专利名称：基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器的制作方法
技术领域：
本发明技术属于电力驱动领域，具体涉及一种基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器。
背景技术：
我国火电厂众多，用于驱动风机、水泵的厂用大容量中高压异步电动机数量巨大，并且多采用挡板和阀门调节流量，能源浪费严重。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异步电动机也存在着同样的问题。随着大功率电力电子技术的发展，高压变频器被日益广泛地应用于上述需要调速的领域，并且起到了显著的节能效果。
目前，国内研究比较成功的变频器多采用串联多重化结构，该结构的主要思路之一是通过耐压有限的开关器件获得6kV高压大功率输出，由此也带来了器件数量的激增及系统控制的复杂性。基于当今快速全控器件(例如IGCT及IGBT)的耐压等级及容量水平，中性点箝位型三电平变频器较容易实现6kV高压输出，并同时具有结构简单、控制易实现等特点，可以期望在未来的6kV调速领域得到更为广泛的应用。
然而，三电平高压变频器目前仍存在一些问题。(1)由于三电平的开关模式所带来的其固有共模电压及相应产生的共模电流问题；(2)变频器直流滤波大电容中性点的联接方式对直流纹波电压所带来的纹波电流的影响；(3)变频器启动过程中直流滤波大电容的充电方式；(4)高压大功率开关器件的保护方式。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器，该变频器解决了变频器直流滤波大电容中性点的联接方式对直流纹波电压所带来的纹波电流的影响，具有安全、稳定的特点。
本发明提供的基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器，包括串联的整流器、直流环节和逆变器；其特征在于整流器由隔离变压器和整流器环节构成，其中，隔离变压器包括原边三相绕组ABC和副边绕组，所述整流器环节包括四组错相位的6脉波整流桥，四组6脉波整流桥的输出端串联构成24脉波整流桥，六脉波整流桥的输入端分别与隔离变压器副边四组绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4的输出端联接；直流环节由充电回路和限流环节串联构成，将整流器输出的含纹波比较多的直流电进行滤波，得到比较平滑的直流电，并抑制器件电流上升率及起对器件关断电压箝位的作用；逆变器由快速全控器件串联使用构成的中性点箝位型三电平电压源逆变桥和输出LC滤波电路串联构成；逆变桥将输入的直流电压逆变成交流电压，经输出LC滤波电路滤波后得到含谐波比较少的为正弦波形的交流电，输出LC滤波电路由电感La、Lb、Lc和电容Ca、Cb、Cc构成，每个电感La、Lb、Lc分别串联一个电容Ca、Cb或Cc后再并联，电感La与电容Ca、电感Lb与电容Cb、电感Lc与电容Cc，它们的联接点作为滤波器的输出端，电容Ca、Cb、Cc的另一个端点联接在一起成为中性点N，中性点N接大地。
上述中性点箝位型三电平电压源逆变桥中，功率器件GA1～GA8串联成一条支路，功率器件GB1～GB8串联成一条支路，功率器件GC1～GC8串联成一条支路，快恢复二极管Da1～Da4串联成一条支路，快恢复二极管Db1～Db4串联成一条支路，快恢复二极管Dc1～Dc4串联成一条支路；由快恢复二极管Da1～Da4串联构成的支路并接在功率器件GA2和功率器件GA3的结点与功率器件GA6和GA7的结点之间，由快恢复二极管Db1～Db4串联构成的支路并接在功率器件GB2和GB3的结点与GB6和GB7的结点之间，由快恢复二极管Dc1～Dc4串联构成的支路并接在功率器件GC2和GC3的结点与GC6和GC7的结点之间，用来实现零电平，构成中性点箝位型三电平结构，快熔F1～F6用来保护功率器件，避免电流过大导致功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8损坏，快熔F1和F2分别串接在由功率器件GA1～GA8串联构成的支路两端，快熔F3和F4分别串接在由GB1～GB8串联构成的支路两端，F5和F6分别串接在由功率器件GC1～GC8串联构成的支路两端，由快熔、功率器件、快恢复二极管构成的三条支路并接在一起；三条支路中，以每两个器件为单位，在其两端并联了一组均压回路；动态均压电阻Rs5和动态均压电容Cs5串联后与静态均压电阻Rp5并联构成回路，然后与由动态均压电阻Rs6和动态均压电容Cs6串联后与静态均压电阻Rp6并联后构成的回路串联，构成均压回路；并且均压回路的中点与之前每单位中两个器件的中点联接在一起，Rs、Cs串联构成动态均压回路，用来在功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8开通关断暂态过程中均衡串联器件之间的电压不平衡，静态均压电阻Rp用来均衡关断后串联器件间的电压不平衡。
本发明变频器提供了一种解决共模电流的方法、通过快熔保护大功率开关器件的方法、解决了变频器直流滤波大电容中性点的联接方式对直流纹波电压所带来的纹波电流的影响、提供一种变频器启动过程中直流滤波大电容的充电方式，以上这些措施对于变频器安全稳定地工作将起到很大的作用。具体而言，本发明具有以下特点(1)逆变桥每相桥臂正母线与第一组器件之间及负母线与第四组器件之间分别串联快熔，用来保护稳定工作时的功率器件，避免主回路电流过大损坏器件。
(2)为了有效地抑制变频器输出共模电压对电机的影响，三相输出滤波器电容中性点接大地。虽然此时三电平逆变器的共模电压源并没有发生变化，但是由于三相输出滤波电容器的容抗相对于共模电压回路的其他阻抗值很小，使得电动机的输入共模电压很小，有效地保护了负载电动机。试验证明了该方案的有效性。
(3)为了有效地减少由于24脉波整流纹波电压所引起的直流滤波大电容纹波电流，本发明结构中两组串接直流滤波大电容组的中性点与24脉波不控整流回路的中点断开。相对于两中点相联接的情况，此时加在两组串接直流滤波大电容组的端电压纹波较小。
(4)为了限制变频器启动时对直流滤波大电容和箝位电容及后续电路的影响，本发明在24脉波整流桥阴、阳极与直流滤波大电容正、负极之间的两组充电电阻及与之并联的两组充电开关。当滤波电容器充电时，充电开关处于分离状态，系统6kV电源通过整流变压器及充电电阻向直流滤波大电容和箝位电容及后续电路充电，由于充电电阻的存在，有效地避免了过大的充电电流带来的不利影响。充电结束后或到一定程度，充电开关闭合，充电电阻被短接，此时整流桥所提供的电流经由充电开关输入三电平逆变桥。
图1为本发明的高压变频器整体电路图；图2为交流输入隔离变压器及四组六脉波不控整流桥依次串联形成三电平的24脉波整流桥电路原理图；图3为高压变频器直流环节电路图；图4为功率器件串联使用的中性点箝位型三电平电压源式逆变部分电路图；图5为并联在串联功率器件两端的动态均压回路和静态均压回路的电路原理图。
具体实施例方式
如图1所示，二极管箝位型三电平6kV高压变频器包括串联的整流器1、直流环节2和逆变器3。输入交流电经整流器1整流后得到直流电，经过直流环节2后，又经逆变器3逆变成交流电，滤波后给负载电机M供电。
如图2所示，整流器1由隔离变压器4和整流器环节构成。其中，隔离变压器4包括原边三相绕组ABC和副边绕组，原边三相绕组ABC接在电网上。隔离变压器4原边三相绕组ABC，可以为三角形接法也可以是星形接法；副边绕组为输入电压相等但相互隔离且角度相差15°的四组三相绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4，该隔离变压器4副边每组绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3及a4b4c4的输出电压相对于参考电压的相位依次为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°。副边绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4可以是延边三角形或者曲折星形接法，用来实现副边每组绕组输出电压相对于参考电压的相位依次为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°。
整流器环节包括四组错相位的6脉波整流桥5、6、7及8第一组6脉波整流桥5由Da11、Db11、Dc11和Da12、Db12、Dc12构成，第二组6脉波整流桥6由Da21、Db21、Dc21和Da22、Db22、Dc22构成，第三组6脉波整流桥7由Da31、Db31、Dc31和Da32、Db32、Dc32构成，第四组6脉波整流桥8由Da41、Db41、Dc41和Da42、Db12、Dc42构成。四组6脉波整流桥5、6、7及8的输出端串联构成24脉波整流桥，输出电压为9kV～10kV。
六脉波整流桥5、6、7和8的输入端分别与隔离变压器4副边四组绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4的输出端联接。
整流器1主要完成把交流电整流成直流电。隔离变压器4原边绕组ABC输入交流线电压为6kV，副边每组绕组输出电压相对于参考电压的相位依次为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°，可保证变压器原边的功率因数达到0.95，输入电流总的谐波畸变率(THD)小于5％，整流后直流电压达到9kV~10kV，从而保证三电平逆变器输出线电压有效值能达到6kV。
如图3所示，直流环节2由充电回路9和限流环节10串联构成。充电回路9中充电开关S1、S2和充电电阻R1、R2分别并联。限流环节10中，滤波电容C1和C2串联构成的支路接于限流电抗器Lcl1和限流电阻Rcl1的结点与限流电抗器Lcl2和限流电阻Rcl2的结点之间；限流电抗器Lcl1和Lcl2不带铁心，用来抑制功率器件电流上升率di/dt。限流电抗器Lcl1限流电阻Rcl1和限流二极管D1、D2串联构成回路，限流电抗器Lcl2、限流电阻Rcl2和限流二极管D3、D4串联构成回路，限流二极管D1、D2、限流电阻Rcl1、限流电抗器Lcl1和箝位电容Ccl1以及限流二极管D3、D4、限流电阻Rcl2、限流电抗器Lcl2和箝位电容Ccl2分别构成功率器件器件通断过程中正、负端电压箝位电路；箝位电容Ccl1与Ccl2串联后接于限流二极管D1与限流电阻Rcl1的结点和限流二极管D3与限流电阻Rcl2的结点之间；箝位电容Ccl1与箝位电容Ccl2的结点与滤波电容C1和滤波电容C2的结点联接在一起；限流二极管D1～D4是快恢复二极管，每个二极管两端分别并联了动态均压回路和静态均压电阻Rp1～Rp4，其中限流二极管D1～D4的动态均压回路由动态均压电阻Rs1～Rs4和动态均压电容Cs1～Cs4分别串联构成。
如图3所示，本发明变频器结构中，加了充电电阻R1、R2和充电开关S1、S2，可以限制变频器启动时直流滤波大电容C1、C2和箝位电容Ccl1、Ccl1的充电电流及对后续电路的影响，当滤波电容器C1、C2充电时，充电开关S1、S2处于分离状态，系统6kV电源通过整流变压器1及充电电阻R1、R2向直流滤波大电容C1、C2和箝位电容Ccl1、Ccl1及后续电路3充电，由于充电电阻R1、R2的存在，有效地避免了过大的充电电流带来的不利影响。充电结束后，充电开关S1、S2闭合，充电电阻R1、R2被短接，此时整流器1所提供的电流经由充电开关S1、S2输入至逆变器3。
直流环节2用于将整流器1输出的含纹波比较多的直流电滤波得到比较平滑的直流电；抑制器件电流上升率及起对器件关断电压箝位的作用。
如图4所示，逆变器3由快速全控器件串联使用构成的中性点箝位型三电平电压源逆变桥11和输出LC滤波电路12串联构成。
中性点箝位型三电平电压源逆变桥11中，功率器件GA1～GA8串联成一条支路，功率器件GB1～GB8串联成一条支路，功率器件GC1～GC8串联成一条支路，它们可以选用IGCT。快恢复二极管Da1～Da4串联成一条支路，快恢复二极管Db1～Db4串联成一条支路，快恢复二极管Dc1～Dc4串联成一条支路。由快恢复二极管Da1～Da4串联构成的支路并接在功率器件GA2和功率器件GA3的结点与功率器件GA6和GA7的结点之间，由快恢复二极管Db1～Db4串联构成的支路并接在功率器件GB2和GB3的结点与GB6和GB7的结点之间，由快恢复二极管Dc1～Dc4串联构成的支路并接在功率器件GC2和GC3的结点与GC6和GC7的结点之间，用来实现零电平，构成中性点箝位型三电平结构。快熔F1～F6用来保护功率器件，避免电流过大导致功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8损坏，快熔F1和F2分别串接在由功率器件GA1～GA8串联构成的支路两端，快熔F3和F4分别串接在由GB1～GB8串联构成的支路两端，F5和F6分别串接在由功率器件GC1～GC8串联构成的支路两端。由快熔、功率器件、快恢复二极管构成的三条支路并接在一起。如图4所示，三条支路中，以每两个器件为单位，在其两端并联了一组均压回路；均压回路详细电路如图5所示，动态均压电阻Rs5和动态均压电容Cs5串联后与静态均压动态均压电阻Rp5并联构成回路，然后与由动态均压电阻Rs6和动态均压电容Cs6串联后与静态均压电阻Rp6并联后构成的回路串联，构成均压回路；并且均压回路的中点与之前每单位中两个器件的中点联接在一起。Rs、Cs串联构成动态均压回路，用来在功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8开通关断暂态过程中均衡串联器件之间的电压不平衡，静态均压电阻Rp用来均衡关断后串联器件间的电压不平衡。
如图4所示，输出LC滤波电路12由电感La、Lb、Lc和电容Ca、Cb、Cc构成，每个电感La、Lb、Lc分别串联一个电容Ca、Cb或Cc，电感La与电容Ca、电感Lb与电容Cb、电感Lc与电容Cc，它们的联接点作为滤波器的输出端，电容Ca、Cb、Cc的另一个端点联接在一起成为中性点N。电感La、Lb、Lc和电容Ca、Cb、Cc是用来滤除逆变器3输出电压和电流中的谐波。图4中的逆变桥11将输入逆变桥3的直流电压逆变成交流电压，经输出LC滤波电路12滤波后得到含谐波比较少的为正弦波形的交流电，然后供给负载电机M，电容Ca～Cb中性点N接大地。
本发明变频器结构中，两组串接直流滤波大电容C1、C2组的中性点O与24脉波不控整流回路的中点O’断开，即图2中O’与图3中O两点没有联结在一起，此时可以有效地减少由于24脉波整流纹波电压所引起的直流滤波大电容C1、C2的纹波电流，相对于两中点O与O’相联接的情况，此时加在两组串接直流滤波大电容C1、C2的端电压为24脉波，纹波较小。
本发明变频器结构中，在逆变器3部分，电容Ca～Cb中性点N接地，可以有效地抑制变频器输出共模电压对电机M的影响。虽然此时三电平逆变器3的共模电压源并没有发生变化，但是由于三相输出滤波电容器Ca～Cb的容抗相对于共模电压回路的其他阻抗值很小，使得电动机M的输入共模电压很小，有效地保护了负载电动机M。试验证明了该方案的有效性。
权利要求
1.一种基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器，包括串联的整流器(1)、直流环节(2)和逆变器(3)；其特征在于整流器(1)由隔离变压器(4)和整流器环节构成，其中，隔离变压器(4)包括原边三相绕组ABC和副边绕组，所述整流器环节包括四组错相位的6脉波整流桥(5、6、7和8)，四组6脉波整流桥(5、6、7和8)的输出端串联构成24脉波整流桥，六脉波整流桥(5、6、7和8)的输入端分别与隔离变压器(4)副边四组绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4的输出端联接，副边每组绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3与a4b4c4的输出电压相对于参考电压的相位依次为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°；直流环节(2)由充电回路(9)和限流环节(10)串联构成，将整流器(1)输出的含纹波比较多的直流电进行滤波，得到比较平滑的直流电，并抑制器件电流上升率及起对器件关断电压箝位的作用；逆变器(3)由快速全控器件串联使用构成的中性点箝位型三电平电压源逆变桥(11)和输出LC滤波电路(12)串联构成，逆变桥(11)将输入的直流电压逆变成交流电压，经输出LC滤波电路(12)滤波后得到含谐波比较少的为正弦波形的交流电，输出LC滤波电路(12)由电感La、Lb、Lc和电容Ca、Cb、Cc构成，每个电感La、Lb、Lc分别串联一个电容Ca、Cb或Cc后再并联，电感La与电容Ca、电感Lb与电容Cb、电感Lc与电容Cc，它们的联接点作为滤波器的输出端，电容Ca、Cb、Cc的另一个端点联接在一起成为中性点N，中性点N接大地。
2.根据权利要求1所述的高压变频器，其特征在于所述中性点箝位型三电平电压源逆变桥(11)中，功率器件GA1～GA8串联成一条支路，功率器件GB1～GB8串联成一条支路，功率器件GC1～GC8串联成一条支路，快恢复二极管Da1～Da4串联成一条支路，快恢复二极管Db1～Db4串联成一条支路，快恢复二极管Dc1～Dc4串联成一条支路；由快恢复二极管Da1～Da4串联构成的支路并接在功率器件GA2和功率器件GA3的结点与功率器件GA6和GA7的结点之间，由快恢复二极管Db1～Db4串联构成的支路并接在功率器件GB2和GB3的结点与GB6和GB7的结点之间，由快恢复二极管Dc1～Dc4串联构成的支路并接在功率器件GC2和GC3的结点与GC6和GC7的结点之间，用来实现零电平，构成中性点箝位型三电平结构，快熔F1～F6用来保护功率器件，避免电流过大导致功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8损坏，快熔F1和F2分别串接在由功率器件GA1～GA8串联构成的支路两端，快熔F3和F4分别串接在由GB1～GB8串联构成的支路两端，F5和F6分别串接在由功率器件GC1～GC8串联构成的支路两端，由快熔、功率器件、快恢复二极管构成的三条支路并接在一起；三条支路中，以每两个器件为单位，在其两端并联了一组均压回路；动态均压电阻Rs5和动态均压电容Cs5串联后与静态均压电阻Rp5并联构成回路，然后与由动态均压电阻Rs6和动态均压电容Cs6串联后与静态均压电阻Rp6并联后构成的回路串联，构成均压回路；并且均压回路的中点与之前每单位中两个器件的中点联接在一起，Rs、Cs串联构成动态均压回路，用来在功率器件GA1～GA8、GB1～GB8、GC1～GC8开通关断暂态过程中均衡串联器件之间的电压不平衡，静态均压电阻Rp用来均衡关断后串联器件间的电压不平衡。
3.根据权利要求1或2所述的高压变频器，其特征在于充电回路(9)中充电开关S1、S2和充电电阻R1、R2分别并联，限流环节(10)的滤波电容C1和C2串联构成的支路接于限流电抗器Lc11和限流电阻Rc11的结点与限流电抗器Lc12和限流电阻Rc12的结点之间；限流电抗器Lc11、限流电阻Rc11和限流二极管D1、D2串联构成回路，限流电抗器Lc12、限流电阻Rc12和限流二极管D3、D4串联构成回路，限流二极管D1、D2、限流电阻Rc11、限流电抗器Lc11和箝位电容Cc11以及限流二极管D3、D4、限流电阻Rc12、限流电抗器Lc12和箝位电容Cc12分别构成功率器件器件通断过程中正、负端电压箝位电路；箝位电容Cc11与Cc12串联后接于限流二极管D1与限流电阻Rc11的结点和限流二极管D3与限流电阻Rc12的结点之间；箝位电容Cc11与箝位电容Cc12的结点与滤波电容C1和滤波电容C2的结点联接在一起；限流二极管D1～D4是快恢复二极管，每个二极管两端分别并联了动态均压回路和静态均压电阻Rp1～Rp4，其中限流二极管D1～D4的动态均压回路由动态均压电阻Rs1～Rs4和动态均压电容Cs1～Cs4分别串联构成。
全文摘要
本发明公开了基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器，包括串联的整流器、直流环节和逆变器；整流器由隔离变压器和整流器环节构成；直流环节由充电回路和限流环节串联构成，将整流器输出的含纹波比较多的直流电进行滤波，得到比较平滑的直流电，并抑制器件电流上升率及起对器件关断电压箝位的作用；逆变器由快速全控器件串联使用构成的中性点箝位型三电平电压源逆变桥和输出LC滤波电路串联构成，其中电容C
文档编号H02M7/487GK1996734SQ20061012523
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者毛承雄, 陆继明 申请人:华中科技大学