專利名稱：四象限三電平功率單元及高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓變頻器領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種四象限三電平功率單元及高 壓變頻器。
背景技術(shù)：
隨著電氣傳動技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻器 技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過 程對電機調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，使用電機還可大幅度節(jié)約能 源，降低生產(chǎn)成本。
功率單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器是目前國內(nèi)廠商最為青睞的技術(shù)方案，其通過 在輸入端設(shè)置一臺輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交 流電分別輸入到一個功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再逆變成為交流電，各功率單元輸 出的交流信號在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動機。該方案采用低壓器件實現(xiàn) 高壓變頻輸出，器件無需串聯(lián)，輸入輸出諧波非常小，是一種很優(yōu)秀的高壓變頻方案。
如圖1所示，是功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖，該高壓變頻器 主要由多副邊繞組移相變壓器I’、多個功率單元2’和控制系統(tǒng)3’構(gòu)成；其中多個功率單 元2’彼此串聯(lián)形成頻率可調(diào)的高壓交流電源U、V、W。整個電路由A、B、C三相組成，每一相 由功能結(jié)構(gòu)相同的N個功率單元疊加而成。每一相的N個功率單元的輸出端順次相連，從 而構(gòu)成串聯(lián)疊加的方式，控制每個功率單元的輸出情況，經(jīng)疊加后就可得到一個接近正弦 的多階梯波。
構(gòu)成上述高壓變頻器的主要元器件功率單元2’的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由二 極管整流橋21’、并聯(lián)在直流母線側(cè)的大電容、均壓電阻22’和逆變橋23’構(gòu)成。
采用上述功率單元21’的高壓變頻器存在以下缺點單元輸出電壓低，要達到高 壓輸出需要串聯(lián)的單元數(shù)量多，故障率高；輸入變壓器副邊繞組多，制造工藝復(fù)雜；整機體 積龐大，成本高；較難實現(xiàn)四象限運行。
如圖3所示，是目前普遍使用的具備能量回饋的功率單元。該功率單元主要由二 極管整流橋21、反饋橋22(由反并聯(lián)在整流橋21的每一二極管的多個開關(guān)管組成)、并聯(lián) 在直流母線側(cè)的母線電容和均壓電阻23和逆變橋24構(gòu)成。
在高壓變頻器正常運行時，反饋橋22關(guān)斷，電路其他部分的工作與沒有此反饋橋 是一樣的。當(dāng)電機制動運行時，能量通過功率單元逆變橋24回饋到直流母線電容中，導(dǎo)致 母線電容電壓升高，當(dāng)電容電壓高于二極管整流橋21的整流電壓峰值時，二極管整流橋關(guān) 斷，此時可以有選擇的使反饋橋22的器件導(dǎo)通，將母線電容中的能量通過反饋橋、移相整 流變壓器反饋回電網(wǎng)。這種方式的功率單元雖然可以實現(xiàn)簡單的能量回饋，但由于反饋橋 開關(guān)管為半控型器件，開關(guān)頻率低，導(dǎo)致回饋到電網(wǎng)的電能的諧波含量大，損耗高。且單元 輸出電壓仍然不高，整機串聯(lián)的功率單元數(shù)量并沒有下降。
針對以上缺點，許多廠商也做了大量的試驗來試圖提高功率單元的輸出電壓，減少整機串聯(lián)功率單元的個數(shù)。但由于功率器件耐壓的限制，單元電壓輸出最高也只能在 750V左右。仍不能將整機串聯(lián)功率單元數(shù)減少，無法解決上述問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有功率單元單元輸出電壓不足的缺陷，提 供一種四象限三電平功率單元及高壓變頻器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種四象限三電平功率單元， 包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三 電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電 平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個功率開關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管 以及兩個箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，所述單相三電平逆變橋包括兩相第二 橋臂，且每相第二橋臂包括串聯(lián)在所述直流母線間的四個功率開關(guān)管、兩個箝位模塊以及 分別并聯(lián)在每一所述功率開關(guān)管兩端的四個續(xù)流功率管，所述箝位模塊的中間抽頭連接到 直流支撐電容模塊的中間抽頭。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，還包括連接在三相電平整流橋輸入端 的濾波電路。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，所述直流支撐電容模塊具有中間抽 頭，且將直流母線分為三個電平。
在本發(fā)明所述的四象限三電平功率單元中，具有旁路模塊。
本發(fā)明還提供一種高壓變頻器，包括變壓器、功率單元以及控制系統(tǒng)，其中，所述 功率單元為以上任一項所述的功率單元。
在本發(fā)明所述的高壓變頻器中，包含三相功率單元電路，每相包含多個功率單元， 且各單元輸出側(cè)依次串聯(lián)成高壓。
在本發(fā)明所述的高壓變頻器中，所述變壓器為干式整流變壓器。
本發(fā)明的四象限三電平功率單元及高壓變頻器，通過三電平拓撲結(jié)構(gòu)，使得功率 單元輸出電壓得到大幅提升，從而可使高壓變頻器整機串聯(lián)的功率單元數(shù)量大大減少，整 機可靠性高，壽命長。并且，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運行功能，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，對電網(wǎng)諧波污 染小。


圖1是現(xiàn)有的功率單元串聯(lián)型高壓變頻器的示意圖。
圖2是圖1中功率單元的一個實例的示意圖。
圖3是圖1中功率單元的另一實例的示意圖。
圖4是本發(fā)明的四象限三電平功率單元實施例的示意圖。
具體實施方式
為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明 本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖4所示,是本發(fā)明四象限三電平功率單元實施例的示意圖。在本實施例中，功 率單元包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋51、由均壓電阻和直流支撐電容Cl、 C2組成的直流濾波電路52、單相三電平逆變橋54以及旁路模塊55，其中三相三電平整流 橋51與單相三電平逆變橋54背靠背連接。該三相三電平整流橋51包括三相第一橋臂且 每相第一橋臂包括四個功率開關(guān)管VI11-14/VI21-24/VI31-34、四個續(xù)流功率管VD11-14/ VD21-24/VD31-34以及兩個箝位模塊VD15-16/VD25-26/VD35/36，其中箝位模塊的中間抽 頭連接到直流支撐電容模塊Cl、C2的中間抽頭。旁路模塊55與三電平功率模塊的逆變輸 出端相連接。
通過每相的箝位模塊，可實現(xiàn)兩直流支撐電容C1、C2的中點電壓(O)的輸出，從而 每一相均實現(xiàn)p、0、N三種電平的輸出。
上述單相三電平逆變橋54包括兩相第二橋臂，且每相第二橋臂包括四個功率開 關(guān)管 VI41-44/VI51-54 和續(xù)流功率管 VD41-44/VD51-54、兩個箝位模塊 VD45-46/VD55/56， 其中箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊Cl、C2的中間抽頭。
特別地，上述三電平功率單元中，功率開關(guān)管、續(xù)流功率管以及箝位模塊的耐壓參 數(shù)相同。
具備上述結(jié)構(gòu)的功率單元可以實現(xiàn)任意一相電壓的三種輸出狀態(tài)，即輸出為正 (P)，輸出為零(O)，輸出為負(N)。當(dāng)VI41和VI42導(dǎo)通，VI43和VI44關(guān)斷時，V相輸出端 接到直流母線的正端P (直流支撐電容Cl正極)。當(dāng)定義O點為參考地時，V相輸出電壓為 Uv = Ud = Ucl，若電流由P端流出，則經(jīng)VI41、VI42到v端，再經(jīng)另一相流回到N或O端 (此時VI41、VI42導(dǎo)通，VD41、VD42不導(dǎo)通)；若電流由v端流入，則經(jīng)VD41、VD42到P端 (此時VD41、VD42導(dǎo)通，VI41、VI42因承受由VD41與VD42導(dǎo)通引起的反向電壓截止)。
當(dāng)VI42和VI43導(dǎo)通，VI41和VI44關(guān)斷時，V相輸出段接到直流母線的中點O (電 容Cl負極)。當(dāng)定義O點位參考地，V相輸出電壓為Uv = 0，若電流由O端流出，則經(jīng)VD45、 VI42到V端，再經(jīng)另一相流回到P或N端(此時VD45、VI42導(dǎo)通，VI43、VD43、VD46不導(dǎo) 通)；若電流由V端流入，則經(jīng)VI43、VD46到O端(此時VI43、VD46導(dǎo)通，其余元件均截止)。
當(dāng)VI41和VI42關(guān)斷，VI43和VI44導(dǎo)通時，V相輸出端接到直流母線的負端N(電 容C2的負極)。當(dāng)定義O點位參考地時，V相輸出電壓為Uv = -Ud = _Uc2，若電流由N端 流出，則經(jīng)VD44、VD34到v端，再經(jīng)過另一相流回到P或O端(此時VD43、VD44導(dǎo)通，其余 元件均截止)；若電流由V端流入，則經(jīng)VI43、VI44到N端(此時VI43、VI44導(dǎo)通，其余元 件均截止)。
依次類推，功率單元的三相輸入、單相輸出均可以實現(xiàn)P、0、N三種電平的輸出，比 普通的兩電平電路的相電壓輸出多了一個狀態(tài)。當(dāng)能量由電網(wǎng)流向電機側(cè)時，三相三電平 整流橋51將電網(wǎng)交流電壓整流成直流電并經(jīng)直流濾波電路52供單相三電平逆變橋54將 其逆變成變頻、變壓的交流電以控制電機，整流橋51可以對直流母線進行閉環(huán)控制，保證 直流母線穩(wěn)定在額定值，減小了對逆變橋54的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)能量從電機側(cè) 流向電網(wǎng)側(cè)時，三相三電平整流橋51執(zhí)行逆變動作，將直流電逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交 流電，并經(jīng)交流濾波電路53濾波后，傳送至電網(wǎng)，以實現(xiàn)四象限運行控制。
在上述功率單元中，還包括連接在三相電平整流橋輸入端的濾波電路53。當(dāng)高壓 上電時，可有效減少對前端整流變壓器的電流沖擊，延長變壓器的壽命。能量回饋時，濾波電路53也能有效濾除諧波成分，減小對電網(wǎng)的諧波污染。
在上述三電平功率單元中，還包含旁路模塊55，。所述旁路模塊在三電平功率單元 發(fā)生故障時，可將該三電平功率單元旁路，保證整機不停機的情況下該三電平功率單元退 出運行狀態(tài)。
本發(fā)明還提供一種高壓變頻器，包括變壓器、多個功率單元以及控制系統(tǒng)，其中， 功率單元即為上述功率單元。變頻器共包含三相功率單元，每相由若干功率單元串聯(lián)組成。 電網(wǎng)輸入經(jīng)隔離變壓器隔離并降為多組低壓三相電，每組低壓三相電分別接到相應(yīng)的功率 單元，各相功率單元逆變側(cè)按一定規(guī)律串聯(lián)起來，最后形成高壓輸出。當(dāng)負載吸收能量時， 能量從電網(wǎng)經(jīng)變壓器、變頻器調(diào)整成可變頻、變壓的交流電到負載；當(dāng)負載發(fā)出能量時，多 余的能量經(jīng)變頻器、變壓器調(diào)理成與電網(wǎng)同頻、同相的交流電回饋給電網(wǎng)。
與采用普通的兩電平功率單元的高壓變頻器相比，由于功率單元的輸出相電壓電 平數(shù)由2個增加到3個，線電壓電平數(shù)則由3個增加到5個，每個電平幅值相對降低，由整 個直流母線電壓變?yōu)橐话氲闹绷髂妇€電壓。在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量 有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，輸出諧波減少，具有較高的動態(tài)性能；同時，該結(jié)構(gòu) 可使功率器件所需耐壓要求降低一半。
此外，上述高壓變頻器可通過控制各個電子器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)變頻器的輸入 功率因數(shù)的連續(xù)可調(diào)，將反饋到直流側(cè)的能量再逆變成為交流電反送給電網(wǎng)，輸入諧波很 低，實現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運行。
由于三電平功率單元可極大提高輸出電壓，所以可以有效減少高壓變頻器串聯(lián)的 功率單元的個數(shù)，降低功率單元的制造成本，同時也減少故障發(fā)生的概率。由于功率單元的 輸出電壓得到提升，要實現(xiàn)額定電壓的功率單元的個數(shù)相應(yīng)減少，采用該功率單元的高壓 變頻器的變壓器副邊繞組因功率單元個數(shù)的減少而相應(yīng)減少，可進一步減低成品成本。
上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體 實施方式，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種四象限三電平功率單元，其特征在于，包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個功率開關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管以及兩個箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，所述單相三電平逆變橋包括兩相第二橋臂，且每相第二橋臂包括串聯(lián)在所述直流母線間的四個功率開關(guān)管、兩個箝位模塊以及分別并聯(lián)在每一所述功率開關(guān)管兩端的四個續(xù)流功率管，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，還包括連接在三相電平整流橋輸入端的濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，所述直流支撐電容模塊具有中間抽頭，且將直流母線分為三個電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限三電平功率單元，其特征在于，具有旁路模塊。
6.一種高壓變頻器，包括變壓器、功率單元以及控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率單元為權(quán)利要求1、2、3、4、5、6中任一項所述的功率單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓變頻器，其特征在于，包含三相功率單元電路，每相包含多個功率單元，且各單元輸出側(cè)依次串聯(lián)成高壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓變頻器，其特征在于，所述變壓器為干式整流變壓器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四象限三電平功率單元，其特征在于，包括分別連接到直流母線的三相三電平整流橋、均壓電阻、直流支撐電容模塊以及單相三電平逆變橋，其中所述三相三電平整流橋與單相三電平逆變橋背靠背連接，所述三相三電平整流橋包括三相第一橋臂且每相第一橋臂包括四個功率開關(guān)管及其反并聯(lián)續(xù)流功率管以及兩個箝位模塊，所述箝位模塊的中間抽頭連接到直流支撐電容模塊的中間抽頭。本發(fā)明還提供一種包括上述四象限三電平功率單元的高壓變頻器。本發(fā)明通過三電平拓撲結(jié)構(gòu)，使得功率單元輸出電壓得到大幅提升，從而可使高壓變頻器整機串聯(lián)的功率單元數(shù)量大大減少，整機可靠性高，壽命長。
文檔編號H02M5/45GK103036449SQ201110297889
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者陳實, 劉宇川, 冷嚴(yán)冬, 翁翔羿 申請人:蘇州匯川技術(shù)有限公司, 深圳市匯川技術(shù)股份有限公司, 蘇州默納克控制技術(shù)有限公司