專利名稱：一種帶中性點電壓調節的高壓變頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高壓變頻器，尤其涉及一種帶中性點電壓調節的高壓變頻
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背景技術：
隨著交流調速的要求越來越高，高壓變頻器的發展也隨之越來越快。高壓變頻調速技術作為一種性能優越的高新技術，由于其調速范圍廣、性能優越、節能顯著，解決了大功率風機和泵類電機的調速問題，其應用領域和發展前景都越來越廣闊。傳統級聯型高壓變頻器的原型就是美國羅賓康公司的“完美無諧波”系列高壓變頻器和ABB公司的ACS1000系列高壓變頻器，其電路結構分別采用的是單元級聯型三電平結構和二極管箱位型三電平結構。為了減小諧波含量，傳統級聯型高壓變頻器在輸入側使用移相隔離變壓器，同時憑借其多電平的輸出，使得輸入電流和輸出電壓的諧波大大降低， 基本上達到了完美無諧波的狀態。但是，也存在以下缺陷傳統級聯型高壓變頻器的功率單元中整流部分采用二極管不控整流，能量只能單向流動，當電機處于再生制動發電狀態時， 回饋的能量傳輸到直流母線打的電容上會產生泵升電壓，使電容電壓不穩；過高的泵升電壓有可能損壞開關器件，從而威脅變頻器的安全工作，能量也不能得到有效利用。
發明內容針對現有技術存在的不足，本實用新型提供了一種帶中性點電壓調節的高壓變頻器，該高壓變頻器能實現能量雙向傳輸和四象限運行、并穩定直流母線電容電壓。為了解決上述技術問題，本實用新型采用如下的技術方案一種帶中性點電壓調節的高壓變頻器，包括移相輸入變壓器和變頻器主電路，在移相輸入變壓器和變頻器主電路之間串聯有雙脈沖寬度調制變頻模塊。上述雙脈沖寬度調制變頻模塊由整流器與逆變器通過直流濾波電容連接組成，其中，整流器和逆變器均是采用全控器件絕緣柵雙極型晶體管構成。與傳統級聯型高壓變頻器相比，本實用新型將傳統級聯型高壓變頻器浮空的中性點斷開，并在中性點，即移相輸入變壓器和變頻器主電路之間串入了一個雙脈沖寬度調制變頻模塊，即構成一種“背靠背”結構。雙脈沖寬度調制變頻模塊由整流器與逆變器通過直流濾波電容連接組成，其中，整流器和逆變器都采用的是全控器件絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)構成，兩端利用直流側濾波電容C穩定直流母線電壓。將本實用新型高壓變頻器安裝在電動機上，高壓變頻器通過移相輸入變壓器接入電網，通過變頻器主電路的輸出連接電動機，根據能量的流動方向，雙脈沖寬度調制變頻模塊的運行狀態可分為兩種1、能量由三相交流電網流向負載當高壓變頻器接入的電動機負載處于電動運行狀態時，能量由電網通過雙脈沖寬度調制變頻模塊中的接移相輸入變壓器側的整流器流向接高壓變頻器側的逆變器，此時，整流器工作在整流狀態，通過使用脈沖寬度調制控制方式，使接移相輸入變壓器側的電流與電壓同相位，從而實現單位功率因數整流；逆變器工作在逆變狀態，逆變橋的開關器件在脈沖寬度調制信號的控制下，輸出頻率與幅值均可調的正弦電壓信號，疊加在變頻器主電路的輸出波形上，從而實現電動機的變頻調速。2、電動機再生能量饋入三相交流電網在電動機的交流變頻調速過程中，當電動機處于回饋制動運行狀態時，由于負載的慣性作用使其進入發電狀態，此時，接高壓變頻器側的逆變器作為整流器工作在整流狀態下，電動機的再生能量通過整流器中的開關器件和續流二極管向直流側電容充電，使電容器兩端電壓升高；接移相輸入變壓器側的整流器作為逆變器工作在有源逆變狀態下，其開關器件在脈沖寬度調制信號的控制下，將能量饋入三相交流電網中，從而完成能量的雙向流動。同時，由于脈沖寬度調制整流器的雙閉環控制作用，加上使用全控器件和開關頻率的大幅度提高，使得回饋到電網的電流與電網相電壓的相位相反，系統的功率因數約等于-1。電網回收了電動機的再生能量，提高了系統功率因數，消除了變頻器主電路對電網的諧波污染。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果本實用新型高壓變頻器可用于電動機的變頻調速，其不需再增加任何附加電路就可以實現四象限運行和能量的雙向傳輸，同時在出現電壓不平衡等電能質量問題時， 還可以將雙脈沖寬度調制變頻模塊作為主動型濾波器(即有源濾波器)使用，可以濾除諧波、改善輸出電壓波形、提高電能質量。
圖1為傳統級聯型高壓變頻器的拓撲結構圖；圖2為本實用新型高壓變頻器的一種拓撲結構圖；圖3為本實用新型高壓變頻器中雙脈沖寬度調制變頻模塊的內部結構圖。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例進一步說明本實用新型。圖1為傳統級聯型高壓變頻器的拓撲結構圖，圖2為本實用新型高壓變頻器的一種拓撲結構圖，從圖中可以看出本實用新型高壓變頻器就是在移相輸入變壓器和變頻器主電路之間串聯有雙脈沖寬度調制變頻模塊。如圖3所示，雙脈沖寬度調制變頻模塊構成一種“背靠背”結構，其由整流器與逆變器通過直流濾波電容連接組成，其中，整流器和逆變器都采用的是全控器件絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構成，兩端利用直流濾波電容C穩定直流母線電壓。根據能量流動的方向不同，雙脈沖寬度調制變頻模塊的左右兩部分的電路既可以是整流器也可以是逆變器，左右兩部分電路的主結構是完全相同的，但是兩者的控制思路卻不相同。對于整流器而言，其交流側通常是已知的，而直流側負載是未知的，所以整流器的控制對象是直流側物理量；對于逆變器而言，其直流側通常是已知的，而交流側負載是未知的，所以逆變器的控制對象是交流物理量。雙脈沖寬度調制變頻模塊中的直流濾波電容的主要作用有兩點一是穩定直流輸出電壓；二是濾除直流電壓的諧波。由于整流器和逆變器的控制對象不同，因此通常情況下對于雙脈沖寬度調制變頻模塊的控制采用的是整流器和逆變器獨立控制，可控的提供負載吸收的電流或吸收負載回饋的電流，從而維持直流母線電壓的恒定。雙脈沖寬度調制變頻模塊中的整流器側采用雙閉環控制，外環控制直壓穩定，內環采用PQ (有功功率和無功功率)控制上使接入電網側電流與電壓的相位相同，以實現單位功率因數整流，逆變器側對整流器和逆變器的開關管進行控制。由于在雙脈沖寬度調制變頻模塊中整流器的雙閉環控制作用，加上使用全控型器件和開關頻率的大幅度提高，使得回饋到電網的電流與電網相電壓的相位相反，系統的功率因數約等于-1。電網回收了電動機的再生能量，提高了系統功率因數，消除了變頻器主電路產生的諧波污染。為了實現整個逆變器的多電平電壓輸出，將載波移相SPWM技術引入到級聯型變頻器中，即將每個H橋逆變器的載波錯開一定角度，以疊加出多電平電壓波形。每個級聯單元載波的最佳移相角為 6> = 180°/況，式中，N為逆變器每相的級聯單元數量。載波移相SPWM控制的實現主要由兩部分組成一部分是通過正弦調制波和等腰三角載波進行比較得到SPWM波形。另一部分主要任務是對第一級功率單元H橋左、右橋臂控制信號進行移相，進而得到以后各級功率單元的左、右橋臂的控制信號。整個逆變器輸出電壓的等效載波頻率為N倍的級聯單元載波頻率，這樣便能有效降低輸出電壓和電流諧波，而并不損失幅值。本實用新型高壓變頻器的輸出輸出電壓/頻率為一恒定值，異步電動機為恒轉矩輸出特性。控制系統接收頻率信號，根據比值計算出相應的輸出電壓，并產生載波移相的 PWM信號，通過PWM驅動電路提供給變頻器主電路中的功率器件，并帶動異步電動機工作， 同時對輸出電流進行實時檢測，在出現電流異常時快速關斷功率器件，以保護整個系統。整個系統將雙脈沖寬度調制變頻模塊和變頻器主電路分開獨立控制，變頻器主電路與傳統級聯型高壓變頻器中變頻器主電路的控制方式相同，而雙PWM變頻模塊的控制則是整流側采用直流電壓外環，電流內環的控制方式，以實現單位功率因數整流。
權利要求1.一種帶中性點電壓調節的高壓變頻器，包括移相輸入變壓器和變頻器主電路，其特征在于所述的移相輸入變壓器和變頻器主電路之間串聯有雙脈沖寬度調制變頻模塊。
2.根據權利要求1所述的帶中性點電壓調節的高壓變頻器，其特征在于所述的雙脈沖寬度調制變頻模塊由整流器與逆變器通過直流濾波電容連接組成，其中，整流器和逆變器均采用絕緣柵雙極型晶體管構成。
專利摘要本實用新型公開了一種帶中性點電壓調節的高壓變頻器，包括移相輸入變壓器和變頻器主電路，并在移相輸入變壓器和變頻器主電路之間串聯有雙脈沖寬度調制變頻模塊。本實用新型高壓變頻器可用于電動機的變頻調速，其不需再增加任何附加電路就可以實現四象限運行和能量的雙向傳輸，同時在出現電壓不平衡等電能質量問題時，還可以將雙脈沖寬度調制變頻模塊作為主動型濾波器(即有源濾波器)使用，可以濾除諧波、改善輸出電壓波形、提高電能質量。
文檔編號H02M5/458GK202145622SQ20112026993
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月28日 優先權日2011年7月28日
發明者孫建軍, 宮金武, 張莉莉, 查曉明, 石露 申請人:武漢大學