一种变频电机一体化装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种变频电机一体化装置，包括逆变主电路和电机，电机包括复数组独立的三相绕组，不同组的三相绕组之间相互电气隔离；逆变主电路包括与电机三相绕组数量相同的三相逆变电路，每个三相逆变电路的输出端接一组三相绕组；三相逆变电路的直流输入端串联，共同承担逆变主电路总的直流母线电压。本发明变频电机一体化装置的三相逆变电路功率半导体器件数量少，可以使用低耐压的功率半导体器件，且器件不需要串联，就可满足应用要求，彻底解决了器件串联所固有的均压问题；同时，三相逆变电路的输出电压较低，dv/dt比较小，可以省略输出滤波器，节约了成本，减小了设备体积。
【专利说明】一种变频电机一体化装置
[【技术领域】]
[0001 ] 本发明涉及变频电机，尤其涉及一种变频电机一体化装置。
[【背景技术】]
[0002]近年来，为了进一步提高交流电机变频调速系统的整体性能，变频电机一体化装置越来越多地得到应用。
[0003]变频电机一体化装置是指“将变频器与电动机整体兼容设计、整体集成在同一个壳体内的机电一体化装置”或“将变频器与电动机整体兼容设计、二者具有兼容的接口和适合现场安装的外壳且可毗邻安装的成套装置”。
[0004]与传统的变频调速系统设计理念不同，变频电机一体化装置是将变频器和电机二者作为一个整体来考虑，变频器与电机集成在同一个机壳内，或变频器与电机有相近的防护结构，在现场安装。变频电机一体化装置具有变频器与电机集成在同一个结构体内和变频器与电机结构独立、接口兼容且毗邻安装这二种结构形式。
[0005]随著电力电子技术、计算机和控制技术的飞速发展，以IGBT、IGCT等功率半导体器件为核心的变频调速技术已成为交流电机变频调速控制的主要技术手段。在交流额定输入电压IKV以上的变频电机一体化装置中，由于工作电压高，所以对功率半导体器件的耐压也提出了较高要求。但受到功率半导体器件制造技术水平的制约，目前业界还不能大批量生产出性价比非常好的耐压超过6.5KV的功率半导体器件。因此，在交流额定输入电压IKV以上的变频电机一体化装置中，目前的逆变主电路方案都是器件直接串联逆变器方案或三电平逆变器方案。
[0006]器件直接串联逆变器方案如图1所示(2个器件串联的示例)。该方案中，每个逆变桥臂采用多个耐压较低的IGBT直接串联，以满足高压应用的要求。
[0007]三电平逆变器方案如图2所示。该方案中，每个逆变桥臂采用两个IGBT串联，二个串联的IGBT之间再通过钳位二极管接入直流回路滤波电容的中点，这样，可以用耐压较低的IGBT来满足高压应用要求。
[0008]目前，也有研究五电平结构的，还有用多个直接串联的IGBT来替代三电平逆变器中一个IGBT的，这些都是用多个IGBT串联来进一步提高功率器件耐压、满足更高电压应用要求的技术措施，属于器件直接串联逆变器方案和三电平逆变器方案的技术延伸。
[0009]器件直接串联逆变器方案的最大问题是器件的均压问题。因为高电压是靠多个串联器件共同承担的，串联器件之间需要均压，如果电压不均衡，则承受电压高的器件容易造成过压击穿。但是，串联器件开关过程中的动态均压是个非常大的技术难题，目前还没有有效的技术手段，所以，器件直接串联逆变器方案的运行可靠性非常低。
[0010]另外，器件直接串联逆变器方案的输出电压dv/dt非常高，对电机绕组的绝缘有危害，需要配置价格昂贵、体积庞大的输出滤波器。
[0011]虽然三电平逆变器方案在输出电压dv/dt方面比器件直接串联逆变器方案有较大改善，但其dv/dt仍然很高，仍需要配置输出滤波器，只不过滤波器的电感量可以小一些。
[0012]三电平逆变器方案的另一个缺点是使用功率半导体器件较多。其每个逆变桥臂需要3个功率半导体器件(2个IGBT和I个二极管)，一个三电平逆变器共需要18个功率半导体器件，成本较高。
[0013]对于更高电压等级的应用，例如6KV及以上的变频调速系统，三电平逆变器同样需要采用器件直接串联技术才能满足如此高电压的应用要求，这时，器件直接串联技术所固有的均压问题和dv/dt问题将会使三电平逆变器的运行可靠性大大下降。
[
【发明内容】
]
[0014]本发明要解决的技术问题是提供一种逆变电路可靠性高、不需要配置输出滤波器的变频电机一体化装置。
[0015]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种变频电机一体化装置，包括逆变主电路和电机，电机包括复数组独立的三相绕组,不同组的三相绕组之间相互电气隔离；逆变主电路包括与电机三相绕组数量相同的三相逆变电路，每个三相逆变电路的输出端接一组三相绕组；各三相逆变电路的直流输入端串联，共同承担逆变主电路总的直流母线电压。
[0016]以上所述的变频电机一体化装置，每个三相逆变电路包括一个直流支撑电容和6个半导体开关器件，6个半导体开关器件构成三相逆变桥，输出频率可变、幅值可变的三相电压；直流支撑电容接在三相逆变电路的输入端。
[0017]与三电平逆变器的方案相比，本发明节省了高压钳位二极管，所以，本发明使用的功率半导体器件数量少，成本低。因总的直流母线电压是由多个三相逆变器平均分担的，所以，每个三相逆变器的直流母线电压只有总的直流母线电压的I/η。这样，三相逆变器就可以使用低耐压的功率半导体器件，且器件不需要串联，就可满足应用要求，彻底解决了器件直接串联方案所固有的器件均压问题。本发明三相逆变器的输出电压dv/dt较小，亦不再需要输出滤波器，节约了成本，减小了设备体积。本发明的电机部分具有多个独立的三相绕组，这些三相绕组可以设计成同相位的，也可以相差一定的电角度。逆变器与电机整体兼容设计，根据电机绕组是按同相位设计还是按相差一定电角度设计的实际情况，逆变主电路的控制器可控制各三相逆变器按同相位输出或按相差一定电角度输出，集中控制电动机变频运行。这样，该多绕组电机的许多优点都能得到发挥，例如磁场空间谐波小、低频转矩脉动小、输出转矩大、电机效率高。
[【专利附图】
【附图说明】]
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0019]图1是现有技术器件直接串联逆变电路原理图。
[0020]图2是现有技术三电平逆变电路原理图。
[0021]图3是本发明采用η个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[0022]图4是本发明实施例1采用2个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[0023]图5是本发明实施例2采用3个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[0024]图6是本发明实施例3采用4个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[0025]图7是本发明实施例4采用5个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[0026]图8是本发明实施例5采用6个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置原理图。
[【具体实施方式】]
[0027]发明采用n个三相逆变电路串联的变频电机一体化装置的原理如图3所示，(图中省略了变频电路的整流部分，只描述逆变部分)。变频电机一体化装置的工作电路包括逆变主电路和电机绕组二部分。逆变主电路由η个(n≥2)电压较低的三相逆变器组成，这些三相逆变器的直流输入端串联，共同承担总的直流母线电压Udc。电机部分具有多个独立的三相绕组，这些三相绕组可以是同相位的，也可以相差一定的电角度。逆变器与电机整体兼容设计，三相逆变器的个数与电机三相绕组的个数完全相同。每个三相逆变器的输出端连接一个三相绕组，为该三相绕组提供变频电源。根据电机绕组是按同相位设计还是按相差一定电角度设计的实际情况，可控制各三相逆变器按同相位输出或按相差一定电角度输出，控制电动机变频运行。
[0028]每个三相逆变器由一个直流支撑电容和6个功率半导体器件(如IGBT、IGCT等)组成，直流支撑电容接在三相逆变电路的输入端；6个功率半导体器件构成三相逆变桥，输出频率可变、幅值可变的三相电压。与三电平逆变器的方案相比，本发明节省了高压钳位二极管，所以，本发明使用的功率半导体器件数量少，成本低。
[0029]因总的直流母线电压Udc是由多个三相逆变器平均分担的，所以，每个三相逆变器的直流母线电压只有总的直流母线电压Udc的I/η。这样，三相逆变器就可以使用低耐压的功率半导体器件，且器件不需要串联，就可满足应用要求，彻底解决了器件直接串联方案所固有的器件均压问题。
[0030]同理，因三相逆变器的直流母线电压只有总的直流母线电压Udc的1/n，所以逆变器输出电压的dv/dt也比较小，当电机与逆变器采用绝缘兼容设计时，完全可以省略输出滤波器。
[0031]如图4所示，本发明实施例1的逆变主电路采用2个三相逆变器串联，适用于电网额定电压4.16KV及以下的应用场合:
[0032]
【权利要求】
1.一种变频电机一体化装置，包括逆变主电路和电机，其特征在于，电机包括复数组独立的三相绕组，不同组的三相绕组之间相互电气隔离；逆变主电路包括与电机三相绕组数量相同的三相逆变电路，每个三相逆变电路的输出端接一组三相绕组；各三相逆变电路的直流输入端串联，共同承担逆变主电路总的直流母线电压。
2.根据权利要求1所述的变频电机一体化装置，其特征在于，每个三相逆变电路包括一个直流支撑电容和6个半导体开关器件，6个半导体开关器件构成三相逆变桥，输出频率可变、幅值可变的三相电压；直流支撑电容接在三相逆变电路的输入端。
【文档编号】H02P27/06GK103633863SQ201310574948
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】李瑞常, 罗自永 申请人:深圳市库马克新技术股份有限公司