本发明涉及高压变频器电路，特别是针对6kV电压等级的高压变频装置。
背景技术：
由于变频器显著的节能特点，使其广泛应用于冶金、矿山、火电厂。目前，6kV电压等级的高压变频器，其主电路结构如图1所示，电路拓扑结构为一次电压经过移相变压器输入后，直接输出到各功率单元。功率单元为标准结构的单相变频器，其主电路如图2所示。这种高压变频器的实质上是由低压的单相变频器经级联后，变为三相高压变频器。这种结构的高压变频器具有输出电压质量好，输入谐波电流低，维护方便等优点。但是，这中结构的高压变频器也存在不足：低压单相变频器级联弥补了功率器件耐压能力不足的问题，但是存在着装置体积大，重量大，不能实现能量回馈和制动；需要多副边绕组的移相变压器，增加了设备成本。
目前级联型高压变频器多采用输入三相桥式二极管整流、单相H桥逆变输出的单元结构。以每个功率单元输出690V为例，每相采用5个功率单元串联，共15个功率单元才可以组成一个6kV的高压变频器；功率单元采用1200V的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，需要三相整流桥15个，IGBT数量为90个或180个(H桥逆变电路采用IGBT并联方式)；对应的移相变压器副边三相绕组也需要15个。体积庞大、元器件众多，不仅增加了经济成本，而且增加了故障率。因此，其改进和创新势在必行。
技术实现要素：
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种体积小、元器件数量少、通用性强的功率单元组成的高压变频装置。
本发明解决的技术方案是，一种功率单元组成的高压变频装置，包括壳体和装在壳体内的高压变频电路，高压变频电路包括整流模块、直流模块和逆变模块，整流模块包括6个功率单元A1、A2、B1、B2、C1、C2，直流模块包括串联的电容C1、C2、C3、C4和串联的电阻R1、R2、R3、R4，逆变模块包括6个功率单元U1、U2、V1、V2、W1、W2，每个功率单元均包括4个绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4，绝缘栅双极型晶体管VT1的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT2的集电极，绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极，绝缘栅双极型晶体管VT3的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT4的集电极；
整流模块中：
功率单元A1、A2并联，功率单元B1、B2并联，功率单元C1、C2并联，每个功率单元中：
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极作为整流模块功率单元的直流电压正极输出端P1；
绝缘栅双极型晶体管VT2与绝缘栅双极型晶体管VT3的共端作为整流模块功率单元的三相交流电源的单相输入端O1；
绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极作为整流模块功率单元的直流电压负极输出端N1；
逆变模块中：
功率单元U1、U2并联，功率单元V1、V2并联，功率单元W1、W2并联，每个功率单元中：
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极作为逆变模块功率单元的直流电压正极输入端P2；
绝缘栅双极型晶体管VT2与绝缘栅双极型晶体管VT3的共端作为逆变模块功率单元的逆变交流单相输出端O2；
绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极作为逆变模块功率单元的直流电压负极输入端N2；
功率单元A1的直流电压正极输出端分别接整流模块中其余各功率单元的直流电压正极输出端，共端接电容C1的一端、电阻R1的一端和逆变模块中各功率单元的直流电压正极输入端，功率单元A1的直流电压负极输出端分别接整流模块中其余各功率单元的直流电压负极输出端，共端接电容C4的一端、电阻R4的一端和逆变模块中各功率单元的直流电压负极输入端，电容C1的另一端分别接电阻R1的另一端、电容C2的一端和电阻R2的一端，电容C2的另一端分别接电容C3的一端、电阻R2的另一端和电阻R3的一端，电容C3的另一端分别接电容C4的另一端电阻R4的另一端和电阻R3的另一端。
本发明电路结构新颖独特，简单合理，易生产，成本低，体积小，通过高电压等级的IGBT组建功率单元，减少了大功率器件的使用量；该功率单元可用于整流和逆变环节，通用性强；本发明高压变频器电路，取消了移相变压器，进一步降低了成本和减少了设备体积，而且由于采用了模块化的功率单元，方便维护和组装使用，有良好的实用价值和经济效益。
附图说明
图1为现有高压变频器主电路结构。
图2为现有高压变频器功率单元电路结构示意图。
图3为本发明整流模块功率单元电路拓扑图。
图4为本发明整流模块功率单元简化等效电路图。
图5为本发明逆变模块功率单元电路拓扑图。
图6为本发明逆变模块功率单元简化等效电路图。
图7为本发明高压变频装置的电路拓扑结构示意图。
图8为本发明的壳体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-8给出，本发明包括壳体1和装在壳体内的高压变频电路，高压变频电路包括整流模块、直流模块和逆变模块，整流模块包括6个功率单元A1、A2、B1、B2、C1、C2，直流模块包括串联的电容C1、C2、C3、C4和串联的电阻R1、R2、R3、R4，逆变模块包括6个功率单元U1、U2、V1、V2、W1、W2，每个功率单元均包括4个绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4，绝缘栅双极型晶体管VT1的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT2的集电极，绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极，绝缘栅双极型晶体管VT3的发射极接绝缘栅双极型晶体管VT4的集电极；
整流模块中：
功率单元A1、A2并联，功率单元B1、B2并联，功率单元C1、C2并联，每个功率单元中：
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极作为整流模块功率单元的直流电压正极输出端P1；
绝缘栅双极型晶体管VT2与绝缘栅双极型晶体管VT3的共端作为整流模块功率单元的三相交流电源的单相输入端O1；
绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极作为整流模块功率单元的直流电压负极输出端N1；
逆变模块中：
功率单元U1、U2并联，功率单元V1、V2并联，功率单元W1、W2并联，每个功率单元中：
绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极作为逆变模块功率单元的直流电压正极输入端P2；
绝缘栅双极型晶体管VT2与绝缘栅双极型晶体管VT3的共端作为逆变模块功率单元的逆变交流单相输出端O2；
绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极作为逆变模块功率单元的直流电压负极输入端N2；
功率单元A1的直流电压正极输出端分别接整流模块中其余各功率单元的直流电压正极输出端，共端接电容C1的一端、电阻R1的一端和逆变模块中各功率单元的直流电压正极输入端，功率单元A1的直流电压负极输出端分别接整流模块中其余各功率单元的直流电压负极输出端，共端接电容C4的一端、电阻R4的一端和逆变模块中各功率单元的直流电压负极输入端，电容C1的另一端分别接电阻R1的另一端、电容C2的一端和电阻R2的一端，电容C2的另一端分别接电容C3的一端、电阻R2的另一端和电阻R3的一端，电容C3的另一端分别接电容C4的另一端电阻R4的另一端和电阻R3的另一端。
为保证使用效果，所述功率单元A1、A2的单相输入端分别接三相交流电源的A相输出端，功率单元B1、B2的单相输入端分别接三相交流电源的B相输出端，功率单元C1、C2的单相输入端分别接三相交流电源的C相输出端；所述功率单元U1、U2的逆变交流单相输出端分别接电动机的三相交流电源的U相输入端，功率单元V1、V2的逆变交流单相输出端分别接电动机的三相交流电源的V相输入端，功率单元W1、W2的逆变交流单相输出端分别接电动机的三相交流电源的W相输入端。
所述的壳体1上分别设置有3个与三相交流电源的单相输入端相对应的交流电源输入端口2和3个与逆变交流单相输出端相对应的交流电源输出端3；功率单元A1、A2的单相输入端分别接其中一个交流电源输入端口，功率单元B1、B2的单相输入端分第二个交流电源输入端口，功率单元C1、C2的单相输入端分别第三个交流电源输入端口，高压变频装置分别通过三个交流电源输入端口与三相交流电源的3个相相连；功率单元U1、U2的逆变交流单相输出端分别接第一个交流电源输出端，功率单元V1、V2的逆变交流单相输出端分别第二个交流电源输出端，功率单元W1、W2的逆变交流单相输出端分别第三个交流电源输出端，高压变频装置分别通过三个交流电源输出端电动机的三相交流电源的输入端相连。
如图3、图5所示，绝缘栅双极型晶体管VT1～VT4是高电压(6500V)等级的IGBT，其串联而组成功率单元，该功率单元即可作为整流环节使用，也可在逆变环节使用。当该功率单元在整流环节使用时，三相交流电源的单相输入端O1连接三相交流电源的单相，直流电压正极输出端P1为整流输出的直流电压正极，直流电压负极输出端N1为整流输出的直流电压负极；当该功率单元在逆变环节使用时，直流电压正极输入端P2输入直流电压的正极，直流电压负极输入端N2输入直流电压的负极，逆变交流单相输出端O2接电动机的三相交流电源的单相。
整流环节(整流模块)由A1、A2、B1、B2、C1、C2共6个功率单元组成。其中功率单元A1、A2并联，输入端连接三相交流电源的A相，输出端连接直流模块，组成单相半桥整流电路，功率单元A1、A2并联之目的是增加电流裕度；其中功率单元B1、B2并联，输入端连接三相交流电源的B相，输出端连接直流环节，组成单相半桥整流电路；其中功率单元C1、C2并联，输入端连接三相交流电源的C相，输出端连接直流模块，组成单相半桥整流电路。功率单元A1、A2、B1、B2、C1、C2共6个功率单元组成了三相可控全桥整流电路。
直流环节(直流模块)由薄膜电容和分压电阻组成，具体连接方式为：薄膜电容C1与分压电阻R1并联，薄膜电容C2与分压电阻R2并联，薄膜电容C3与分压电阻R3并联，薄膜电容C4与分压电阻R4并联，以上四部分再串联，连接在高压变频器直流环节。
逆变环节(逆变模块)由U1、U2、V1、V2、W1、W2共6个功率单元组成。其中功率单元U1、U2并联，输入端连接直流模块，输出端作为变频器交流输出，组成了单相半桥逆变电路，U1、U2并联之目的是增加电流裕度；其中功率单元V1、V2并联，输入端连接直流模块，输出端作为变频器交流输出，组成了单相半桥逆变电路，V1、V2并联之目的是增加电流裕度；其中功率单元W1、W2并联，输入端连接直流模块，输出端作为变频器交流输出，组成了单相半桥逆变电路，W1、W2并联之目的是增加电流裕度。
本发明的工作情况和工作原理为：如图7所示，本发明的高压变频器的输入端，直接与6kV电源相连，省去了传统高压变频器中存在的移相变压器。高压变频器在工作状态下，把输入端的6kV、50Hz的交流电经整流模块变为直流电；再经变频器中间直流模块的滤波，变成稳定的直流电；最后经高压变频器的逆变模块，把直流电变为幅值、频率可调的三相交流电，供给电动机。
整流模块功率单元电路拓扑如图3所示，逆变模块功率单元电路拓扑如图5所示。从图中可以看出两种电路的组成完全一致，当作为整流模块使用时，端子O1连接三相交流输入端的一相，端子P1、N1分别连接整流电路的正极和负极；当作为逆变模块使用时，端子P2、N2分别连接整流电路的正极和负极，端子O2连接三相交流输出端的一相。因此，在本发明高压变频器中的功率单元，可以通过改变连接方式，运用在高压变频器的整流和逆变模块中，模块化生产，通用性强。
在本发明的高压变频器中，6个功率单元A1、A2、B1、B2、C1、C2组成了三相全控整流电路，6个功率单元U1、U2、V1、V2、W1、W2组成了三相全控逆变电路。本发明的高压变频器，能够实现能量的双向流动，能够四象限运行，同时由于采用了全控型的整流、逆变，可以有效的抑制谐波、提升功率因数。
传统高压变频器由移相变压器、15个功率单元构成，每个功率单元由一个三相不可控的二极管整流桥、2个分压电阻、4(或者8)个IGBT构成的逆变电路、8～12个电解电容构成。因此，传统的高压变频器主要元器件个数为：1个移相变压器、15个整流桥、30个分压电阻、60(或者120)个IGBT、120～180个电解电容、30个分压电阻构成。
跟传统高压变频器相比，本发明的高压变频器有主要有12个功率单元、4个薄膜电容、4个分压电阻组成，每个功率单元由4个IGBT构成。因此，本发明的高压变频器主要元器件个数为：48个IGBT、4个薄膜电容、4个分压电阻。
综上所述，可以清楚的看出本发明电路结构新颖独特，简单合理，易生产，成本低，体积小，通过高电压等级的IGBT组建功率单元，减少了大功率器件的使用量；该功率单元可用于整流和逆变环节，通用性强；能够四象限运行，可实现能量的双向流动；可以有效的抑制谐波，提升功率因数；本发明高压变频器电路，取消了移相变压器，进一步降低了成本和减少了设备体积，而且由于采用了模块化的功率单元，方便维护和组装使用，有良好的实用价值和经济效益。