专利名称：双三电平移相型高压大功率变频器的制作方法
技术领域：
本发明属于电气传动技术领域，具体涉及一种双三电平移相型高压大功率变频器。
背景技术：
随着不可再生能源的日益减少，节能成为当今全球最为关注的课题之一，其中变频节能技术，是被世人名誉为″节能之冠″的现代电力电子技术的重要组成部分。
我国电力系统规模大，火电厂众多，用于驱动风机、水泵的厂用大容量中高压电动机数量巨大，并且多采用挡板和阀门调节流量，电能浪费严重，另外，冶金、石油、化工、城市供水、煤炭、建材等行业的大量中高压电动机也同样存在着电能浪费的问题。电能既是最重要的能源，又是生长其他能源的必需品，节能关键在于节电。近年来，全球煤、油、电价持续上涨，这为节电产业迎来了巨大的发展空间，因此，大功率、中高压变频调速系统的市场应用前景非常广阔，并且随着电力电子工业、控制、计算机等的日益发展，大功率中高压变频器也正日益广泛地应用于调速节能领域。
但是由于半导体开关器件耐压水平的有限性，为了得到高压电动机所需的高压变频器还比较困难。因此，为了获得较高电压等级的大功率变频器，专家和学者提出了多种变频器拓扑结构以满足实际工业设备对耐压的要求，其中目前比较通用的有器件直接串联型两电平变频器、串联多重化变频器、三电平变频器。然而上述结构也存在着不足之处。
在器件直接串联型两电平变频器中，为了获得较好的器件均压效果，需要设置较大容量的阻容吸收回路，从而降低了变频器装置的效率，并且随着串联器件数的增加，器件间的均压效果难以得到保证。而且，两电平结构中，为了获得较好的输出波形，器件的开关频率较高，这将进一步降低整个变频器装置的效率。在串联多重化型变频器中，整流用的裂相变压器结构复杂，且该结构涉及的器件数较多，控制复杂。在三电平变频器中，根据现有的器件耐压水平，如果要满足我国6kV电压等级电动机的驱动要求，则需要两只开关器件、吸收回路及静态均压电阻的串联使用，这使得变频器各环节的参数设计较为困难，且由于阻容吸收回路的存在使得整个变频器效率下降；如果要满足10kV电动机的驱动要求，则需要四只开关器件、吸收回路及静态均压电阻的串联使用，这使得变频器的设计更为复杂，且变频器的均压效果更加难以有效保证，且吸收回路及静态均压电阻损耗进一步加大。
综上所述，如何选用合适的新型拓扑结构使得变频器能够在较少的器件串联条件下或者无器件串联、无阻容吸收方式下满足实际工业运行需要以提高变频器效率并同时满足输出谐波的要求非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双三电平移相型高压大功率变频器，该变频器根据功率器件现有的耐压水平，使得在无器件串联及相应的阻容吸收或者较少器件串联条件下，实现变频器高压输入及输出，并有效地限制输入、输出谐波，同时使变频器负载对地耐压水平降低一半。
本发明提供的双三电平移相型高压大功率变频器，其特征在于它包括整流单元、直流单元、第一三电平逆变单元、第二三电平逆变单元、第一LC三相滤波单元和第二LC三相滤波单元；其中，整流单元的正、负母线排分别与直流单元的正、负端相联接；第一三电平逆变单元与第二三电平逆变单元并联，第一、第二三电平逆变单元的正母线、负母线及中性点分别与直流单元的二组正母线、负母线及中性点对应联接；第一、第二三电平逆变单元的三相输出端分别与第一、第二LC三相滤波单元的三相滤波输入端对应联接，第一、第二LC三相滤波单元的三相输出端分别与电动机的二组三相绕组抽头对应联接。
本发明中的直流单元作用是为三电平逆变单元提供稳定的直流电压、调节三电平逆变单元开关过程中流过开关器件的di/dt值及限制开关过程中正负直流母线尖峰过电压。本发明中的两组并联的三电平逆变单元均通过各自的LC三相输出滤波器输出三相交流电压，并分别联接在电动机三相绕组的两端(也可以是其它三相能独立接线的负载)，LC三相输出滤波器的设置有效地降低了变频器加在电动机绕组上的电压应力，限制了电动机输入电压的谐波含量。通过调整两组并联的三电平逆变单元脉冲宽度调制(PWM)参考波的相位角，在不增加开关损耗的前提下使得等效开关频率上升了一倍，从而能够进一步降低变频器的输出谐波；通过调整PWM参考波的相位角，保证了变频器三相额定输出电压。本发明有助于6kV及以上高压变频器的发展。
图1是双三电平移相型高压大功率变频器拓扑结构方框图。
图2是整流单元的一种具体实施方式
的结构示意图；图3是直流单元的一种具体实施方式
的结构示意图；图4是三电平逆变单元的一种具体实施方式
的结构示意图；图5是LC三相滤波单元的具体实施方式
的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明双三电平移相型高压大功率变频器包括整流单元1、直流单元2、第一三电平逆变单元3、第二三电平逆变单元4、第一LC三相滤波单元5和第二LC三相滤波单元6。图1中的U-x、V-y及W-z分别表示负载电动机7的三相绕组。目前，电动机绕组的6个端子均布置在电动机外壳上的接线端子牌上，只需要打开相应的联接点，并按照图1所示的方式联线即可。
整流单元1的正负母线排RP、RN分别与直流单元2的正负端FP、FN相联接。第一三电平逆变单元3与第二三电平逆变单元4并联，第一三电平逆变单元3的正母线IP1、负母线IN1及中性点O1′分别与直流单元2的正母线DP1端、负母线DN1端及中性点O相联接，第二三电平逆变单元4的正母线IP2、负母线IN2及中性点O2′分别与直流单元2的正母线DP2端、负母线DN2端及中性点O相联接。
第一三电平逆变单元3的三相输出端A1、B1及C1分别与第一LC三相滤波单元5的三相滤波输入端LA1、LB1及LC1相联接，第二三电平逆变单元4的三相输出端A2、B2及C2分别与第二LC三相滤波单元6的三相滤波输入端LA2、LB2及LC2相联接。第一LC三相滤波单元5的三相输出端LU、LV及LW分别与电动机的U、V及W三相绕组抽头相联接，第二LC三相滤波单元6的三相输出端Lx、Ly及Lz分别与电动机的x、y及z三相绕组抽头相联接。
整流单元1由6n脉波整流变压器和n组错相位串联的6脉波不控整流桥构成，n为正整数，它根据对电网的谐波污染的要求来确定。6n脉波裂相变压器的原方可以是三角形或星形接法，副方为n组电压幅值相等但相互隔离且角度相差(60/n)度的三相绕组。6n脉波整流变压器原方三相输入绕组分别与电网的A、B及C相联接，6n脉波整流变压器副方n组三相输出绕组[a1，b1，c1]～[an，bn，cn]分别与n组串联的6脉波不控整流桥的输入端[Ra1，Rb1，RC1]～[Ran，Rbn，Rcn]相联接。
如图3所示，直流单元2由两组标准的直流环节(DC-Link)构成，两组DC-Link电路通过直流滤波电容C1及C2相互并联。两组DC-Link电路分别包括由(LD1、DD1、CC1、RD1)和(LD2、DD2、CC2、RD2)所构成的两组三电平逆变单元所需的两套限流箝位回路，并分别与直流滤波大电容C1及C2并联联接。其主要功能是为了限制三电平逆变单元中全控器件开关过程中的电流变化率及关断暂态过电压。
本发明中的第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4采用标准的二极管钳位型三电平逆变电路，其构成如图4所示。两组三电平逆变单元均采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)方式，以完成正弦电压的输出功能。
整流单元1将电网提供的交流电转化为直流电，并经过直流单元2滤波后，为第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4提供所需的直流电压。通过整流单元1可以有效地限制变频器对电网的谐波污染。
如图5所示，本发明中的LC三相滤波单元由标准的LC电路构成。如图1所示，第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4分别通过第一LC三相滤波单元5及第二LC三相滤波单元6分别联接在电动机三相绕组7的两端。第一LC三相滤波单元5及第二LC三相滤波单元6的设置可以很大程度上降低电动机绕组7的端电压应力，延长电动机的使用寿命。
与现有的通用三电平变频器相比，在器件开关频率相同的前提下通过对并联的第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4采用移相SPWM方式，可进一步降低电动机绕组7的输入电压谐波，降低由于谐波所带来的电动机发热及震动等问题。
从上述可以看出，第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4可通过调整各自的输出电压和相位，输出到变频器负载7上为第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4的电压矢量之差，从而可以保证输出到变频器负载7上即为所需要的电压大小。在要求变频器输出额定电压情况下，第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4可分别输出额定电压的一半，但相位相差180度，其幅值即为额定电压。与现有的通用三电平变频器相比，电动机各相绕组7对地最大值降低了一半，降低了电动机绕组7对地的绝缘要求，从而有望缩小电动机的整个外形体积，使得电动机结构更为紧凑并有效降低电动机的制造成本。
下面我们以双三电平移相型6kV高压大功率变频器的设计为例作进一步的分析。
目前，我国6kV高压大功率电动机的应用非常广泛，6kV高压变频器的应用也越来越多。本发明所提出的结构应用于6kV高压变频器有着很大的优势。本发明中第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4，分别与直流单元2中的两套限流箝位回路相并联，如图1、图4所示。从图2中可以看出，整流单元1中由于6n脉波整流变压器的使用，此时直流单元2的正负母线直流电压只有4.5kV左右，根据目前的器件耐压等级，我们可以采用IGBT或者IGCT器件在无需串联的前提下搭建三电平逆变单元3、4。由于无需器件的串联使用，则不需要相应的保持器件动态均压所需的动态阻容吸收回路，从而能够有效地提升高压变频器的效率。只要器件的选型匹配基本合理，器件静态均压所需的静态均压电阻同样可以省去。
与目前所常用的6kV交流输入、直流母线电压为9kV左右的通用三电平变频器相比较，本发明所采用的全控开关器件及二极管的数量与之相同，但是省去了通用三电平变频器器件串联所需的动态及静态均压回路，有效地降低了变频器的成本和体积并提高了变频器整体效率，而且使得三电平变频器的参数设计大为简化。第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4最大分别输出额定线电压电压的一半为3kV，但是相位相差180度，从而满足整个变频器额定6kV电压输出的要求，并且电动机各相绕组7对地电压最大值降低了一半，延长电动机绝缘寿命。通过对第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4采用错相SPWM调制方式，提高了变频器装置的等效开关频率，进一步降低了变频器的输出谐波。
如果要实现6kV以上10kV以下变频器的设计，传统的三电平逆变器需要4只器件串联使用，串联器件数的增加使得变频器的设计难度大幅度提高，器件的选型相当困难，且均压效果也很难以得到有效保证。而如果采用本发明所提出的变频器结构，则本发明中的第一三电平逆变单元3及第二三电平逆变单元4只需要两只器件串联使用，相应的图2～图4中的半导体器件均为两只串联，这使得变频器的均压设计及阻容吸收设计也相对大为简化。当然，随着电压等级的进一步升高，所需串联的器件数也随之上升。但是与传统的三电平结构相比，本发明使得串联的器件数下降了一半，降低了装置对绝缘的要求，相对简化了变频器参数的设计，提高了变频器装置的效率并同时也将变频器所驱动负载7对地的最高电压减少一半，延长了现有负载的绝缘使用寿命。
权利要求
1.一种双三电平移相型高压大功率变频器，其特征在于它包括整流单元(1)、直流单元(2)、第一三电平逆变单元(3)、第二三电平逆变单元(4)、第一LC三相滤波单元(5)和第二LC三相滤波单元(6)；其中，整流单元(1)的正、负母线排分别与直流单元(2)的正、负端相联接；第一三电平逆变单元(3)与第二三电平逆变单元(4)并联，第一、第二三电平逆变单元(3、4)的正母线、负母线及中性点分别与直流单元(2)的二组正母线、负母线及中性点对应联接；第一、第二三电平逆变单元(3、4)的三相输出端分别与第一、第二LC三相滤波单元(5、6)的三相滤波输入端对应联接，第一、第二LC三相滤波单元(5、6)的三相输出端分别与电动机的二组三相绕组抽头对应联接。
2.根据权利要求1所述的双三电平移相型高压大功率变频器，其特征在于整流单元(1)由6n脉波整流变压器和n组错相位串联的6脉波不控整流桥构成，n为正整数，6n脉波裂相变压器的原方分别与电网相联接，其副方n组三相输出绕组分别与n组错相位串联的6脉波不控整流桥的输入端对应联接。
3.根据权利要求1或2所述的双三电平移相型高压大功率变频器，其特征在于直流单元(2)由两组直流环节构成，两组直流环节通过其中的直流滤波电容C1及C2相互并联。
全文摘要
本发明公开了一种双三电平移相型高压大功率变频器，包括整流单元、直流单元、二个三电平逆变单元和二个LC三相滤波单元。整流单元的正、负母线排分别与直流单元的正、负端相联接；二个三电平逆变单元并联，三电平逆变单元的正母线、负母线及中性点分别与直流单元的二组正母线、负母线及中性点对应联接；其三相输出端分别与二个LC三相滤波单元的三相滤波输入端对应联接，二个LC三相滤波单元的三相输出端分别与电动机的二组三相绕组抽头对应联接。本发明基于载波移相能使变频器等效开关频率上升一倍，从而降低了电动机输入电压的谐波含量，并能有效提高变频器效率。
文档编号H02M5/451GK101071975SQ200710051809
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月6日 优先权日2007年4月6日
发明者毛承雄, 陆继明, 李国栋, 王丹, 娄慧波, 刘海波 申请人:华中科技大学