專利名稱：一種新型6kV中壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種新型6kV中壓變頻器。
背景技術(shù)：
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為所需頻率的電能控 制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)或變頻調(diào)速，最常用的變頻器是交-直-交電壓型 變頻器，通常分為四部分整流器、貯能電容、逆變器和控制器。整流器是將頻率固定的交流 電轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備；貯能電容用來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能；逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化成不同 頻率、幅度的交流電的設(shè)備；控制器是按設(shè)定的程序工作，控制變頻器輸出電壓方波的脈沖 寬度，使輸出電壓基波為等效正弦波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備。中點(diǎn)鉗位三電平(簡(jiǎn)稱3L-NPC)變頻器是大功率(> 1MW)中壓交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào) 速技術(shù)領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的電壓型變頻器之一?，F(xiàn)有的3L-NPC變頻器的逆變器由三個(gè) 3L-NPC支路并聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，在每個(gè)3L-NPC支路上均由四個(gè)開(kāi)關(guān)組件(其中每個(gè)開(kāi) 關(guān)組件包含一個(gè)可控器件和一個(gè)續(xù)流二極管)及兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是主 電路簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)器件數(shù)量少，只需一套整流電源，能量回饋容易實(shí)現(xiàn)，其存在的問(wèn)題是在現(xiàn) 有高壓開(kāi)關(guān)器件不串聯(lián)的情況下，3L-NPC變頻器的逆變器的額定輸出電壓達(dá)不到6kV，不 滿足我國(guó)國(guó)標(biāo)；而且輸出電壓波形的dv/dt較高，影響普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的絕緣和使用壽命， 需使用加強(qiáng)絕緣的特殊電動(dòng)機(jī)。為了提高輸出電壓，一種方法是采用開(kāi)關(guān)組件串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)其將圖1主電路中 的每個(gè)開(kāi)關(guān)組件改為兩串，直流母線電壓Ud提高至9kV，使得逆變器最大輸出線電壓達(dá)到 6. 3kV，這種方法存在的問(wèn)題是開(kāi)關(guān)組件串聯(lián)需有均壓措施，可靠性受到影響，而且由于 dv/dt增大，需要加裝龐大的輸出濾波器；另一種方法是采用3個(gè)3L-NPC單相H橋構(gòu)成的變 頻器，每相一個(gè)單相H橋，每橋由兩個(gè)并聯(lián)3L-NPC支路及一組浮空的士2. 5kV整流電源構(gòu) 成，如圖2所示，這種方法存在的問(wèn)題是需要使用3套浮空整流電源，喪失了常規(guī)3L-NPC 變頻器的變壓器和整流電源簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)回饋容易的優(yōu)點(diǎn)，而且，單相H橋要求比三相逆變 橋大的多的貯能電容量。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)不能在保證現(xiàn)有3L-NPC變頻器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上將其額定輸出 電壓提高至6kV。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型6kV中壓變頻器，既 保留現(xiàn)有3L-NPC變頻器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能夠?qū)⑵漕~定輸出電壓提高至6kV。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種新型6kV中壓變頻器，包括整流電源、中點(diǎn)鉗位三電平逆變器和零序電抗器， 在中點(diǎn)聯(lián)線打開(kāi)的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊各連接一套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器共用一組整流電源，零序電抗器繞組與電動(dòng)機(jī)定子三相 繞組串聯(lián)在一起。而且，所述的中點(diǎn)鉗位三電平逆變器由三個(gè)中點(diǎn)鉗位三電平支路并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè) 中點(diǎn)鉗位三電平支路均由四個(gè)開(kāi)關(guān)組件及兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)關(guān)組件均由一 個(gè)可控器件和一個(gè)續(xù)流二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。而且，所述的可控器件為IGBT或IGCT或IEGT高壓器件。而且，所述的零序電抗器為3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器。而且，所述電動(dòng)機(jī)定子三相繞組與零序電抗器繞組采用如下三種方式之一連接 使用一臺(tái)3繞組零序電抗器串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)；使用兩臺(tái)3繞組零序電抗器 分別串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的兩側(cè)；使用一臺(tái)6繞組零序電抗器，其中3個(gè)繞組串接于 電動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)，另3個(gè)繞組串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組另一側(cè)。而且，所述的整流電源由整流器和貯能電容組成。而且，所述的整流電源的直流母線電壓Ud ^ 5kV，該整流電源為如下三種方式之 一不可控整流電源、整流/回饋電源和PWM整流電源。而且，所述兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的輸入端分別連接一對(duì)貯能電容，或兩套 中點(diǎn)鉗位三電平逆變器共用一對(duì)貯能電容。而且，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制策略為電壓空間矢量法或有3倍頻 交流偏置的三角載波比較法，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制周期錯(cuò)開(kāi)半周期，使 輸出相電壓達(dá)到5電平、等效開(kāi)關(guān)頻率加倍。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1、本中壓變頻器通過(guò)在中點(diǎn)聯(lián)線打開(kāi)的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊各連接一套 3L-NPC中點(diǎn)鉗位三電平逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)有的3L-NPC變頻器的輸出電壓 從3kV提高到了 6kV，滿足了我國(guó)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)回饋、運(yùn)行可 靠等特點(diǎn)。2、本6kV中壓變頻器的dv/dt與3kV的現(xiàn)有3L-NPC逆變器輸出電壓的dv/dt相 同，不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)絕緣和使用壽命，并且在逆變器輸出及電動(dòng)機(jī)定子三相繞組間增加的 零序電抗器不僅限制零序電流，還可進(jìn)一步減小dv/dt對(duì)電機(jī)的影響，因此本變頻器可直 接驅(qū)動(dòng)普通6kV交流電機(jī)。3、本中壓變頻器的整流電源使用一組約為士2. 5kV直流電源，變壓器和整流電源 簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)回饋，并可用于公共直流母線。 4、本中壓變頻器使兩套逆變器的PWM調(diào)制周期錯(cuò)開(kāi)Τ/2 (T_調(diào)制周期)，使得輸出 相電壓電平數(shù)從3增至了 5，并且等效開(kāi)關(guān)頻率加倍，使諧波減小了，有助于解決使用高壓 開(kāi)關(guān)器件后開(kāi)關(guān)頻率降低帶來(lái)的困難。5、本中壓變壓器將貯能電容接在三相逆變器輸入端，較之單相H橋級(jí)聯(lián)方案電容量小。

圖1是常規(guī)三相3L-NPC逆變器主電路的電路圖；圖2是ABB公司的ACS-5000變頻器的電路圖；[0025]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種新型6kV中壓變頻器的電路圖；圖4是是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的3繞組零序電抗器零序電抗器示意圖；圖5是是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的6繞組零序電抗器零序電抗器示意圖；圖6是是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的逆變器輸出的電壓波形圖；圖7是兩套3L-NPC整流電源(AFE)并聯(lián)電路的電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例做進(jìn)一步詳述一種新型6kV中壓變頻器，如圖3所示，圖中，Ud是直流母線電壓；Ul.a,b,。和U11.a,b, c分別是第I套和第II套三相3L-NPC逆變器輸出的相電壓；ua, b,。是電動(dòng)機(jī)定子三相繞組 上電壓；Utl是零序電壓；三個(gè)三態(tài)開(kāi)關(guān)分別表示常規(guī)三相3L-NPC逆變器中的每一個(gè)3L-NPC 支路。在本實(shí)施例中，一種新型6kV中壓變頻器包括中點(diǎn)鉗位三電平逆變器、整流電源 和零序電抗器，在中點(diǎn)聯(lián)線打開(kāi)的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊各連接一套中點(diǎn)鉗位三電平逆 變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器共用一組由整流器和貯能電容組成的整流 電源，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的輸入端分別連接一對(duì)貯能電容或兩套中點(diǎn)鉗位三電平 逆變器共用一對(duì)貯能電容，電動(dòng)機(jī)定子三相繞組與零序電抗器繞組串聯(lián)在一起。在本實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為6kV異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)(永磁或勵(lì)磁)，電 動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊連接的逆變器均采用三相3L-NPC逆變器，如圖1所示的，該三相 3L-NPC逆變器由三個(gè)中點(diǎn)鉗位三電平支路并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)中點(diǎn)鉗位三電平支路均由四個(gè)開(kāi) 關(guān)組件及兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)關(guān)組件均由一個(gè)可控器件和一個(gè)續(xù)流二極管反 向并聯(lián)構(gòu)成，在該圖中，V1 V4是中點(diǎn)鉗位三電平支路中的可控器件，該可控器件可以為 IGBT，也可以是IGCT或IEGT高壓器件，該可控器件的額定電壓為4. 5kV。兩套逆變器共用 一組約為士2. 5kV(Ud^5kV)的整流電源，每套逆變器輸出的理想空載線電壓(有效值)為 3. 5kV，兩套串聯(lián)后輸出7kV，完全滿足6kV電動(dòng)機(jī)需要。兩套逆變器共用一組直流母線后，在電機(jī)繞組中除正序或負(fù)序電流外，還會(huì)有零 序電流流過(guò)。為抑制零序電流，引入一臺(tái)零序電抗器(又稱共模零序電抗器)，它是在一個(gè) 鐵芯上繞有3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器，3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗 器分別如圖4及圖5所示，其繞組分別與電動(dòng)機(jī)三相繞組串聯(lián)。在流過(guò)正序或負(fù)序電流時(shí)， 三相電流之和等于0，鐵心不被磁化，只有漏磁鏈，零序電抗器變成三個(gè)小電感，不影響逆變 器輸出的基波電壓；在流過(guò)零序電流時(shí)，三相電流同相，三相電流之和興0，鐵心被磁化，零 序電抗器變成一個(gè)大電感，抑制零序電流。零序電壓由兩部分組成一是3倍基波頻率的分 量，它的幅值不大，僅為基波輸出電壓的15 20%，隨基波頻率和電壓幅值降低，3倍頻分 量的頻率和幅值按比例下降，不會(huì)出現(xiàn)低頻時(shí)伏-秒面積加大，使鐵心飽和情況；另一部分 是開(kāi)關(guān)頻率的分量，幅值較高，但頻率高且固定，伏-秒面積不大，不會(huì)隨基波頻率降低而 加大。伏-秒面積與鐵心截面成比例，伏-秒面積不大，零序電抗器體積和重量就不大。零 序電抗器繞組與電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的連接方式有三種一臺(tái)3繞組零序電抗器串接于電 動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)；兩臺(tái)較小的3繞組零序電抗器分別串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的 兩側(cè)；一臺(tái)6繞組零序電抗器，3個(gè)繞組串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)，另3個(gè)繞組串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組另一側(cè)。在本實(shí)用新型提供的變頻器中，兩套三相3L-NPC逆變器的PWM調(diào)制采用常規(guī)策 略電壓空間矢量法(SVPWM)或有3倍頻交流偏置的三角載波比較法(SPWM)。但是，要求 兩套逆變器的PWM調(diào)制周期錯(cuò)開(kāi)T/2(T-調(diào)制周期)，則在輸出基波電壓> 0時(shí)的相電壓輸 出波形( +! )如圖6所示，在該圖中，分別是第I套和第II套三相3L-NPC逆變 器輸出的相電壓波形叫+如是化和U11的合成；D是P麗調(diào)制的占空比。從圖6看出，相輸出波形有5種電平(士Ud、士Ud/2和0，負(fù)電平在輸出基波電壓 < 0時(shí)才出現(xiàn))，且輸出電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率加倍。輸出電壓電平數(shù)從3增至5，能減小諧 波。等效開(kāi)關(guān)頻率加倍后，相應(yīng)數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣頻率也可加倍(每T/2采樣一次)，對(duì) 減小諧波、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有很大幫助。使用高壓大功率開(kāi)關(guān)器件后，由于開(kāi)關(guān)損耗大， 開(kāi)關(guān)頻率降至幾百Hz，諧波大，動(dòng)態(tài)性能受影響，給變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。等 效開(kāi)關(guān)頻率和采樣頻率加倍將緩解低開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的困難。從圖6還可以看出，輸出電壓突跳幅值為Ud/2 ^ 2. 5kV，也就是說(shuō)新的6kV逆變器 輸出電壓的dv/dt與3kV的常規(guī)3L-NPC逆變器相同。由于在新逆變器與電動(dòng)機(jī)間加入了 零序電抗器，它還會(huì)進(jìn)一步降低加至電機(jī)繞組的dv/dt。本實(shí)用新型的整流電源與常規(guī)三相3L-NPC變頻器的整流電源相同，有三種形式 不可控整流電源，用于單象限傳動(dòng)，加裝制動(dòng)單元和能耗制動(dòng)電阻后，也可用于四象限傳 動(dòng)；整流/回饋電源，用于四象限傳動(dòng)；PWM整流(也稱有源前端AFE)電源，用于四象限傳 動(dòng)及電網(wǎng)質(zhì)量要求高場(chǎng)合。如果想用AFE電源，并且希望使用與逆變器同樣規(guī)格的開(kāi)關(guān)器件及變換器，可以 采用兩套3L-NPC整流電源(AFE)并聯(lián)電路，如圖7所示，在該圖中，Ud是直流母線電壓， 3L-NPC表示3L-NPC整流電源(AFE)，可以看出直流母線電壓仍約為士2. ^V，但電流加倍。需要強(qiáng)調(diào)的是，本實(shí)用新型所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本實(shí) 用新型并不限于具體實(shí)施方式
中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的 技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種新型6kv中壓變頻器，包括整流電源、中點(diǎn)鉗位三電平逆變器和零序電抗器，其 特征在于在中點(diǎn)聯(lián)線打開(kāi)的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊各連接一套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器 構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器共用一組整流電源，零序電抗器繞組與電動(dòng)機(jī) 定子三相繞組串聯(lián)在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述的中點(diǎn)鉗位三 電平逆變器由三個(gè)中點(diǎn)鉗位三電平支路并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)中點(diǎn)鉗位三電平支路均由四個(gè)開(kāi)關(guān) 組件及兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)關(guān)組件均由一個(gè)可控器件和一個(gè)續(xù)流二極管反向 并聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述的可控器件為 IGBT或IGCT或IEGT高壓器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述的零序電抗器 為3繞組零序電抗器或6繞組零序電抗器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述電動(dòng)機(jī)定子三 相繞組與零序電抗器繞組采用如下三種方式之一連接使用一臺(tái)3繞組零序電抗器串接于 電動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)；使用兩臺(tái)3繞組零序電抗器分別串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的 兩側(cè)；使用一臺(tái)6繞組零序電抗器，其中3個(gè)繞組串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組一側(cè)，另3個(gè) 繞組串接于電動(dòng)機(jī)定子三相繞組另一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述的整流電源由 整流器和貯能電容組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述的整流電 源的直流母線電壓Ud ^ 5kV，該整流電源為如下三種方式之一不可控整流電源、整流/回 饋電源和PWM整流電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征在于所述兩套中點(diǎn)鉗位 三電平逆變器的輸入端分別連接一對(duì)貯能電容，或兩套中點(diǎn)鉗位三電平逆變器共用一對(duì)貯 能電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型6kV中壓變頻器，其特征是兩套中點(diǎn)鉗位三電平 逆變器的PWM調(diào)制策略為電壓空間矢量法或有3倍頻交流偏置的三角載波比較法，兩套中 點(diǎn)鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制周期錯(cuò)開(kāi)半周期，使輸出相電壓達(dá)到5電平、等效開(kāi)關(guān)頻率 加倍。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型6kV中壓變頻器，包括整流電源、中點(diǎn)鉗位三電平逆變器和零序電抗器，其主要技術(shù)特點(diǎn)是在中點(diǎn)聯(lián)線打開(kāi)的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組兩邊各連接一套逆變器構(gòu)成串聯(lián)回路，兩套逆變器共用一組整流電源。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有中點(diǎn)鉗位三電平3L-NPC變頻器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上將其額定輸出電壓提高至6kV的功能，同時(shí)輸出相電壓為5電平，dv/dt與現(xiàn)有3kV中點(diǎn)鉗位三電平逆變器相同，可以直接使用6kV電動(dòng)機(jī)，滿足了我國(guó)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)回饋、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P27/08GK201904757SQ20102065590
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者馬小亮 申請(qǐng)人:天津天傳電氣有限公司, 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所