專利名稱：雙三電平移相型高壓大功率變頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電氣傳動技術領域，具體涉及一種雙三電平移相型高 壓大功率變頻器。
背景技術：
隨著不可再生能源的日益減少，節能成為當今全球最為關注的課題之 一，其中變頻節能技術，是被世人名譽為"節能之冠"的現代電力電子技術 的重要組成部分。我國電力系統規模大，火電廠眾多，用于驅動風機、水泵的廠用大容 量中高壓電動機數量巨大，并且多采用擋板和閥門調節流量，電能浪費嚴 重，另外，冶金、石油、化工、城市供水、煤炭、建材等行業的大量中高 壓電動機也同樣存在著電能浪費的問題。電能既是最重要的能源，又是生 長其他能源的必需品，節能關鍵在于節電。近年來，全球煤、油、電價持 續上漲，這為節電產業迎來了巨大的發展空間，因此，大功率、中高壓變 頻調速系統的市場應用前景非常廣闊，并且隨著電力電子工業、控制、計 算機等的日益發展，大功率中高壓變頻器也正日益廣泛地應用于調速節能 領域。但是由于半導體開關器件耐壓水平的有限性，為了得到高壓電動機所 需的高壓變頻器還比較困難。因此，為了獲得較高電壓等級的大功率變頻 器，專家和學者提出了多種變頻器拓撲結構以滿足實際工業設備對耐壓的 要求，其中目前比較通用的有器件直接串聯型兩電平變頻器、串聯多重化 變頻器、三電平變頻器。然而上述結構也存在著不足之處。在器件直接串聯型兩電平變頻器中，為了獲得較好的器件均壓效果， 需要設置較大容量的阻容吸收回路，從而降低了變頻器裝置的效率，并且 隨著串聯器件數的增加，器件間的均壓效果難以得到保證。而且，兩電平
結構中，為了獲得較好的輸出波形，器件的開關頻率較高，這將進一步降 低整個變頻器裝置的效率。在串聯多重化型變頻器中，整流用的裂相變壓 器結構復雜，且該結構涉及的器件數較多，控制復雜。在三電平變頻器中，根據現有的器件耐壓水平，如果要滿足我國6kV電壓等級電動機的驅動要 求，則需要兩只開關器件、吸收回路及靜態均壓電阻的串聯使用，這使得 變頻器各環節的參數設計較為困難，且由于阻容吸收回路的存在使得整個 變頻器效率下降；如果要滿足10kV電動機的驅動要求，則需要四只開關器件、吸收回路及靜態均壓電阻的串聯使用，這使得變頻器的設計更為復雜， 且變頻器的均壓效果更加難以有效保證，且吸收回路及靜態均壓電阻損耗 進一步加大。綜上所述，如何選用合適的新型拓撲結構使得變頻器能夠在較少的器 件串聯條件下或者無器件串聯、無阻容吸收方式下滿足實際工業運行需要 以提高變頻器效率并同時滿足輸出諧波的要求非常重要。發明內容本實用新型的目的在于提出一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器， 該變頻器根據功率器件現有的耐壓水平，使得在無器件串聯及相應的阻容 吸收或者較少器件串聯條件下，實現變頻器高壓輸入及輸出，并有效地限 制輸入、輸出諧波，同時使變頻器負載對地耐壓水平降低一半。本實用新型提供的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于 它包括整流單元、直流單元、第一三電平逆變單元、第二三電平逆變單元、 第一 LC三相濾波單元和第二 IX三相濾波單元；其中，整流單元的正、負母線排分別與直流單元的正、負端相聯接；第一三電平逆變單元與第二三 電平逆變單元并聯，第一、第二三電平逆變單元的正母線、負母線及中性 點分別與直流單元的二組正母線、負母線及中性點對應聯接；第一、第二 三電平逆變單元的三相輸出端分別與第一、第二 LC三相濾波單元的三相濾 波輸入端對應聯接，第一、第二LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動 機的二組三相繞組抽頭對應聯接。
本實用新型中的直流單元作用是為三電平逆變單元提供穩定的直流電 壓、調節三電平逆變單元開關過程中流過開關器件的di/dt值及限制開關 過程中正負直流母線尖峰過電壓。本實用新型中的兩組并聯的三電平逆變單元均通過各自的LC三相輸出濾波器輸出三相交流電壓，并分別聯接在電 動機三相繞組的兩端(也可以是其它三相能獨立接線的負載)，LC三相輸出 濾波器的設置有效地降低了變頻器加在電動機繞組上的電壓應力，限制了 電動機輸入電壓的諧波含量。通過調整兩組并聯的三電平逆變單元脈沖寬度調制(pmo參考波的相位角，在不增加開關損耗的前提下使得等效開關頻率上升了一倍，從而能夠進一步降低變頻器的輸出諧波；通過調整PWM 參考波的相位角，保證了變頻器三相額定輸出電壓。本實用新型有助于6kV 及以上高壓變頻器的發展。
圖1是雙三電平移相型高壓大功率變頻器拓撲結構方框圖。圖2是整流單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖3是直流單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖4是三電平逆變單元的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖5是LC三相濾波單元的具體實施方式
的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。 如圖1所示，本實用新型雙三電平移相型高壓大功率變頻器包括整流 單元l、直流單元2、第一三電平逆變單元3、第二三電平逆變單元4、第 一 LC三相濾波單元5和第二 LC三相濾波單元6。圖1中的U-x、 V-y及W-z 分別表示負載電動機7的三相繞組。目前，電動機繞組的6個端子均布置 在電動機外殼上的接線端子牌上，只需要打開相應的聯接點，并按照圖1 所示的方式聯線即可。整流單元1的正負母線排RP、 RN分別與直流單元2的正負端FP、 FN相聯接。第一三電平逆變單元3與第二三電平逆變單元4并聯，第一三電 平逆變單元3的正母線IP,、負母線IN,及中性點O;分別與直流單元2的正 母線DP!端、負母線DN,端及中性點O相聯接，第二三電平逆變單元4的正 母線IP2、負母線IN2及中性點《分別與直流單元2的正母線DP2端、負母 線DN2端及中性點0相聯接。第一三電平逆變單元3的三相輸出端A,、 B,及C,分別與第一 LC三相濾 波單元5的三相濾波輸入端LA,、 LB,及LC,相聯接，第二三電平逆變單元4 的三相輸出端A2、 B,及G分別與第二 LC三相濾波單元6的三相濾波輸入端 LA2、 132及LC2相聯接。第一 IX三相濾波單元5的三相輸出端Lu、 U及 分別與電動機的U、 V及W三相繞組抽頭相聯接，第二 LC三相濾波單元6 的三相輸出端L、 Ly及L,分別與電動機的x、 y及z三相繞組抽頭相聯接。整流單元1由6"脈波整流變壓器和T7組錯相位串聯的6脈波不控整流 橋構成，n為正整數，它根據對電網的諧波污染的要求來確定。6"脈波裂 相變壓器的原方可以是三角形或星形接法，副方為/7組電壓幅值相等但相互隔離且角度相差(60/77)度的三相繞組。6/7脈波整流變壓器原方三相輸入繞組分別與電網的A、 B及C相聯接，6/7脈波整流變壓器副方/7組三相輸出 繞組[a,，bbd] [an，b。，"]分別與n組串聯的6脈波不控整流橋的輸入端 [Ral， Rhl， RCI] [R , Rhn， 相聯接。如圖3所示，直流單元2由兩組標準的直流環節(DC-Link)構成，兩組 DC-Link電路通過直流濾波電容C,及C2相互并聯。兩組DC-Link電路分別 包括由(U、 D,"、 Ca、 Rw)和(U、 DU2、 CC2、 Rd2)所構成的兩組三電平逆 變單元所需的兩套限流箝位回路，并分別與直流濾波大電容C及C2并聯聯 接。其主要功能是為了限制三電平逆變單元中全控器件開關過程中的電流 變化率及關斷暫態過電壓。本實用新型中的第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4釆用 標準的二極管鉗位型三電平逆變電路，其構成如圖4所示。兩組三電平逆 變單元均采用正弦脈沖寬度調制(SPWM)方式，以完成正弦電壓的輸出功 能。整流單元1將電網提供的交流電轉化為直流電，并經過直流單元2濾 波后，為第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4提供所需的直流 電壓。通過整流單元1可以有效地限制變頻器對電網的諧波污染。如圖5所示，本實用新型中的LC三相濾波單元由標準的LC電路構成。 如圖1所示，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4分別通過第 一 LC三相濾波單元5及第二 LC三相濾波單元6分別聯接在電動機三相繞 組7的兩端。第一 LC三相濾波單元5及第二 LC三相濾波單元6的設置可 以很大程度上降低電動機繞組7的端電壓應力，延長電動機的使用壽命。與現有的通用三電平變頻器相比，在器件開關頻率相同的前提下通過 對并聯的第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4采用移相SPWM方 式，可進一步降低電動機繞組7的輸入電壓諧波，降低由于諧波所帶來的 電動機發熱及震動等問題。從上述可以看出，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4可 通過調整各自的輸出電壓和相位，輸出到變頻器負載7上為第一三電平逆 變單元3及第二三電平逆變單元4的電壓矢量之差，從而可以保證輸出到 變頻器負載7上即為所需要的電壓大小。在要求變頻器輸出額定電壓情況 下，第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4可分別輸出額定電壓 的一半，但相位相差180度，其幅值即為額定電壓。與現有的通用三電平 變頻器相比，電動機各相繞組7對地最大值降低了一半，降低了電動機繞 組7對地的絕緣要求，從而有望縮小電動機的整個外形體積，使得電動機 結構更為緊湊并有效降低電動機的制造成本。下面我們以雙三電平移相型6kV高壓大功率變頻器的設計為例作進一 步的分析。目前，我國6kV高壓大功率電動機的應用非常廣泛，6kV高壓變頻器的 應用也越來越多。本實用新型所提出的結構應用于6kV高壓變頻器有著很 大的優勢。本實用新型中第一三電平逆變單元3及第二三電平逆變單元4， 分別與直流單元2中的兩套限流箝位回路相并聯，如圖l、圖4所示。從圖 2中可以看出，整流單元1中由于6/7脈波整流變壓器的使用，此時直流單 元2的正負母線直流電壓只有4.5kV左右，根據目前的器件耐壓等級，我 們可以采用IGBT或者IGCT器件在無需串聯的前提下搭建三電平逆變單元 3、 4。由于無需器件的串聯使用，則不需要相應的保持器件動態均壓所需 的動態阻容吸收回路，從而能夠有效地提升高壓變頻器的效率。只要器件 的選型匹配基本合理，器件靜態均壓所需的靜態均壓電阻同樣可以省去。與目前所常用的6kV交流輸入、直流母線電壓為9kV左右的通用三電 平變頻器相比較，本實甩新型所采用的全控開關器件及二極管的數量與之 相同，但是省去了通用三電平變頻器器件串聯所需的動態及靜態均壓回路， 有效地降低了變頻器的成本和體積并提高了變頻器整體效率，而且使得三 電平變頻器的參數設計大為簡化。第一三電平逆變單元3及第二三電平逆 變單元4最大分別輸出額定線電壓電壓的一半為3kV，但是相位相差180度， 從而滿足整個變頻器額定6kV電壓輸出的要求，并且電動機各相繞組7對 地電壓最大值降低了一半，延長電動機絕緣壽命。通過對第一三電平逆變 單元3及第二三電平逆變單元4采用錯相SPWM調制方式，提高了變頻器裝 置的等效開關頻率，進一步降低了變頻器的輸出諧波。如果要實現6kV以上10kV以下變頻器的設計，傳統的三電平逆變器需 要4只器件串聯使用，串聯器件數的增加使得變頻器的設計難度大幅度提 高，器件的選型相當困難，且均壓效果也很難以得到有效保證。而如果采 用本實用新型所提出的變頻器結構，則本實用新型中的第一三電平逆變單 元3及第二三電平逆變單元4只需要兩只器件串聯使用，相應的圖2 圖4 中的半導體器件均為兩只串聯，這使得變頻器的均壓設計及阻容吸收設計 也相對大為簡化。當然，隨著電壓等級的進一步升高，所需串聯的器件數 也隨之上升。但是與傳統的三電平結構相比，本實用新型使得串聯的器件 數下降了一半，降低了裝置對絕緣的要求，相對簡化了變頻器參數的設計， 提高了變頻器裝置的效率并同時也將變頻器所驅動負載7對地的最高電壓 減少一半，延長了現有負載的絕緣使用壽命。
權利要求1、一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征在于它包括整流單元(1)、直流單元(2)、第一三電平逆變單元(3)、第二三電平逆變單元(4)、第一LC三相濾波單元(5)和第二LC三相濾波單元(6)；其中，整流單元(1)的正、負母線排分別與直流單元(2)的正、負端相聯接；第一三電平逆變單元(3)與第二三電平逆變單元(4)并聯，第一、第二三電平逆變單元(3、4)的正母線、負母線及中性點分別與直流單元(2)的二組正母線、負母線及中性點對應聯接；第一、第二三電平逆變單元(3、4)的三相輸出端分別與第一、第二LC三相濾波單元(5、6)的三相濾波輸入端對應聯接，第一、第二LC三相濾波單元(5、6)的三相輸出端分別與電動機的二組三相繞組抽頭對應聯接。
2、 根據權利要求l所述的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其特征 在于整流單元(l)由6/7脈波整流變壓器和/7組錯相位串聯的6脈波不控 整流橋構成，n為正整數，6"脈波裂相變壓器的原方分別與電網相聯接， 其副方"組三相輸出繞組分別與"組錯相位串聯的6脈波不控整流橋的輸 入端對應聯接。
3、 根據權利要求1或2所述的雙三電平移相型高壓大功率變頻器，其 特征在于直流單元(2)由兩組直流環節構成，兩組直流環節通過其中的直 流濾波電容d及G相互并聯。
專利摘要本實用新型公開了一種雙三電平移相型高壓大功率變頻器，包括整流單元、直流單元、二個三電平逆變單元和二個LC三相濾波單元。整流單元的正、負母線排分別與直流單元的正、負端相聯接；二個三電平逆變單元并聯，三電平逆變單元的正母線、負母線及中性點分別與直流單元的二組正母線、負母線及中性點對應聯接；其三相輸出端分別與二個LC三相濾波單元的三相濾波輸入端對應聯接，二個LC三相濾波單元的三相輸出端分別與電動機的二組三相繞組抽頭對應聯接。本實用新型基于載波移相能使變頻器等效開關頻率上升一倍，從而降低了電動機輸入電壓的諧波含量，并能有效提高變頻器效率。
文檔編號H02M1/00GK201041984SQ20072008417
公開日2008年3月26日 申請日期2007年4月13日 優先權日2007年4月13日
發明者劉海波, 婁慧波, 李國棟, 毛承雄, 丹 王, 陸繼明 申請人:華中科技大學