CN101378244B - 高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明一种高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器，应用于电力、水泥及冶金等行业的风机水泵类负载的绕线式电动机无级调速。包括并联斩波器和双重逆变器，并联斩波器包括两个平波电抗器(L1、L2)，两个绝缘栅双极晶体管(S1、S2)，两个快恢复二极管(D1、D2)和两个电容器(C1、C2)，双重逆变器包括两个独立的逆变器(Q1、Q2)和一个双逆变三绕组变压器(T)，其中一个逆变器(Q1)包括6支晶闸管(Q11～Q16)和一个电抗器(L3)，另一个逆变器(Q2)包括6支晶闸管(Q21～Q26)和一个电抗器(L4)，双逆变三绕组变压器(T)有三套绕组，其中高压侧有一套绕组，三相接成Y形，低压侧有两套绕组，一套三相接成Y形，另一套三相接成Δ形。本发明能保证每路并联回路的绝缘栅双极晶体管电流的大小基本一致。

Description

高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器

(一)技术领域

本发明涉及一种高压电动机绝缘栅双极晶体管(IGBT)并联斩波式双逆变调速技术。广泛应用于电力、水泥及冶金等行业的风机水泵类负载的绕线式电动机无级调速，特别适合于绕线式电机的调速技术改造项目。属于机电技术领域。

(二)背景技术

风机、水泵的应用范围极广，其年耗电量约占总用量的43％。目前，这类设备大多不能调速，只能采用阀门或挡风板来调节流量以满足负荷变化的要求。在低压系统中，变频调速技术已经相当成熟，完全可以满足国内调速市场的需要。而在大功率(≥250kW)高压系统中，变频调速和高频斩波内反馈调速是目前比较常用的调速方式。

变频调速串接在电源和电动机之间，因此要承受电动机的全部功率，变频调速装置通过改变定子频率和电压来调节电动机转速，而大功率电机供电电压高(3-10kV)，目前电力电子器件的耐压制造水平低，变频器承受较高的电压，大量的电力电子器件串联运行，结构复杂。

内反馈调速属于串级调速的范畴，有移相式和斩波式两种控制方式。高频斩波内反馈调速是电动机转子侧接不可控整流，转子输出能量经过整流变化输出，通过斩波器进行脉宽调制升压，然后通过晶闸管逆变装置，将电动机转差率反馈到电动机的附加绕组。其中关键技术就是斩波变流控制。移相式内反馈调速，产生大量的感性无功功率和高次谐波电流，斩波控制从根本上解决了移相控制的缺点，固定晶闸管逆变器的相角，通过IGBT斩波开关的通断，控制反馈功率的大小，因而以较小功率的低压设备控制全功率的高压电动机，功率因数提高，谐波分量减少。但是在电动机功率较大时，受目前绝缘栅双极晶体管单管容量的限制，单只绝缘栅双极晶体管组成的斩波开关不能满足要求，需要两只甚至多只绝缘栅双极晶体管并联(如图2所示)，并联后的电路存在着分流后的均流的问题，直接并联运行的绝缘栅双极晶体管斩波控制方式严重降低了系统的可靠性。

对于基建项目，采用高频斩波内反馈调速和变频调速都是可行的方案。对于改造项目，如原负载电动机是鼠笼式的，可以采用变频调速方案，如采用高频斩波内反馈调速，需要更换成内反馈电动机，原来的鼠笼电机报废，增加了大量的投资，另外，更换后的电动机同原电动机安装尺寸不匹配，还需要改造电动机安装基础，工程量较大。

在水泥、冶金等高耗能行业，存在着大量的绕线式电动机，这部分电机在进行节能改造时，如果采用变频调速方案，需要把电动机的转子引线短接，但是如果变频器运行中出现故障，电动机改为工频运行时，由于转子短接后的电动机不能直接启动(绕线式电动机正常启动时，需要在转子回路串入电阻实现软启动)，需要重新把原来的绕线电机启动系统恢复，影响正常的生产并且工程投资和工程量大。如果采用传统的串级调速方式，通过逆变变压器向电网反馈能量，虽然可以通过斩波控制减少逆变变压器的容量，功率因数有所提高，但是由于没有了内反馈调节线圈的绕组分布消除谐波的效果，以及与高压电源的隔离作用，传统的串级斩波调速方式存在着对电网的谐波影响大的问题。

(三)发明内容

本发明的第一目的在于克服原串级调速电路中绝缘栅双极晶体管并联时的均流问题，提供一种可以保证每路并联回路的绝缘栅双极晶体管电流的大小基本一致的高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器。

本发明的第二目的在于对于绕线式电动机调速改造项目，克服采用高频斩波内反馈调速需要更换成内反馈电动机的缺点，以及采用高压变频需转子绕组短接但无法直接工频启动的缺点，可以保留原电动机，提供一种可以通过逆变变压器同时能够降低谐波影响，不用再增加滤波装置的高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器。

本发明的第三目的在于可以实现多台调速装置的并联运行的高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器。

本发明的目的是这样实现的：一种高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器，其特征在于所述控制器包括并联斩波器和双重逆变器，

所述并联斩波器包括平波电抗器L1、L2，绝缘栅双极晶体管S1、S2，快恢复二极管D1、D2和电容器C1、C2，所述平波电抗器L1和L2的一端并联一起接到并联斩波器输入正极端(P1)，平波电抗器L1的另一端同绝缘栅双极晶体管S1正端和快恢复二极管D1的阳极连接，平波电抗器L2的另一端同绝缘栅双晶体管S2正端和快恢复二极管D2的阳极连接，快恢复二极管D1的阴极与电容器C1的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端(P2)，快恢复二极管D2的阴极与电容器C2的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端(P2)，绝缘栅双晶体管S1的负端和绝缘栅双极型晶体管S2的负端与电容器C1的负端和电容器C2的负端连接一起接到并联斩波器输出的负极端(E)，

所述双重逆变器包括两个独立的逆变器Q1、Q2和一个双逆变三绕组变压器T，所述两个独立的逆变器Q1、Q2并联连接，逆变器Q1包括6支晶闸管Q11～Q16和一个电抗器L3，晶闸管Q11的阳极、晶闸管Q13的阳极和晶闸管Q15的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L3的输出端；晶闸管Q14的阴极和晶闸管Q16的阴极和晶闸管Q12的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入负极端(E端)；晶闸管Q11的阴极和晶闸管Q14的阳极共同连接在一起、晶闸管Q13的阴极和晶闸管Q16的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q15的阴极和晶闸管Q12的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q1的三相交流输出端(A1、B1、C1)，

相同结构的逆变器Q2包括6支晶闸管Q21～Q26和一个电抗器L4，晶闸管的Q21阳极、晶闸管Q23的阴极和晶闸管Q25的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L4的输出端；晶闸管Q24的阴极、晶闸管Q26的阴极和晶闸管Q22的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变部分的输入负极端(E端)；晶闸管Q21的阴极和晶闸管Q24的阳极共同连接在一起、晶闸管Q23的阴极和晶闸管Q26的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q25的阴极和晶闸管Q22的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q2的三相交流输出端(A2、B2、C2)，

逆变器Q1的电抗器L3的输入端和逆变器Q2的电抗器L4的输入端共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入正极端(P2端)。

所述双重逆变器的输入正极端(P2端)和输入负极端(E)分别同并联斩波器的输出正极端(P2)和输出负极端(E)连接，

所述双逆变三绕组变压器T有三套绕组，其中高压侧有一套绕组，三相接成Y形，连接到高压电动机电源入口侧U、V、W，低压侧有两套绕组，一套绕组Tq1三相接成Y形，连接到逆变器Q1的三相交流输出端(A1、B1、C1)，另一套绕组Tq2三相接成Δ形，连接到逆变器Q2的三相交流输出端(A2、B2、C2)，

所述低压侧的两套绕组Tq1和Tq2设计为移相绕组，相位相差60°。

本发明具有如下优点：

1、采用本发明绝缘栅双极晶体管并联技术，可以保证每路并联回路的电流的大小基本一致，解决了原并联电路中绝缘栅双极晶体管并联时的均流问题，确保每只IGBT的安全运行。

2、对于绕线式电动机调速改造项目，可以保留原电动机，利用本调速系统中的一台三绕组移相式逆变变压器，把能量反馈到电动机的电源入口侧，克服了采用高频斩波内反馈调速更换成内反馈电动机的缺点，同时由于采用了三绕组逆变变压器，可以降低谐波影响，不用再增加滤波装置。

3、可以实现多台调速装置的并联运行，特别有利于超大容量电机的运行控制。例如，可以将两台3500KW的调速装置并联运行，控制一台7000KW的绕线电动机、双馈电动机或内反馈电动机调速运行，本发明特别适合用于于大型水泵电机(功率大于5000KW)的调速运行。

(四)附图说明

图1为本发明高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器的电路图。

图2为常规的斩波器并联电路图。

图3为本发明的双重逆变器电路运行电流的矢量图。

图4为本发明的双重逆变器电路运行电流的波形图。

图5为采用本发明高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器的调速装置并联运行的电路框图。

图6为本发明应用于普通绕线式高压电动机的电路框图一。

图7为本发明应用于内反馈式高压电动机的电路框图二。

图8为本发明应用于绕笼式无滑环高压电动机的电路框图三。

(五)具体实施方式

参见图1，本发明涉及的高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器，由并联斩波器和双重逆变器两部分组成。

参见图1的A部分：并联斩波器：所述并联斩波器由平波电抗器L1、L2，绝缘栅双极晶体管S1、S2，快恢复二极管D1、D2和电容器C1、C2组成。其用途为将输入到并联斩波器正极端P1和负极端E的直流低电压u1升高到逆变需要的高电压u2。所述平波电抗器L1和L2的一端并联一起接到并联斩波器输入正极端P1，平波电抗器L1的另一端同绝缘栅双极晶体管S1正端和快恢复二极管D1的阳极连接，平波电抗器L2的另一端同绝缘栅双晶体管S2正端和快恢复二极管D2的阳极连接，快恢复二极管D1的阴极与电容器C1的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端P2，快恢复二极管D2的阴极与电容器C2的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端P2，绝缘栅双晶体管S1的负端和绝缘栅双极型晶体管S2的负端与电容器C1的负端和电容器C2的负端连接一起接到并联斩波器输出的负极端E。

与以往直接并联的绝缘栅双极晶体管电路(图2)相比，本发明并联斩波器的拓扑电路结构不同，图2中的平波电抗器L1’和电容器C1’在本发明中分为两个平波电抗器L1、L2和两个电容器C1、C2。在图2中，绝缘栅双极晶体管S1’和S2’直接并联，为了保证两只绝缘栅双极晶体管尽可能的电流一致，必须选用门极特性及开通和关断时间等尽量接近的绝缘栅双极晶体管，并且绝缘栅双极晶体管的特性参数与温度有关，因此其散热条件也应尽可能的一致。

在本发明的并联斩波器中，由于两只绝缘栅双极晶体管不是直接并联，只要二极管D1和二极管D2输出的电压相等，就能保证两只绝缘栅双极晶体管的正常工作，否则，如果某只二极管输出电压高，那么另一只二极管就会因承受反向电压而截至，所有电流只从一个绝缘栅双极晶体管流过，就会造成绝缘栅双极晶体管过流。

本发明中的绝缘栅双极晶体管工作在脉宽调制(PWM)开关状态下，绝缘栅双晶体管S1和S2的门极端G1与G2相连，输入相同的脉宽调制(PWM)驱动信号。通电后，电源先通过平波电抗器L1和二极管D1对电容器C1充电，然后以一定的频率使绝缘栅双极晶体管S1导通关断。当绝缘栅双极晶体管S1导通时，平波电抗器L1开始储能，当绝缘栅双极晶体管S1关断时，平波电抗器L1的反电动势改变方向，二极管D1开始导通，u1加上L1的反电动势，经二极管D1向电容器C1充电并向负载提供电流，另一并联的绝缘栅双晶体管S2、平波电抗器L2、二极管D2和电容器C2电路的工作过程和上面描述的相同。输出电压u2和输入电压u1的关系为：

$u_2=u_1\frac{T}{T-\mathrm{\τ}}...\left(1\right)$

式中T-开关S1的开关周期

τ-开关S1的导通时间

由式(1)可以看出，输出电压u2只与输入电压u1、S1的开关频率和S1的导通时间有关，而与平波电抗器L1、L2以及绝缘栅双晶体管S1、S2的特性参数无关，这就保证了二极管D1和二极管D2的输出电压相等，因此每路并联回路的电流的大小也基本一致，克服了原并联电路中绝缘栅双晶体管并联时的均流问题，确保了每只绝缘栅双晶体管的安全运行。

由式(1)可以看出，增大绝缘栅双晶体管S1的导通时间τ，输出电压u2将高于输入电压u1，斩波器的这一特性，恰好满足了电机在高速段运行时调速的需要，因为电极运行在高速段时，转子的输出电压小，整流后的直流电压连接到图1的P1和E端，通过控制斩波电路的导通时间τ，就可以升高逆变器的直流侧电压，保证了电机在整个调速范围的运行。

参见图1的B部分：双重逆变器部分。双重逆变器的输入正极端P2和负极端E分别同并联斩波器的输出正极端P2和输出负极端E连接。双重逆变器由两个独立的逆变器Q1、Q2和一个双逆变三绕组变压器T组成。所述两个独立的逆变器Q1、Q2并联连接。

逆变器Q1由6支晶闸管Q11～Q16和一个电抗器L3组成。晶闸管Q11的阳极、晶闸管Q13的阳极和晶闸管Q15的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L3的输出端；晶闸管Q14的阴极和晶闸管Q16的阴极和晶闸管Q12的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入负极端E端；晶闸管Q11的阴极和晶闸管Q14的阳极共同连接在一起、晶闸管Q13的阴极和晶闸管Q16的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q15的阴极和晶闸管Q12的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q1的三相交流输出端A1、B1、C1。

相同结构的逆变器Q2由6支晶闸管Q21～Q26和一个电抗器L4组成。晶闸管的Q21阳极、晶闸管Q23的阴极和晶闸管Q25的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L4的输出端；晶闸管Q24的阴极、晶闸管Q26的阴极和晶闸管Q22的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入负极端E端；晶闸管Q21的阴极和晶闸管Q24的阳极共同连接在一起、晶闸管Q23的阴极和晶闸管Q26的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q25的阴极和晶闸管Q22的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q2的三相交流输出端A2、B2、C2。

逆变器Q1的电抗器L3的输入端和逆变器Q2的电抗器L4的输入端共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入正极端P2端。

所述双逆变三绕组变压器T有三套绕组，其中高压侧有一套绕组，三相接成Y形，连接到高压电动机电源入口侧U、V、W。低压侧有两套绕组，一套绕组Tq1三相接成Y形，连接到逆变器Q1的三相交流输出端A1、B1、C1，另一套绕组Tq2三相接成Δ形，连接到逆变器Q2的三相交流输出端A2、B2、C2。用于将直流电逆变成50Hz的交流电；双逆变三绕组变压器T用于将逆变器生成的低电压变换成高电压，反馈到电动机高压入口侧。

低压侧的两套绕组Tq1和Tq2设计为移相绕组，相位相差60°，如图3所示矢量图，Tq1绕组的电流I1a、I1b、I1c比Tq2绕组的电流I2a、I2b、I2c相位超前60°，逆变电流波形如图4所示，矢量合成后的逆变变压器高压侧电流Iu、Iv、Iw波形谐波含量明显的减少。因此，通过双重逆变后逆变变压器T输出电流波形中的谐波成分大幅减少，在不采取任何滤波措施的情况下，电能质量的标准完全能够满足“GB/T 14549电能质量公用电网谐波”的要求。

参见图5，采用本发明高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器的调速装置可以很方便上的实现调速装置的并联运行，该发明可以采用简单并且低成本的方法解决大容量绕线电机的调速运行可靠性问题。总所周知，目前大功率电力电子器件的耐压等级和额定电流受器件制造水平和价格的限制，大容量电机(功率超过5000KW)的高压电机实现调速运行的代价是很高的，电力电子器件的直接并联和串联将会带来均压和均流以及可靠性等多方面的问题。采用该发明的技术可以直接将应用成熟并且性价比合适的IGBT并联斩波式双逆变调速技术的调速装置直接并联运行，实现多台调速装置的并联运行，特别有利于超大容量电机的运行控制。

图6、图7、图8为本发明在不同电机上的应用情况。图6是本发明在绕线电机上的应用原理框图，图7是本发明在内反馈电机上的应用原理框图，图8是本发明在绕笼电机上的应用原理框图。

Claims (1)

1.一种高压电机并联斩波和双逆变调速节能控制器，其特征在于所述控制器包括并联斩波器和双重逆变器，

所述并联斩波器包括平波电抗器L1、L2，绝缘栅双极晶体管S1、S2，快恢复二极管D1、D2和电容器C1、C2，所述平波电抗器L1和L2的一端并联一起接到并联斩波器输入正极端(P1)，平波电抗器L1的另一端同绝缘栅双极晶体管S1正端和快恢复二极管D1的阳极连接，平波电抗器L2的另一端同绝缘栅双晶体管S2正端和快恢复二极管D2的阳极连接，快恢复二极管D1的阴极与电容器C1的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端(P2)，快恢复二极管D2的阴极与电容器C2的正端连接一起接到并联斩波器输出的正极端(P2)，绝缘栅双晶体管S1的负端和绝缘栅双极型晶体管S2的负端与电容器C1的负端和电容器C2的负端连接一起接到并联斩波器输出的负极端(E)，

所述双重逆变器包括两个独立的逆变器Q1、Q2和一个双逆变三绕组变压器T，所述两个独立的逆变器Q1、Q2并联连接，逆变器Q1包括6支晶闸管Q11～Q16和一个电抗器L3，晶闸管Q11的阳极、晶闸管Q13的阳极和晶闸管Q15的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L3的输出端；晶闸管Q14的阴极和晶闸管Q16的阴极和晶闸管Q12的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入负极端(E端)；晶闸管Q11的阴极和晶闸管Q14的阳极共同连接在一起、晶闸管Q13的阴极和晶闸管Q16的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q15的阴极和晶闸管Q12的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q1的三相交流输出端(A1、B1、C1)，

相同结构的逆变器Q2包括6支晶闸管Q21～Q26和一个电抗器L4，晶闸管Q21的阳极、晶闸管Q23的阳极和晶闸管Q25的阳极共同连接在一起，连接到电抗器L4的输出端；晶闸管Q24的阴极、晶闸管Q26的阴极和晶闸管Q22的阴极共同连接在一起，连接到双重逆变部分的输入负极端(E端)；晶闸管Q21的阴极和晶闸管Q24的阳极共同连接在一起、晶闸管Q23的阴极和晶闸管Q26的阳极共同连接在一起以及晶闸管Q25的阴极和晶闸管Q22的阳极共同连接在一起分别构成逆变器Q2的三相交流输出端(A2、B2、C2)，

逆变器Q1的电抗器L3的输入端和逆变器Q2的电抗器L4的输入端共同连接在一起，连接到双重逆变器的输入正极端(P2端)，

所述双重逆变器的输入正极端(P2端)和输入负极端(E)分别同并联斩波器的输出正极端(P2)和输出负极端(E)连接，

所述双逆变三绕组变压器T有三套绕组，其中高压侧有一套绕组，三相接成Y形，连接到高压电机电源入口侧U、V、W，低压侧有两套绕组，一套绕组Tq1三相接成Y形，连接到逆变器Q1的三相交流输出端(A1、B1、C1)，另一套绕组Tq2三相接成△形，连接到逆变器Q2的三相交流输出端(A2、B2、C2)，

所述低压侧的两套绕组Tq1和Tq2设计为移相绕组，相位相差60°。

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