一种中压大功率变频器的预充电装置和方法与流程

本发明属于中压大功率变频器技术领域，具体涉及一种中压大功率变频器的预充电装置和方法。

背景技术：

中压大功率多电平变频器在工业控制领域中应用范围日趋扩大，其中三电平变频器以其结构简单、输出容量大、电流谐波含量小等优点越来越得到重视。

电压源型中压大功率三电平变频器等中压大功率变频器的中间直流环节通常为电解电容，电解电容在没有建立电压状态下,上电瞬间相当于短路状态,充电电流将非常大,可能损害为其供电的前端整流设备、直流母线和电容,所以上电瞬间必须要限制充电电流。目前常规做法是增加高压接触器和功率电阻，这样就会导致变频器成本增加、体积增大、功耗和故障点增加。

同样，对于中压大功率变频器来说，电网侧通常设置大功率整流变压器，此整流变压器二次侧有多个绕组，用于多脉波整流，以减少对电网的污染。除中间直流环节的电解电容的影响外，当电网电压直接施加在未建立稳定励磁的整流变压器上时，会产生7-10倍的激磁电流，影响电网的安全、稳定运行，同时会冲击变频器内部器件，影响其使用寿命。

本发明的第一目的在于解决上述现有的技术问题，提供一种预充电装置，避免母线电容充电电流对变频器的冲击，提高了系统效率，降低了系统成本，并减少了变频器在运行过程中的故障点。

第二目的是避免因整流变压器的激磁电流对电网造成冲击。

技术实现要素：

本发明的第一技术方案为一种中压大功率变频器的预充电装置，其特征在于，包括：软启动模块(2)、整流变压器(3)、整流模块(4)和预充电控制模块(5)；

所述软启动模块(2)的输入端与低压电源相连，输出端与整流变压器(3)的一次侧相连；所述整流模块(4)的输入端与整流变压器(3)的二次侧相连，输出端与中压大功率变频器的直流母线相连；在软启动模块(2)和低压电源之间设置交流接触器(6)。

第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述软启动模块(2)包括交流调压电路及其驱动电路。

第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，所述整流变压器(3)具有升压功能，所述预充电装置包含N1个整流变压器，其中N1大于等于1；每个整流变压器二次侧绕组数量为N2，其中N2大于等于1。

第四技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述整流模块(4)由不可控整流电路组成，整流模块之间并联使用或串联使用。

第五技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述预充电控制模块(5)包含可编程器件及其最小系统、电压采集电路、通信电路。

第六技术方案基于第三技术方案，其特征在于，所述整流模块(4)中所包含的不可控整流电路与整流变压器(3)的二次侧绕组相连，且一一对应，整流模块所包含的不可控整流电路的数量为N1*N2。

第七技术方案基于第一至第六中任一技术方案，其特征在于，所述中压大功率变频器为中压大功率三电平变频器或中压大功率五电平变频器。

第八技术方案为一种中压大功率变频器的预充电装置的充电方法，所述中压大功率变频器的预充电装置为权利要求1至7中的任一预充电装置，

其特征在于，包括如下步骤：

(1)预充电控制模块(5)收到用户启动指令后，首先闭合所述交流接触器(6)，并通过软启动模块(2)实现软启过程，给变频器的母线支撑电容充电；

(2)预充电控制模块(5)检测中压大功率变频器的直流母线的充电情况，母线电压达到预设值后，控制中压大功率变频器的开关元件，通过网侧变流器按照预定曲线为变频器主变压器进行预励磁；在预励磁过程中，如果有其它母线部分，为其进行预充电；

(3)检测到预充电完成后，断开接触器(6)，停止所述装置工作。

第九技术方案基于第八技术方案，其特征在于，如果预充电的中压大功率变频器为两象限变频器，省略步骤(2)。

附图说明

附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

图1是常用的中压大功率三电平变频器拓扑图；

图2是另一种常用的中压大功率三电平变频器拓扑图；

图3是用于中压大功率三电平变频器的预充电装置拓扑图；

图4是具有N个整流变压器的中压大功率三电平变频器的预充电装置拓扑图；

图5是软启动模块交流调压过程示意图。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。首先以中压大功率三电平变频器为例对中压大功率变频器进行说明。

图1是常用的中压大功率三电平变频器拓扑图。如图1所示，电网与整流变压器11的一次侧(A、B、C)相连，整流变压器11的二次侧有两个三相绕组，绕组11a为星接、绕组11b为角接。两个有源前端AFE分别与绕组11a、绕组11b连接。下文中涉及到上部的有源前端AFE时，用AFE1代替，涉及到下部的有源前端AFE时，用AFE2代替，两个有源前端AFE为串联结构，其相接处即为中性点o，且直接连接至母线支撑电容12和三电平逆变器13的中性点上。

由于整流变压器11的二次侧有多个绕组，可进行多脉波整流，减少对电网的污染。

图2为另一种常用的中压大功率三电平变频器拓扑图。如图2所示，此三电平拓扑为背靠背模式，左侧为NPC三电平有源前端AFE，右侧为三电平逆变器23，三电平有源前端AFE与三电平逆变器23之间为母线支撑电容22。有源前端AFE通过未图示的PWM滤波器后与功率变压器21的二次侧相连接。功率变压器21的一次侧(A、B、C)连接至电网。图1、2所示的中压大功率三电平变频器在上电瞬间，如果母线支撑电容(12、22)没有建立电压,对于前端整流设备而言，相当于短路状态，过大的充电电流可能损害为其供电的前端整流设备。现有技术中，通过增加高压接触器和功率电阻来限制充电电流，但该方法的缺点是变频器成本增加、体积增大、功耗和故障点增加。

对于图1的中压大功率三电平变频器来说，由于使用整流变压器11，当电网电压直接施加在未建立稳定励磁的整流变压器11上时，会产生额定电流7-10倍的激磁电流，过大的电流不仅影响电网的安全、稳定运行，同时会冲击变频器内部器件，影响其使用寿命。

本发明的中压大功率变频器的预充电装置，在中压大功率变频器上电之前，预先对母线支撑电容充电，降低上电瞬间因过大的充电电流对前端整流设备造成冲击。

对于使用二次侧多绕组整流变压器的中压大功率变频器，还可防止过大激磁电流的产生，保证电网的安全运行。

图3是用于中压大功率三电平变频器的预充电装置拓扑图。

现在以图1所示的拓扑结构为基础的中压大功率四象限三电平变频器的预充电为例对中压大功率变频器的预充电装置进行具体说明。

在本实施方式中，中压大功率四象限三电平变频器的输入电压3000VAC，整流变压器11为双绕组输出，每个绕组输出为1500VAC；两个有源前端(AFE)为串联结构，每个有源前端都对应一个直流母线，两个直流母线串联后，就成了变频器的直流母线，其连接处即为三电平逆变器的中性点o。变频器逆变侧为NPC三电平结构。变频器辅助电源为380VAC。

中压大功率三电平变频器的预充电装置如图3所示，由软启动模块2、整流变压器3、整流模块4、预充电控制模块5、接触器6构成。

本实施方式中预充电控制模块5包含可编程器件及其最小系统、电压采集电路、通信电路。预充电控制模块5与变频器控制系统进行信息交换，使预充电过程全程可见可控。

软启动模块2通过接触器6与低压电源连接，在本实施方式中，低压电源采用380VAC的变频器辅助电源。软启动模块2用于调节整流变压器3的输入电压，使其有效值由小到大变化，避免对直流母线充电时的冲击电流。包括交流调压电路及其驱动电路，交流调压电路由电力电子器件实现，通过调整电力电子器件的导通时刻，达到输出电压有效值可调的目的。作为电力电子器件本实施方式中采用晶闸管，通过调节晶闸管的触发时刻，达到调压目的。

整流变压器3为三相升压变压器，用于将输入电压升压至900VAC。本实施方式中采用了两个相同的三相升压变压器，每个三相升压变压器均为△/△/Y三绕组结构，一次侧为角接，二次侧为两个绕组，一个为星接，另一个绕组为角接。两个三相升压变压器3为并联关系。在整流变压器3和软启动模块2之间设置交流断路器7。

整流模块4为三相全桥不控整流电路，同一整流变压器输出绕组所连接的两个整流电路输出端串联相接，形成12脉波整流电路，以有效减少直流侧脉动。同时，第二组整流变压器及其后部相接的整流模块与第一组为并联关系，以提升充电速度，减小所用器件功率。

作为整流变压器3也可包含N1个整流变压器，其中N1大于等于1；每个整流变压器二次侧绕组数量为N2，其中N2大于等于1。二次侧绕组可以改变连接方法或进行移相，用于支持多脉波整流电路。

图4是具有N个整流变压器的中压大功率三电平变频器的预充电装置拓扑图。整流模块4与整流变压器二次侧绕组相连，且一一对应，故整流模块的数量为N1*N2；整流模块之间可以并联用以扩流，也可以串联用以升压。

预充电装置在预充电时，通过接触器等将图3中最右侧的直流母线+连接至图1的母线+，图3中最右侧的直流母线0连接至图1的中性点0。

预充电装置的充电步骤如下：

步骤1，当预充电控制模块5收到变频器控制系统发出的启动指令后，闭合辅助电源侧的接触器6，同时向软启动模块2发送软启动指令。

步骤2，软启动模块2收到预充电控制模块5的软启动指令后，调节晶闸管的触发时刻，进行电压调节。

图4为软启动模块2的交流调压过程示意图，其中，阴影部分为软启动模块2实际输出电压。经过调压电路后，软启动模块2的输出电压有效值由小变大，避免了中压大功率三电平变频器的整流输出对母线支撑电容充电时的冲击电流。

步骤3，预充电控制模块5根据采样信息，实时监控AFE1对应的直流母线电压(+与0)，当母线支撑电容上的电压达到预设值后，控制上部有源前端AFE1中的IGBT，按照预设曲线缓慢对变频器的整流变压器11进行充磁，同时上部有源前端AFE1输出电压通过变频器整流变压器11感应到下部有源前端AFE2的输入端，上部有源前端AFE1输出的电压通过下部有源前端AFE2中IGBT的反并联二极管开始缓慢为AFE2的直流母线充电。

步骤4，预充电控制模块5根据采样信息，检测下部有源前端AFE2的母线电压，在下部有源前端AFE2的母线电压到达预设值以后，将与辅助电源绕组连接的接触器6断开，结束预充电过程。预充电完成后，变频器系统具备上电条件。

步骤5，预充电控制模块5将预充电完成的信息传送到变频器控制系统，由变频器控制系统控制变频器的上电。

由上可知，本发明的中压大功率变频器预充电装置在中压大功率三电平变频器上电之前，通过软启动模块2给上部有源前端AFE1的直流母线缓慢充电，当上部有源前端AFE1的直流母线电压达到预设值后，又通过上部有源前端AFE1为变频器的整流变压器11进行预励磁，预励磁结束后，通过下部有源前端AFE2为下部有源前端AFE2的直流母线预充电。

预充电结束后中压大功率三电平变频器就具备了上电条件，这时的上电不会产生任何冲击。本装置充分利用了大功率三电平变频器本身有源前端的作用，仅增加有限的低压器件后就可以实现中压大功率三电平变频器的预充电操作。不仅完全避免了直接上电时的冲击电流，而且不增加大功率三电平变频器的功耗，通过使用低压器件取代高压接触器和功率电阻也减小了变频器成本和变频器体积。

以上实施方式中以中压大功率四象限三电平变频器进行了说明，但本发明的中压大功率变频器预充电装置同样适用于两象限变频器，这时只要省去步骤3即可。

即，如果图1所示的中压大功率三电平变频器是两象限变频器时，预充电装置在预充电时，通过接触器等将图3中最右侧的直流母线+连接至图1的母线+，图3中最右侧的直流母线0连接至图1的母线-。

用本发明的预充电装置对图2所示的中压大功率三电平变频器进行预充电时，同样通过接触器等将图3中最右侧的直流母线+连接至图2的母线+，图3中最右侧的直流母线0连接至图2的母线-。

以上只是本发明的具体实施方式之一，在本发明的范围内，能够对各实施方式进行变形，如本实施方式中以中压大功率三电平变频器为例进行了说明，但本发明的适用范围不限于中压大功率三电平变频器，对于中压大功率五电平变频器等变频器同样适用，这些变形例均属于本发明的保护范围内。