CN102739070B - 一种能量回馈型三相高压变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能量回馈型三相高压变频器，主要包括主变压器、三相电抗器、具能量回馈功能的三相低压变频器、三相输出变压器；主变压器的副边绕组包括M路相互隔离、相位和电压相等的对称三相输出；每个三相低压变频器，有一路副边绕组通过三相电抗器与其输入端连接；三相低压变频器的输出端连接负载或输出变压器的绕组；各低压变频器的三个输出相分别直联或通过输出变压器耦合串联到高压变频器的对应相输出；其中有三个低压变频器的三相输出中的两相分别直联到对应相的高压交流输出，该三个低压变频器两相输出的公共输出端为高压变频器的输出端。采用本发明，能降低变频器的输入/输出纹波电流，改善对负载的驱动性能，并降低高压变频器的成本。

Description

一种能量回馈型三相高压变频器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种能量回馈型三相高压变频器。

背景技术

当前，工业节能已经受到社会的广泛重视，高压电动机作为重要的耗电设备，也越来越多的采用了变频调速技术以实现经济运行。

自PeterW.Hammond在1995年提出单元串联多重化脉冲宽度调制(PWM)高压变频器以来，这种通过低压电力电子变换技术实现高压电机变频调速的方法由于输出电压波型好、输入谐波电流低、成本低、维护方便，已经成为高压变频调速技术的主流。单元串联多重化PWM高压变频器，通过移相变压器实现多脉波整流，改善了变频器的输入电流特性；将功率单元等分为三相，通过低压功率单元的单相交流输出叠加获得高压单相交流，进而实现高压三相交流输出；通过同输出相功率单元的移相载波调制实现高压变频器的多电平输出，并降低了输出电压变化率和输出谐波电流。

传统的变频器只能实现电能由电网向变频器的单向输送，不能实现电能由变频器向电网的回馈，因而更多地应用于风机、水泵类负载。对于需要频繁起停的牵引、提升类负载，由于电机制动时往往产生巨大的制动能量，必须将其回馈到电网。在不污染电网的前提下将制动能量向电网回馈，就成为对牵引、提升类高压变频器的基本功能要求。

采用“有源前端”技术，即在输入变压器的副边绕组和功率单元之间串入电抗器、功率单元改用全控桥有源整流，可以实现单元串联多重化PWM高压变频器的能量回馈。

图1A描述的是一个2KV单元串联多重化PWM高压变频器的方案，图1B是其功率单元的电路示意图。图1A中的高压变频器包括一个三相移相主变压器1、六个结构相同的三相电抗器(如2AU)、六个电路一致的功率单元(如3’AU)和主控制器5。移相主变压器1包括一路三相原边绕组11和六路三相副边绕组(如12AU)，其原边绕组11与三相高压电网8连接；六路副边绕组分成两组，每组的三路结构相同，而两组副边绕组之间电压相位相差30度。每个功率单元(如3’AU)为三相交流580V输入、单相交流580V输出的能量回馈型低压变频器，六个功率单元分成U、V、W三相，每相的两个功率单元(如3’AU和3’BU)的输出串联分别实现三相(如U相)高压输出，三相高压输出的一端连接在一起作为三相输出的中性点O，另外一端U、V、W作为高压变频器的输出，用于驱动高压电机7。

在主变压器1的各路副边绕组(如12AU)与对应的功率单元(如3’AU)之间，分别接入三相电抗器(如2AU)，以承受主变压器副边绕组(如12AU)与功率单元(如3’AU)输入端(如a1、b1、c1)之间的电压差；各功率单元(如3’AU)的整流桥是采用固态开关如绝缘栅极三极管(IGBT)的三相全控桥31’，以实现功率单元的能量双向传输。

主控制器5通过光纤与各功率单元(如3’AU)连接。根据电机的驱动要求向各功率单元(如3’AU)的单相逆变桥33’输出各固态开关(331-334)的PWM开关信号，控制逆变桥固态开关(如331)的开关动作；接收各功率单元(如3’AU)的运行信息，以进行集中处理。功率单元(如3’AU)内的整流控制电路36接收功率单元对应的主变压器副边绕组(如12AU)的电压信号、电流信号和功率单元(如3’AU)的直流母线电压(p-n)信号，决定功率单元(如3’AU)的三相全控整流桥31’内各固态开关(311-316)的PWM开关逻辑信号，使各功率单元(如3’AU)的输入电流与对应的主变压器副边绕组(如12AU)的电压相位相同(从电网吸取能量)或相反(向电网回馈能量)。

在这种单元串联多重化PWM高压变频器中，各功率单元都是单相输出，当输出频率较低时，功率单元中直流母线电压波动较大，导致变频器输出谐波电流增大，会影响到电机的启动性能和低速运转性能；增大功率单元的滤波电容能够加以改善，但滤波电容容量过大、价格高、寿命短，不但使高压变频器成本上升，而且也增加了使用过程中的维护工作量；主变压器为移相变压器，主变压器的副边绕组路数过多(6路，18绕组)，制造工艺复杂，提高了主变压器的制造成本；功率单元数量过多(6个)，高压变频器共使用了60个固态功率开关，也增加了变频器的材料成本；另外，各功率单元都有独立的电压、电流检测和整流控制电路，不但提高了材料成本，而且各功率单元的整流PWM同步困难，功率单元引起的主变压器原边电流纹波无法相互抵消。

采用图1A的单元串联多重化PWM高压变频器方式，如果每相5个交流690V三相输入、单相输出的功率单元串联，可以实现三相交流6KV输入-输出的高压变频器。这时，主变压器的副边绕组将增加到81个；功率单元的数量为15个，高压变频器共使用了150个固态功率开关。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能量回馈型三相高压变频器，以降低变频器的输入、输出谐波电流，改善对负载的驱动性能，并降低主变压器以及高压变频器的制造成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种能量回馈型三相高压变频器，包括主变压器、M个三相电抗器、M个具有能量回馈功能的三相低压变频器、Ceil(2M/3)减1个三相输出变压器、主控制器以及传感器电路；其中，

所述主变压器为三相多副边绕组变压器，其原边绕组接三相高压电网，副边绕组包括M路相互隔离、相位相同、电压相等的对称三相输出；对于每个三相低压变频器，均有一路副边绕组通过一个三相电抗器与其输入端连接；

所述三相低压变频器的输出端连接负载或者输出变压器的绕组；各低压变频器的三个输出相分别直接串联或通过输出变压器耦合串联到高压变频器的对应相输出中；其中的三个低压变频器的三相输出中的两相分别直接串联到对应相的高压交流输出；所述三个低压变频器的这两相输出的公共输出端分别作为高压变频器的三相输出端；

所述主控制器通过光纤与各个三相低压变频器连接；所述主控制器与传感器电路连接，用于接收主变压器副边绕组的电压、电流信号和低压变频器的直流滤波电路两端的电压信号；

其中，M为大于或等于3的自然数，Ceil()为天花板函数，表示对实数向大取整。

所述三相低压变频器结构相同，每个低压变频器包括三相全控整流桥、直流滤波电路、三相全控逆变桥、控制驱动电路和预充电电路；其中，所述三相全控整流桥的交流侧通过三相电抗器连接主变压器副边绕组，直流侧的一端连接预充电电路；三相逆变桥的直流侧与直流滤波电路并联后分别连接预充电电路和整流桥直流侧的另一端，交流侧与负载或三相输出变压器连接；所述控制驱动电路通过光纤与主控制器相连，接收来自主控制器的三相全控整流桥和三相全控逆变桥中的固态开关的控制信号，并将该低压变频器的运行信息发送给主控制器。

所述预充电电路中进一步包括限流电阻和与其并联的开关。

所述每个三相输出变压器有匝数相同的六个绕组，所述三相输出变压器对应高压变频器的每个输出相分别有一个原边绕组和一个副边绕组。

所述的各三相低压变频器的三相全控逆变桥中对应固态开关的脉冲宽度调制PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位依次相差360/M度。

所述的各三相低压变频器的三相全控整流桥中对应固态开关的PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位依次相差360/M度。

本发明所提供的能量回馈型三相高压变频器，具有以下优点：

各个低压变频器都是三相输入、三相输出，需要的直流滤波电路中的电容数量能够明显减少，不仅能降低高压变频器的成本，也延长了其工作寿命；

主变压器为普通三相多副边绕组变压器，减少了副边绕组的个数，降低了主变压器的成本；

与现有方案的功率单元相比，低压变频器数量显著减少，从而减少了高压变频器中的固态功率开关数量，降低了变频器的材料成本；

最重要的是，各低压变频器的三相全控整流桥采用错相PWM控制，引起的主变压器原边电流纹波能够相互抵消，从而可以使用电感更小的电抗器。

附图说明

图1A为现有能量回馈型单元串联高压变频器主电路示意图；

图1B为图1A中的功率单元电路示意图；

图2A为本发明的3低压变频器输出耦合串联高压变频器主电路示意图；

图2B为对应的三相低压变频器电路示意图；

图2C为对应图2A的三相输出变压器接线图；

图2D为对应图2A的低压变频器输出电压耦合串联关系图；

图2E为图2A的高压变频器输入电流波形示意图；

图2F为图2A的高压变频器输出电压波形示意图；

图3A为本发明的9低压变频器输出耦合串联高压变频器主电路示意图；

图3B为对应图3A的输出变压器接线图；

图3C为对应图3A的低压变频器输出电压耦合串联关系图。

【主要部件符号说明】

1：主变压器(移相主变压器)

11：三相原边绕组

12AU、12AV、12AW、12BU、12BV、12BW、12A-12I：三相副边绕组

2AU、2AV、2AW、2BU、2BV、2BW、2A-2I；三相电抗器

3A-3I：三相低压变频器

3’AU、3’AV、3’AW、3’BV、3’BV、3’BW：功率单元

31、31’：三相全控整流桥

311-316：固态开关

32：直流滤波电路

33、33’：全控逆变桥

331～336：固态开关

34：控制驱动电路

35：预充电电路

351：限流电阻

352：固态开关

36：整流控制驱动电路

4；41-45：三相输出变压器

5：主控制器

6：传感器电路

7：高压电机

8：高压电网。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的能量回馈型三相高压变频器作进一步详细的说明。

图2A描述了一种三个三相低压变频器通过三相变压器耦合输出串联实现的能量回馈型高压变频器，它包括主变压器1、3个(M＝3)三相电抗器(如2A)、3个能量回馈型三相低压变频器(如3A)、一个三相输出变压器4、主控制器5和传感器电路6。如果低压变频器的输入、输出电压都是三相660V，则图2A可实现一个三相交流2000V电压输入-输出的高压变频器，其容量是三个低压变频器之和。

主变压器1为三相多路副边绕组变压器，其原边绕组11接三相高压电网8，副边绕组包括3路(12A、12B、12C)对称三相输出，各路之间相互隔离、相位相同、电压相等；对于每个三相低压变频器(如3A)，都有一路副边绕组(如12A)通过一个三相电抗器(如2A)与其输入端(如a1、b1、c1)连接。

低压变频器(如3A)一个输出端(如u1)与高压电机7连接，另外两个输出端(如v1、w1)则分别与三相输出变压器4的绕组连接。各个低压变频器(如3A)的部分输出相(如3A的u1-v1、w1-u1)直接串联到高压变频器的输出相(如U-V、W-U)中，其余的输出相(如3A的v1-w1)则通过三相输出变压器4耦合串联到高压变频器的输出相(如V-W)中。

对于三相输出中有两相直接串联到对应的高压输出相的低压变频器3A、3B和3C，上述两相输出的公共点u1(u1-v1和w1-u1的公共点)、v2(u2-v2和v2-w2的公共点)和w3(v3-w3和w3-u3的公共点)，分别作为高压变频器的三相输出端U、V、W。各低压变频器3A、3B、3C的结构完全相同，输出功率分别是高压变频器的1/3。

主控制器5还与传感器电路6连接，接收主变压器副边绕组(如12A)的电压、电流信号和低压变频器的直流滤波电路32两端(p2-n)的电压信号，并由此决定各低压变频器(如3A)的整流桥31内各固态开关311-316的开关动作，以使主变压器1的副边绕组(如12A)的输出电流与输出电压的相位相同(变频器从电网吸收能量)或相反(变频器向电网回馈能量)。

Ceil()为天花板函数，表示对实数向大取整，如Ceil(3.1)＝4，Ceil(3)＝3。图2A所示方案中M＝3，Ceil(2)-1＝1，所以只有一个三相输出变压器4。

图2B是能量回馈型三相低压变频器的电路结构示意图，各三相低压变频器(如3A)包括三相全控整流桥31、直流滤波电路32、三相全控逆变桥33、控制驱动电路34和预充电电路35。三相低压变频器(如3A)的三相全控整流桥31的交流侧a、b、c通过三相电抗器(如2A)连接主变压器1的一路三相副边绕组(如12A)；三相整流桥31的直流侧一端p1连接预充电电路35的一端；三相逆变桥33的直流侧与直流滤波电路32并联后的两端p2、n分别预充电电路35和整流桥31的直流侧另一端连接；三相逆变桥33的交流侧u、v、w则作为该低压变频器(如3A)的输出端，连接负载7或三相输出变压器4。

所述控制驱动电路34通过光纤与主控制器5相连，接收来自主控制器5的三相全控整流桥31和三相逆变桥33中的各固态开关311-316、331-336的控制信号，并将该低压变频器(如3A)的运行信息发送给主控制器5。

预充电电路35中包括限流电阻351和与其并联的固态开关352，当低压变频器初上电时开关352断开，由电阻351限制对直流滤波电路32充电的冲击电流，当滤波电路32充电结束后开关导通，将电阻旁路；预充电电路应具有反向导通能力，不致影响低压变频器的能量回馈；开关352的一端接三相整流桥31的直流端(如p1)，另外一端连接三相逆变桥和直流滤波电路的对应直流端(如p2)。

三相输出变压器4的额定功率与各低压变频器(如3A)相同，一共有匝数相同的六个绕组，如图2C所示，对应高压变频器的每个输出相(如U-V)分别有一个原边绕组(u3-v3)和一个副边绕组(v1-u2)，原边绕组接同一低压变频器的(如3C)的两个输出端(如u3、v3)，次边绕组分别接不同低压变频器的不同相输出端(如3A的v1、3B的u2)。

图2D给出了图2A中低压变频器的输出电压耦合串联关系图，其中椭圆符号表示某一低压变频器对应相输出直接串入高压变频器输出相(如椭圆内标识为uv1表示低压变频器3A的u-v输出直接串联到高压变频器U-V相输出，其它类似)，方框符号表示某一低压变频器对应相输出通过变压器耦合串联到高压变频器对应输出相(如方框内标识为wu2表示低压变频器3B的w-u相输出通过变压器耦合串联到高压变频器W-U相输出，其它类似)。

各个低压变频器如3A、3B、3C中的三相全控逆变桥33的对应固态开关(如331)的PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位彼此相差120度(360度/3＝120度)。

采用上述连接方式，高压变频器的输出线电压分别等于所有三个低压变频器3A、3B、3C的对应相输出线电压之和，输出电压为低压变频器输出电压的3倍，如：

V_UV＝V_UV1+V_UV2+V_UV3＝3U_UV1

图2F给出了三个低压变频器及高压变频器的U、V相之间的输出线电压波形示意图，其中V_UV1、V_UV2、V_UV3分别是低压变频器3A、3B、3C的u、v之间的线电压，V_UV则是高压变频器的U、V之间的线电压。从图2F可以看出，各低压变频器(如3A)的输出电压形态相同，但只能依次跳变，高压变频器实现了多电平输出，电平数量可达7个，有效限制了输出电压变化率。

各个低压变频器3A、3B、3C的三相全控整流桥31中的对应固态开关(如311)的PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位彼此相差120度。

图2E简单描述了三个低压变频器引起的主变压器原边电流分量以及与主变压器1的总原边电流之间的波形关系示意图，其中IA1、IA2、IA3分别是低压变频器3A、3B、3C引起的主变压器A相原边电流分量，IA则表示主变压器1的A相总原边电流，主变压器1的B、C相电流关系同A相。从图2E可以看出，各低压变频器导致的主变压器原边电流分量形态相同，但纹波相互错开、能够部分相互抵消，使高压变频器的输入纹波电流显著降低，从而可选用电感值更小的三相电抗器。

将上述方案与图1A的单元串联多重化PWM高压变频器方案对比可以得出：

1)由于图2A中采用了三相低压变频器(如3A)，因而对低压变频器内部直流滤波电路32中滤波电容的容量要求可以显著降低；

2)主变压器1的副边绕组只有3路，减少了3路；

3)低压变频器的数量只有3个，整台高压变频器共使用了36个固态开关，减少了24个；

4)各低压变频器的整流、逆变PWM信号都来自主控制器，低压变频器本身基本不再需要进行电流、电压检测，控制系统明显简化，材料成本也相应降低；更重要的是各低压变频器的三相全控整流桥采用同步错相PWM控制，引起的主变压器原边电流纹波可相互抵消，从而可以使用电感值更小的电抗器。虽然图2A所示的方案增加了一个三相变压器4，但其功率只是主变压器功率的1/3，考虑到前述优势，高压变频器的总成本也能够明显降低。

本发明提供的三相低压变频器通过三相变压器耦合输出串联的能量回馈型高压变频器能够采用任意不少于三个的三相低压变频器实现高压变频器。图3A和图3B给出了一个由9个(M＝9)三相低压变频器输出通过5个三相输出变压器耦合串联实现的能量回馈型高压变频器的例子，其中图3A是主电路接线图，图3B是五个三相输出变压器41-45的接线图。采用这种方案，用9个三相交流660V电压输入-输出的能量回馈型低压变频器可以实现三相交流6KV电压输入、输出的高压变频器。

与图2A相比，9个三相低压变频器输出的变压器耦合串联能量回馈型高压变频器有以下变化：

1)三相低压变频器的数量增加到9个，每个低压变频器的容量应为高压变频器的1/9；

2)主变压器的对应副边绕组增加到9路；

3)三相电抗器的数量增加为9个；

4)三相输出变压器的数量增加到5个，每个三相输出变压器的容量为高压变频器容量的1/9；

5)各低压变频器逆变桥的对应固态开关的PWM信号载波相位依次相差40度；

6)各低压变频器整流桥的对应固态开关的PWM信号载波相位依次相差40度；

图3A所示方案的其它特征，能够从图2A的说明方便得出，这里不再赘述。

图3C给出了图3A、图3B给出的低压变频器的输出电压耦合串联关系图。输出变压器的组合方式有多种，图3B只作为其中的一种实现方式。

采用图3A的高压变频器方案，主变压器的副边绕组只有9路27个；低压变频器的数量为9个，高压变频器共使用了108个固态功率开关。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，包括主变压器、M个三相电抗器、M个具有能量回馈功能的三相低压变频器、Ceil(2M/3)减1个三相输出变压器、主控制器以及传感器电路；其中，

所述主变压器为三相多副边绕组变压器，其原边绕组接三相高压电网，副边绕组包括M路相互隔离、相位相同、电压相等的对称三相输出；对于每个三相低压变频器，均有一路副边绕组通过一个三相电抗器与其输入端连接；

所述三相低压变频器的输出端连接负载或者输出变压器的绕组；各低压变频器的三个输出相分别直接串联或通过输出变压器耦合串联到高压变频器的对应相输出中；其中的三个低压变频器的三相输出中的两相分别直接串联到对应相的高压交流输出；所述三个低压变频器的这两相输出的公共输出端分别作为高压变频器的三相输出端；

所述主控制器通过光纤与各个三相低压变频器连接；所述主控制器与传感器电路连接，用于接收主变压器副边绕组的电压、电流信号和低压变频器的直流滤波电路两端的电压信号；

其中，M为大于或等于3的自然数，Ceil()为天花板函数，表示对实数向大取整。

2.根据权利要求1所述的能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，所述三相低压变频器结构相同，每个低压变频器包括三相全控整流桥、直流滤波电路、三相全控逆变桥、控制驱动电路和预充电电路；其中，所述三相全控整流桥的交流侧通过三相电抗器连接主变压器副边绕组，直流侧的一端连接预充电电路；三相逆变桥的直流侧与直流滤波电路并联后分别连接预充电电路和整流桥直流侧的另一端，交流侧与负载或三相输出变压器连接；所述控制驱动电路通过光纤与主控制器相连，接收来自主控制器的三相全控整流桥和三相全控逆变桥中的固态开关的控制信号，并将该低压变频器的运行信息发送给主控制器。

3.根据权利要求2所述的能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，所述预充电电路中进一步包括限流电阻和与其并联的开关。

4.根据权利要求1所述的能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，所述每个三相输出变压器有匝数相同的六个绕组，所述三相输出变压器对应高压变频器的每个输出相分别有一个原边绕组和一个副边绕组。

5.根据权利要求1所述的能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，所述的各三相低压变频器的三相全控逆变桥中对应固态开关的脉冲宽度调制PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位依次相差360/M度。

6.根据权利要求1所述的能量回馈型三相高压变频器，其特征在于，所述的各三相低压变频器的三相全控整流桥中对应固态开关的PWM信号的基准波相同，载波波形相同但相位依次相差360/M度。