CN101882863A - 一种单元级联高压变频器的单元旁路电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，包括并联在高压变频器每一个智能功率单元逆变器交流母线输出两端的一个电子旁路支路和一个机械操作刀闸，其特征在于，所述电子旁路支路包括一组反并联半控桥模块，每组反并联半控桥模块至少两个并联的半控桥模块，每个反并联半控桥模块连接晶闸管吸收dv/dt的吸收回路和二极管过压保护回路组成。本发明的优点是极大程度地减少吸收电阻的发热量，大大降低晶闸管两端dV/dt值，提高晶闸管运行的可靠性。

Description

一种单元级联高压变频器的单元旁路电路

技术领域

本发明涉及一种单元级联高压变频器的单元旁路电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高压变频器在电力、冶金、石油、化工等领域的应用日益广泛。现阶段由功率单元级联技术构成的性能优异的高压变频器，有着谐波小、单元可互换、可批量生产、维护方便等优点，受到国内变频器用户越来越多的青睐，显示了广阔的发展前景。这对高压变频器的稳定性和可靠性提出了更高的要求。

目前广泛使用的单元级联高压变频器，在装置运行中偶尔会出现个别功率单元发生故障导致整个变频器不能正常运行甚至跳机的情况，使得高压变频器的工作可靠性大大降低，这不仅给生产安全带来了极大的隐患，也会给用户带来较大的经济损失。为了不因个别故障单元影响系统的运行，迫切需要一个旁路电路。此时，可以通过旁路电路将故障单元旁路出系统，由剩下的功率单元继续运行，保证系统正常运行。同时，在变频器运行中需要将备用功率单元更换掉故障功率单元，从而不需要把变频器停下来即可实现故障功率单元的维修，这对旁路电路提出了更高的要求，旁路电路既要能够可靠导通，也要能够可靠关断。应用便于实现功率单元在线更换的旁路电路可以大大提高高压变频器运行的可靠性和安全性。

目前国内高压变频器旁路电路主要有三种，一种是由继电器构成的旁路电路，其缺点是继电器的机械触点有时会存在接触不良或不能准确动作的问题，影响系统的可靠性。现在大多数高压变频器采用的旁路电路如图1所示或者与其相似的旁路电路。它由设置在逆变桥1旁边的单向二极管整流桥2(此处整流桥给电流提供双向导通通道)、晶闸管3和预充电电路4构成。该整流桥的交流输入两端与单元输出相连，直流输出两端与晶闸管相连。当单元发生故障时，封锁逆变桥的驱动脉冲，同时触发晶闸管，使得单元所在相的相电流经二极管整流桥和晶闸管所组成的旁路流过，此时故障单元被旁路切除，该旁路装置结构简单、维护方便，同时预充电电路解决了晶闸管耐受dV/dt太高的问题。然而要实现功率单元的在线更换，还存在不足之处：由设置在逆变桥1旁边的单向二极管整流桥2给电流提供双向导通通道，该旁路电路在功率单元发生故障时可以实现旁路，但很难实现故障单元的在线更换，因为变频器运行中晶闸管3一旦实现旁路将难以实现可靠关断。

高压变频器采用的另一种电子旁路电路如图2所示。该旁路电路包括逆变桥1，通过反并联晶闸管5提供交流通路，成本低、功耗低，配合机械操作刀闸6可以实现功率单元的在线更换。该旁路电路晶闸管两端dV/dt吸收回路7中的单元电抗器串联在单元输出端，虽然起到对输出波形进行滤波的作用，但存在以下缺陷：一，吸收回路7参数受到负载参数的影响，这给吸收回路7参数的确定带来极大不便，无法保证变频器在不同负载情况下旁路晶闸管两端dV/dt的一致性；二，单元正常运行时输出电流经过电抗器导致电抗器发热，三，由于反并联晶闸管吸收回路共用同一个RC回路，每一个载波周期内吸收电容都要进行完全的充放电，使得吸收电阻功率损耗较大，晶闸管两端dV/dt值较高，不利于晶闸管的可靠运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，该旁路机构易于实现，能够可靠地快速旁路切除故障单元，同时该旁路机构能够实现功率单元的在线更换，功耗极低、可靠性很高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，包括并联在高压变频器每一个智能功率单元逆变器交流母线输出两端的一个电子旁路支路和一个机械操作刀闸，机械操作刀闸两端连接输出端，其特征在于，所述电子旁路支路包括一组反并联半控桥模块，每组反并联半控桥模块至少两个并联的半控桥模块，每个反并联半控桥模块连接晶闸管吸收dv/dt的吸收回路和二极管过压保护回路。

进一步，所述半控桥模块包括串联的晶闸管和二极管。

所述连接晶闸管吸收dv/dt的吸收回路包括单元电抗器L、吸收电容及吸收电阻组成，吸收电容与吸收电阻串联后并联到晶闸管的两端，所述半控桥模块与单元电抗器L串联后连接到所述的输出端。

所述二极管过压保护回路并联在所述二极管的两端。

所述二极管过压保护回路为TVS管过压保护电路。

本发明采用反并联半控桥模块提供交流电流通道既可通过触发模块中的晶闸管实现功率单元旁路，又可以配合机械操作刀闸完成故障智能功率单元的在线更换。

本发明的优点是极大程度地减少吸收电阻的发热量，大大降低晶闸管两端dV/dt值，提高晶闸管运行的可靠性。

附图说明

图1为一种现有技术中旁路电路电路图；

图2为另一种现有技术中旁路电路电路图；

图3为一种单元级联高压变频器的单元旁路电路图；

图4为另一种单元级联高压变频器的单元旁路电路图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

本发明为了实现高压变频器故障单元的旁路以及实现故障智能单元的在线更换，需要将单元电抗器与反并联半控桥模块串联之后再并联到高压变频器每一功率单元输出端并将机械操作刀闸并联在功率单元输出端。

如图3所示，本发明提供的一种单元级联高压变频器的单元旁路电路由第一半控桥模块8、第二半控桥模块9、模块中晶闸管吸收回路和二极管保护回路及机械操作刀闸5构成。第一半控桥模块8包括串联的晶闸管SCR1及二极管D1；第二半控桥模块9包括串联的晶闸管SCR2及二极管D2.

晶闸管SCR1的吸收回路由单元电抗器L、吸收电容C1及吸收电阻R1组成，电容C1、电阻R1串联后并联到晶闸管SCR1的两端；晶闸管SCR2的吸收回路由单元电抗器L、吸收电容C2、吸收电阻R2组成，电容C2、电阻R2串联后并联到晶闸管SCR2的两端。二极管设有TVS管过压保护电路，TVS管D3并联在二极管D1的两端；TVS管D4并联在二极管D2的两端。

由于单元载波频率较高，单元电抗器L采用高频电抗器。在功率单元正常运行时，单元电抗器L中几乎没有电流流过，电抗器功耗很小，可以忽略。单元发生故障旁路时，实现电子旁路后单元电抗器L的绕组要通过其所在相的相电流，因此设计单元电抗器L时要考虑电抗器的发热情况。

为了实现功率单元的在线更换，还需要配合机械刀闸5旁路机构。在功率单元正常运行时反并联半控桥模块中的晶闸管SCR1及晶闸管SCR2处于关断状态，一旦功率单元发生故障，触发晶闸管SCR1及晶闸管SCR2，启动电子旁路电路。更换故障单元时，首先手动闭合机械操作刀闸5旁路机构，实现机械旁路；其次将故障单元拔出；再次是装上备用功率单元。采用本发明的技术方案，智能功率单元一旦得电将自动触发反并联可控硅实现单元的电子旁路。备用功率单元实现电子旁路后可手动将机械操作刀闸5打开，变频装置处于电子旁路运行状态。最后投运备用智能功率单元，完成故障功率单元的在线更换。这是本发明的一个重要目的。

本发明的另一个优点是系统运行时，晶闸管SCR1及晶闸管SCR2两端的电压立即被充电到母线电压值并保持不变，这样在功率模块开关输出时晶闸管SCR1及晶闸管SCR2不再承受较高的dV/dt值，系统可靠性大大增强，吸收电阻R1及吸收电阻R2功耗可以忽略不计。

图4为本发明另外一种形式的旁路电路电路图。这种形式的旁路电路与图3所示的旁路电路的区别在于：IGBT输出先经过单元电抗器L再到功率单元输出端，反并联半控桥模块直接并联在功率单元输出端。单元发生故障旁路时单元电抗器L被旁路掉，没有电流流过；功率单元正常运行时，单元电抗器L的绕组要通过其所在相的相电流，因此设计单元电抗器L时要考虑电抗器的发热情况。功率单元的在线更换的工作原理相同，这里不再详述。图4原理上不影响本发明的发明目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围。本领域技术人员基于本发明技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，包括并联在高压变频器每一个智能功率单元逆变器(1)交流母线输出两端的一个电子旁路支路和一个机械操作刀闸(5)，机械操作刀闸(5)两端连接输出端，其特征在于，所述电子旁路支路包括一组反并联半控桥模块，每组反并联半控桥模块至少两个并联的半控桥模块，每个半控桥模块连接晶闸管吸收dv/dt的吸收回路和二极管过压保护回路。

2.如权利要求1所述的一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，其特征在于，所述半控桥模块包括串联的晶闸管和二极管。

3.如权利要求2所述的一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，其特征在于，所述连接晶闸管吸收dv/dt的吸收回路包括单元电抗器L、吸收电容及吸收电阻组成，吸收电容与吸收电阻串联后并联到晶闸管的两端，所述半控桥模块与单元电抗器L串联后连接到所述的输出端。

4.如权利要求2所述的一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，其特征在于，所述二极管过压保护回路并联在所述二极管的两端。

5.如权利要求4所述的一种单元级联高压变频器的单元旁路电路，其特征在于，所述二极管过压保护回路为TVS管过压保护电路。

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