CN100596010C - 一种五电平变频调速器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多电平高压变频调速器技术领域，特别涉及一种简单的五电平变频调速器装置。该装置是由高压整流电路、高压电容滤波电路、强制均压电路和高压逆变电路依次连接组成，所述的逆变电路的主控器件采用IGBT、IGCT或MOSFET，采用二极管钳位五电平结构，三个桥臂相同的逆变器。本发明的优点为：整流电路的形式与逆变器电路结构完全相同时可实现四象限运行。强制均压电路和辅助电源简化强制均压电路的设置，得到了各钳位电位均衡。整机电路结构简单，器件的利用率高，不需特殊的生产工艺就能实现产品技术指标的稳定性和高可靠性。

Description

一种五电平变频调速器装置

(一)技术领域

本发明涉及多电平高压变频调速器技术领域，特别涉及一种五电平变频调速器装置。

(二)背景技术

随着现代电力电子器件的发展，其电压等级不断提高，但是直接用高电压等级的功率器件做高压变频器还是存在很多的缺陷：1、器件的耐压等级越高，其du/dt就越大，对电机的绝缘不利；2、器件受到耐压材料的限制，不可能无限制的提高。目前，高压变频调速器一般都采用输入端加移相变压器的方法解决器件耐压不足的问题，但是，由于输入端有移相变压器，使得整机损耗高体积庞大，不利于产品向小型化、低成本、高效率方向发展。

(三)发明内容

本发明的目的就是要提供一种五电平变频调速器装置，利用IGBT来实现的五电平电路拓扑的高压变频器，具有控制简单，安全可靠的基于混合载波的五电平高压变频调速器。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明涉及一种五电平变频调速器装置，是由高压整流电路、高压电容滤波电路、均压电路和高压逆变电路依次连接组成，其特征在于：所述的逆变电路的主控器件采用IGBT、IGCT或MOSFET，所述的逆变电路采用二极管钳位五电平结构，具有三个桥臂相同的逆变器；所述的均压电路为三组，分别依次连接在滤波电路的相邻电容之间，每组均压电路采用两个功率器件和一个电感，其中其中两个功率器件串联连接后并联在相邻电容的两端，电感的一端连接在相邻电容的串联连接点，另一端连接在两个功率器件的串联连接点。

本发明的五电平变频调速器装置，所述的整流电路是由电源变压器和二极管整流电路组成；变压器具有4个副边绕组，各副边绕组均为原边的1/4；其中两组为星形接法，另两组为三角形接法，四组三相桥式整流提供四个合适的电压，作为逆变器的供电电源及钳位电源。

本发明的五电平变频调速器装置，所述的整流电路为PWM整流电路，采用二极管钳位五电平结构，整流电路由三个相同的桥臂组成；所述的PWM整流电路的控制方式中有四路载波，其中位于中间的两路PWM整流电路的两个载波频率比用于位于两边的两路PWM整流电路的两个载波频率高。

本发明的五电平变频调速器装置，所述的整流电路的辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接和星接，每个副边绕组的电压为所述变频调速器装置的主电源电压的1/4。

在需要实现四象限运行时，整流电路的形式与逆变器电路结构完全相同。若不需要实现四象限运行时，其中一半整流功率开关可以用二极管代替。为得到各钳位电位均衡，设置强制均压电路。

本发明逆变器结构电路的优点在于：高压逆变电路采用IGBT组成，采用二极管钳位五电平结构，三个桥臂相同的逆变器。其中一个桥臂的电路如图6所示。逆变器载波波形图如图7所示。图7所示的载波既可以有利于均压电路均压，又有利于减少辅助变压器的容量。

本发明的五电平变频调速器装置，其整机优点在于，当逆变器采用同一种可控器件组成五电平时，其输入电源的整流方式灵活，也可用电源变压器和不控二极管整流电路组成普通的整流方式；也可去掉电源变压器，采用PWM整流，二极管钳位五电平结构；整流电路的形式与逆变器电路结构完全相同时可实现四象限运行。强制均压电路和辅助电源简化强制均压电路的设置，得到了各钳位电位均衡。整机电路结构简单，器件的利用率高，不需特殊的生产工艺就能实现产品技术指标的稳定性和高可靠性。

(四)附图说明

图1是本发明的五电平变频器的结构框图

图中：1、整流电路  2、滤波电路  3、均压电路  4、逆变电路。

图2是本发明的带输入变压器的整流电路图。

图3是本发明的PWM整流电路单相电路图。

图4是本发明的强制均压电路图。

图5是本发明的简化均压电路图。

图6是本发明的逆变电路中的一个桥臂电路图。

图7是本发明的载波波形图。

图8是本发明的PWM整流器载波波形图。

上述附图中，逆变电路等各由相同的三部分组成，附图中只画出各相同部分中的一相电路，以说明各相同部分的电路原理。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作具体说明。

如图1所示，三相高压6KV-10KV交流电直接送入整流单元1进行整流，通过电容电路2和强制均压电路3，然后送入高压逆变单元电路4，高压逆变单元电路4直接输出三相高压6KV-10KV交流电。

如图2所示，高压变频器带输入变压器的整流电路结构为：电源变压器的四个副边绕组T2、T3、T4、T5的接法为，T2、T5为三角形接法，T3、T4为星形接法。T2组的三相整流滤波器件由二极管V1、V2、V3、V4、V5、V6接成三相桥式不控整流，电容C1进行滤波。其他T3、T4、T5三组与T2结构相同，四组以串联的形式接于正负电源母线之间，并以A、B、C点为电压输出端。

如图3所示，高压变频器PWM整流单元的单相电路结构为：整流器件在正负母线之间以串联的形式连接，以点R为中心分为上下桥臂。其中，V1、V2、V14、V16为快恢复二极管；S1、S2、S3、S4为可控器件IGBT；钳位二极管的接法为：快恢复二极管V3、V4、V6、V9串联后，其负端接于V1、V2之间，其正端接于S3的发射极与S4的集电极之间，V3、V4之间为钳位点A；快恢复二极管V5、V7、V10、V12串联后，其负端接于V2负极与S1集电极之间，其正端接于S4发射极与V14负极之间，V7、V10之间为钳位点B；快恢复二极管V8、V11、V13、V15串联后，其负端接于S1发射极与S2的集电极之间，其正端接于V14、V16之间，V13、V15之间为钳位点C。

如图4所示，电容强制均压电路结构为：滤波电容C1、C2、C3、C4以及可控器件S1、S2、S3、S4都以串联的形式接于正、负母线之间。其中，可控器件S1的发射极与S2的集电极之间通过接一滤波电感L1与电容C1、C2之间相接，钳位点A与整流电路钳位点A相接。可控器件S2的发射极与S3的集电极之间与滤波电感L2的一端及电容C2、C3之间B点相接，钳位点B与整流电路钳位点B相接。可控器件S2的发射极与S3的集电极之间通过接一滤波电感L2与电容C2、C3之间相接，钳位点B与整流电路钳位点B相接。可控器件S3的发射极与S4的集电极之间通过接一滤波电感L3与电容C3、C4之间相接，钳位点C与整流电路钳位点C相接。可控器件S5的发射极与S6的集电极之间通过接一滤波电感L2与可控器件S2的发射极与S3的集电极之间及B点相接。S5的集电极接于A点，S6的发射极接于C点。

如图5所示，高压变频器简化均压电路的结构为：辅助电源变压器的两个副边绕组T02、T03的接法为，T02为三角形接法，T03为星形接法。T02组的三相整流滤波器件由二极管V1、V2、V3、V4、V5、V6接成三相桥式整流，T03组的三相整流滤波器件由二极管V7、V8、V9、V10、V11、V12接成三相桥式整流，同时电容C1、C2、C3、C4以串联的形式接于正负母线之间，组成滤波电路。两组整流电压以串联的形式连接后，其A、B、C点分别连接于：A点接于C1、C2之间；B点接于C2、C3之间；C点接于C3、C4之间。可控器件S1集电极接于正母线P+，发射极通过一电感L1接于A点，可控器件S2集电极通过一电感L2接于C点，发射极接于负母线P-。

如图6所示，可控器件逆变单元的单相电路结构为：可控器件在正负母线之间以串联的形式连接，以点U为中心分为上下桥臂。其中，S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22为可控器件IGBT；钳位二极管的接法为：快恢复二极管V17、V19、V22、V25串联后，其负端接于S15的发射极与S16集电极之间，其正端接于S19的发射极与S20的集电极之间，V17、V19之间为钳位点A，并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点A连接在一起；快恢复二极管V18、V21、V24、V27串联后，其负端接于S16的发射极与S17的集电极之间，其正端接于S20的发射极与S21的集电极之间，V21、V24之间为钳位点B，并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点B连接在一起；快恢复二极管V20、V23、V26、V28联后，其负端接于S17的发射极与S18的集电极之间，其正端接于S21的发射极与S22的集电极之间，V26、V28之间为钳位点C。并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点C连接。

本发明逆变器结构电路的优点在于：高压逆变电路采用IGBT组成，采用二极管钳位五电平结构，三个桥臂相同的逆变器。其中一个桥臂的电路如图6所示。逆变器载波波形图如图7所示。图7所示的载波既可以有利于均压电路均压，又有利于减少辅助变压器的容量。

本发明整流电路的优点在于：变频器的高压整流电路，可以采用下列结构形式中的任一种来实现其AC/DC功能：

(1)高压变频器输入端通过三相电源变压器，变压器具有4个三相副边绕组，其中两组为星形接法，两组为三角形接法，四组三相桥式二极管不控整流提供四个相等的电压，作为逆变器的供电电源及钳位电源，如图2所示。

(2)变频器的前端为PWM整流电路，采用二极管钳位五电平结构，三个桥臂相同的整流电路，其中一个桥臂的电路如图3所示。PWM整流器载波波形图如图8所示。中间的两个载波频率比两边的频率高，这样的目的是获得更高的波形分辨率。

在需要实现四象限运行时，整流电路的形式与逆变器电路结构完全相同。若不需要实现四象限运行时，其中一半整流功率开关可以用二极管代替。为得到各钳位电位均衡，设置强制均压电路，强制均压电路如图4所示。

(3)变频器的前端为PWM整流电路，同时设置一对辅助电源，简化强制均压电路，简化强制均压电路如图5所示。

辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接或星接。一对辅助电源的大小均为主电源电压的1/4。

Claims (4)

1、一种五电平变频调速器装置，是由高压整流电路(1)、高压电容滤波电路(2)、均压电路(3)和高压逆变电路(4)依次连接组成，其特征在于：所述的高压逆变电路(4)的主控器件采用IGBT、IGCT或MOSFET，所述的高压逆变电路(4)采用二极管钳位五电平结构，并具有三个相同桥臂；所述的均压电路为三组，依次分别连接在高压滤波电路(2)的相邻电容之间，每组均压电路采用两个功率器件和一个电感，其中两个功率器件串联连接后并联在相邻电容的两端，电感的一端连接在相邻电容的串联连接点，另一端连接在两个功率器件的串联连接点。

2、根据权利要求1所述的五电平变频调速器装置，其特征在于：所述的高压整流电路(1)是由电源变压器和二极管整流电路组成；该电源变压器具有4个副边绕组，各副边绕组均为原边的1/4；其中两组为星形接法，另两组为三角形接法，四组三相桥式整流电路提供四个合适的电压，作为所述的高压逆变电路(4)的供电电源及钳位电源。

3、根据权利要求1所述的五电平变频调速器装置，其特征在于：所述的高压整流电路(1)为PWM整流电路，采用二极管钳位五电平结构，由三个相同的桥臂组成；所述的PWM整流电路的控制电路中有四路载波，其中位于中间的两路PWM整流电路的两个载波频率比位于两边的两路PWM整流电路的两个载波频率高。

4、根据权利要求1所述的五电平变频调速器装置，其特征在于：所述的高压整流电路(1)的辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接和星接，每个副边绕组的电压为所述变频调速器装置的主电源电压的1/4。

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