CN101562400B - 一种高电压功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高电压功率变换装置，包括原边绕组连接到电源输入且激励出多组副边绕组的变压器以及与多组副边绕组分别连接的多个功率单元，所述变压器的多组副边绕组分别为多个功率单元提供相互独立的电源，所述功率单元包括二象限功率单元和四象限功率单元，所述功率变换装置的每相输出都由至少一个二象限功率单元和至少一个四象限功率单元串联构成。本发明提出一种既有二象限功率单元，又有四象限功率单元的混合结构，通过四象限功率单元中的PWM整流器可以对功率变换装置的输入谐波进行补偿，可以进行输入功率因数校正，还可以将负载发出的能量回馈到电源上。

Description

一种高电压功率变换装置
技术领域
本发明涉及功率变换，更具体地说，涉及一种高电压功率变换装置。
背景技术
在世界能源危机的大背景下，能节约大量能源的变频调速装置越来越受到关注，尤其是占能源消耗较大比例的高电压等级的风机、泵类等负载，需要匹配高电压等级的交直流功率变换装置来节能。
传统的高压功率变换装置大多采用级联方案，如图1所示，移相变压器2的原边绕组1接电压输入，每个副边绕组和一个功率单元12～20相连，将这些功率单元的输出串联起来产生一个三相的交流输出。如图2所示，每个功率单元包括一个AC-DC整流器、一个直流滤波器、一个输出的单相DC-AC逆变器，功率单元的作用是将移相变压器副边绕组提供的电压经过变换后输出，其中AC-DC整流器是由二极管组成，直流滤波器由电容组成，DC-AC逆变器由全控型器件组成。
这种多功率单元串联输出的方法具有谐波小、电压等级高等特点，但由于功率单元中的AC-DC整流器是由二极管组成，输入功率因数很低，因此必须采用移相变压器，这样就增加了系统的成本和体积。其次，功率变换装置只能在电机的转速-转矩坐标系下二象限运行，即第一象限运行时电机转速和转矩都为正，第三象限运行时电机转速和转矩都为负，此时能量从电源流向电机负载，电机运行于电动状态。
当电机运行于发电机状态时，能量由电机流向功率变换装置，需要功率变换装置能四象限运行，即除了第一象限和第三象限运行外，还需要运行于第二象限和第四象限，第二象限运行即电机转速为负、转矩为正，第四象限运行即电机转速为正、转矩为负。图1所示功率变换装置是没有办法将能量回馈到电源的，只能通过其它装置进行泄放或回馈。
为了解决能量回馈的问题，有文献提出了一种高压功率变换装置进行改进的方法，其特点在于：外加一套能量回馈装置200，可以是IGBT组成的PWM整流电路，如图3所示，能量回馈装置200的直流输入端接到功率单元的直流端，交流输出端接到功率单元的整流器输出端，这样能量回馈装置实际上是和功率单元的整流器是并联在一起的。当功率变换装置所带的电机负载运行于电动状态时，能量回馈装置200不工作，功率单元70中的整流器和传统级联方案功率单元中整流器的功能一样，将变压器副边的交流输出转化为直流；当电机负载运行于发电状态时，电机的能量反灌入功率单元70，使直流端电压即电容76a、76b两端电压升高，此时能量回馈装置200开始工作，将电机灌入的能量回馈到变压器，最终回馈到电源上，这样就达到了能量回馈的目的。但是这种方案的缺点是在传统的功率单元70上都必须外加一个能量回馈装置200，增加了功率单元的体积，增加了系统的成本和复杂程度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述功率变换装置增加能量回馈装置会增加功率单元的体积以及增加系统成本和复杂度的缺陷，提供一种高电压功率变换装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高电压功率变换装置，包括至少一组的原边绕组连接到电源输入且激励出多组副边绕组的变压器以及与多组副边绕组分别连接的多个功率单元，所述变压器的多组副边绕组分别为多个功率单元提供相互独立的电源，其特征在于，所述功率单元的各相输出串联起来构成所述高电压功率变换装置的各相输出，所述功率单元包括至少一个二象限功率单元和至少一个四象限功率单元。
在本发明所述的高电压功率变换装置中，所述功率变换装置连接的电机运行于电动状态时，能量从电源输入通过所述变压器和所有功率单元流向电机，此时四象限功率单元用于谐波补偿和/或功率因数校正；所述电机运行于发电状态时，能量能且仅能从四象限功率单元回馈到电源输入。
在本发明所述的高电压功率变换装置中，可以根据用户的需求，调整四象限功率单元和二象限功率单元的数量，来满足能量回馈及谐波补偿和/或功率因数校正的不同要求。
在本发明所述的高电压功率变换装置中，所述四象限功率单元包括由全控型器件组成的第一整流器、与所述第一整流器电连接的第一直流滤波器及与所述第一直流滤波器电连接的第一逆变器，所述第一整流器可以是PWM整流器，所述第一直流滤波器可以是电容，所述第一逆变器也由全控型器件组成。当电机负载运行于电动状态时，能量通过功率变换装置从电源流入电机，所述第一整流器将输入的交流电转换为直流电，同时通过控制所述第一整流器来减小输入电流谐波，也可以实现功率因数校正，所述第一直流滤波器起稳压和滤波的作用，所述第一逆变器将直流电转换为交流电输出；当电机负载运行于发电状态时，能量通过功率变换装置由电机回馈到电源输入，所述第一逆变器工作为整流状态，将电机输出的交流电整流为直流电，经过所述第一直流滤波器的滤波后，经过工作于逆变状态的所述第一整流器转换为交流电回馈到电源。
在本发明所述的高电压功率变换装置中，所述二象限功率单元包括由半控型或不控型器件组成的第二整流器、与所述第二整流器连接的第二直流滤波器及与所述第二直流滤波器连接的第二逆变器。其中，所述第二整流器可以由二极管组成，所述第二直流滤波器可以是电容，所述第二逆变器由全控型器件组成。当电机负载运行于电动状态时，所述第二整流器将输入的交流电转换为直流电，所述第二直流滤波器起稳压和滤波的作用，所述第二逆变器将直流电转换为交流电输出；当电机负载运行于发电状态时，通过控制所述第二逆变器，使有功功率不能流入所述二象限功率单元，从而避免了所述二象限功率单元直流环节电压的升高。
实施本发明的高电压功率变换装置，具有以下有益效果：将只含有单一的二象限功率单元的高电压功率变换装置改成既有二象限功率单元，又有四象限功率单元的混合结构的高电压功率变换装置，通过四象限功率单元中由全控型器件组成的整流器进行谐波补偿，还可以进行功率因数校正，因此可以将复杂的移相变压器改成普通的非移相变压器，同时四象限功率单元还可以将电机负载在发电状态下发出的能量回馈到电源上。
由于谐波补偿、功率因数校正和能量回馈功能都是由四象限功率单元来完成的，因而根据不同的谐波要求、功率因数的要求和回馈能量的不同比例，可以灵活地调整功率变换装置中四象限功率单元的个数。这样既可以实现谐波补偿、功率因数校正和能量回馈等功能，又能最大程度的降低系统的复杂程度，提高系统可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是传统的功率变换装置的原理图；
图2是二象限功率单元的原理图；
图3是带能量回馈装置的二象限功率单元的原理图；
图4是本发明的高电压功率变换装置的一个实施例的原理图；
图5是本发明的四象限功率单元的原理图；
图6是本发明的二象限功率单元的原理图；
图7是本发明的高电压功率变换装置的第二种实施例的原理图；
图8是本发明的四象限功率单元的第二种实施例的原理图；
图9是本发明的二象限功率单元的第二种实施例的原理图；
图10是本发明的二象限功率单元的第三种实施例的原理图；
图11是本发明的高电压功率变换装置的第三种实施例的原理图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的主要特点是：电源输入连接到变压器的原边绕组；变压器激励出多组副边绕组，这些副边绕组的输出分别连接到功率单元的输入上，变压器的副边绕组为功率单元提供相互独立的电源；这些功率单元有两种，即二象限功率单元和四象限功率单元，这两种功率单元在同一台功率变换装置中混合使用；这些功率单元的输出分别串联起来构成功率变换装置的各相输出。
本发明在传统的高电压级联功率变换装置上进行改进，将传统方案即在功率变换装置中只含有单一的二象限功率单元的结构，改成在功率变换装置中既含有二象限功率单元，又含有四象限功率单元的一种混合结构，通过四象限功率单元中PWM整流器对输入电流谐波进行补偿，还可以进行功率因数校正，因此可以将复杂的移相变压器改成普通的非移相变压器，同时四象限功率单元还可以将电机负载在发电状态下发出的能量回馈到电源上。该功率变换装置不仅减小了输入电流谐波，调节了功率因数，还能进行能量回馈，并且不需要额外增加专门的能量回馈装置，控制较为灵活且成本较低。
如图4所示，图中示出了本发明的高电压功率变换装置的一个实施例。从图4中可以看出，三相交流输入源30连接到变压器33的原边绕组，变压器33可以是移相变压器，也可以是非移相变压器。在本发明的实施例中，变压器有15个三相的副边绕组，每个绕组连接到功率单元上，为所述的功率单元提供独立的电源输入，如图4中一组三相的副边绕组34连接到功率单元A1即36上，功率单元A1～A5的输出串联起来组成一路输出接到电机32的A相37上、功率单元B1～B5的输出串联起来组成一路输出接到电机32的B相38上、功率单元C1～C5的输出串联起来组成一路输出接到电机32的C相39上，三相输出的另外一端都接到中点N即35上，其中任一路输出支路的有效输出电压是支路中各个功率单元的输出电压叠加组成，例如图4中A到N端的电压是由功率单元A1～A5输出电压叠加组成。
其中，功率单元A1、A3、A5、B1、B3、B5、C1、C3、C5为同一种功率单元，即四象限功率单元，每个四象限功率单元包括PWM整流器、直流滤波器和逆变器，PWM整流器主要由全控型器件组成，直流滤波器为直流电容组成，逆变器主要由全控型器件组成。
图5中示出了四象限功率单元101的原理图。四象限功率单元101包括PWM整流器161、直流滤波器162和逆变器163。PWM整流器161包括：首先IGBT104和105、106和107、108和109分别串联形成三个IGBT桥臂，再将三个IGBT桥臂并联起来组成PWM整流器，每个IGBT桥臂上两个串联的IGBT之间的端子作为桥臂的输入端，功率单元三相输入端102即变压器其中一组副边绕组的三相输出端分别连接在三个IGBT桥臂的输入端；所述直流滤波器162包括并联在上述IGBT桥臂两端的直流电容150；所述逆变器163包括：首先IGBT121和122、123和124分别串联形成两个IGBT桥臂，再将两个IGBT桥臂并联起来组成单相H桥逆变器，IGBT桥臂的两端和所述直流滤波器162并联连接，IGBT桥臂上两个串联的IGBT之间的端子作为IGBT桥臂的输出端，逆变器163中两个IGBT桥臂的输出端为四象限功率单元101的输出端。
功率单元A2、A4、B2、B4、C2、C4为另一种功率单元，即二象限功率单元，每个二象限功率单元包括二极管整流器、直流滤波器和逆变器，二极管整流器主要由二极管组成，直流滤波器为直流电容组成，逆变器主要由全控型器件组成。
图6中示出了二象限功率单元201的原理图。二象限功率单元201包括二极管整流器261、直流滤波器262和逆变器263。二极管整流器包括：首先二极管204和205、206和207、208和209分别串联形成三个二极管桥臂，再将三个二极管桥臂并联起来组成二极管整流器，二极管桥臂上两个串联的二极管之间的端子作为二极管桥臂的输入端，功率单元三相输入端202即变压器其中一组副边绕组的三相输出端，分别连接在三个二极管桥臂的输入端；所述直流滤波器262包括并联在上述桥臂两端的直流电容250；所述逆变器263包括：首先IGBT221和222、223和224分别串联形成两个IGBT桥臂，再将两个IGBT桥臂并联起来组成单相H桥逆变器263，IGBT桥臂的两端和所述直流滤波器262并联连接，每个IGBT桥臂上两个串联的IGBT之间的端子作为桥臂的输出端，逆变器263中两个IGBT桥臂的输出端为二象限功率单元201的输出端。
当电机32运行于电机状态时，能量依次通过电源30、变压器33、四象限功率单元及二象限功率单元，最终流入电机32，由于四象限功率单元中为PWM整流器，通过谐波补偿和功率因数校正控制策略可以减小输入电流的谐波含量，调节输入的功率因数；当电机32运行于发电状态时，能量由电机32产生，通过调整所有四象限功率单元及二象限功率单元中逆变器的控制方法，即所有四象限功率单元中逆变器运行于整流状态、所有二象限功率单元中逆变器只流过无功电流，这样可以使能量不流入二象限功率单元，而只流入四象限功率单元，使所有四象限功率单元的PWM整流器工作于逆变状态，将能量传输到变压器侧。这样电机能量通过所有四象限功率单元、变压器33，最终回馈到电源30。
四象限功率单元还有其他的实现方式，如图8所示，每个四象限功率单元301包括PWM整流器、直流滤波器和逆变器，PWM整流器主要由全控型器件组成，直流滤波器为直流电容组成，逆变器主要由全控型器件组成。这个实现方法和图5中实现方法的最大不同在于，其PWM整流器和逆变器都是二极管钳位的三电平拓扑。
图8中示出了四象限功率单元301的原理图。四象限功率单元301包括PWM整流器361、直流滤波器362和逆变器363。PWM整流器361包括：首先IGBT304、305、306、307串联起来形成IGBT桥臂，然后将二极管341、342串联起来形成二极管桥臂，二极管桥臂的两端分别连接到IGBT桥臂中304、305之间和306、307之间，整流器IGBT桥臂的输入端连接到IGBT305、306之间，同样的方法将IGBT308、309、310、311，二极管343、344以及IGBT312、313、314、315、二极管345、346连接起来，四象限功率单元301的输入端连接到三个IGBT桥臂的输入端；所述直流滤波器362包括串联起来的直流电容350、351；所述逆变器363包括：首先IGBT321、322、323、324串联起来形成IGBT桥臂，然后将二极管347、348串联起来形成二极管桥臂，二极管桥臂的两端分别连接到IGBT桥臂中321、322之间和323、324之间，逆变器IGBT桥臂的输出端连接到IGBT322、323之间，同样的方法将IGBT325、326、327、328、二极管349、340连接起来，四象限功率单元301的输出端连接到逆变器IGBT桥臂的输出端。串联后的电容两端、整流器IGBT桥臂两端和逆变器IGBT桥臂两端都并联在一起。所有二极管桥臂中，两个二极管之间的端子连接到电容350、351之间的端子上。
这种四象限功率单元301在高压变流装置中和四象限功率单元101没有功能上的区别，只能耐压更高，谐波更小。
二象限功率单元的另外一种实现方式如图9所示，二象限功率单元401包括二极管整流器461、直流滤波器462和逆变器463。其中直流滤波器462和逆变器463同图8中直流滤波器362和逆变器363具有相同的结构，二极管整流器461和图6中二极管整流器261具有相同的结构。
二象限功率单元的第3种实现方式如图10所示，二象限功率单元501包括二极管整流器561、直流滤波器562和逆变器563。其中直流滤波器562和逆变器563同图8中直流滤波器362和逆变器363具有相同的结构，二极管整流器561为12脉波整流器。二象限功率单元501和二象限功率单元401最大的不同是：二象限功率单元501的输入有两个，分别接到变压器的两个三相副边绕组上，这样高压变流装置的结构如图11所示。
本发明还有一个可以灵活应用的地方是：可以根据应用场合或不同的标准要求，适当地调整四象限功率单元数占总功率单元数的比例。例如，当要求回馈的能量并不大时，可以适当减少四象限功率单元的数量，同时增加二象限功率单元的数量，达到在满足要求的前提下最大限度地简化系统和降低成本；而当用户要求回馈的能量较大时，可以适当增加四象限功率单元的数量，同时减少二象限功率单元的数量。举一个例子，如图4所示的功率变换装置，当要求回馈的能量减小为原来的三分之二时，可以做以下调整：如图7中所示，将功率变换装置中每相支路中四象限功率单元的数量从3个减少为2个，而二象限功率单元的数量从2个增大为3个。在功率单元容量不变的情况下，图7所示系统降低谐波含量、回馈能量的能力会小于图4所示系统，但其系统复杂度和成本均低于图4所示系统。
在以上的实施例中，全控型器件都为IGBT(绝缘栅双极型功率管)，实际上还可以是其它全控型器件，如GTO(门控晶闸管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强门极晶体管)等等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高电压功率变换装置，包括至少一组的原边绕组连接到电源输入且激励出多组副边绕组的变压器以及与多组副边绕组分别连接的多个功率单元，所述变压器的多组副边绕组分别为多个功率单元提供相互独立的电源，其特征在于，所述功率单元的各相输出串联起来构成所述高电压功率变换装置的各相输出，所述功率单元包括至少一个二象限功率单元和至少一个四象限功率单元。
2.根据权利要求1所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述四象限功率单元包括由全控型器件组成的第一整流器、与所述第一整流器电连接的第一直流滤波器及与所述第一直流滤波器电连接的第一逆变器。
3.根据权利要求2所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述第一整流器可以是PWM整流器，所述PWM整流器可以由IGBT组成。
4.根据权利要求3所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述第一整流器由3个IGBT桥臂并联组成，每个整流器IGBT桥臂由2n个IGBT串联组成，n≥1，n为自然数，所述变压器的副边绕组的输出端分别连接到所述整流器IGBT桥臂中间的端子；所述第一直流滤波器包括并联在所述第一整流器两端的第一直流电容；所述第一逆变器由2个IGBT桥臂并联组成，每个逆变器IGBT桥臂由2n(n≥1)个IGBT串联组成，所述四象限功率单元的输出端分别连接到所述逆变器IGBT桥臂中间的端子。
5.根据权利要求1所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述二象限功率单元包括由半控型或不控型器件组成的第二整流器、与所述第二整流器电连接的第二直流滤波器及与所述第二直流滤波器电连接的第二逆变器。
6.根据权利要求5所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述第二整流器可以是二极管整流器。
7.根据权利要求1所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述功率变换装置连接的电机运行于电动状态时，能量从电源输入通过所述变压器和功率单元流向电机，此时四象限功率单元不仅用于传输能量，还进行谐波补偿和/或功率因数校正；所述电机运行于发电状态时，能量从四象限功率单元回馈到电源输入。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述高电压功率变换装置连接三相电机，其中每相电路上串联有三个四象限功率单元及两个二象限功率单元。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的高电压功率变换装置，其特征在于，所述高电压功率变换装置连接三相电机，其中每相电路上串联有两个四象限功率单元及三个二象限功率单元。
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