CN102761269B - 变频器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率单元及变频器。功率单元包括：整流部分，并联在直流母线上的储能电容，以及由四个IGBT组成的H桥逆变器；所述整流部分由两个整流二极管和另四个IGBT组成，所述两个整流二极管连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述另四个IGBT分别连接所述副边绕组的另两相输出端；或，所述整流部分由四个整流二极管和另两个IGBT组成，所述另两个IGBT连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述四个整流二极管分别连接所述副边绕组的另两相输出端。本发明实施例不会增加整流的软件控制难度，且能够通过控制整流部分中IGBT的开通、关断使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而将电机产生的电能回馈到电网中。

Description

变频器

技术领域

本发明实施例涉及电力电子技术，尤其涉及一种变频器。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，作为21世纪电力电子技术发展的产物，中高压变频器在很多领域广泛应用，尤其国产化进程的启动带了很多机会。其中功率单元串联型中高压变频器已经成为中高压变频器领域的一类重要产品，该结构的变频器采用若干个独立的变频功率单元串联的方式，以实现多电平高压输出，改善输出电压波形。

目前广泛使用的功率单元串联型多电平中高压变频器的结构组成包括：带有多个副边绕组的隔离移相变压器、多个功率单元、控制系统构成，其中多个功率单元串联组成频率可调的高压交流电源。图1为功率单元的电路示意图。如图1所示，功率单元是由二极管整流桥、并联在直流母线上的大容量储能电容C、并联在这些电容C上的均压电阻R和H桥逆变器组成，其中，二极管整流桥由整流二极管T1-T6组成，H桥逆变器由绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT)Q1-Q4组成。由于二极管不可控，二极管整流桥能量传送不可逆，当电机减速、制动或带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态，产生的电能传送到直流侧滤波电容上，会产生泵生电压，若产生的泵生电压得不到及时释放，会引起变频器过压保护或损坏功率器件，因此，通常这种变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统。

为了实现能量回馈，通常用IGBT替代所有整流二极管构成脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，简称PWM)整流电路，来实现能量回馈，但这样却增加了功率器件，提高了成本，并且采用IGBT实现整流使整流的软件控制难度大大增加。

发明内容

本发明实施例提供一种变频器，用以解决现有技术中能量回馈导致的增加成本和整流的软件控制难度的问题。

本发明的第一个方面是提供一种功率单元，包括：

整流部分，并联在直流母线上的储能电容，以及由四个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的H桥逆变器；

所述整流部分由两个整流二极管和另四个IGBT组成，所述两个整流二极管连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述另四个IGBT分别连接所述副边绕组的另两相输出端；或，所述整流部分由四个整流二极管和另两个IGBT组成，所述另两个IGBT连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述四个整流二极管分别连接所述副边绕组的另两相输出端。

本发明的另一个方面是提供一种变频器，包括：

移相变压器，所述移相变压器包括一个原边绕组和3X个副边绕组，所述原边绕组连接电网，X为不小于2的自然数；

三路级联的功率单元，每一路级联的功率单元均包括输出级联的X个功率单元，各功率单元的输入端分别连接到一个副边绕组，且每一路级联的功率单元的输出端各连接电机的一相输入端；

控制系统，与各功率单元连接，用于控制各功率单元的输出电压和输出频率；

其中，各功率单元均为如上所述的功率单元，所述控制系统还连接各功率单元的整流部分中的绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述控制系统还用于控制各功率单元的整流部分中IGBT开通、关断，以在所述电机产生电能时将电能回馈电网。

上述多个技术方案中的一个技术方案至少具有如下有益效果或优点：

本发明实施例通过在功率单元的整流部分中用两个或四个IGBT代替相应个数的整流二极管，当电机处于电动状态时，由整流部分中整流二极管和IGBT中内置的续流二极管来实现不控整流，不会增加整流的软件控制难度，当电机处于制动状态时，能够通过控制整流部分中IGBT的开通、关断使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而将电机产生的电能回馈到电网中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为功率单元的电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种功率单元的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种功率单元的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明实施例提供的一种功率单元的电路示意图。如图2所示，功率单元包括：

整流部分21，并联在直流母线上的储能电容22，以及由四个IGBTQ1、Q2、Q3、Q4组成的H桥逆变器23；

整流部分21由两个整流二极管T1、T2和另四个IGBTT3、T4、T5、T6组成，两个整流二极管T1、T2连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述另四个IGBTT3、T4、T5、T6分别连接所述副边绕组的另两相输出端。

具体地，整流二极管T1、T2可以连接移相变压器一个副边绕组的R相输出端，也可以连接S相输出端或T相输出端。若整流二极管T1、T2连接一个副边绕组的R相输出端，则IGBTT3、T4连接该副边绕组的S相输出端，IGBTT5、T6连接该副边绕组的T相输出端；若整流二极管T1、T2连接一个副边绕组的S相输出端，则IGBTT3、T4连接该副边绕组的R相输出端，IGBTT5、T6连接该副边绕组的R相输出端；若整流二极管T1、T2连接一个副边绕组的T相输出端，则IGBTT3、T4连接该副边绕组的S相输出端，IGBTT5、T6连接该副边绕组的R相输出端。

由于可以通过驱动信号来控制IGBT的开通或关断，因为，在电机产生电能时，如电机处于制动等发电状态时，通过控制整流部分21中IGBTT3、T4、T5、T6的开通或关断，比如控制IGBTT3、T4、T5、T6处于高频开关状态，可以使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而可以将电能从功率单元的输出端回馈到功率单元的输入端，如电网中。

储能电容22用于储存母线的电能，通常选用大容量的电容，具体地可以是电解电容、薄膜电容等。当选用薄膜电容时，由于薄膜电容耐压高，可以不用串联。当选用电解电容时，由于电解电容耐压低，可以选用多个电容值相同的电解电容221互相串联；为了进一步地增大电容的容值，还可以为每个电解电容221再并联一个电容值相同的电解电容。进一步地，考虑到电解电容的电容值误差较大，为了防止某个电容上的电压过高而被击穿，功率单元还包括：与各电解电容221分别并联的多个均压电阻24。

进一步地，为了降低H桥逆变器23中IGBT关断时的关断过电压，所述功率单元还包括：并联在直流母线上的无感吸收电容25，无感吸收电容25用于吸收H桥逆变器23中的杂散电感。通常，无感吸收电容25设置在靠近H桥逆变器23的位置，且选用电容值较小的薄膜电容。

进一步地，为了在过流或短路时保护整流部分21中的整流二极管和IGBT，还可以在所述副边绕组的各相输出端分别串联熔断器。举例来说，在R、T相输出端分别串联熔断器F1、F2。

本发明实施例通过在功率单元的整流部分中用四个IGBT代替相应个数的整流二极管，当电机处于电动状态时，由整流部分中整流二极管和IGBT中内置的续流二极管来实现不控整流，不会增加整流的软件控制难度，当电机处于制动状态时，能够通过控制整流部分中IGBT的开通、关断使整流部分的IGBT处于逆变工作状态，从而将电机产生的电能回馈到电网中。

图3为本发明实施例提供的又一种功率单元的电路示意图。如图3所示，功率单元包括：

整流部分31，并联在直流母线上的储能电容32，以及由四个IGBTQ1、Q2、Q3、Q4组成的H桥逆变器33；

整流部分31由四个整流二极管G1、G2、G3、G4和两个IGBTG5、G6组成，两个IGBTG5、G6连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，四个整流二极管G1、G2、G3、G4分别连接所述副边绕组的另两相输出端。

具体地，IGBTG5、G6可以连接移相变压器一个副边绕组的R相输出端，也可以连接S相输出端或T相输出端。若IGBTG5、G6连接一个副边绕组的R相输出端，则整流二极管G1、G2连接该副边绕组的S相输出端，整流二极管G3、G4连接该副边绕组的T相输出端；若IGBTG5、G6连接一个副边绕组的S相输出端，则整流二极管G1、G2连接该副边绕组的R相输出端，整流二极管G3、G4连接该副边绕组的R相输出端；若IGBTG5、G6连接一个副边绕组的T相输出端，则整流二极管G1、G2连接该副边绕组的S相输出端，整流二极管G3、G4连接该副边绕组的R相输出端。

由于可以通过驱动信号来控制IGBT的开通或关断，因为，在电机产生电能时，如电机处于制动等发电状态时，通过控制整流部分22中IGBTG5、G6的开通或关断，比如控制IGBTT3、T4、T5、T6处于高频开关状态，可以使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而可以将电能从功率单元的输出端回馈到功率单元的输入端，如电网中。

储能电容32用于储存母线的电能，通常选用大容量的电容，具体地可以是电解电容、薄膜电容等。当选用薄膜电容时，由于薄膜电容耐压高，可以仅选用一个薄膜电容。当选用电解电容时，由于电解电容耐压低，可以选用多个电容值相同的电解电容321互相串联；为了进一步地增大电容的容值，还可以为每个电解电容321再并联一个电容值相同的电解电容。进一步地，考虑到电解电容的电容值误差较大，为了防止某个电容上的电压过高而被击穿，功率单元还包括：与各电解电容321分别并联的多个均压电阻34。

进一步地，为了降低H桥逆变器33中IGBT关断时的关断过电压，所述功率单元还包括：并联在直流母线上的无感吸收电容35，无感吸收电容35用于吸收H桥逆变器33中的杂散电感。通常，无感吸收电容35设置在靠近H桥逆变器33的位置，且选用电容值较小的薄膜电容。

进一步地，为了在过流或短路时保护整流部分21中的整流二极管和IGBT，还可以在所述副边绕组的各相输出端分别串联熔断器。举例来说，在副边绕组的两相输出端分别串联熔断器F1、F2。

本发明实施例通过在功率单元的整流部分中用两个IGBT代替相应个数的整流二极管，当电机处于电动状态时，由整流部分中整流二极管和IGBT中内置的续流二极管来实现不控整流，不会增加整流的软件控制难度，当电机处于制动状态时，能够通过控制整流部分中IGBT的开通、关断使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而将电机产生的电能回馈到电网中。

图4为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图。如图4所示，变频器400包括：

移相变压器41，移相变压器41包括一个原边绕组411和3X个副边绕组412，所述原边绕组连接电网，X为不小于2的自然数；

三路级联的功率单元42，每一路级联的功率单元均包括输出级联的X个功率单元421、422、…、42X，各功率单元的输入端分别连接到一个副边绕组412，且每一路级联的功率单元的输出端各连接电机的一相输入端；

控制系统43，与各功率单元分别连接，用于控制各功率单元的输出电压和输出频率；

其中，各功率单元421、422、…、42X为如上所述的本发明实施例提供的功率单元，控制系统43还连接功率单元421、422、…、42X的整流部分中的IGBT，控制系统43还用于控制各功率单元421、422、…、42X的整流部分中功率器件开通、关断，以在所述电机产生电能时将电能回馈电网。

具体地，每一路级联的功率单元中，各功率单元的输出串联，即，每一路级联的功率单元的输出电压为该路中各功率单元的输出电压之和。为了控制各功率单元的输出电压和输出频率，控制系统具体地连接各功率单元的H桥逆变器中各IGBT的驱动端。为了控制各功率单元的整流部分中功率器件开通、关断，控制系统具体地还连接到各功率单元的整流部分中各IGBT的驱动端。通常，当控制系统不给IGBT输出驱动信号或是输出幅值为负的驱动信号时，IGBT关断，当控制系统给IGBT输出幅值为正的驱动信号时，IGBT开通。

在本发明的一个可选的实施例中，控制系统43对电机转速的控制可以是闭环的，也就是通过采集电机的转速，判断每一路级联的功率单元的输出电压和输出频率是否满足要求，来调整对各功率单元的H桥逆变器中IGBT的驱动信号，从而控制控制电机的转速。具体地，控制系统43具体包括：

电机转速检测模块，与所述电机连接，用于检测所述电机的转速；

母线电压检测模块，与三路级联的功率单元42分别连接，用于检测直流母线电压；

第一控制模块，与所述电机转速检测模块、各功率单元的H桥逆变器中IGBT连接，用于根据所述电机的转速，得到各功率单元的H桥逆变器中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的输出电压和输出频率；

第二控制模块，与所述母线电压检测模块、各功率单元的整流部分中IGBT连接，用于当所述直流母线电压超过预设的阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。

具体地，通过将直流母线电压与预设的阈值比较，来判断电机是否处于制动等发电状态。直流母线电压可以通过电压传感器来检测，也可以通过在正负母线上串联多个电阻分压的方式来检测。

需要说明的是，当电机处于发电状态时，还需控制功率单元的H桥逆变器中的IGBT关断，以使H桥逆变器中IGBT内置的续流二极管进行整流，并将整流后的电能反馈到整流部分。具体地，所述第二控制模块还与所述第一控制模块连接，所述第二控制模块还用于当所述母线电压超过预设的阈值时，控制所述第一控制模块关断各功率单元的H桥逆变器中IGBT。

在本发明的又一可选的实施例中，基于每一路级联的功率单元，检测直流母线电压。具体地，所述阈值为级联阈值，所述母线电压为级联直流母线电压；

所述母线电压检测模块具体包括：

三个级联母线电压检测单元，各级联母线电压检测单元分别与一路级联的功率单元连接，用于检测所述一路级联的功率单元的级联直流母线电压；

所述第二控制模块与所述三个母线电压检测单元分别连接，具体用于当所述三路级联的功率单元各自的级联直流母线电压中超过第一设定个数的级联直流母线电压超过预设的级联阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。

具体地，级联直流母线电压为一路级联的功率单元的总直流母线电压。举例来说，第一设定个数为1，当有两路或三路级联的功率单元的级联直流母线电压均超过预设的级联阈值时，控制所有功率单元的整流部分中的IGBT均处于逆变工作状态。

在本发明的又一可选的实施例中，基于每个功率单元，检测直流母线电压。具体地，所述阈值为单元阈值，所述母线电压为单元直流母线电压；

所述母线电压检测模块具体包括：

3X个单元母线电压检测单元，各单元母线电压检测单元分别与一个功率单元连接，用于检测所述功率单元的单元直流母线电压；

所述第二控制模块与所述3X个单母线电压检测单元分别连接，具体用于当3X个功率单元各自的单元直流母线电压中超过第二设定个数的单元直流母线电压超过预设的单元阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。

具体地，单元直流母线电压为单个功率单元的直流母线电压。举例来说，X为5，第二设定个数为10，当15个功率单元中有超过10个功率单元的单元直流母线电压均超过预设的单元阈值时，控制所有15个功率单元的整流部分中的IGBT均处于逆变工作状态。单元阈值可根据具体使用时的母线电压设定，举例来说，当功率单元的三相输入电压为690伏特(V)时，可以设定单元阈值为1170V。

在本发明实施例中，当电机工作在电动状态，功率单元的整流部分中的各IGBT关断，电网输入的交流电经移相变压器降压、移相后，通过功率单元中的整流部分后变成直流电，然后通过储能电容滤波储能，再通过控制系统控制的H桥逆变器中四个IGBT开通、关断，处于高频开关状态，使直流电重新变为所需电压、频率的交流电源。三路级联的功率单元的输出电压经各路串联叠加后形成三相正弦波，给电机供电，电机运行在第一、第三象限，变频器功率单元整流部分工作在整流状态。

当电机工作在制动等产生电能的状态时，产生的电能通过H桥逆变器回馈到直流母线，若直流母线电压超过设定的阈值，通过控制功率单元中整流部分的IGBT的开通、关断，处于高频开关状态，使功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，将电能回馈到电网中。

本发明实施例通过在功率单元的整流部分中用两个或四个IGBT代替相应个数的整流二极管，当电机处于电动状态时，由整流部分中整流二极管和IGBT中内置的续流二极管来实现不控整流，不会增加整流的软件控制难度，当电机处于制动状态时，能够通过控制整流部分中IGBT的开通、关断使整流部分中的IGBT处于逆变工作状态，从而将电机产生的电能回馈到电网中。进一步地，由于电机制动产生回馈能量使直流母线电压增高时，通过实时监测直流母线电压，并与预设的阈值进行比较，当直流母线电压高于阈值时，控制整流部分的IGBT处于高频开关状态，能量通过整流部分的IGBT回馈至电网。本发明实施例不仅克服变频器能量不能回馈的缺点，而且还能克服变频器功率单元需外加能量回馈装置增加整个系统成本和体积的缺点。本发明实施例采用低成本的整流方案和简单有效的控制方案实现变频器能量回馈功能，满足众多对节能有一定需求的用户。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种变频器，其特征在于，包括：

移相变压器，所述移相变压器包括一个原边绕组和3X个副边绕组，所述原边绕组连接电网，X为不小于2的自然数；

三路级联的功率单元，每一路级联的功率单元均包括输出级联的X个功率单元，各功率单元的输入端分别连接到一个副边绕组，且每一路级联的功率单元的输出端各连接电机的一相输入端；

控制系统，与各功率单元分别连接，用于控制各功率单元的输出电压和输出频率；

其中，各功率单元，包括：整流部分，并联在直流母线上的储能电容，以及由四个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的H桥逆变器；

所述整流部分由两个整流二极管和另四个IGBT组成，所述两个整流二极管连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述另四个IGBT分别连接所述副边绕组的另两相输出端；或，所述整流部分由四个整流二极管和另两个IGBT组成，所述另两个IGBT连接移相变压器的一个副边绕组的一相输出端，所述四个整流二极管分别连接所述副边绕组的另两相输出端；

所述控制系统还连接各功率单元的整流部分中的绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述控制系统还用于控制各功率单元的整流部分中IGBT开通、关断，以在所述电机产生电能时将电能回馈电网；

所述控制系统具体包括：

电机转速检测模块，与所述电机连接，用于检测所述电机的转速；

母线电压检测模块，与所述三路级联的功率单元分别连接，用于检测直流母线电压；

第一控制模块，与所述电机转速检测模块、各功率单元的H桥逆变器中IGBT连接，用于根据所述电机的转速，得到各功率单元的H桥逆变器中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的输出电压和输出频率；

第二控制模块，与所述母线电压检测模块、各功率单元的整流部分中IGBT连接，用于当所述直流母线电压超过预设的阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。

2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述储能电容为多个串联的电解电容。

3.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于，还包括：与各电解电容分别并联的多个均压电阻。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的变频器，其特征在于，还包括：并联在直流母线上的无感吸收电容，所述无感吸收电容用于吸收所述H桥逆变器中的杂散电感。

5.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述第二控制模块还与所述第一控制模块连接，所述第二控制模块还用于当所述直流母线电压超过预设的阈值时，控制所述第一控制模块关断各功率单元的H桥逆变器中IGBT。

6.根据权利要求1或5所述的变频器，其特征在于，所述阈值为级联阈值，所述直流母线电压为级联直流母线电压；

所述母线电压检测模块具体包括：

三个级联母线电压检测单元，各级联母线电压检测单元分别与一路级联的功率单元连接，用于检测所述一路级联的功率单元的级联直流母线电压；

所述第二控制模块与所述三个母线电压检测单元分别连接，具体用于当所述三路级联的功率单元各自的级联直流母线电压中超过第一设定个数的级联直流母线电压超过预设的级联阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。

7.根据权利要求6所述的变频器，其特征在于，所述阈值为单元阈值，所述母线电压为单元直流母线电压；

所述母线电压检测模块具体包括：

3X个单元母线电压检测单元，各单元母线电压检测单元分别与一个功率单元连接，用于检测所述功率单元的单元直流母线电压；

所述第二控制模块与所述3X个单母线电压检测单元分别连接，具体用于当3X个功率单元各自的单元直流母线电压中超过第二设定个数的单元直流母线电压超过预设的单元阈值时，得到各功率单元的整流部分中IGBT的驱动信号并输出，以控制各功率单元的整流部分中的IGBT处于逆变工作状态。