一种高压变频器制动电路拓扑结构的制作方法

本实用新型涉及一种高压变频器制动电路拓扑结构，特别是公开一种功率单元级联式高压变频器的制动拓扑，应用于电机变频驱动领域。

背景技术：

目前，国内的高压变频器以功率单元级联式拓扑为主，采用此种拓扑的高压变频器具有功率单元结构简单，输入输出谐波小，容易实现高电压输出等优点。功率单元是该拓扑高压变频器的核心部件，一般有3种基本型式：1）二极管整流+H桥逆变；2）二极管整流+直流斩波制动+H桥逆变；3)带能量回馈功能的有源整流+H桥逆变。其中型式1）的功率单元结构简单，成本较低，但是不具有抑制直流母线电压泵升的功能，本实用新型中称为I型功率单元；型式2）和3）的功率单元具有抑制直流母线电压泵升的功能，但是结构较I型功率单元复杂，且成本也较高，本实用新型中称为II型功率单元。

目前已有的产品或文献中，单元级联式高压变频器的核心控制系统对每个功率单元采取相同的控制策略，导致单套高压变频器中的每个功率单元吸收的制动功率基本一致，在电机作为发电机运行时，每个功率单元均需要吸收制动能量，也就均需要抑制直流母线电压泵升的功能，因此无法实现I型功率单元和II型功率单元混用，导致在某些应用场合达不到优化配置。例如在电机需要快速制动的场合，通常的做法是每个功率单元均采用II型功率单元，导致单元和整机结构复杂，成本高昂。也有部分产品为了简化变频器结构，采用II型功率单元中型式2）的功率单元，然后将每个直流斩波制动器或其中的制动电阻集中配置于单独的制动柜中，但是需要将每个单元的直流端引出，电缆数量众多，且需要处理好每组制动组件之间的绝缘问题，导致制动柜设计复杂，成本也高。在某些应用场合，并不需要很大的制动功率，如制动功率仅需要额定功率5%~30%的应用场合，仍然采用上述传统方案，导致变频器结构复杂，成本高昂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的问题，公开一种高压变频器制动电路拓扑结构，适用于功率单元级联式高压变频器。在不需要全功率制动的应用场合,单套变频器可以实现I型功率单元和II型功率单元混用，即部分单元采用I型功率单元，部分单元采用II型功率单元。在采用II型功率单元中型式2）的功率单元时，可以将斩波制动器集中布置，从而使得整机系统结构简单，成本低。

本实用新型是这样实现的：一种高压变频器制动电路拓扑结构，其特征在于：所述高压变频器为功率单元级联式三相高压变频器，包含输入多绕组变压器和功率单元组件，所述功率单元组件包含n个功率单元，其中n为自然数，且n≥6。所述的n个功率单元中包含有m个II型功率单元，其余为I型功率单元，其中m为自然数，且n> m≥3。所述的I型功率单元为不具有抑制直流母线电压泵升功能的功率单元，所述的II型功率单元为具有抑制直流母线电压泵升功能的功率单元，每个所述的功率单元有三个交流输入端子，分别为R、S、T，两个交流输出端子，分别为第一交流输出端子T1，第二交流输出端子T2，所述的输入多绕组变压器为三相多绕组变压器，所述多绕组变压器的原边作为所述高压变频器的输入端，所述多绕组变压器设有n个与所述的n个功率单元的交流输入端分别一一对应连接的副边绕组，所述的n个功率单元分为3组，每组至少包含两个功率单元，且其中至少有一个为II型功率单元，每组功率单元通过各自的第一交流输出端子T1，第二交流输出端子T2依次串联连接，串联连接后的电路一端作为高压变频器的输出端，而 3组功率单元串联连接后的另一端则连接在一起，作为所述高压变频器的中心节点NP。所述高压变频器的电压等级为3~35kV。

所述功率单元中的I型功率单元包含第一二极管D1~第六二极管D6、第一直流储能电容C1和第一全控型电力电子开关S1~第四全控型电力电子开关S4，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2分别串联连接后再并联连接，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2串联连接的点作为所述I型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2串联连接后并联连接的两端分别作为所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相全桥不控整流结构，所述第一直流储能电容C1连接至所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第一全控型电力电子开关S1和第二全控型电力电子开关S2，第三全控型电力电子开关S3和第四全控型电力电子开关S4分别串联连接，串联连接的点分别作为所述I型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第一全控型电力电子开关S1和第二全控型电力电子开关S2，第三全控型电力电子开关S3和第四全控型电力电子开关S4串联连接后的两端分别连接至所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构。所述的I型功率单元还可设置旁路开关K1，所述旁路开关K1的两端分别与所述I型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2连接，形成带有自动旁路功能的I型功率单元，以提高系统的可靠性。

所述功率单元中的II型功率单元包含第十一二极管D11~第十七二极管D17，第二直流储能电容C2，制动电阻R1和第五全控型电力电子开关S5~第九全控型电力电子开关S9，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12分别串联连接后再并联连接，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12串联连接的点作为所述II型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12串联连接后并联连接的两端分别作为所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相全桥不控整流结构，所述第二直流储能电容C2连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第五全控型电力电子开关S5和第六全控型电力电子开关S6，第七全控型电力电子开关S7和第八全控型电力电子开关S8分别串联连接，串联连接的点分别作为所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第五全控型电力电子开关S5和第六全控型电力电子开关S6，第七全控型电力电子开关S7和第八全控型电力电子开关S8串联连接后的两端分别连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构，所述制动电阻R1与第十七二极管D17并联连接后与所述第九全控型电力电子开关S9串联连接，串联连接后的其中一端连接至直流母线DC+，另一端连接至直流母线DC-，形成直流斩波制动结构。

所述II型功率单元还可以采用包含输入滤波器组件Filter、第十一全控型电力电子开关S11~第十六全控型电力电子开关S16，第三直流储能电容C3和第三十一全控型电力电子开关S31~第三十四全控型电力电子开关S34的元器件连接组成，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12分别串联连接后再并联连接，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12串联连接的点连接至输入滤波器组件Filter的输出端，所述输入滤波器组件Filter的输入端作为所述II型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12串联连接后并联连接的两端分别作为所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相有源整流结构，所述第三直流储能电容C3连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第三十一全控型电力电子开关S31和第三十二全控型电力电子开关S32，第三十三全控型电力电子开关S33和第三十四全控型电力电子开关S34分别串联连接，串联连接的点分别作为所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第三十一全控型电力电子开关S31和第三十二全控型电力电子开关S32，第三十三全控型电力电子开关S33和第三十四全控型电力电子开关S34串联连接后的两端分别连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构。

上述两种不同结构的II型功率单元也可通过设置旁路开关K1，形成带有自动旁路功能的II型功率单元，以提高系统的可靠性。所述旁路开关K1的两端分别与所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2连接。同时，需要保证分为3组的功率单元每组中至少有一个未旁路的II型功率单元，以确保电机作为发电机运行时，该组的制动功率得以有效吸收，系统可以正常工作。

本实用新型所述功率单元组件包含的功率单元数量最优方案为选择3的倍数，且平均分为3组进行级联式连接。

本实用新型的有益效果是：

1）在某些应用场合，并不需要很大的制动功率，如制动功率仅为额定功率的5%~30%的应用场合，单套变频器可以实现I型功率单元和II型功率单元混用，只需将部分功率单元配置斩波制动器或部分功率单元配置成带能量回馈的功率单元，可以简化变频器整机结构，并降低成本。

2）在采用部分功率单元配置斩波制动器方案时，可以将斩波制动器集中布置，且配置斩波制动器的功率单元可以选择为靠近中心点的功率单元，使得斩波制动器的对地电压较低，可以简化集中制动器的绝缘设计，进一步简化整机结构和降低系统成本。

附图说明

图1是本实用新型的方框结构示意图。

图2是本实用新型中功率单元的方框示意图。

图3是本实用新型中I型功率单元的实施例1的结构示意图。

图4是本实用新型中I型功率单元的实施例2的结构示意图。

图5是本实用新型中II型功率单元的实施例1的结构示意图。

图6是本实用新型中II型功率单元的实施例2的结构示意图。

图7是本实用新型中II型功率单元的实施例3的结构示意图。

图8是本实用新型中II型功率单元的实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

根据附图1~2，本实用新型为一种高压变频器制动电路拓扑结构，所述高压变频器为功率单元级联式三相高压变频器，包含输入多绕组变压器和功率单元组件，所述功率单元组件包含n个功率单元，其中n为自然数，且n≥6。所述的n个功率单元中包含有m个II型功率单元PU2，其余为I型功率单元PU1，其中m为自然数，且n> m≥3。所述的I型功率单元为不具有抑制直流母线电压泵升功能的功率单元，所述的II型功率单元为具有抑制直流母线电压泵升功能的功率单元，每个所述的功率单元有三个交流输入端子，分别为R、S、T，两个交流输出端子，分别为第一交流输出端子T1，第二交流输出端子T2，所述的输入多绕组变压器为三相多绕组变压器，所述多绕组变压器的原边作为所述高压变频器的输入端（A，B，C），所述多绕组变压器设有n个与所述的n个功率单元的交流输入端分别一一对应连接的副边绕组，所述的n个功率单元分为3组，每组至少包含两个功率单元，且其中至少有一个为II型功率单元，每组功率单元通过各自的第一交流输出端子T1，第二交流输出端子T2依次串联连接，串联连接后的电路一端作为高压变频器的输出端（W，V，U），而 3组功率单元串联连接后的另一端则连接在一起，作为所述高压变频器的中心节点NP。所述高压变频器的电压等级为3~35kV。

所述高压变频器驱动电机运行，当电机运行于第一象限和第三象限时，电机将电能转换为机械能，即作为电动机运行。此种运行工况下，I型功率单元和II型功率单元均不需要吸收制动功率，不存在直流母线电压泵升的问题，每个单元采取相同的控制策略，3组功率单元中每组功率单元的电流矢量相同，电压矢量也相同，即每个功率单元的有功功率和无功功率基本一致。当电机运行于第二象限和第四象限时，电机将机械能转换为电能，即电机作为发电机运行，电机快速制动时一般属于此种运行工况。在此种运行工况下，I型功率单元和II型功率单元需要采取不同的控制策略，3组功率单元中每组功率单元的电流矢量相同，但是每组中I型功率单元和II型功率单元的电压矢量不同，I型功率单元的电压矢量与电流矢量之间的夹角为90°或接近90°，I型功率单元的有功功率很小或全部是无功功率，以防止母线电压升高发生过压故障；II型功率单元的电压矢量与电流矢量之间的夹角为180°或接近180°，制动功率主要由II型功率单元吸收，吸收的制动功率通过制动电阻消耗掉或者通过有源整流回馈至电网。

优选地，所述功率单元组件包含的功率单元数量为3的倍数，且平均分为3组进行级联式连接。但是，在某些工况下，功率单元数量也可以不为3的倍数，即每组功率单元的个数不同。例如有个别功率单元发生故障，在没有备用功率单元的情况下，为了快速恢复系统运行，可以将此功率单元拆除，使用电缆或铜排连接相邻单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，使得该组功率单元个数与其他两组不同，控制系统通过中心点偏移算法，在变频器输出电压能力范围内，仍然可以正常驱动电机运行。

根据附图3 ，本实用新型中I型功率单元的实施例1的结构示意图。

所述I型功率单元包含第一二极管D1~第六二极管D6、第一直流储能电容C1和第一全控型电力电子开关S1~第四全控型电力电子开关S4，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2分别串联连接后再并联连接，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2串联连接的点作为所述I型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第一二极管D1和第四二极管D4，第三二极管D3和第六二极管D6，第五二极管D5和第二二极管D2串联连接后并联连接的两端分别作为所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相全桥不控整流结构，所述第一直流储能电容C1连接至所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第一全控型电力电子开关S1和第二全控型电力电子开关S2，第三全控型电力电子开关S3和第四全控型电力电子开关S4分别串联连接，串联连接的点分别作为所述I型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第一全控型电力电子开关S1和第二全控型电力电子开关S2，第三全控型电力电子开关S3和第四全控型电力电子开关S4串联连接后的两端分别连接至所述I型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构。

根据附图4 ，本实用新型中I型功率单元的实施例2的结构示意图。

所述的I型功率单元在附图3所示的I型功率单元实施例1的结构基础上，还设有旁路开关K1，所述旁路开关K1的两端分别与所述I型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2连接，形成带有自动旁路功能的I型功率单元，以提高系统的可靠性。所述旁路开关K1为接触器等机械开关或电力半导体等电子开关。所述功率单元正常运行时，所述旁路开关K1处于断开状态；所述功率单元故障时，所述旁路开关K1自动闭合，将所述功率单元旁路，变频器系统通过中心点偏移等算法，在输出电压能力允许的范围内可以驱动电机继续运行。

根据附图5 ，本实用新型中II型功率单元实施例1的结构示意图。

所述II型功率单元包含第十一二极管D11~第十七二极管D17，第二直流储能电容C2，制动电阻R1，第五全控型电力电子开关S5~第九全控型电力电子开关S9，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12分别串联连接后再并联连接，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12串联连接的点作为所述II型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第十一二极管D11和第十四二极管D14，第十三二极管D13和第十六二极管D16，第十五二极管D15和第十二二极管D12串联连接后并联连接的两端分别作为所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相全桥不控整流结构，所述第二直流储能电容C2连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第五全控型电力电子开关S5和第六全控型电力电子开关S6，第七全控型电力电子开关S7和第八全控型电力电子开关S8分别串联连接，串联连接的点分别作为所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第五全控型电力电子开关S5和第六全控型电力电子开关S6，第七全控型电力电子开关S7和第八全控型电力电子开关S8串联连接后的两端分别连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构，所述制动电阻R1与第十七二极管D17并联连接后与所述第九全控型电力电子开关S9串联连接，串联连接后的其中一端连接至直流母线DC+，另一端连接至直流母线DC-，形成直流斩波制动结构。

当所述II型功率单元吸收制动功率时，所述制动功率通过所述制动电阻R1消耗掉，实现抑制母线电压泵升的功能。

根据附图6 ，本实用新型中II型功率单元实施例2的结构示意图。

所述的II型功率单元在附图5所示II型功率单元实施例1的结构基础上，还设有旁路开关K1，所述旁路开关K1的两端分别与所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2连接，形成带有自动旁路功能的II型功率单元，以提高系统的可靠性。所述旁路开关K1为接触器等机械开关或电力半导体等电子开关。所述功率单元正常运行时，所述旁路开关K1处于断开状态；所述功率单元故障时，所述旁路开关K1自动闭合，将所述功率单元旁路，变频器系统通过中心点偏移等算法，在输出电压能力允许的范围内可以驱动电机继续运行。

同时，需要保证分为3组的功率单元每组中至少有一个未旁路的II型功率单元，以确保电机作为发电机运行时，该组的制动功率得以有效吸收，系统可以正常工作。

根据附图7 ，本实用新型中II型功率单元的实施例3的结构示意图。

所述II型功率单元包含输入滤波器组件Filter、第十一全控型电力电子开关S11~第十六全控型电力电子开关S16，第三直流储能电容C3，第三十一全控型电力电子开关S31~第三十四全控型电力电子开关S34，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12分别串联连接后再并联连接，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12串联连接的点连接至输入滤波器组件Filter的输出端，所述输入滤波器组件Filter的输入端作为所述II型功率单元的交流输入端子R、S、T，所述第十一全控型电力电子开关S11和第十四全控型电力电子开关S14，第十三全控型电力电子开关S13和第十六全控型电力电子开关S16，第十五全控型电力电子开关S15和第十二全控型电力电子开关S12串联连接后并联连接的两端分别作为所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成三相有源整流结构，所述第三直流储能电容C3连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，所述第三十一全控型电力电子开关S31和第三十二全控型电力电子开关S32，第三十三全控型电力电子开关S33和第三十四全控型电力电子开关S34分别串联连接，串联连接的点分别作为所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2，所述第三十一全控型电力电子开关S31和第三十二全控型电力电子开关S32，第三十三全控型电力电子开关S33和第三十四全控型电力电子开关S34串联连接后的两端分别连接至所述II型功率单元的直流母线DC+、DC-，形成单相H桥逆变结构。

当所述II型功率单元吸收制动功率时，所述制动功率通过所述有源整流回馈至电网，实现抑制母线电压泵升的功能。所述输入滤波器组件Filter一般为L、LC或LCL结构的低通滤波器，在所述输入多绕组变压器的二次绕组漏抗足够大时(如大于4%)，可以利用变压器的漏抗代替此滤波器组件，从而简化系统结构。

根据附图8 ，本实用新型中II型功率单元的实施例4的结构示意图。

所述的II型功率单元在附图7所示的II型功率单元实施例3的结构基础上，还设有旁路开关K1，所述旁路开关K1的两端分别与所述II型功率单元的第一交流输出端子T1和第二交流输出端子T2连接，形成带有自动旁路功能的II型功率单元，以提高系统的可靠性。所述旁路开关K1为接触器等机械开关或电力半导体等电子开关。所述功率单元正常运行时，所述旁路开关K1处于断开状态；所述功率单元故障时，所述旁路开关K1自动闭合，将所述功率单元旁路，变频器系统通过中心点偏移等算法，在输出电压能力允许的范围内可以驱动电机继续运行。

同时，需要保证分为3组的功率单元每组中至少有一个未旁路的II型功率单元，以确保电机作为发电机运行时，该组的制动功率得以有效吸收，系统可以正常工作。

上述关于I型功率单元和II型功率单元的具体实施例仅是本实用新型的较佳实施例，用于对本实用新型作详细解释，而并非是对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员显然可以根据本实用新型公开的内容对具体实施方式作各种等同修改、变化和替换，这些等同修改、变化和替换都应该属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围以本案权利要求书的描述为准。