CN101833037A - 检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及检测功率单元串联多电平型高压变频器功率单元输入电压相位的装置及方法，解决了现有技术中功率单元输入端电压相位难以准确检测的问题；其方法包括步骤：在移相变压器原边，采用电压互感器测量高压变频器输入电压；测量信号经过隔离变压器后变成低压正弦信号，然后输送至各个功率单元；功率单元的同步整流电路对输入的低压正弦信号进行整流，输出只有正半波的电压波形，再经过过零比较器后输出与移相变压器原边电压相同相位的方波信号至锁相环电路，由锁相环电路锁定并输出移相变压器原边电压相位；功率单元的控制芯片接收高压侧电压相位，再根据移相变压器原边电压与副边电压的相位关系，计算出功率单元输入电压的相位。

Description

检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种检测功率单元串联多电平型高压变频器的功率单元输入电压相位的装置及方法。
背景技术
在电力价格上涨和节能减排宏观政策的引导下，随着电力电子技术的快速发展，高压变频器作为电机节能的优选方案已经成为了业界的共识，尤其在电力、冶金和石化等能耗巨大的行业中，推广高压变频器的应用意义巨大。
图1为功率单元串联多电平型高压变频器的结构，其主电路包括移相变压器1和多个功率单元2。在众多的高压变频方案中，采用这种方案的高压变频器具有电压输出能力强、输出电压正弦度高、对电网的污染小以及dv/dt很小等优点，成为目前高压变频器的主流方案之一。
在工业应用中，一些场合要求高压变频器必须具备四象限运行的能力，即可以根据现场的要求控制电能在电网和电动机之间经过高压变频器自由流动，也就是说电能既可以由电网流进电动机，也可以由电动机回馈回电网。为了实现电能可靠、高效的流动，各个功率单元的整流环节必须工作在主动整流的状态下，这就需要获取到准确的输入端电压相位。然而，由于如图1所示的高压变频器的移相变压器副边绕组与功率单元输入端之间无交流电抗器，功率单元的输入端电压相位是不能直接检测的。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种检测功率单元串联多电平型高压变频器的功率单元输入电压相位的装置，有效地解决了功率单元输入端电压相位难以准确检测的问题。
本发明的另一目的是提供一种检测高压变频器功率单元输入电压相位的方法，该方法采用上述装置来实现。
本发明采用以下的技术方案来实现上述首要目的：检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置，包括安装在高压变频器的移相变压器原边的电压互感器；以及至少一个隔离变压器，电压互感器的输出端与隔离变压器的原边相连接，高压变频器的各个功率单元与隔离变压器的副边一一对应连接。
所述隔离变压器是一个或多个相互隔离的多副边绕组变压器，或者是多个相互隔离的单副边绕组变压器；隔离变压器的原边绕组及引出线与副边绕组及引出线之间填充绝缘层。
本发明采用以下的技术方案来实现上述另一目的：检测高压变频器功率单元输入电压相位的方法，包括以下步骤：
步骤1、在移相变压器原边，采用电压互感器测量高压变频器输入电压；
步骤2、所述电压互感器的测量信号经过隔离变压器后变成低压正弦信号，然后输送至各个功率单元；
步骤3、功率单元的同步整流电路对输入的低压正弦信号进行整流，输出只有正半波的电压波形，再经过功率单元的过零比较器后输出与移相变压器原边电压相同相位的方波信号至锁相环电路，由锁相环电路锁定并输出移相变压器原边电压相位；
步骤4、功率单元的控制芯片接收锁相环电路锁定的移相变压器原边电压相位，再根据移相变压器原边电压与副边电压的相位关系，计算出功率单元输入电压的相位。
优选地，步骤4所述相位关系用相位差来表示；该相位差在移相变压器空载试验中测量后人工输入设定，或在高压变频器空载时由功率单元测量后自动输入设定。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：使得具有四象限运行功能的高压变频器能够取消功率单元和移相变压器副边绕组之间的交流电抗器，并且保证系统能够取得良好的控制效果，对于优化高压变频器成本、缩小体积和减轻重量有显著作用。
附图说明
图1为现有的功率单元级联多电平型高压变频器的拓扑结构图；
图2为功率单元输入端无交流电抗器、具有四象限运行功能的功率单元串联多电平型高压变频器的拓扑结构图；
图3为本发明检测功率单元输入电压相位的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图2为功率单元输入端无交流电抗器、具有四象限运行功能的功率单元串联多电平型高压变频器的拓扑结构图，该高压变频器包括移相变压器1，以及与移相变压器1连接的多个功率单元2；其中每个功率单元2内部均包括依次连接的同步整理电路、过零比较器、锁相环电路、控制芯片。本发明检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置包括安装在移相变压器1原边(即高压侧)的电压互感器3，用于对高压变频器的输入电压进行测量；至少一个隔离变压器4，电压互感器3的输出端与隔离变压器4的原边相连接，各个功率单元2与隔离变压器4的副边一一对应连接。根据隔离变压器副边绕组的个数不同，所述高耐压隔离变压器可以是一个或多个相互隔离的多副边绕组变压器，也可以是多个相互隔离的单副边绕组变压器；隔离变压器的原边绕组及引出线和副边绕组及引出线之间填充绝缘层，可以保证高压变频器一次回路的与功率单元二次回路之间的绝缘可靠。
其中，移相变压器1是应用于功率单元串联多电平型高压变频器的三相单原边、多副边的特种变压器，它将三相原边高电压转化为三相副边多组低电压，同时通过移动副边电压的相位，使其错开一定角度来有效降低高压变频器对电网的谐波注入。设N是一相副边绕组的数量，则N组副边绕组输出电压的相位依次相差的角度为60°/N。以图2中5级功率单元串联高压变频器为例来说明，移相变压器副边绕组的有5组，即N＝5，在频率稳定的情况下，以原边A相绕组的相位α为基准，则副边A相绕组a1、a2、a3、a4、a5的相位可以是α-24°、α-12°、α、α+12°、α+24°(或其他移相角度，但必须满足N个副边绕组输出电压角度依次相差60°/N)，B相和C相的情况与A相相同。但是制造过程中副边电压移相角度会产生偏差，所以移相变压器原边电压和副边电压的相位关系需要通过试验测量确定。
为了检测功率单元输入端无交流电抗器、具有四象限运行功能的高压变频器的功率单元输入电压相位，如图3所示，本发明检测高压变频器功率单元输入电压相位的方法为：使用电压互感器测量高压变频器的输入电压(即移相变压器原边电压)，测量信号经隔离变压器输送至各个功率单元，在功率单元内通过同步整流锁相环电路得到高压变频器输入电压的相位；功率单元的控制芯片根据高压变频器输入电压的相位和移相变压器原边与副边的电压相位关系计算出功率单元输入电压的相位，并进行控制算法的计算，从而控制功率单元直流母线电压和输入电流；具体步骤如下：
1、在移相变压器原边，采用电压互感器测量高压变频器输入电压。
2、电压互感器测量得到的电压信号经过一个多副边的隔离变压器后变成低压正弦信号，然后输送至各个功率单元。
3、功率单元内的同步整流电路对输入的低压正弦信号进行整流，输出只有正半波的电压波形，再经过过零比较器后输出与高压变频器输入电压(即移相变压器原边电压)相同相位的方波信号至锁相环电路，由锁相环电路锁定并输出移相变压器原边电压相位。锁相环电路的作用是利用闭合环路对误差的抑制作用得到与输入信号相位一致的输出波形。
4、功率单元的控制芯片接收锁相环电路输出的移相变压器高压侧电压相位，再根据移相变压器原边(即高压侧)电压与副边(即低压侧)电压的相位关系，计算出功率单元输入电压的相位。所述相位关系用相位差来表示，该相位差可以在移相变压器空载试验中测量后人工输入设定，或在高压变频器空载时由功率单元测量后自动输入设定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置，其特征在于：包括安装在高压变频器的移相变压器原边的电压互感器；以及至少一个隔离变压器，电压互感器的输出端与隔离变压器的原边相连接，高压变频器的各个功率单元与隔离变压器的副边一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的检测高压变频器功率单元输入电压相位的装置，其特征在于：所述隔离变压器是一个或多个相互隔离的多副边绕组变压器，或者是多个相互隔离的单副边绕组变压器；隔离变压器的原边绕组及引出线与副边绕组及引出线之间填充绝缘层。
3.根据权利要求1或2所述装置的检测高压变频器功率单元输入电压相位的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、在移相变压器原边，采用电压互感器测量高压变频器输入电压。
步骤2、所述电压互感器的测量信号经过隔离变压器后变成低压正弦信号，然后输送至各个功率单元；
步骤3、功率单元的同步整流电路对输入的低压正弦信号进行整流，输出只有正半波的电压波形，再经过功率单元的过零比较器后输出与移相变压器原边电压相同相位的方波信号至锁相环电路，由锁相环电路锁定并输出移相变压器原边电压相位；
步骤4、功率单元的控制芯片接收移相变压器原边电压相位，再根据移相变压器原边电压与副边电压的相位关系，计算出功率单元输入电压的相位。
4.根据权利要求3所述的检测高压变频器功率单元输入电压相位的方法，其特征在于：步骤4所述相位关系用相位差来表示；该相位差在移相变压器空载试验中测量后人工输入设定，或在高压变频器空载时由功率单元测量后自动输入设定。
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