CN102263523B - 一种利用igbt换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电工类电力电子学科，旨在提供一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器。该逆变器包括由单相全桥组成的逆变器；所述多相方波逆变器是n级各自独立的逆变器，每级逆变器均由m个单相全桥组成，m、n为≥1的整数。本发明可以克服现有逆变器的缺点，降低逆变器成本、减小体积、减少损耗、简化线路、并可降低直流脉冲电压的dV/dt值，从而减小电动机的绝缘应力。

Description

一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器

技术领域

本发明属于电工一级学科，电力电子技术二级学科领域。特别涉及一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器，用于异步电动机的变频调速。

技术背景

目前在直流变交流的变频调速系统中，广泛采用的异步电动机变频调速用的逆变器大多是由全控器件(IGBT、IGCT等)组成的三相正弦波逆变器。为了产生正弦波必需采用高频化的PWM技术(脉冲宽度调制技术)。为了解决中、高压变频调速还要采用多电平技术或罗宾康变压器。所有这些造成逆变器成本高、体积大、损耗大、线路复杂、电动机的绝缘承受较高的dV/dt值等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服上述现有逆变器的缺点，提供提出了一种利用振荡电流关断的由晶闸管组成的多相方波逆变器。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供了一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器，包括由单相全桥组成的逆变器；所述多相方波逆变器是n级各自独立的逆变器，每级逆变器均由m个单相全桥组成，m、n为≥1的整数。

作为一种改进，所述的m个单相全桥中的每个单相全桥均包含四个桥臂；每个桥臂由晶闸管和反并二极管组成，在每个单相全桥的每对上、下桥臂之间串接了一个换流变压器的副边绕组W，每级逆变器的输入端接了第一电感(L₁)、第一电容(C₁)和第二电感(L₂)、第二电容(C₂)组成的滤波电路，第一电容(C₁)和第二电容(C₂)两端分别接了由第一换流开关(K1+)、第二换流开关(K1-)和第一续流二极管(D₁)、第二续流二极管(D₂)串联组成的电路，n级、每级m相，总共m×n相提供m×n个相位依次互差360/mn度的方波电压给异步电动机的m×n个独立的绕组。

作为一种改进，所述的换流变压器采用一只公共的m个铁柱的多相变压器，或者采用各自独立的m个单相变压器；换流的方向是从每对上、下桥臂中的一个桥臂的晶闸管换到另一桥臂的二极管，换流变压器所加的电压的方向需有助于这样的换流。

作为一种改进，所述n级各自独立的逆变器由斩波器调压的直流电源供电。

本发明还提供了一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器，包括由半桥组成的逆变器；所述多相方波逆变器是n级各自独立的逆变器，每级逆变器均由m个半桥组成，m、n为≥1的整数；逆变器供电的直流电源具有能够提供中线电流的中线，电动机的独立的m相绕组接成星形接法，星形的中点与直流电源中线相接。

本发明的有益效果在于：

本发明可以克服现有逆变器的缺点，降低逆变器成本、减小体积、减少损耗、简化线路、并可降低直流脉冲电压的dV/dt值，从而减小电动机的绝缘应力。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。图中，U_d，ave＝斩波直流电源输出的平均电压，m、n是≥1的整数。

图2为一种直流斩波电源供电的逆变器的电路图，本发明中的多相方波逆变器由n级各自独立的该组合组成。

图3为另一种直流斩波电源供电的逆变器的电路图，本发明中的多相方波逆变器由n级各自独立的该组合组成。

具体实施方式

本发明的实现原理电路图如图1所示。斩波器输出直流电压的波形为以Ud为幅值、占空比可调的高频脉冲波ud。将此直流电压的+、-端输入到由晶闸管组成的多相方波逆变器中，逆变器由n级组成。

本发明的具体实施例1：

本具体实施例的电路图如图2所示。每一级逆变器内包含m相的可变频的方波电压发生器，每一相为单相全桥，包含两对上、下四个桥臂。每个桥臂由一个晶闸管Th和一个反并二极管D组成。每个单相全桥中的两组对角线桥臂按180°轮流工作，输出180°的方波交流电压。输出电压加到异步电动机的一相独立的绕组上。每级逆变器内输出m相方波电压，相位依次互差360/m度。

每一级逆变器的输入端接了L1、C1、L2、C2组成的滤波电路和换流开关K1+、K1-。L1、C1、L2、C2组成的滤波电路将输入直流脉冲波基本滤平。换流开关K1+、K1-平常一直导通，只当换流时才断开。断开时则电流可通过续流二极管D1继续流通。续流二极管可以使K1+、K1的电压均匀。晶闸管的换流过程说明如下：图2中在每对上、下桥臂之间串接了一个换流变压器的付边绕组：Wa1、Wb1、…Wm1。譬如在某一时刻ωt＝0°需要从a1左上～a1右下对角线桥臂导通换到a1左下～a1右上对角线桥臂导通，在此之前，Tha1左上、Tha1右下是导通的。电动机的电流瞬时是不会变的，故现在要求电流从Tha1左上流向电动机的a1相更换成从Da1左下流向电动机的a1相；同样要求电流从电动机的a1相流向Tha1右下更换成流向Da1右上。每次换流都是要求从一个桥臂的晶闸管换到另一桥臂的二极管。为了换流的需要在Wa1、Wb1、…Wm1绕组中需要换流的那一相(譬如a1相)加上换流电压脉冲ΔU(uWa1)，每个换流电压正脉冲为幅值≈+5～10v(根据换流速度的要求)、脉宽≈晶闸管的标定关断时间约100μs的波。正的uWa1值代表Wa1上的电压极性为上正下负。ΔU的方向始终有助于换流。这些电压通过换流变压器的原边加到图二中的Wa1付边绕组上。在此脉冲ΔU作用下，当需要换流时，例如在ωt＝0°的时刻，只要断开开关K1+、K1-以及Tha1左上、Tha1右下的触发脉冲，Tha1左上、Tha1右下的电流就能换流到Da1左下、Da1右上，而且由于Da1左上、Da1右下流过反向电流而使Tha1左上、Tha1右下承受反压关断，经过约100μs从新导通K1+、K1-。此时Tha1左上、Tha1右下已经完全关断，a1桥的左上、右下桥臂电流已经更换到了左下、右上桥臂。其后加上Tha1左下、Tha1右上的开通脉冲，待电动机的a1相电流反向时，Da1左下、Da1右上，的电流变为零而Tha1左下、Tha1右上的电流开始上升。经过180°后，类似地将通电桥臂再换回来。对b1、…、m1、各相也按次类似地进行。m相的换流变压器可以采用一只公共的m个铁柱的多相变压器，也可采用m只各自独立的单相变压器。

上述情况为第一级逆变器的工作情况。第2、…、n级逆变器的工作是相似的。而且n级逆变器多相换流脉冲电压均可重叠加在每级逆变器的多相换流脉冲变压器上。只当某一级逆变器的K1+、k1-断开时该级逆变器相应的桥臂才会换流。其余各级逆变器的K1+、k1-没有断开，微小的换流电压(约5～10v)是不起作用的。

上述换流变压器每次工作时付边脉冲电压为约±5～10v，付边电流为每级逆变器一相桥臂的电流。它的容量和体积是不大的。

如果直流电源不仅输出+、-端，而且输出中端(即零线)，并允许流过一定的中线电流，则逆变器m相可以改成半桥，即每相只有上、下两个桥臂。方波电压可以输到接成星形接法的m相电动机绕组，绕组的中点(即星形的中点)连接到直流电源的输出中端。此时m相绕组只需引出m+1个端子，每相电压也比原来低。

本发明的具体实施例2：

本具体实施例的电路图如图3所示。与具体实施例1相比，其区别在于，直流电源不仅输出+、-端，而且输出中端(即零线)，并允许流过一定的中线电流，逆变器m相改成半桥，每个半桥均包含两个桥臂；每个桥臂由晶闸管和反并二极管组成，在每个半桥的上、下桥臂之间串接了一个换流变压器的副边绕组W，其余电路结构与实施例1相同。方波电压可以输到m相电动机绕组，此时电动机的独立的m相绕组接成星形接法，星形的中点与直流电源的中线相接。

Claims (2)

1.一种利用IGBT换流的由晶闸管组成的多相方波逆变器，包括由单相全桥组成的逆变器；其特征在于，所述多相方波逆变器是n级各自独立的逆变器，每级逆变器均由m个单相全桥组成，m、n为＞1的整数；

所述的m个单相全桥中的每个单相全桥均包含四个桥臂；每个桥臂由晶闸管和反并二极管组成，在每个单相全桥的每对上、下桥臂之间串接了一个换流变压器的副边绕组（W）；

每级逆变器的输入端接了第一电感（L₁）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第二电感（L₂）串联组成的滤波电路；以及第一换流开关（K1+）、第一续流二极管（D₁）、第二续流二极管（D₂）和第二换流开关（K1-）依次串联组成电路；两个电路之间的连接关系为：第一换流开关（K1+）的一端与第一续流二极管（D₁）的负极相连，其另一端接至第一电感（L₁）与第一电容（C₁）的中点；第二换流开关（K1-）的一端与第二续流二极管（D₂）的正极相连，其另一端接至第二电感（L₂）与第二电容（C₂）的中点；第一续流二极管（D₁）的正极与第二续流二极管（D₂）的负极相接，其中点则接至第一电容（C₁）与第二电容（C₂）的中点；

n级、每级m相，总共m×n相提供m×n个相位依次互差360/mn度的方波电压给异步电动机的m×n个独立的绕组。

2.根据权利要求1所述的多相方波逆变器，其特征在于，所述的换流变压器采用一只公共的m个铁柱的多相变压器，或者采用各自独立的m个单相变压器；换流的方向是从每对上、下桥臂中的一个桥臂的晶闸管换到另一桥臂的二极管，换流变压器所加的电压的方向需有助于这样的换流。

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