CN101951134A - 一种级联拓扑变频器及其旁路拓扑 - Google Patents

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马志军
宋凌锋
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Abstract

本发明涉及一种级联拓扑变频器及其旁路拓扑，该级联拓扑变频器包括主控制器及三相级联设置的若干功率单元，功率单元包括H逆变桥、主驱动模块，主控制器通过主驱动模块控制H逆变桥，旁路拓扑包括旁路控制器、与若干旁路驱动模块和若干接触器，其中，当存在功率单元发生故障时，所述主控制器将故障功率单元的故障状态发送至所述旁路控制器，所述旁路控制器通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，所述相应的接触器将所述故障功率单元由正常状态切换至旁路状态。实施本发明的技术方案，由于整个过程不需要人工的参与，所以功率单元的故障能及时发现并将发生故障的功率单元快速地切换至旁路状态。

Description

一种级联拓扑变频器及其旁路拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子技术，更具体地说，涉及一种级联拓扑变频器及其旁路拓扑。
背景技术
随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频器不断地成熟起来，特别是高压器件应用的可靠性还不是太高且价格昂贵的情况下，近年来人们通过低压的功率单元级联的方式使这一问题得到了很好的解决，因此级联拓扑变频器应用的领域和范围也越来越广泛，这使得高效、合理地利用能源(尤其是电能)成为了可能。
图1是6kV输入6kV输出的级联拓扑变频器的结构示意图，该级联拓扑变频器包括移相变压器T11和三相级联设置的15个功率单元(Power Cell)，其中，每相由5个功率单元级联输出，该5个低压的功率单元通过级联的方式输出高压。图2是图1中一个功率单元的电路图，该功率单元包括H逆变桥，结合图1和图2，移相变压器T11的一个副边绕组的三相(U、V、W)输出电压经二极管整流桥整流为直流电压，然后，H逆变桥将该直流电压逆变为交流电压。在级联拓扑变频器中，功率单元A1、A2、A3、A4、A5级联输出U相电压，即，功率单元A1的第一级联端Vout_L(即H逆变桥的第一输出端)连接功率单元A2的第二级联端Vout_N(即H逆变桥的第二输出端)，功率单元A2的第一输出端Vout_L连接功率单元A3的第二级联端Vout_N，功率单元A3的第一级联端Vout_L连接功率单元A4的第二级联端Vout_N，功率单元A4的第一输出端Vout_L连接功率单元A5的第二级联端Vout_N，功率单元A5的第一级联端Vout_L输出该级联拓扑变频器的U相电压。同样地，级联设置的功率单元B1、B2、B3、B4、B5输出该级联拓扑变频器的V相电压，级联设置的功率单元C1、C2、C3、C4、C5输出该级联拓扑变频器的W相电压，所输出的三相电压为负载电机M供电。
但在上述级联拓扑变频器中，若任意一个功率单元因发生故障而无输出时，将导致整个变频器停机，由于变频器内功率单元的数目很多，单功率单元的故障率将导致整机的故障率倍增，使变频器的可运行性降低。
为使上述级联拓扑变频器可靠运行，现有技术的一般的做法是将断路器开关柜与变频器并联，在变频器发生故障时，闭合断路器，用移相变压器的原边三相输入电压直接拖动负载电机。但采用这种方式，由于用户需要先对变频器的故障作出反应，然后再拨动断路器开关，显然切换时间太长，如故障发现不及时会导致负载电机的停转，对生产生活造成巨大损失，同时会导致负载的功率因数降低，无法节能运行，这些缺陷是很多选用级联拓扑变频器拖动负载电机的用户无法接受的。
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变频器发生故障时旁路切换时间过长的缺陷，提供一种旁路切换时间短的级联拓扑变频器的旁路拓扑。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：构造一种级联拓扑变频器的旁路拓扑，所述级联拓扑变频器包括主控制器及三相级联设置的若干功率单元，所述功率单元包括H逆变桥、主驱动模块，所述主控制器通过所述若干功率单元的主驱动模块控制所述若干功率单元的H逆变桥，所述旁路拓扑包括旁路控制器、与所述若干功率单元一一对应的若干旁路驱动模块和若干接触器，其中，当存在功率单元发生故障时，所述主控制器将故障功率单元的故障状态发送至所述旁路控制器，所述旁路控制器通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，所述相应的接触器将所述故障功率单元由正常状态切换至旁路状态。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述接触器为双开双闭接触器，所述双开双闭接触器的两个常闭触头分别连接所述H逆变桥的第一输出端和所述功率单元的第一级联端，所述双开双闭接触器的两个常开触头分别连接所述H逆变桥的第二输出端和所述功率单元的第一级联端，所述H逆变桥的第二输出端连接所述功率单元的第二级联端。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述接触器为一组互锁的常开接触器和常闭接触器，所述常闭接触器的两个常闭触头分别连接所述H逆变桥的第一输出端和所述功率单元的第一级联端，所述常开接触器的两个常开触头分别连接所述H逆变桥的第二输出端和所述功率单元的第一级联端，所述H逆变桥的第二输出端连接所述功率单元的第二级联端。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述旁路驱动模块包括三极管和继电器，其中，所述三极管的基极连接所述旁路控制器的第一输出端，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极接所述继电器线圈的第一端，所述继电器线圈的第二端接高电平，所述继电器开关的静触头接电源电压，所述继电器开关的第一动触头悬空，所述继电器开关的第二动触头连接所述接触器线圈的第一端，所述接触器线圈的第二端接地。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，当存在功率单元发生故障时，所述旁路控制器还通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，所述相应的接触器将另外两相中与所述故障功率单元级联排列序号相对应的功率单元由正常状态切换至旁路状态。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述旁路控制器和所述主控制器整合为一个控制器。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述旁路控制器和所述若干旁路驱动模块分别通过光纤连接。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，所述光纤为单根单向光纤、双根单向光纤或单根双向光纤。
在本发明所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑中，每一个旁路驱动模块分别和与其对应的主驱动模块整合为一个驱动模块。
本发明还构造一种级联拓扑变频器，包括以上所述的旁路拓扑。
实施本发明的技术方案，旁路控制器在接收到主控制器所发送的功率单元的故障状态后，通过旁路驱动模块控制接触器，使功率单元从正常状态切换至旁路状态，由于整个过程不需要人工的参与，所以功率单元的故障能及时发现并将发生故障的功率单元快速地切换至旁路状态，而不影响其它功率单元的级联导通状态，所输出的电压可继续为负载电机供电，不会使负载电机因一个功率单元故障而停转，也不会发生功率因数降低而浪费电能的情况。
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是现有技术6kV输入6kV输出的级联拓扑变频器的结构示意图；
图2是图1中一个功率单元的电路图；
图3A是本发明级联拓扑变频器实施例一在正常状态下的逻辑图；
图3B是本发明级联拓扑变频器实施例一在故障状态下的逻辑图；
图4是本发明级联拓扑变频器的旁路拓扑中的旁路驱动模块实施例一的电路图；
图5是本发明级联拓扑变频器的旁路拓扑中的接触器实施例一的电路图。
具体实施方式
结合图3A和图3B，在本发明级联拓扑变频器的实施例一的逻辑图中，应当说明的是，虽然图3A和图3B仅示出了主控制器100、旁路控制器400、一个功率单元310、及与该功率单元310对应的旁路驱动模块510、接触器610，但本领域技术人员应当能理解，该级联拓扑变频器除包括主控制器100外，还包括三相级联设置的若干功率单元，该级联拓扑变频器的旁路拓扑除包括旁路控制器400外，还包括与所述若干功率单元一一对应的若干旁路驱动模块和若干接触器。由于其它的功率单元及与其它功率单元一一对应的旁路驱动模块、接触器与图3A和图3B中的功率单元310、旁路驱动模块510、接触器610的逻辑结构相同，下面仅以功率单元310及与该功率单元310对应的、旁路驱动模块510、接触器610为例进行说明，其它的功率单元及与其它的功率单元对应的旁路驱动模块、接触器不再做赘述。
而主控制器100和旁路控制器400可同时控制多个功率单元，在此也仅以控制功率单元310为例进行说明。
在图3A和图3B中，接触器610为双开双闭接触器。
功率单元310包括H逆变桥311和主驱动模块312，主控制器100通过主驱动模块312控制H逆变桥311，该H逆变桥311的第一输出端Vbridge_up和第二输出端Vbridge_down间输出逆变电压。
主控制器100与主驱动模块312的连接，及主驱动模块312与H逆变桥311的连接可为光纤连接。
该双开双闭接触器的两个常闭触头分别连接H逆变桥311的第一输出端Vbridge_up和功率单元310的第一级联端Vout_L，该双开双闭接触器开关的两个常开触头分别连接H逆变桥311的第二输出端Vbridge_down和功率单元310的第一级联端Vout_L，H逆变桥310的第二输出端Vbridge_down连接功率单元310的第二级联端Vout_N。
在正常情况下，即功率单元310无故障发生时，如图3A所示，功率单元310的第一级联端Vout_L连接H逆变桥311的第一输出端Vbridge_up，功率单元310的第二级联端Vout_N连接H逆变桥311的第二输出端Vbridge_down，此时，该功率单元310处于级联导通状态，即正常状态。
在该功率单元310发生故障时，该故障可以是功率单元310自身的故障，如H逆变桥311的一个IGBT管坏掉，该故障还可以是主控制器100与主驱动模块312的通讯通路或主驱动模块312与H逆变桥311的通讯通路的故障，如连接主控制器100与主驱动模块312的光纤或连接主驱动模块312与H逆变桥311的光纤故障，如图3B所示，主控制器100在收到功率单元310的故障反馈信号后将功率单元310的故障状态发送至旁路控制器400，旁路控制器400通过旁路驱动模块510控制接触器610，接触器610的线圈上电从而使接触器610的开关动作，此时，功率单元310的第一级联端Vout_L和第二级联端Vout_N均连接H逆变桥311的第二输出端Vbridge_down，使得该功率单元310处于旁路状态，即，接触器610将该功率单元310的输出短路，但与该功率单元310级联的其它功率单元继续处于导通状态，因此可以继续拖动负载电机运行。
图4是本发明的级联拓扑变频器的旁路拓扑的旁路驱动模块实施例一的电路图，在该旁路驱动模块中，三极管Q1的基极通过限流电阻R1连接旁路控制器的第一输出端，限流电阻R1的作用是防止大电流烧坏三极管Q1，在另一个实施例中可省略限流电阻R1。三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极接继电器J1的线圈的第一端，继电器J1的线圈的第二端接5V的电压，二极管D1的阳极和二极管D2的阳极均连接三极管Q1的集电极，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极分别连接5V的电压，二极管D1和二极管D2主要起续流作用，在另一个实施例中可省略二极管D1和二极管D2。
继电器J1的开关的静触头连接电源电压，如电源电压为48V的电压，继电器J1的开关的第一动触头悬空，接触器线圈的两端(未示出)分别连接继电器J1的开关的第二动触头和地。同样地，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极均接地，二极管D3的阴极和二极管D4的阴极分别接继电器J1的开关的第二动触头，二极管D3和二极管D4起续流作用，在另一个实施例中可省略。
下面说明该旁路驱动模块的工作原理：在功率单元发生故障时，旁路控制器可通过其第一输出端输出高电平，此时，三极管Q1导通，继电器J1的线圈上电，继电器J1的开关动作，即其静触头从连接第一动触头变为连接第二动触头，由于接触器线圈的两端分别连接继电器J1的开关的第二动触头和地，所以接触器的线圈上电从而使接触器的开关动作。应当说明的是，本发明并不限定该实施例中的旁路驱动模块的电路，在另一个实施例中，旁路驱动模块也可采用MOS驱动方式。
图5是本发明的级联拓扑变频器的旁路拓扑的接触器实施例一的电路图，该接触器是一对互锁的常开接触器和常闭接触器，常闭接触器开关的两个常闭触头分别连接H逆变桥的第一输出端Vbridge_up和功率单元的第一级联端Vout_L，常开接触器开关的两个常开触头分别连接功率单元的第一级联端Vout_L和第二级联端Vout_N，H逆变桥的第二输出端(未示出)始终是连接功率单元的第二级联端Vout_N的。
下面说明该接触器的工作原理：在正常状态下，即功率单元无故障发生时，该功率单元的第一级联端Vout_L连接功率单元的H逆变桥的第一输出端Vbridge_up，该功率单元的第二级联端Vout_N连接该功率单元的H逆变桥的第二输出端Vbridge_down，所以，该功率单元处于级联导通状态。在故障状态下，该接触器的常闭触头打开，常开触头闭合，则该功率单元的第一级联端Vout_L连接第二级联端Vout_N，即该接触器将该功率单元短路掉，使该功率单元处于旁路状态。
另外，优选地，在接触器的另一个实施例中，可将多个常开接触器并联，同样地，也可将多个常闭接触器并联，这样可增加接触器工作的可靠性。
在另一个优选实施例中，若一个功率单元发生故障，为保证级联拓扑变频器输出的三相电压相等，可将与故障功率单元相对应级联排列序号的其它两相中功率单元也切换至旁路状态。例如，在图1中，功率单元A 3在第一相(U相)级联设置的多个功率单元A1、A2、A3、A4、A5中的级联排列序号是3，功率单元B3在第二相(V相)级联设置的多个功率单元B1、B2、B3、B4、B5中的级联排列序号是3，功率单元C3在第三相(W相)级联设置的多个功率单元C1、C2、C3、C4、C5中的级联排列序号是3。若功率单元A3发生故障，旁路控制器除将功率单元A3切换至旁路状态外，还分别通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，以将功率单元B3、C3也切换至旁路状态。
优选地，所述旁路控制器和所述主控制器整合为一个控制器。
优选地，旁路控制器和所述若干旁路驱动模块分别通过光纤连接，该光纤可为单根单向光纤、双根单向光纤或单根双向光纤连接。
在另一个实施例中，每一个旁路驱动模块分别和与其对应的主驱动模块整合为一个驱动模块。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种级联拓扑变频器的旁路拓扑，所述级联拓扑变频器包括主控制器及三相级联设置的若干功率单元，所述功率单元包括H逆变桥、主驱动模块，所述主控制器通过所述若干功率单元的主驱动模块控制所述若干功率单元的H逆变桥，其特征在于，所述旁路拓扑包括旁路控制器、与所述若干功率单元一一对应的若干旁路驱动模块和若干接触器，其中，当存在功率单元发生故障时，所述主控制器将故障功率单元的故障状态发送至所述旁路控制器，所述旁路控制器通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，所述相应的接触器将所述故障功率单元由正常状态切换至旁路状态。
2.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述接触器为双开双闭接触器，所述双开双闭接触器的两个常闭触头分别连接所述H逆变桥的第一输出端和所述功率单元的第一级联端，所述双开双闭接触器的两个常开触头分别连接所述H逆变桥的第二输出端和所述功率单元的第一级联端，所述H逆变桥的第二输出端连接所述功率单元的第二级联端。
3.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述接触器为一组互锁的常开接触器和常闭接触器，所述常闭接触器的两个常闭触头分别连接所述H逆变桥的第一输出端和所述功率单元的第一级联端，所述常开接触器的两个常开触头分别连接所述H逆变桥的第二输出端和所述功率单元的第一级联端，所述H逆变桥的第二输出端连接所述功率单元的第二级联端。
4.根据权利要求2或3所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述旁路驱动模块包括三极管和继电器，其中，所述三极管的基极连接所述旁路控制器的第一输出端，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极接所述继电器线圈的第一端，所述继电器线圈的第二端接高电平，所述继电器开关的静触头接电源电压，所述继电器开关的第一动触头悬空，所述继电器开关的第二动触头连接所述接触器线圈的第一端，所述接触器线圈的第二端接地。
5.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，当存在功率单元发生故障时，所述旁路控制器还通过相应的旁路驱动模块控制相应的接触器，所述相应的接触器将另外两相中与所述故障功率单元级联排列序号相对应的功率单元由正常状态切换至旁路状态。
6.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述旁路控制器和所述主控制器整合为一个控制器。
7.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述旁路控制器和所述若干旁路驱动模块分别通过光纤连接。
8.根据权利要求7所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，所述光纤为单根单向光纤、双根单向光纤或单根双向光纤。
9.根据权利要求1所述的级联拓扑变频器的旁路拓扑，其特征在于，每一个旁路驱动模块分别和与其对应的主驱动模块整合为一个驱动模块。
10.一种级联拓扑变频器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的旁路拓扑。
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