专利名称：无谐波污染高压大功率变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压大功率变频器，尤指一种无谐波污染的、具有能量回馈装置、旁路电路和空气过滤网装置的高压大功率变频器。
但是，这种由功率模块单元串联构成的高压大功率变频器在使用中存在以下几个缺点1、缺少能量回馈装置高压大功率变频器的功率一般都在300KW以上。它的优点是节能显著，改善工况特性明显，但是，当负载制动时，会产生很大的能量。这部分制动能量不能靠简单的电阻、电容串联的方法耗散掉，一般是将其回馈到电网，将制动能量再利用，但是，如何实现这种能量的回馈，并且对交流电网无谐波污染，目前一直没有得到很好地解决。
2、缺少工作可靠、功耗低的旁路电路由功率模块单元串联构成的高压大功率变频器在使用过程中，偶尔会出现某个或某几个功率模块发生故障的情况，这时就迫切地需要一旁路电路。当某个或几个功率模块发生故障时，可以通过旁路电路将其旁路出系统，而由剩下的功率模块继续给电机供电，从而不影响系统的运行。
目前，国内高压大功率变频器中使用的旁路电路主要有两种。一种是由继电器构成的旁路电路，其缺点是由于继电器的机械触点有时接触不良或不能准确动作，影响了系统的可靠性。
现在普遍采用的另一种形式的旁路电路如图3所示，它由设置在逆变桥23′旁边的单相二极管整流桥4′和可控硅5′构成。当某个功率模块出现故障时，系统关断逆变桥23′，触发可控硅5′，使电流通过二极管整流桥4′和可控硅5′形成的通路流过。但是，这种旁路电路在实际应用中存在一定的问题，即旁路电路不能真正起到旁路故障功率模块的作用。因为它对旁路电路中的二极管和可控硅提出了较高的要求，众所周知，IGBT的开关时间很短，一般在300纳秒左右，现在使用1700V的IGBT，直流母线电压可达到1000V左右，于是IGBT开关时产生的dv/dt将在3000V/us的量级，而可控硅能承受的dv/dt一般在1000V/us以下。所以，图3所示的电路，在刚上电时，可控硅两端的电压为零，当功率模块(如IGBT)开始正常导通的瞬间，可控硅就会耐受超过其耐受能力的dv/dt。当可控硅的结电容、电路物理阻抗和杂散电抗较小时，将引起可控硅的误导通，从而造成逆变桥输出短路，引起功率模块故障。
可以在图3的U、V处增加限制dv/dt的措施，比如加电感器、电阻等，但是，当功率模块旁路运行时，它们要流过大电流，这样使其功耗大、体积大、成本高。
3、缺少安全、简单、方便、易于更换的空气过滤网装置变频器内主要由一些功率元件如功率半导体器件、变压器、电抗器、电阻等组成，这些功率元件在工作过程中要消耗一定的能量，这些能量均以热量的形式散发掉，因此，必须将这些功率元件发出的热量尽快散释放掉。
目前，变频器使用最多的散热方式是强迫空冷方式，即利用空气的流动带走热量。但是，由于大气污染，空气中存在许多灰尘，尤其是在北方粉尘较大的环境中，如果过多的灰尘进入到变频器中，将对变频器的安全、稳定的运行带来极大的威胁，所以强迫空冷时，为了防止空气中的尘埃对系统的影响，在进风口处一般需要加装空气过滤网。
空气过滤网需要经常清洗，以防止被堵塞而影响进风量。通常，这种空气过滤网是通过螺钉固定在变频器内部。为了清洗或更换滤网，一般都需要停机、断电再进行。因为，变频器内一般有强电电压，以国产变频器为例，一般低压变频器为380伏，高压变频器为几千伏，为了操作人员的安全，变频器机柜外壳必须接地，在运行中禁止打开柜门，而且，在更换、清洗过滤网时一般都需要停机、断电再进行，防止发生设备和人员事故。这样，不可避免地给用户生产造成一定程度的损失。
本发明的另一目的是提供一种工作可靠、功耗低、成本小的高压变频器旁路电路。
为了解决更换变频器过滤网难、不安全的问题，本发明的目的是提供一种可在不停机的情况下，安全、简单、方便地更换过滤网的变频器空气过滤网装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种无谐波污染高压大功率变频器，它主要包括多副边绕组移相变压器、多个功率模块单元和控制系统；所述功率模块单元主要由二极管整流桥、并联在直流母线侧的大电容、大电阻和逆变桥构成；其特征在于它还包括一能量回馈装置；所述能量回馈装置主要由多个反馈桥和反馈桥控制电路构成；所述反馈桥的数量与构成变频器的功率模块单元的数量相一致，即在每一个功率模块单元的整流桥旁反并联一反馈桥；所述反馈桥控制电路包括用于控制反馈桥导通与关断的能量回馈工况判断电路和用于触发反馈桥器件导通的反馈桥触发电路。
所述能量回馈工况判断电路主要由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路、功率单元直流母线电压检测电路和比较/判断电路构成；整流桥整流电压峰值检测电路用于检测整流桥整流后电压的峰值，并作为比较/判断电路的一个输入端；直流母线电压检测电路用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压，并作为比较/判断电路的另一个输入端；比较/判断电路对这两个检测电压进行比较、判断，并输出控制信号，控制反馈桥的导通或关断。
所述反馈桥触发电路采用6脉冲控制方式；它由电压检测电路和抗干扰电路组成；该电压检测电路采用比较器和选择器，对于反馈桥上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于反馈桥下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号。
所述反馈桥触发电路也可以采用鉴相器的方法，采用过零检测电路和锁相环电路，跟踪输入电压的相位，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最低的一个给出导通信号。
本发明无谐波污染高压大功率变频器还包括一旁路电路；所述旁路电路包括并联在高压变频器每一功率模块单元逆变桥旁的二极管整流桥、可控硅和预充电电路；所述预充电电路串联在变频器直流母线输出侧、与每一功率模块并联的二极管整流桥、可控硅之间。
本发明无谐波污染高压大功率变频器还包括一易于更换的空气过滤网装置，该空气过滤网装置主要由前面板和过滤网支撑机构构成；所述前面板上设有通风孔、用于将前面板固定在变频器上的第一固定装置和用于固定过滤网支撑机构的第二固定装置；所述过滤网支撑机构为一框架，在框架上固定有过滤网。
所述第一固定装置包括一门锁和一插片；所述门锁安装在前面板的上部，所述插片位于前面板的底部；所述第二固定装置安装在前面板的背面，它包括上滑轨和下滑轨；所述过滤网支撑机构为一框架，框架的顶部和底部设有凹槽。
由于本发明采用以上设计方案，故具有以下优点1、由于本发明在每一功率单元的整流桥旁反并联一反馈桥和控制电路，所以，在高压变频器制动时，可以通过反馈桥将负载产生的制动能量回馈给交流电网、再利用。由于本发明反馈桥由满足功率单元内部电压标准的低压器件构成，故成本低；另外，控制部分的实现也非常方便，只需附加相应的电压检测环节和电压比较器即可，技术可行性好；在控制上，省去了复杂的PWM计算等，降低了控制电路的负担，同时，由于开关方式为六脉冲，使开关损耗降到最低。更重要的是，虽然本发明功率单元内普通二极管整流桥的电流波形中含有大量的谐波成分，以及反馈桥中还有的大量谐波成分，但是可通过移相变压器，使谐波成分互相抵消掉，从而减少对电网的谐波污染。
2、由于本发明在每一功率单元旁并联一旁路电路，在高压变频器功率模块单元工作前，首先将旁路电路中可控硅两端的电压预充电到直流母线电压值。这样，在功率模块单元(如IGBT)开始动作时，旁路电路中的二极管和可控硅将不再承受超过其耐受能力的dv/dt值，从而保证了系统的安全可靠性。
3、由于本发明通过门锁和插片将空气过滤网装置固定在变频器上，所以，清洗、更换过滤网时，只需旋转门锁即可轻松的将过滤网装置卸下。操作非常简单、方便、安全，而且在不停机的情况下即可操作。另外，本发明在安装时没有使用一个螺钉，所以安装、拆卸不需要任何工具，大大提高了效率；且防止了令人头疼的因螺钉掉落而引起的事故发生。
图1为现有功率单元串联多电平式高压变频器结构示意2为现有功率单元电路3为现有技术中旁路电路电路4为本发明能量回馈装置中反馈桥部分电路5为本发明能量回馈装置中能量回馈工况判别电路原理框6为本发明能量回馈装置中反馈桥触发电路原理框7为本发明实施例中反馈桥部分具体电路8为本发明实施例中能量回馈工况判别电路具体电路9为本发明实施例中反馈桥触发电路具体电路10为本发明旁路电路电路11为本发明另一种形式的旁路电路电路12为本发明又一种形式的旁路电路电路13为本发明又一种形式的旁路电路电路14为本发明空气过滤网装置的主视15为本发明空气过滤网装置的侧视16为图15的I部分局部放大图功率单元串联高压变频器使用过程中，当负载制动时，会产生很大的能量。为了将这部分能量回馈到电网，再利用，本发明在功率单元整流桥旁反并联了一反馈桥，通过控制电路控制反馈桥的导通与关断，从而使制动能量反馈回电网。
如图4、图5、图6所示，本发明能量回馈装置主要由多个反馈桥1和控制电路2构成；控制电路2又是由能量回馈工况判断电路21和反馈桥触发电路22构成。反馈桥1的数量与构成变频器的功率单元的数量相一致，即在每一个功率单元3整流桥3 1旁反并联一反馈桥1(如图4所示)。在变频器正常运行时，反馈桥1是关断的，电路其它部分的工作与没有此反馈桥时是一样的。当电机制动运行时，能量通过功率单元逆变桥33回馈到直流母线电容32中，导致电容电压升高，当电容电压高于二极管整流桥31的整流电压峰值时，二极管整流桥关断，此时可以有选择的使反馈桥1的器件导通，将电容器中的能量通过反馈桥、移相整流变压器反馈回电网。
为了控制反馈桥1的导通与关断，本发明能量回馈装置设计有能量回馈工况判断电路21(如图5所示)和反馈桥触发电路22(如图6所示)。
如图5所示，能量回馈工况判断电路21主要由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路211、功率单元直流母线电压检测电路212和比较/判断电路213构成。整流桥整流电压峰值检测电路211用于检测整流桥整流后电压的峰值V1，并作为比较/判断电路213的一个输入端；直流母线电压检测电路212用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压V2，并作为比较/判断电路213的另一个输入端；比较/判断电路213对这两个检测电压进行比较、判断。当直流母线电压V2大于整流桥整流后电压的峰值V1时，比较/判断电路输出控制信号，开始控制反馈桥的导通；反之，关断反馈桥。
为了使反馈桥1导通，本发明设计了反馈桥触发电路22，该触发电路采用6脉冲控制方式，如图6所示。任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最低的一个给出导通信号。这样使反馈桥工作在与二极管桥相同的状态下，只是电流和能量流动的方向相反。如图6所示，图6(a)是采用直接电压检测法，对于上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号；电压检测可以采用比较器和选择器，同时必须有抗干扰的滤波措施。另外一种方法为图6(b)所示的采用鉴相器的方法，众所周知，交流三相电源每120度相位内就有一相处于电压最高，每120度相位内有一相处于电压最低，这种关系非常的固定，因此，可以采用过零检测和锁相环等常用方法，跟踪输入电压的相位给出控制脉冲，两种方法达到的效果是一致的。
图7、图8、图9为本发明具体实施例图。如图7所示，本发明反馈桥1由6个IGBT大功率晶体管G1～G6组成，反并联在功率单元整流桥31旁。本发明采用IGBT构成反馈桥，也可以采用其它开关元件如GTO、可控硅等构成反馈桥。
图8为本发明能量回馈工况判断电路具体电路图。如图所示，本发明先通过电压互感器4将功率单元R、S、T处的电压转化为控制电路可以接受的电压R1、S1、T1；然后，经过整流桥5整流；取其电压作为整流桥整流后电压的峰值V1。V2为经过电气隔离6的直流母线P、N之间的电压。经过比较器U7、逻辑门U8的比较/判断，当V2＞V1时，输出控制信号EN2允许反馈桥触发电路工作。图中，EN1为系统允许能量回馈装置工作的指令，因为在某些情况下，可以通过人为设定不允许系统反馈电路工作，EN2为反馈控制允许逻辑，EN2有效时反馈桥触发电路开始工作(参见图9)。
图9为本发明反馈桥触发电路具体电路图。如图所示，它由比较器U9～U11、译码器U12和逻辑门U13～U18构成。比较器U9～U11首先对三相电压进行比较，得到三个比较信号COMP1～COMP3，如果反馈控制条件具备(EN2＝1)，则可将比较情况的6种可能，通过译码器U12(74138)译出来(一共有8种状态，其中两种状态物理上不可能)，然后根据这些状态，通过简单的逻辑电路U13～U18，可以得到反馈桥器件G1～G6的触发信号。
本发明为了避免在功率模块(如IGBT、GTR等)开始正常导通的瞬间，可控硅因耐受超过其耐受能力的dv/dt，引起可控硅的误导通，造成逆变桥输出短路，引起功率模块故障，在高压变频器每一功率模块逆变桥旁并联一旁路电路。
如图10所示，所述旁路电路由二极管整流桥7、可控硅8和预充电电路9构成。在变频器直流母线输出侧、每一功率模块旁通过预充电电路9并联二极管整流桥7和可控硅8。预充电电路10由充电电阻R1、R2、R3和充电电容C1构成；电阻R1、R2串接在变频器输出的直流正、负母线与可控硅8之间，电阻R3与电容C1串联后并联在可控硅8旁。通过预充电电路9，即电阻R1、R2、R3、C1，使系统刚上电时，可控硅两端的电压立即被预充电到直流母线电压值，这样，在功率模块(如IGBT)开关时，它们将不再承受超过其耐受能力的dv/dt值，系统可靠性大大增强。在功率模块发生故障时可以真正地被旁路电路旁路掉，而由剩下的功率模块继续给电机供电。当功率模块发生故障被旁路时，将有电流流过R1、R2，由于R1、R2阻值很大，这种功耗可以忽略不计。其中，R1或R2也可以省略，只在变频器正母线或负母线处放置一个充电电阻R1或R2，原理上不影响本发明的发明目的。
图11为本发明另一种形式的旁路电路电路图。这种形式的旁路电路与图10所示的旁路电路的区别在于预充电电路9由电感L1、L2、隔直电容C2、C3、电阻R3和电容C1构成。电感L1、L2、电容C2、C3串接在变频器直流输出正、负母线与旁路电路中可控硅8之间，电阻R3与电容C1串联后并联在可控硅8旁。通过预充电电路9，即电感L1、L2、电容C2、C3、电阻R3、电容C1，使系统刚上电时，可控硅两端的电压立即被预充电到直流母线电压值，这样，在功率模块(如IGBT)开关时，它们将不再承受超过其耐受能力的dv/dt值，系统可靠性大大增强。在功率模块发生故障可以真正地被旁路电路旁路掉，而由剩下的功率模块继续给电机供电。其中，L1、C2或L2、C3也可以省略，只在变频器正母线或负母线处放置一制充电电感L1、电容C2或L2、电容C3，原理上不影响本发明的发明目的。
为了使旁路电路中的可控硅在系统刚上电时，可控硅两端的电压即被预充电到直流母线电压值，从而避免在功率模块开关瞬间可控硅因承受超过其耐受能力的dv/dt值而被误导通，造成逆变桥输出侧短路，引起功率模块故障，本发明在现有技术中的旁路电路中增加了预充电电路，这种预充电电路还可以派生出其他形式，如图12、图13所示，其工作原理均与图10、图11所示的旁路电路工作原理相同，这里不再一一祥述。
如图14、图15、图16所示，本发明易于更换的变频器空气过滤网装置主要由前面板11和过滤网支撑机构12构成；前面板11上设有用于将前面板11固定在变频器上的第一固定装置和用于固定过滤网支撑机构的第二固定装置。
前述第一固定装置包括门锁13和插片14；门锁13安装在前面板11的上部，插片14位于前面板1的底部，插片14为“П”型。用于固定过滤网支撑机构12的第二固定装置安装在前面板11的背面，它包括上滑轨15和下滑轨16。前面板11的侧面还设有侧挡板17。为了便于通风，前面板11表面可以根据需要设计各种不同形状的通风孔，如百叶窗式的通风孔、孔径不同的通风孔，或焊接不同目数的钢丝网。
前述过滤网支撑机构12为一铝合金框，铝合金框的顶部、底部设有与上下滑轨15、16相对应的凹槽18，过滤网19用橡胶条20固定在铝合金框上。过滤网支撑机构12也可以是塑料、胶木板等其它材质的框架。
安装时，先在变频器柜体的一侧开设一与前面板11大小一致的孔；然后，将固定有过滤网19的过滤网支撑机构12通过上下滑轨15、16固定在前面板11上；最后，将组装在一起的前面板11通过门锁13、插片14固定在变频器柜体上。
当需要清洗过滤网19时，只需旋转门锁13，即可将前面板11打开或取下；然后，将铝合金框沿滑轨15、16取下，清洗过滤网19或直接换上新的滤网备件。清洗完毕后，再将铝合金框沿滑轨15、16安装在前面板1上，旋转门锁13将前面板11固定在变频器柜体上。整个安装、拆卸过程不需要断电、停机，过滤网清洗简单、安全。
为了使操作人员更安全，可以在变频器柜体开孔处焊接钢丝网，防止在更换滤网时，操作人员不小心接触到柜内的元件，或者滤网掉进变频器内。
本实用新型是通过门锁和插片固定在开孔的变频器柜门上，也可以使用其他形式的插簧、卡件进行固定。
以上实施例仅用以说明本发明，很明显本发明并不受这些实施例的限制。本领域的普通技术人员任何基于本发明实质内容的修改、变形或等同替换，均涵盖在本发明权利要求范围当中。
权利要求
1.一种无谐波污染高压大功率变频器，它主要包括多副边绕组移相变压器、多个功率模块单元和控制系统；所述功率模块单元主要由二极管整流桥、并联在直流母线侧的大电容、大电阻和逆变桥构成；其特征在于它还包括一能量回馈装置；所述能量回馈装置主要由多个反馈桥和反馈桥控制电路构成；所述反馈桥的数量与构成变频器的功率模块单元的数量相一致，即在每一个功率模块单元的整流桥旁反并联一反馈桥；所述反馈桥控制电路包括用于控制反馈桥导通与关断的能量回馈工况判断电路和用于触发反馈桥器件导通的反馈桥触发电路。
2.根据权利要求1所述的无谐波污染高压大功率变频器，其特征在于所述能量回馈工况判断电路主要由功率单元整流桥整流电压峰值检测电路、功率单元直流母线电压检测电路和比较/判断电路构成；整流桥整流电压峰值检测电路用于检测整流桥整流后电压的峰值，并作为比较/判断电路的一个输入端；直流母线电压检测电路用于检测功率单元直流母线P、N之间的电压，并作为比较/判断电路的另一个输入端；比较/判断电路对这两个检测电压进行比较、判断，并输出控制信号，控制反馈桥的导通或关断。
3.根据权利要求1所述的无谐波污染高压大功率变频器，其特征在于所述反馈桥触发电路采用6脉冲控制方式；它由电压检测电路和抗干扰电路组成；该电压检测电路采用比较器和选择器，对于反馈桥上桥臂的三个器件，选择电压最高的一只给出触发信号；对于反馈桥下桥臂的三个器件，选择电压最低的一只给出触发信号。
4.根据权利要求1所述的无谐波污染高压大功率变频器，其特征在于所述反馈桥触发电路采用鉴相器的方法，采用过零检测电路和锁相环电路，跟踪输入电压的相位，任何时刻只给出两个反馈桥器件的导通控制信号，对于上桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最高的一个给出导通信号；对于下桥臂的三个器件，选择R、S、T电压瞬时值最低的一个给出导通信号。
5.根据权利要求1至4之一所述的无谐波污染高压大功率变频器，其特征在于它还包括一旁路电路；所述旁路电路包括并联在高压变频器每一功率模块单元逆变桥旁的二极管整流桥、可控硅和预充电电路；所述预充电电路串联在变频器直流母线输出侧、与每一功率模块并联的二极管整流桥、可控硅之间。
6.根据权利要求5所述的无谐波污染高压大功率变频器，其特征在于所述预充电电路由充电电阻和充电电容构成；所述充电电阻串接在变频器输出的直流正母线或负母线与旁路电路中的可控硅之间；在旁路电路中的可控硅旁还并联一串接的充电电阻和充电电容。
7.根据权利要求5所述的高压变频调速器的旁路电路，其特征在于所述预充电电路由充电电感、隔直电容、充电电阻和充电电容构成；所述充电电感和隔直电容串接在变频器输出的直流正母线或负母线与旁路电路中的可控硅之间；在旁路电路中的可控硅旁还并联一串接的所述充电电阻和充电电容。
8.根据权利要求1所述的高压变频调速器的旁路电路，其特征在于它还包括一易于更换的空气过滤网装置，该空气过滤网装置主要由前面板和过滤网支撑机构构成；所述前面板上设有通风孔、用于将前面板固定在变频器上的第一固定装置和用于固定过滤网支撑机构的第二固定装置；所述过滤网支撑机构为一框架，在框架上固定有过滤网。
9.根据权利要求8所述的高压变频调速器，其特征在于所述第一固定装置包括一门锁和一插片；所述门锁安装在前面板的上部，所述插片位于前面板的底部；所述第二固定装置安装在前面板的背面，它包括上滑轨和下滑轨；所述过滤网支撑机构为一框架，框架的顶部和底部设有凹槽。
10.根据权利要求9所述的高压变频调速器，其特征在于所述前面板的侧面设有侧挡板；所述前面板表面通风孔为百叶窗式的通风孔、孔径不同的通风孔，或为钢丝网；所述插片为“П”型插片。
全文摘要
一种无谐波污染高压大功率变频器。它解决了现有功率模块单元串联高压大功率变频器缺少能量回馈装置、旁路电路不可靠和空气过滤网维护困难的问题。本发明在现有功率模块单元串联大功率高压变频器中增加了能量回馈装置、旁路电路预充电电路和易于更换的空气过滤网。所述能量回馈装置主要由反并联在每一个功率模块单元整流桥旁的反馈桥和反馈桥控制电路构成；所述旁路电路包括并联在每一功率模块单元旁的二极管整流桥、可控硅和预充电电路；所述空气过滤网装置主要由前面板和过滤网支撑机构构成，前面板上设有通风孔、用于将前面板固定在变频器上的第一固定装置和用于固定过滤网支撑机构的第二固定装置，在过滤网支撑机构上固定有过滤网。
文档编号H02M5/44GK1414692SQ02104140
公开日2003年4月30日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者倚鹏, 程世宇 申请人:北京利德华福技术有限公司