基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，由三相电源、三相LC滤波器、直流一体化电抗双PWM电流源型变频器、三相滤波电容、RL无源滤波器、电缆、负载电机组成，本实用新型采用的直流一体化电抗器由一个铁心和四个线圈构成，内部差模、共模电感可以抑制差模和共模电压。同时两侧电容可滤除电流谐波，电容中性点的连接形成共模电流回路，抑制电机端共模电压，与对称门极换流晶闸管构成的变频器可实现对称结构，使系统四象限运行。在逆变器侧安装RL无源滤波器可抑制电机端过电压，同时在复杂工业环境下可以简化系统，提高稳定性。
【专利说明】基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种变频调速控制系统，特别涉及基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，适用于井下电机地面集中变频和长距离驱动等多种控制领域。
【背景技术】
[0002]随着变频调速系统在工业生产中的应用越来越广泛，变频调速系统的效率性和功率实现也在受到不断的考验。较之于直流调速系统，交流调速系统可以实现大容量，小体积和软启动实现等良好性能。同时，随着电力电子器件向着全控化，集成化，高频化发展，大功率高频化变频器的实现和应用开始逐渐成为主流。尤其是煤矿等重要工业场合需要一些大功率变频器控制井下皮带机进行高效的稳定运行。
[0003]高压变频器根据高压组成方式可以分为直接高压型和高-低-高型，又根据中间直流环节的不同，可分为电压源型和电流源型。高压变频器可以通过不同的拓扑结构来实现，一般电压源型高压变频器可以通过降压和升压变压器来实现高低高输出，但此种拓扑系统效率低，对电机造成的冲击较大。同时还可以通过功率单元串联来实现，但系统体积大，成本高，实现较为困难。而电流源型高压变频器有多脉冲SCR-CSI变频和双PWM变频等实现方案，多脉冲系统较为复杂，成本较高。而双PWM变频存在共模电压和较低电流动态性倉泛。
[0004]大功率电压源型和电流源型逆变器在不同场合所提供的作用也有所差异，美国罗宾康公司的无谐波电压源型逆变器采用单元串联多电平的方式，选用先进的IGBT开关器件，实现无谐波。罗克韦尔公司生产的交直交电流源型逆变器，采用功率器件GTO串联的两电平，新一代的Power FleX7000系列，采用新型对称门极换流晶闸管(SGCT)代替原先的GTO,4KV系统每个桥臂选用两个耐压6500V的对称门极换流晶闸管串联，而单桥臂三个对称门极换流晶闸管串联可给6KV系统供电。相对于电压源型逆变器较好的动态性能和多电平输出，电流源型逆变器可实现四象限运行及高可靠性。
[0005]对于一些特殊的应用场合，如煤矿井下工作，井下变频器必须具有隔爆及本质安全的性能，但是随着井下变频器安装复杂，维护工作困难等问题的出现，系统正常工作及稳定运行受到威胁。所以井下皮带机地面集中变频的系统应运而生，此时电机需要电缆来进行地面变频器供电，而长距离供电变频器驱动电机时会产生共模电压，形成共模漏电流和轴电流，形成电磁干扰。同时由于电缆分布参数的影响，电机端因电压反射会形成过电压，破坏电机绝缘。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是为了使变频器控制电机实现四象限运行，提高能量利用率。同时抑制远距离电缆输电过程中共模电压和过电压的产生，减少对电机的危害。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案得以实现:
[0008]本实用新型包括三相电源、三相LC滤波器、直流一体化电抗双PWM电流源型变频器、三相滤波电容、RL无源滤波器、电缆、负载电机，所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器采用单桥臂三个对称门极换流晶闸管串联，中间直流环节采用一个铁心和四个线圈构成一体化直流电抗器，形成等效共模和差模电感；将三相LC滤波器与三相滤波电容中性点相连，形成共模电流流通回路；所述RL无源滤波器采用每相电阻和电感并联后分别串入三相滤波电容的三端；所述三相LC滤波器的三端分别通过两组对称门极换流晶闸管与共模电感的第一端连接，所述共模电感的第二端与所述差模电感的第一端连接，所述差模电感的第二端通过两组对称门极换流晶闸管同时与所述三相滤波电容的三端和所述RL无源滤波器的输入端连接，所述RL无源滤波器通过所述电缆与所述负载电机连接。
[0009]进一步，所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器中的铁心横截面相同，气隙长度相等，且四个线圈匝数可调；所述三相LC滤波器和所述三相滤波电容中性点通过导线相连。
[0010]本实用新型的基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，采用对称门极换流晶闸管(SGCT)作为变频器主控器件，每个桥臂用三个对称门极换流晶闸管串联，可使系统工作在6600V系统中。在传统电流源型逆变器的直流环节中加入共模电感，采用无变压器一体化直流电抗器新型电流源型变频器控制系统远距离输电。直流电抗器由一个铁心和四个线圈组成，包括差模和共模电感两部分，可减小系统共模和差模电压。将整流侧和逆变侧滤波电容中性点相连，可抑制系统共模电压，提高电流质量，同时变频对称结构可完美实现系统四象限运行，提高能量利用率。在远距离输电过程中，由于长电缆存在分布电容和分布电感，所以变频器输出电压在电缆中传输至负载电机端的过程中存在行波，如果电缆的波阻抗和电机等效阻抗不匹配，反射波和入射波叠加会在电机端产生过电压。分析基本传输线理论和电压传输过程，针对PWM脉冲上升时间和电缆长度对过电压幅值的影响，在高频状态下结合电缆和电机模型，基于阻抗匹配原则在电抗器基础上并联电阻形成逆变器端输出无源滤波器，抑制电机端过电压。
[0011]本实用新型的有益效果在于:采用大功率电流源型变频器远距离输电系统，对称门极换流晶闸管器件的串联可以提高系统额定电压，保证安全运行。同时直流电抗器的设计可抑制共模和差模电压，替代隔离变压器简化系统结构，使整流侧和逆变侧对称可保证电流源型变频器四象限运行，并且连接两侧电容中性点可以在抑制共模电压的同时滤除谐波，提高电流质量。在逆变器侧增加RL无源滤波器可抑制长电缆分布参数引起的电机端过电压，特别针对井下隔爆要求及复杂环境下，逆变器侧安装滤波器可减少成本，增加系统稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统结构示意图。图中:1、三相LC滤波器，2、共模电感，3、差模电感，4、对称门极换流晶闸管，5、三相滤波电容，
6、远距离电缆，7、RL无源滤波器，8、负载电机。
[0013]图2为带高频支路的电缆分布参数模型。图中:Lt和Rt为单位长度电缆谐振频率下串联电阻与串联电感；Rpl和Cpl为低频下电缆分布电阻与分布电容；Rp2和Cp2为高频下电缆分布电阻与分布电容。
[0014]图3为改进单相电动机高频等效模型。图中:Rg表示电动机外壳损耗；Cg为高频下电动机绕组与地间分布电容；Re表示磁芯涡流损耗；Ld为高频下绕组间漏电感；Rt、Lt、Ct表示电路中发生的第二次谐振。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0016]本实用新型包括三相电源、三相LC滤波器、直流一体化电抗双PWM电流源型变频器、三相滤波电容、RL无源滤波器、电缆、负载电机，所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器采用单桥臂三个对称门极换流晶闸管串联，中间直流环节采用一个铁心和四个线圈构成一体化直流电抗器，形成等效共模和差模电感；将三相LC滤波器与三相滤波电容中性点相连，形成共模电流流通回路；所述RL无源滤波器采用每相电阻和电感并联后分别串入三相滤波电容的三端；所述三相LC滤波器的三端分别通过两组对称门极换流晶闸管与共模电感的第一端连接，所述共模电感的第二端与所述差模电感的第一端连接，所述差模电感的第二端通过两组对称门极换流晶闸管同时与所述三相滤波电容的三端和所述RL无源滤波器的输入端连接，所述RL无源滤波器通过所述电缆与所述负载电机连接。所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器中的铁心横截面相同，气隙长度相等，且四个线圈匝数可调；所述三相LC滤波器和所述三相滤波电容中性点通过导线相连。
[0017]实施例1:本实施例的基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，变频器结构采用直流一体化电抗器双PWM电流源型变频方案，如图1所示。变频器采用具有反向阻断能力的集成门极换向晶闸管，单桥臂采用三个对称门极换流晶闸管串联，每个对称门极换流晶闸管耐压值为6000V，可使系统工作在6600V系统状态下。整流器的输入侧有滤波电感和电容，其中滤波电容I的作用除了滤除进线电流谐波外，还可以帮助整流环节功率器件进行换相。三相滤波电容在滤除电流电压谐波的同时为负载电感中能量提供回路，避免电压尖峰的出现。共模电感2和差模电感3组成直流部分一体化电抗器，由一个铁心和四个线圈构成，可替代隔离变压器，提高系统效率。其中共模电感可阻断变频器共模电压，差模电感可抑制直流侧谐波电流，使其满足纹波系数的要求。相关参数值的具体选择需要考虑电流质量和系统性能要求。同时在系统结构中可以看出整流侧电容和逆变侧电容中性点是直接相连的，通过这样的一个变频器结构形式可以使共模电流在整流器，逆变器和中性线之间流动，不会对电网形成干扰。而且这样的流动方式隔离了对电机端的影响，所以可以抑制电流源型变频器电机端共模电压的产生。
[0018]实施例2:本实施例的基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，特别对于井下等特殊场合，皮带机需要进行一些隔爆措施，所以在变频器的安装上会增加复杂程度，最好的解决方式就是地面集中变频，变频器经过远距离电缆驱动电动机。而在长电缆输电过程中，变频器输出电流存在谐波，会在电缆中反射和叠加，有可能损坏电机和电缆。所以需要研究电缆的分布参数，建立长线电缆传输线模型。在逆变器输出电压波经电缆传输到电机端过程中，若电缆波阻抗和电机输入阻抗不匹配，则会发生电压反射和叠加，在电机端产生过电压。过电压表达式为:um(t)=U{l+Pm[l-(P i β m)η]/(l-β i βηι)},式中,U为脉冲波的幅值，βπι脉冲波在电机端的发射系数，β i为脉冲波在逆变器端的反射系数，um(t)为电机端电压。根据行波传输和电压发射的理论，通过一些基本的数据分析可得，变频器输出PWM脉冲上升时间越短，电缆越长，过电压越明显。想要有效抑制过电压，就需要建立比较准确的电缆模型。电压脉冲经反射叠加在电机端形成高频下的衰减电压波，考虑电缆线间漏损耗，可建立简单的高频下RLCG电缆分布参数模型，但电缆在高频传输下存在集肤效应，需要串联RL梯形高频支路来体现其变化规律。但是这样的带梯形支路的模型较为复杂，会影响系统运行效率。所以在兼顾这两个方面的前提下，提出图2所示带高频支路的电缆分布参数模型，这样的电缆模型不仅减少了模型中电感和电容的数量，提高仿真效率，同时避免了在某一频率下分布参数模型的不准确性。
[0019]实施例3:本实施例的基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，经远距离电缆传输到电机端的PWM脉冲中含有大量的高频成分，使电机绕组间产生的大量磁通为漏磁通，转子上产生的高频涡流使磁通不能穿过气隙，所以稳态电机模型不适用于高频脉冲作用下出现电机过电压的长电缆系统，进一步分析系统运行情况需要建立高频下电机等效模型。高频下电动机定子绕组间相互耦合，集肤效应增加了线圈导体的损耗，基于以上因素，电动机等效模型应包括绕组电阻、绕组自感、匝间电感、匝间电容及匝对地电容。可以通过有限元分析等软件计算相关参数。此时电机模型可以通过RL及RC并联构成，但是为了能更好的体现高频下铁芯内涡流损耗、集肤效应及线间的漏电感、分布电容，将单相电机高频模型改进为图3所示。同时，因为电动机等效输入阻抗与电缆阻抗不匹配是引起变频器长距离输电在电动机端产生电压反射现象的根本原因。所以需要串联电抗使串联后电缆阻抗和电机输入阻抗近似匹配来抑制过电压。针对长距离输电地面集中变频等复杂情况，采用变频器输出加RL并联无源滤波器的方式，RL无源滤波器结合了阻抗匹配和电感对脉冲上升时间的延时作用，使滤波器中电阻值与实际用电缆的特性阻抗相等来降低电压反射系数，从而减小反射波幅值，而滤波器中电感延长了脉冲上升时间，减小了脉冲上升和下降时的电压冲击，从而达到了抑制电机端过电压的目的。
【权利要求】
1.一种基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，包括三相电源、三相LC滤波器、直流一体化电抗双PWM电流源型变频器、三相滤波电容、RL无源滤波器、电缆、负载电机，其特征在于:所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器采用单桥臂三个对称门极换流晶闸管串联，中间直流环节采用一个铁心和四个线圈构成一体化直流电抗器，形成等效共模和差模电感；将三相LC滤波器与三相滤波电容中性点相连，形成共模电流流通回路；所述RL无源滤波器采用每相电阻和电感并联后分别串入三相滤波电容的三端；所述三相LC滤波器的三端分别通过两组对称门极换流晶闸管与共模电感的第一端连接，所述共模电感的第二端与所述差模电感的第一端连接，所述差模电感的第二端通过两组对称门极换流晶闸管同时与所述三相滤波电容的三端和所述RL无源滤波器的输入端连接，所述RL无源滤波器通过所述电缆与所述负载电机连接。
2.根据权利要求1所述的基于大功率电流源型变频器的远距离输电系统，其特征在于:所述直流一体化电抗双PWM电流源型变频器中的铁心横截面相同，气隙长度相等，且四个线圈匝数可调；所述三相LC滤波器和所述三相滤波电容中性点通过导线相连。
【文档编号】H02P27/08GK203800857SQ201320660958
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】白宏峰, 周勤奋, 王克智, 耿乙文, 王韬, 杨刚, 赵文翰, 荀洪菲, 徐霁宇, 郭波, 刘鹏 申请人:中国矿业大学, 山西潞安环保能源开发股份有限公司