專利名稱：柔性變頻裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及由多個變頻器構成，能夠根據需要設置輸出電壓、輸出功率的柔性變頻裝置。
背景技術：
在工業電氣傳動領域，比如對高壓大功率的電動機的變頻驅動通常使用高壓變頻器。高壓變頻器的逆變回路通常由多個功率單元串聯而成。這種“功率單元串聯”的方法是現今中高壓變頻器市場非常流行的一種系統拓撲方式。它不僅使高壓變頻器具有很多優異的電氣特性，如極大的改善輸出波形(完美無諧波輸出)，還可提高變頻器的輸出電壓，對電動機驅動技術的發展有著重要的影響。一般高壓變頻器的輸出電壓、電流及功率都是標準的，如按輸出電壓等級分有國內的3kV、6kV、10kV系列或國外的3. 3kV、6. 6kV、llkV系列。圖I為6kV系列高壓變頻器中的功率單元串聯疊加圖。在6kV系列高壓變頻器中，如圖I所示，A、B、C各相有六個功率單元串聯疊加，串聯脈寬調制疊波輸出，Y型連接，中性點接地。每相六個單元疊波，每個功率單元的輸出電壓有“_1，0，I”三種電壓狀態，因此總共可以得到十三個電壓等級。各個功率單元的額定電壓為600V，因此，可輸出最大線電壓為3450V，相電壓為6kV的可變頻三相高壓電源。其具體的拓撲結構如圖3所示。圖2為IOkV系列高壓變頻器中的功率單元串聯疊加圖。除功率單元有九個串聯疊加外，其結構與圖I相同。由于每相有九個功率單元疊波，可以得到十九個電壓等級。各個功率單元的額定電壓為640V，因此，可輸出最大線電壓為5750V，相電壓為IOkV的可變頻三相高壓電源。其具體的拓撲結構如圖4所示。以上圖3、4所示的是高壓變頻器中普遍使用的主回路拓撲方式，由圖3、4可知，所有功率單元均由一個隔離變壓器供電。一般在設計變頻器時，都是基于某一功率段的電動機對隔離變壓器、功率單元、結構等進行選型。例如設計6kV或IOkV的4000kW高壓變頻器，隔離變壓器的額定容量選為5000kVA、副邊繞組額定電壓為600V或640V，所以變頻器的額定負載即為4000kW，額定輸出電壓為6kV或10kV。那這臺變頻器可以驅動電壓等級為6kV或10kV，功率小于等于4000kW的電動機能夠長期運行。如果客戶需求的電源是6kV或IOkV以外的非標準型，如12kV、13. 2kV、15kV等，或者功率比4000kW大，那么高壓變頻器就需要特殊設計了。不僅延長了生產周期，還提高了制造成本。
實用新型內容本實用新型的目的在于，提供一種利用現有的高壓變頻器，實現多種輸出電壓和輸出功率的柔性變頻裝置。本實用新型的第一技術方案是利用兩臺以上的高壓變頻器，將其中的一臺用作于主變頻器，其余的用作于從變頻器，主變頻器的逆變回路的輸出端通過聯鎖開關QF3，同步、電抗L與各從高壓變頻器的逆變回路的輸出端連接，主變頻器通過聯鎖開關QFl與各從變頻器的逆變回路互相串聯，各從變頻器的逆變回路的中心點側端點通過聯鎖開關QF2連接，聯鎖開關QF2閉合時，構成各逆變回路的中心點，主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器建立通訊連接，主變頻器中的控制器發出調制信號，對主變頻器和從變頻器實行控制，使各變頻器在空間矢量PWM調制控制上保證一致，以保證主、從變頻器的輸出頻率、輸出電壓、相位一致。由本實用新型的第一技術方案可知，本實用新型的柔性變頻裝置是通過以兩臺以上變頻器串、并聯的方式輸出范圍更寬的電壓、電流及功率，改變了工頻電網電源單一的輸出方式，充分發揮了“柔性變頻”的特點，通過串聯可以提高電壓輸出，并聯可以提高電流輸出，配合變頻器內部參數的設置可得到不同頻率、不同幅值的高壓電源。因此，對于不同電壓和功率要求的負載，只要通過切換聯鎖開關QF1，QF2，QF3即可改變輸出電壓和輸出功 率，不僅使用方便還可以利用現有成熟的變頻器，降低生產周期和制造成本。第二技術方案是在第一技術方案的基礎上實現的，其特征在于，主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器通過光纖建立通訊連接。由于主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器通過光纖建立高速通訊連接，保證了主變頻器與從變頻器的電氣一致性。第三技術方案是在第二技術方案的基礎上實現的，其特征在于，主變頻器和從變頻器的逆變回路由多個功率單元串聯而成，串聯脈寬調制疊波輸出，Y型連接，中性點接地。由于第三技術方案的結構為成熟的變頻器結構，因此可降低柔性變頻裝置生產周期和制造成本。
圖I為6kV系列聞壓變頻器的功率單兀串聯置加圖；圖2為IOkV系列聞壓變頻器的功率單兀串聯置加圖；圖3為6kV系列高壓變頻器的主回路圖；。圖4為IOkV系列高壓變頻器的主回路圖；圖5為本實用新型中的主、從變頻器以光纖為代表的高速通訊框圖；圖6為本實用新型中的主、從變頻器的串、并聯示意圖；圖7為本實用新型中的主、從變頻器的串、并聯主回路圖。
具體實施方式
本實用新型的柔性變頻裝置由兩臺以上結構參數相同的高壓變頻器構成，通過串、并聯的方式使柔性變頻裝置輸出范圍比單個高壓變頻器更寬的電壓、電流及功率，改變了工頻電網電源單一的輸出方式。高壓變頻器串聯時可以提高電壓輸出，而并聯時可以提高電流輸出，配合高壓變頻器內部參數的設置可得到不同頻率、不同幅值的變頻電源。如采用兩臺高壓變頻器時，其最大輸出電壓有效值可達到相當于單臺高壓變頻器額定輸出電壓和額定輸出功率的兩倍。如果單臺高壓變頻器的額定輸出電壓為U，額定輸出電流為I，額定輸出功率是P，那么兩臺高壓變頻器串聯時，最大額定輸出電壓為2U，最大額定輸出電流為I，最大額定輸出功率為2P ;兩臺高壓變頻器并聯時，最大額定輸出電壓為U，最大額定輸出電流為21，最大額定輸出功率為2P。以下以兩臺高壓變頻器為例對本實用新型的柔性變頻裝置的實施方式進行詳細闡述。兩臺或多臺以上的高壓變頻器串、并聯輸出的基礎在于主變頻器、從變頻器之間建立通訊，使獨立的兩臺或多臺高壓變頻器的輸出電壓幅值、頻率及相位完全一致。兩臺或多臺高壓變頻器結構參數相同，其中的任意一臺都可作為主機，其它的都為從機。主、從變頻器對于各自的重故障、輕故障、輸出頻率顯示、輸出電流顯示等狀態作相應的獨立處理，只是在空間矢量PWM調制控制上保證一致，主變頻器的控制器負責發出調制信號，同時驅動主、從變頻器的功率單元中的逆變H橋，保證主、從變頻器的輸出頻率、輸出電壓、相位完全一致。圖5為主、從變頻器的連接框圖。如圖5所示，主變頻器I和從變頻器2之間通過光纖通訊，實行電氣隔離。在本實施方式中，主變頻器I和從變頻器2采用圖I和圖3所示的6kV系列高壓變頻器。其功率單元如圖I所示，A、B、C三相由六個功率單元串聯疊加，采用脈寬調制疊波輸出，Y型連接，中性點接地。各個功率單元的額定電壓為600V，在控制器的控制下，輸出電壓有“-I，0，I”三種電壓狀態，最大線電壓為3450V，線電壓為6kV。圖6為主、從變頻器的串、并聯示意圖。VFDl是主變頻器I ;VFD2是從變頻器2 ；DLU DL2為主電網的下級斷路器，為變頻器提供保護并供電；QF1、QF2、QF3為兩臺變頻器之間的聯鎖開關，主變頻器I和從變頻器2的隔離變壓器的初級繞組分別通過斷路器DLl和斷路器DL2與電網母線連接，采用不同的閉合方式可得到不同的輸出電壓和功率調節范圍，同步電抗L可平衡兩臺變頻器并聯輸出的電流。斷路器DL及聯鎖開關QF均采用固定式高壓真空斷路器。在上級斷路器DL上裝設微機綜合保護裝置(型號7SJ600)實現負荷控制以及零序保護等功能。圖7為本實用新型中的主、從變頻器的串、并聯主回路圖。如圖7所示，從變頻器2的A、B、C三相的單元Al、BI、Cl的端點通過聯鎖開關QF2連接，聯鎖開關QF2閉合時形成中心點(Y點)。主變頻器I的A、B、C三相的輸出端通過聯鎖開關QFl與從變頻器2的單元A1、B1、C1的端點連接。主變頻器I的A、B、C三相的輸出端分別通過聯鎖開關QF3、同步電抗器L與從變頻器2的A、B、C三相的輸出端連接。主變頻器I的A、B、C三相的輸出端為輸出端I，同步電抗器L的中間抽頭構成輸出端2,從變頻器的A、B、C三相的輸出端為輸出端3。聯鎖開關QF1，QF2，QF3通過在控制系統中編程做出相應的電氣聯鎖并順序控制。具體聯鎖方式如下，QFl與QF2就地聯鎖保證QF2斷開的情況下，QFl才能閉合；QFl與QF3就地聯鎖保證QF I斷開的情況下，QF3才能閉合；主，從高壓變頻器與上級斷路器DL 1、DL2就地聯鎖。以下對柔性變頻裝置的輸出電壓和輸出功率進行說明。I.柔性變頻裝置的輸出電壓為3kV時I)主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為3kV，當QFl斷開、QF2閉合、QF3斷開時，此時主變頻器、從變頻器獨立工作，則輸出端I和輸出端2均額定輸出3kV、2000kW。2)主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為3kV，當QFl斷開、QF2閉合、QF3閉合時，此時主變頻器、從變頻器并聯工作，則輸出端3額定輸出3kV、4000kW。2.柔性變頻裝置的輸出電壓為6kV時I)主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為6kV，當QFl斷開、QF2閉合、QF3斷開時，此時主變頻器、從變頻器獨立工作，輸出端I和輸出端2均額定輸出6kV、4000kW。2)設定基準電壓為6kV，當QF I斷開、QF2閉合、QF3閉合時，此時主變頻器、從變頻器并聯工作，則輸出端3額定輸出6kV、8000kW。3.柔性變頻裝置的輸出電壓為IOkV時 主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為5kV，當QFl閉合、QF2斷開、QF3斷開時，此時主變頻器、從變頻器串聯工作，則輸出端2額定輸出10kV、6667kW。4.柔性變頻裝置的輸出電壓為IlkV時主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為5. 5kV，當QF I閉合、QF2斷開、QF3斷開時，此時主變頻器、從變頻器串聯工作，則輸出端2額定輸出llkV、7333kW。5.柔性變頻裝置的輸出電壓為12kV時主變頻器和從變頻器的輸出基準電壓為6kV，當QFl閉合、QF2斷開、QF3斷開時，此時主變頻器、從變頻器串聯工作，則輸出端2額定輸出12kV、8000kW。由上可知，通過切換聯鎖開關QF1、QF2、QF3可使主變頻器與從變頻器的逆變回路串聯或并聯連接，因此不僅可輸出比單個高壓變頻器更高的額定輸出電壓和額定輸出功率，還可通過調整主變頻器與從變頻器的輸出基準電壓，擴大輸出電壓的等級。在本實用新型中，由于柔性變頻裝置是通過對現有的高壓變頻器進行串、并聯的方式輸出高壓，大功率的電源，所以系統有以下優點I.輸出額定電壓或功率更寬，可達到單臺高壓變頻器額定值的兩倍；2.即使電壓等級具有特殊性，但不需要對變壓器、單元器件耐壓、結構等進行重新設計，使用現有的成熟產品即可實現；3.如果需求的輸出功率較大，并不需要重新開發大功率單元，完全可使用現有的成熟應用的單元；4.由于使用了成熟產品串、并聯，所以大大縮短了新產品的試驗期。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，均在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。例如，實施方式中，雖以兩臺高壓變頻器為例近進行說明，但也可采用兩臺以上的高壓變頻器以輸出更寬范圍的電壓、電流及功率，此時，只要在主變頻器與從變頻器之間建立通訊，使各個高壓變頻器只是在PWM調制控制上保證一致，保證主、從變頻器的輸出頻率、輸出電壓、相位完全一致即可。
權利要求1.一種柔性變頻裝置，其特征在于，包括兩臺以上的高壓變頻器，其中的一臺用作于主變頻器，其余的用作于從變頻器，主變頻器的逆變回路的輸出端通過聯鎖開關QF3，同步電抗L與各從高壓變頻器的逆變回路的輸出端連接，主變頻器通過聯鎖開關QFl與各從變頻器的逆變回路互相串聯，各從變頻器的逆變回路的中心點側端點通過聯鎖開關QF2連接，聯鎖開關QF2閉合時，構成各逆變回路的中心點，主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器建立通訊連接，主變頻器中的控制器發出調制信號，對主變頻器和從變頻器實行控制，使各變頻器在空間矢量PWM調制控制上保證一致，以保證主、從變頻器的輸出頻率、輸出電壓、相位一致。
2.根據權利要求I所述的柔性變頻裝置，其特征在于，主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器通過光纖建立通訊連接。
3.根據權利要求2所述的柔性變頻裝置，其特征在于，主變頻器和從變頻器的逆變回 路由多個功率單元串聯而成，串聯脈寬調制疊波輸出，Y型連接，中性點接地。
專利摘要本實用新型提供的柔性變頻裝置有兩臺高壓變頻器構成，其中的一臺用作于主變頻器，其余的用作于從變頻器，主變頻器的逆變回路的輸出端通過聯鎖開關QF3，同步電抗L與各從高壓變頻器的逆變回路的輸出端連接，主變頻器通過聯鎖開關QF1與各從變頻器的逆變回路互相串聯，各從變頻器的逆變回路的中心點側端點通過聯鎖開關QF2連接，聯鎖開關QF2閉合時，構成各逆變回路的中心點，主變頻器中的控制器與從變頻器中的控制器建立通訊連接，主變頻器中的控制器發出調制信號，對主變頻器和從變頻器實行控制，使各變頻器在空間矢量PWM調制控制上保證一致，以保證主、從變頻器的輸出頻率、輸出電壓、相位一致。
文檔編號H02M5/10GK202424535SQ20122002774
公開日2012年9月5日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者杜心林, 田雅光 申請人:北京合康億盛變頻科技股份有限公司