一种三电平功率单元主电路及级联高压变频调速装置的制作方法

本发明涉及高压变频调速装置技术领域，尤其涉及一种三电平功率单元主电路及级联高压变频调速装置。

背景技术：

随着电力电子技术的快速发展，高压变频调速装置在电力、冶金、石油、化工等领域的得到广泛应用。高压变频调速装置市场上主要产品有二电平电流源型高压变频调速装置、三电平电压源型变频调速装置和功率单元级联多电平高压变频调速装置。

由于单个器件的耐压水平有限，二电平电流源型高压变频调速装置必须采用多个器件串联构成传统的二电平结构；由于电网侧功率因数低，谐波大，并且随着工况的变化而变化，补偿困难；输出侧需要加装滤波器，价格昂贵。这类产品的市场竞争力逐渐变弱。

三电平电压源型变频调速装置由于输出电压不高的问题，主要应用在一些特殊领域，如轧钢机、机车牵引、提升机等。这类调速装置的更大发展有待于更高耐压功率器件的出现。

由功率单元级联技术构成的高压变频调速装置，有着谐波小、单元可互换、可批量生产、维护方便等优点，得到了市场的认可，具有很好的发展前景。

目前广泛使用的单元级联高压变频调速装置，普遍采用二电平h桥功率单元级联方式，功率单元主电路如图1所示(图1只是一种实施例，具体使用时可根据使用需求采用类似的电路)，它由一组进线端1a、一个整流电路2a、一组电容滤波电路3a、一组逆变电路4a和一组出线端5a组成。采用二电平h桥功率单元级联方式，实现门槛比较低，技术比较成熟，为很多变频厂家和科研单位所掌握。但是二电平h桥功率单元级联高压变频调速装置通常功率单元数较多，众所周知，变频调速装置的可靠性随着功率单元数增多而大大降低，同时，较多的功率单元使得变频调速装置的体积较大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种功率单元易于实现、功率单元数较少、结构紧凑，具有单元输出谐波低、中点电压波动小、对电网友好、可靠性高的三电平功率单元主电路及级联高压变频调速装置。

本发明采用如下技术方案：

一种三电平功率单元主电路，包括：

两个进线端电路，每个所述进线端电路分别用于输出三相电流；

两个整流电路，每个所述整流电路分别与一所述进线端电路的三相输出端耦合；

一个逆变电路，所述逆变电路为三电平h桥，所述两个整流电路并联在所述三电平h桥的直流输入侧；

一个出线端电路，所述出线端电路并联在所述三电平h桥的交流输出侧。

优选的，所述进线端电路包括：

一个三相接线端子，所述三相接线端子的所述三相输出端包括a相输出端、b相输出端及c相输出端，所述a相输出端、所述b相输出端及所述c相输出端分别与所述整流电路耦合；

第一熔断器，所述a相输出端与所述整流电路之间设有所述第一熔断器；

第二熔断器，所述c相输出端与所述整流电路之间设有所述第二熔断器。

优选的，所述整流电路为由六个二极管构成的三相桥式整流电路，所述三相桥式整流电路包括由三个所述二极管构成的共阳极不控整流电路和由三个所述二极管构成的共阴极不控整流电路。

优选的，所述b相输出端连接所述共阴极不控整流电路的共阴极。

优选的，所述三电平h桥包括：

两个二极管钳位的三电平桥臂，所述三电平桥臂分别为第一桥臂和第二桥臂：

第一电容器组，所述第一电容器组由两个直流侧储能电容器构成，所述第一电容器组，所述第一电容器组并联于所述第一桥臂，所述第一电容器组的正极与所述第一桥臂的阳极相连；

第二电容器组，所述第二电容器组由两个所述直流侧储能电容器构成，所述第二电容器组并联于所述第二桥臂，所述第二电容器组的正极与所述第二桥臂的阳极相连；

所述第一电容器组和所述第二电容器组的中性点相连；

所述第一桥臂的中点和所述第一电容器组的中性点相连；

所述第二桥臂的中点和所述第二电容器组的中性点相连；所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点构成交流输出点。

优选的，所述第一桥臂的直流输入侧还并联有两个滤波电容，所述两个滤波电容串联，且所述两个滤波电容的正极连接所述共阳极不控整流电路的共阳极，所述两个滤波电容的负极连接所述共阴极不控整流电路的共阴极

优选的，所述出线端电路包括：

一个单相接线端子，所述单相接线端子连接所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点。

一种级联高压变频调速装置，所述级联高压变频调速装置具有所述的三电平功率单元主电路。

本发明的有益效果：采用两个整流电路进行整流，由于三电平电路拓扑的特性，逆变电路工作时会出现中点电压波动的现象，中点电压的波动影响滤波电容、三电平h桥的选型及使用寿命，采用两个整流电路进行整流可有效解决中点电压的波动；

两个整流电路还能够配合使用多重化设计的移相整流变压器，大大改善电网侧的电流波形，消除变频调速装置对电网的谐波污染；

三电平逆变电路使得功率单元数更加少、功率单元结构更加紧凑、功率单元更加易于实现及输出电平数增多，功率单元输出谐波低，从而对电机绝缘更友好。

附图说明

图1为现有技术中，采用二电平h桥功率单元级联方式的功率单元主电路示意图；

图2为本发明一种优选的实施例中，功率单元主电路的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

如图2所示，一种三电平功率单元主电路，包括：

两个进线端电路1b，每个上述进线端电路1b分别用于输出三相电流；

两个整流电路2b，每个上述整流电路2b分别与一上述进线端电路1b的三相输出端耦合；

一个逆变电路4b，上述逆变电路4b为三电平h桥，上述两个整流电路2b并联在上述三电平h桥的直流输入侧；

一个出线端电路5b，上述出线端电路5b并联在上述三电平h桥的交流输出侧。

在本实施例中，采用两个整流电路2b进行整流，由于三电平电路拓扑的特性，逆变电路4b工作时会出现中点电压波动的现象，中点电压的波动影响滤波电容、三电平h桥的选型及使用寿命，采用两个整流电路2b进行整流可有效解决中点电压的波动；

两个整流电路2b还能够配合使用多重化设计的移相整流变压器，大大改善电网侧的电流波形，消除变频调速装置对电网的谐波污染；

三电平逆变电路4b使得功率单元数更加少、功率单元结构更加紧凑、功率单元更加易于实现及输出电平数增多，功率单元输出谐波低，从而对电机绝缘更友好；

既解决了传统三电平电压源型变频调速装置输出电压不高的问题，又有效解决传统二电平h桥功率单元级联高压变频调速装置功率单元数较多的问题

较佳的实施例中，上述进线端电路1b包括：

一个三相接线端子，上述三相接线端子的上述三相输出端包括a相输出端、b相输出端及c相输出端，上述a相输出端、上述b相输出端及上述c相输出端分别与上述整流电路2b耦合；

第一熔断器，上述a相输出端与上述整流电路2b之间设有上述第一熔断器；

第二熔断器，上述c相输出端与上述整流电路2b之间设有上述第二熔断器。

在本实施例中，三相接线端子x1的r1、s1、t1分别对应a相输出端、b相输出端、c相输出端，三相接线端子x1接有熔断器f1、f3，三相接线端子x2的r2、s2、t2分别对应a相输出端、b相输出端、c相输出端，三相接线端子x2接有熔断器f4、f6，两个进线端电路1b中的熔断器起保护作用，确保功率单元在发生短路、过流等严重故障时切断与变压器的连接。

较佳的实施例中，上述整流电路2b为由六个二极管构成的三相桥式整流电路2b，上述三相桥式整流电路2b包括由三个上述二极管构成的共阳极不控整流电路2b和由三个上述二极管构成的共阴极不控整流电路2b。

在本实施例中，两个整流电路2b由一共十二个二极管d1-d12组成不控整流电路2b，接到三相电压进线端电路1b。采用两个整流电路2b进行整流，由于三电平电路拓扑的特性，逆变电路4b工作时会出现中点电压波动的现象，中点电压的波动影响滤波电容、逆变电路4b的选型及使用寿命。采用两个整流电路2b进行整流可有效解决三电平逆变电路4b中点电压的波动。

两个整流电路2b应用的另一个突出优点是配合使用多重化设计的移相整流变压器，大大改善网侧的电流波形，基本上消除了变频调速装置对电网的谐波污染。

较佳的实施例中，上述b相输出端连接上述共阴极不控整流电路2b的共阴极。

较佳的实施例中，上述三电平h桥包括：

两个二极管钳位的三电平桥臂，上述三电平桥臂分别为第一桥臂和第二桥臂：

第一电容器组，上述第一电容器组由两个直流侧储能电容器构成，上述第一电容器组，上述第一电容器组并联于上述第一桥臂，上述第一电容器组的正极与上述第一桥臂的阳极相连；

第二电容器组，上述第二电容器组由两个上述直流侧储能电容器构成，上述第二电容器组并联于上述第二桥臂，上述第二电容器组的正极与上述第二桥臂的阳极相连；

上述第一电容器组和上述第二电容器组的中性点相连；

上述第一桥臂的中点和上述第一电容器组的中性点相连；

上述第二桥臂的中点和上述第二电容器组的中性点相连；上述第一桥臂和上述第二桥臂的中点构成交流输出点。

在本实施例中，逆变电路4b由igbt1-igbt8共8只绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)和d13-d16共4只二极管组成二极管中点箝位三电平h桥；逆变电路4b设有snb1-snb4共4只吸收电容，吸收电容分别并联在p、m，m、n2端；上述逆变电路4b的输出端连接到出线端。三电平逆变电路4b的应用，使得功率单元结构更加紧凑、功率单元易于实现。

采用二极管中点箝位三电平h桥逆变电路4b，通过单元级联还可以解决三电平电压源型变频调速装置输出电压不高的问题。

三电平h桥逆变电路4b的应用，使得功率单元结构更加紧凑、功率单元易于实现，功率单元输出电平数增多，功率单元输出谐波低，从而对电机绝缘更友好，本申请的应用，使高压变频调速装置的单元数大幅减少、体积减小，可以大大增强系统的可靠性。

较佳的实施例中，上述第一桥臂的直流输入侧还并联有两个滤波电容，上述两个滤波电容串联，且上述两个滤波电容的正极连接上述共阳极不控整流电路2b的共阳极，上述两个滤波电容的负极连接上述共阴极不控整流电路2b的共阴极

在本实施例中，上述的逆变电路4b的输入端连接到滤波电容上，上述的c1、c2共两组滤波电容分别并联在对应整流电路2b的输出端，两组滤波电容串联连接，实际应用时，每个整流电路2b对应的上述滤波电容可由电容滤波电路3b替换，电容滤波电路3b可由若干个电解电容器通过串、并连接得到，即电容滤波电路3b可以采用电解电容也可以采用无极性薄膜电容，根据实际需要，通过电容的串联、并联组合成需要的电容器组。

逆变电路4b设有4只吸收电容，吸收电容分别并联在p、m，m、n2端，吸收电路主要用于吸收igbt导通瞬间产生的过电压，对igbt器件起到保护作用。

三电平逆变电路4b中点电压的波动影响滤波电容、igbt的选型及使用寿命，采用两个整流电路2b进行整流可有效解决中点电压的波动。

较佳的实施例中，上述滤波电容为有极性电极。

较佳的实施例中，上述出线端电路5b包括：

一个x3单相接线端子，上述单相接线端子连接上述第一桥臂和上述第二桥臂的中点。

一种级联高压变频调速装置，上述级联高压变频调速装置具有上述的三电平功率单元主电路。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。