CN102035401A - 用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，包括有交流电源和电机，从交流电源引出接线，依次连接AC/DC转换器、滤波电路和全控桥逆变电路后接入电机；全控桥逆变电路的每个桥臂上分别串接有一个或多个开关模块，各开关模块的结构均相同，且均由多个开关器件、二极管以及电容串并联组成。本发明直接从交流电网获取电能，进行AC/DC电能变换，产生直流电压源，再进行DC/AC电能变换，产生电机需要的交流电压，输出交流电压的幅值和频率均可调，省去了多重化移相变压器，大大简化了电路结构，并且本发明的电路结构具有有功功率和无功功率输出控制的功能。

Description

用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构

技术领域

    本发明涉及中高压电机驱动的AC/DC和DC/AC电能转换装置使用的全控桥，特别是驱动交流电压从1kV到20kV范围内调速电机的电源装置。

背景技术

    到目前为止，中高压电机驱动主要采用的是美国专利文件US5625545公开的拓扑结构，该结构使用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式脉宽调制技术(PWM： Pulse Width Modulation)的单元串联多电平方案。在中国，采用这种拓扑结构的电源装置称为中高压变频器，中高压变频器由题为“高压变频器应用手册”和“变频器应用手册”的出版物公知。这种拓扑结构需要一台与变频器容量近似的变压器，增加成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，直接从交流电网获取电能，进行AC/DC电能变换，产生直流电压源，再进行DC/AC电能变换，产生电机需要的交流电压，输出交流电压的幅值和频率可调，省去多重化移相变压器，并且该结构具有有功功率和无功功率输出控制的功能。

本发明的技术方案如下：

一种用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，包括有交流电源和电机，其特征在于：从所述的交流电源引出接线，依次连接AC/DC转换器、滤波电路和全控桥逆变电路后接入所述的电机，所述交流电源输出的交流电压经AC/DC转换器变换成直流电压，再经滤波电路和全控桥逆变电路变换成交流电压并输入到电机，为电机提供所需的交流电压；所述的全控桥逆变电路的每个桥臂上分别串接有一个或多个开关模块，各开关模块的结构均相同，且均由多个开关器件、二极管以及电容串并联组成。

所述的用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，其特征在于：所述的全控桥逆变电路的控制采用PWM方式，全控桥逆变电路输出频率和电压幅值均可调的交流电压。

所述的用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，其特征在于：所述的多个开关器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管或金属氧化物半导体控制晶闸管。

本发明的有益效果：

本发明直接从交流电网获取电能，进行AC/DC电能变换，产生直流电压源，再进行DC/AC电能变换，产生电机需要的交流电压，输出交流电压的幅值和频率均可调，省去了多重化移相变压器，大大简化了电路结构，并且本发明的电路结构具有有功功率和无功功率输出控制的功能。

附图说明

图1为本发明的电路结构原理框图。

图2为本发明全控桥单桥臂的拓扑结构图。

图3为本发明开关模块M的拓扑结构图。

图4为本发明开关模块M的其它拓扑结构图；其中，图4a为本发明模块M开关的并联结构图，图4b为本发明开关模块M的串联结构图，图4c1和图4c2分别为本发明开关模块M内部开关的二种串联/并联拓扑结构图，图4d 为本发明开关模块M的电容C拓扑结构图。

图5为本发明整流侧的AC/DC拓扑结构图；其中，图5a为二极管不可控AC/DC整流结构图，图5b为晶闸管相控AC/DC整流结构图，图5c 三相全控桥AC/DC整流结构图。

具体实施方式

参见图1，一种用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，包括有交流电源和电机7，从交流电源引出接线，依次连接AC/DC转换器8、滤波电路9和全控桥逆变电路后接入电机7，交流电源输出的交流电压经AC/DC转换器8变换成直流电压，再经滤波电路9和全控桥逆变电路变换成交流电压并输入到电机7，为电机7提供所需的交流电压；全控桥逆变电路的每个桥臂上分别串接有一个或多个开关模块1、2、3、4、5、6，各开关模块的结构均相同，且均由多个开关器件、二极管以及电容串并联组成。

全控桥逆变电路的控制采用PWM方式，全控桥逆变电路输出频率和电压幅值均可调的交流电压。

开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管或金属氧化物半导体控制晶闸管。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

通常使用的大功率全控桥是三相全控桥，也有单相全控桥。全控桥的桥臂结构是用开关模块串联组成，每个开关模块的结构相同。根据变频器电压等级和参数，确定单桥臂具体的开关模块数量；变频器输入和输出电压等级越高，单桥臂上的串联开关模块数量就越多。

参见图1，交流电压源输入到AC/DC转换器8，产生直流电压，电容9是储能滤波作用，多个开关模块1、2、3、4、5、6相互串并联组成全控桥逆变电路的桥臂，开关模块的数量在1、2…..M( M是大于3的自然数 )范围内，具体的数量根据电机的实际电压参数设置，各开关模块的内部结构是相同的。电机7是变频器的负载，全控桥逆变电路的控制采用PWM方式，根据电机7的需要，全控桥逆变电路输出频率和电压幅值均可调的交流电压。

参见图2，图1中的多个开关模块1、2、3、4、5、6的结构相同，全部是图2中的拓扑结构图，由M1～Mn个开关模块串联组成，M1、M2…..Mn的内部结构完全相同，每个开关模块有上下两个输出接口A和B，对于相邻M来说上面一个模块的B与下面一个模块的A相连接，依次类推。

开关模块的主回路两个端口分别是A和B，A是电流正向入口，B是电流反向入口。所有开关模块M的两个端口是相同。M的工作原理是：主回路需要正向电流，当S1导通时，正向电流从A进入，通过S1到B；如果S1截至，那么正向电流就截至，M的正向电流为零。主回路需要反向电流，S1截止，反向电流从B流入，经过S1的反并联二极管D1到A；如果S2导通，那么反向电流从B流入，经过电容C通过S2到A。开关模块M在S1关断时刻产生的电压过冲由电容C吸收，也就开关模块M流过正向电流，需要关断该电流时，关断S1，使正向电流通过模块M的二极管D2和电容C的串联支路流到B，正向电流给电容C充电，主回路电流逐渐下降到零；此时电容C的充电电压高于供电电压时，再闭合S2，使电容的储能向主回路释放；这时开关模块M流过反向电流，路径是从B流入，经过电容C和S2的串联支路到A；当电容C的电压和主回路供电电压相等时，模块M的电流变为零。

参见图3，由二个开关器件S1、S2，快恢复二极管D1、D2和电容C组成；S1和S2在同一时刻，只有一个导通。开关器件S1、S2可以是可调关断的半导体元件，具体可以是绝缘栅双极型晶体管 (IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT：Integrated gate-commutated thyristor )、电子注入增强栅晶体管(IEGT：Injection Enhanced Gate Transistor)和金属氧化物半导体控制晶闸管(MCT：MOS Controlled Thyristor )，也可以是其类型的可关断功率器件。

参见图4a，采用多开关器件的并联，以增加M输出电流能力，开关器件S1和S2相并联数量根需要设置，可以从2开始设置任意的并联开关数量。参见图4b，采用多开关器件的串联，以增加M输出电压能力；开关器件S1和S2的串联数量根据需要设置，可以从2开始设置任意的串联数量。图4c是图4a和图4b的混合结构，其中图4c1是开关管串联为一个支路，然后由多个支路并联，这些支路里面的开关同步动作，以代替图3中的S1和S2开关；图4c2是多只开关管并联为一个支路，然后多个支路再串联，这些支路里面的开关管动作同步，以代替图3中的开关器件S1和S2；图4c的拓扑结构功能是增加模块M的输出电压和电流能力。图4d是图3中模块M电容C的拓扑结构，该电容C可以采用多个(数量大于1)电容器串联组成。

参见图5，电容C是滤波及储能电容器，可以是单只电容或多只电容的串并联组成。图5a是二极管不可控整流，输出直流电压受交流电网的影响。D是二极管整流电路的桥臂，可以是单只二极管，也可以是多只二极管的串联。图5b是晶闸管相控整流，可以控制整流侧的直流电压，桥臂元件T可以是晶闸管或门极关断晶闸管(GTO： Gate Turn-Off Thyristor)。图5c是采用图1中的全控桥结构，各桥臂与图1中的1、2、3、4、5和6相同；可以控制整流测的直流电压，还可以实现电机能量向电网输送功能，并且能够进行有功和无功的双向传输功能；开关器件可以是IGBT或IEGT、MCT等。图5c中，M是开关模块；L是电感；C是滤波和储能电容，可以是多个电容的串联组成；V是交流输入电压源。

Claims (3)

1.一种用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，包括有交流电源和电机，其特征在于：从所述的交流电源引入接线，依次连接AC/DC转换器、滤波电路和全控桥逆变电路后接入所述的电机，所述交流电源输入的交流电压经AC/DC转换器变换成直流电压，再经滤波电路和全控桥逆变电路变换成交流电压并输入到电机，为电机提供所需的交流电压；所述的全控桥逆变电路的每个桥臂上分别串接有一个或多个开关模块，各开关模块的结构均相同，且均由多个开关器件、二极管以及电容串并联组成；每个桥臂的串联开关模块数量相同；所述的AC/DC转换器可以采用全控桥逆变结构把交流输入电压变换成直流电压。

2.根据权利要求1所述的用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，其特征在于：所述的全控桥逆变电路的控制采用PWM方式，全控桥逆变电路输出频率和电压幅值均可调的交流电压。

3.根据权利要求1所述的用于中高压电机驱动的全控桥拓扑结构，其特征在于：所述的开关器件可以是下列开关器件的任意一种：绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管以及金属氧化物半导体控制晶闸管。

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