 換流功率單元，ci, c2, c3, c4, c5， c6六個單相繞組接到Cl， C2， C3， C4， C5， C6這六 個標準單相換流功率單元。
如圖l所示，A1，A2，A3,A4，A5,A6這六個標準單相換流功率單元的輸出串聯(lián) 起來形成單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻系統(tǒng)的A相輸出，B1， B2， B3， B4， B5, B6 i六個標準單相換流功率單元的輸出串聯(lián)起來形成單相分壓多電平單元串聯(lián)高 壓變頻系統(tǒng)的B相輸出，C1，C2,C3,C4，C5,C6這六個標準單相換流功率單元的輸 出串聯(lián)起來形成單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻系統(tǒng)的C相輸出。
如圖3所示，單向換流功率單元2包括整流橋5、扼流環(huán)6、電容陣列7、主 控板8、 IGBT模塊9和旁路接觸器10，單向分壓輸入隔離變壓器l的單相繞組連 接整流橋5，經(jīng)整流橋5輸出的直流電壓通過扼流環(huán)6平波后，輸入至電容陣列 7，主控板8控制IGBT模塊9輸出相控制輸出波形的電壓，在輸出相控制輸出電 壓回路上，通過扼流環(huán)6并聯(lián)一個由主控板8控制的旁路接觸器13，實現(xiàn)單相變流功率單元的旁路功能。其中整流橋5為單相整流橋，是由四個二極管按單相全 橋整流回路結構封裝的才莫塊；扼流環(huán)6采用國產(chǎn)C型鐵氧體的二塊并列，在上繞 制有二圏線纜制成；電容陣列11是采用6個400V/4700uF鋁電解電容，三串兩 并，用支架固定。
如圖4所示，集中控制單元3包括光纖端口 11、中央控制板12、信號接口 板13、相控制輸出板14、電源板15和總線板16。電源板15通過總線板16對光 纖端口 11、中央控制板12、信號接口板13和相控制輸出板14進行供電，中央 控制板12、信號接口板13和相控制輸出板14間的信號通過總線板16傳輸。其 中中央控制板12是由TMS320系列兩塊DSP芯片、內(nèi)存芯片、相應的外圍驅動芯 片組成；相控制輸出板14是由cyclon系列FPGA芯片、ATtiny系列的AVR芯片、 89系列的AD芯片組成。
該高壓變頻器處于備用狀態(tài)后，用戶下達運行指令，集中控制單元3接受用 戶的指令后，直接傳入中央控制板12的DSP中，DSP的邏輯運算將高壓變頻器的 信息與控制方案通過信號接口板13送到用戶界面。DSP的矢量控制運行將三相輸 出電壓的角度、幅值、方向等分解為單獨的A相調(diào)制、B相調(diào)制、C相調(diào)制信號， 發(fā)送到A相相控制輸出板、B相相控制輸出板、C相相控制輸出板。每個相控制 輸出板中的FPGA的相控制輸出調(diào)制程序均一致，當相控制輸出板14接收到中央 控制板12發(fā)過的總調(diào)制信號后，根據(jù)每相的標準單相換流功率單元數(shù)量進行多 電平移相調(diào)制成多個不同的相控制輸出分調(diào)制信號。在相控制輸出板14的AVR 單片機接收到相控制輸出分調(diào)制信號后，將其調(diào)制為相控制輸出控制信號，通過 光纖端口 11發(fā)送到相應的單相換流功率單元2，功率單元接收到控制信號后，接 照PMW控制信號的要求，輸出相應的相控制輸出波形。當所有的單相換流功率單 元2輸出相應的相控制輸出波后，通過三相疊加成所需的頻率可調(diào)的高壓電源。
權利要求
1、一種單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，包括單向分壓輸入隔離變壓器(1)、單向換流功率單元(2)和集中控制單元(3)，其特征在于單向分壓輸入隔離變壓器(1)的輸入側接入三相高壓電源，其輸出側連接單向換流功率單元(2)，單向換流功率單元(2)通過光纖(4)連接集中控制單元(3)，單向分壓輸入隔離變壓器(1)將三相高壓電源變換為單相輸入電源，單向換流功率單元(2)在集中控制單元(3)的控制下把單相輸入電源進行逆變，輸出頻率可調(diào)的三相高壓輸出電壓。
2、 根據(jù)權利要求l所述的單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征 在于單向分壓輸入隔離變壓器(1)采用三相心式鐵芯變壓器結構，輸入側 為星形三相高壓繞組，輸出側為多個相同且相互隔離的單相繞組，每個單相 繞組連接與其相對應的單向換流功率單元(2)，每個單向換流功率單元(2) 按單元串聯(lián)結構連接后接入用戶端。
3、 根據(jù)權利要求1或2所迷的單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，其 特征在于單向換流功率單元(2)包括整流橋(5)、扼流環(huán)(6)、電容陣列(7)、主控板(8)、 IGBT模塊(9)和旁路接觸器(10),單向分壓輸入隔離 變壓^ (1)的單相繞組連接整流橋(5 )，經(jīng)整流橋(5 )輸出的直流電壓通 過扼流環(huán)(6 )平波后，輸入至電容陣列(7 ),主控板(8 )控制IGBT模塊(9 ) 輸出相控制輸出波形的電壓，由主控板(8)控制的旁,觸器(10)與扼流 環(huán)(6 )并聯(lián)。
4、 根據(jù)權利要求l所述的單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，其特征 在于集中控制單元(3)包括光纖端口 (11)、中央控制板(12)、信號接口 板(13)、相控制輸出板(14)、電源板(15)和總線板(16),電源板(15) 通過總線板(16)對光纖端口 (11)、中央控制板(12)、信號接口板(13) 和相控制輸出板(14)進行供電，中央控制板(12)、信號接口板(13)和相 控制輸出板(14 )間的信號通過總線板(16 )傳輸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相分壓多電平單元串聯(lián)高壓變頻器，包括單向分壓輸入隔離變壓器(1)、單向換流功率單元(2)和集中控制單元(3)，單向分壓輸入隔離變壓器(1)的輸入側接入三相高壓電源，其輸出側連接單向換流功率單元(2)，單向換流功率單元(2)通過光纖(4)連接集中控制單元(3)，單向分壓輸入隔離變壓器(1)將三相高壓電源變換為單相輸入電源，單向換流功率單元(2)在集中控制單元(3)的控制下把單相輸入電源進行逆變，輸出頻率可調(diào)的三相高壓輸出電壓。該高壓變頻器中具有容量大、體積小、結構簡單的優(yōu)點。
文檔編號H02M7/44GK101447742SQ20081014020
公開日2009年6月3日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權日2008年9月11日
發(fā)明者吳士洪, 姚繼濱, 凱 李, 郭兆靜 申請人:山東泰開自動化有限公司