CN103001573A - 中压变频驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种中压变频驱动系统，包含三相切换式整流模块、多电平逆变器以及高容量电容模块。三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，用以将所述三相电网上具有固定工作频率的一交流电压输入转换为一直流电压。多电平逆变器用以将所述直流电压转化成所需的一可变频率的一交流电压从而驱动所述感应电动机。高容量电容模块耦接于所述三相切换式整流模块与所述多电平逆变器之间，用以暂存所述直流电压。采用本发明，在整流前端采用三相切换式整流技术，在逆变后端则配合二极管箝位型三电平逆变器，相较于传统的三电平脉宽调变整流器，其电路结构中的开关组件可减少至少一半。此外，部分二极管无需采用较高的开关频率进行换流，成本可进一步降低。

Description

中压变频驱动系统
技术领域
本发明涉及一种变频驱动系统，尤其涉及一种三相中压变频驱动系统。
背景技术
在电动机械或感应马达的控制当中，马达的速度调节是一个重要的课题，习知的电动机械中采用的传统直流调速技术，因硬件体积大且故障率高而使其应用受限。
变频器(Variable-frequency Drive，VFD)，是应用变频技术与电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动组件。
变频器的作用是改变感应马达的交流供电频率和振幅，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制感应马达转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器配合交流式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，使得电路系统得以缩小体积并降低维修率。
其中，中压变频调速系统，目前应用广泛，在大型风机、水泵、牵引、传动等方面都具有广阔的前景。中压变频调速系统需要具备以下几个主要功能：安全、快速、宽范围地变频调速；良好的网侧功率因子；良好的输入输出电流谐波等。
同时，由于中压(系指介于1kV～35kV的电压，常见应用以6kV为例)系统中，对于开关组件耐压的要求很高，此目前最常见的中压变频调速系统主要采用多层级的级联型(cascade)方案，请参照图1与图2，图1绘示习知技术中采用多层级架构的中压变频调速系统300的示意图，图2绘示图1的习知中压变频调速系统300的功率单元320内部电路示意图。如图1所示的中压变频调速系统300中，多级变压器可将电网侧高电压变换为副边多个低电压，每个副边绕组接单独的功率单元320，如图2所示，各功率单元320完成整流到逆变的工作，实现变频调速功能。变压器的引入即可解决功率器件耐压问题，又可解决网侧电流谐波问题。以多级变压器为例，多级变压器可将三相电网(一次侧)较高的输入电压变换为二次侧的较低的工作电压，二次侧的每个绕组分别耦接单独的功率单元。每个功率单元针对较低的工作电压完成整流与逆变的工作，实现变频调速功能。透过上述多级变压器的设置，可解决功率单元无法耐高压的问题，又可解决一次侧的电流谐波问题。然而，上述习知的中压变频调速系统所设置的多级变压器，其体积和重量庞大，所需成本高，且设计复杂。因此如何采用其它调速系统结构，在获得同样性能的同时可省略变压器的设置，成为重点的研究方向。
图3绘示习知的一种中压变频调速系统结构400，图3中绘示的为业界内称为背靠背(back-to-back)变频调速的系统结构，其为无变压器型中压调速系统的一种重要结构。这种背靠背变频调速的中压变频调速系统结构400基于二极管箝位型三电平拓扑，多电平的设计可使开关管耐压降低一半，且整流侧与逆变侧采用对称结构，可有效控制网侧功率因子与谐波，并可调节电机四象限运行，实现能量回馈。这种能量回馈的特性在升降机类负载应用中具有重大意义。
然而，上述习知的无变压器型中压变频调速系统仍设置有大量的开关组件，结构相对复杂，成本亦居高不下。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本发明揭露一种中压变频驱动系统，其中在整流前端采用三相切换式维也纳整流技术，在逆变后端则配合二极管箝位型三电平逆变器，共同实现完整的中压变频调速系统。这种变频调速结构基于二极管箝位型三电平拓扑，开关组件耐压与背靠背变频结构一致，而开关组件数量大幅减少，对于风机、水泵类无需能量回馈的负载，则可以采用单象限结构，牺牲能量回馈功能，节约开关组件，降低成本。
相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)整流器，本申请的实施例中所提出的三相维也纳式整流模块的电路结构，其开关组件可减少至少一半，以功率二极管取而代之。且在本申请提出的三相维也纳式整流模块的电路结构中，部分的二极管不需要与开关组件在较高的开关频率(如1200Hz左右)下换流，对其反向恢复特性要求大大降低，成本可进一步降低。此外，本申请的部分实施例中提出的三相切换式整流模块中，因为换流二极管的存在限制了电流的方向性，即使同相有两个开关组件且两个开关组件同时开启或同时关闭亦不会发生直通现象，即不会影响有效开关组件的正常工作，在控制上简单可靠。
根据本发明的一个方面，提供了一种中压变频驱动系统，与一三相电网耦接并用以驱动一感应电动机，其中，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一多电平逆变器以及一高容量电容模块。三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，用以将所述三相电网上具有固定工作频率的一交流电压输入转换为一直流电压。多电平逆变器用以将所述直流电压转化成所需的一可变频率的一交流电压，所述交流电压用以驱动所述感应电动机。高容量电容模块耦接于所述三相切换式整流模块与所述多电平逆变器之间，用以暂存所述直流电压。
根据本发明的一实施例，其中所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电路，所述三组单相整流电路为三电平整流电路分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块用以调节所述三相电网的功率因子以及消除所述三相电网的电流总谐波畸变率。
根据本发明的一实施例，其中所述三组单相整流电路的一电压输入端与所述三相电网之间分别接有一电感。
根据本发明的一实施例，其中所述三组单相整流电路中，每一组单相整流电路上包含至少两个二极管，其中一个二极管为换流二极管，导致电流的单向性，另一二极管为非换流二极管，可选用慢速恢复二极管。
根据本发明的一实施例，其中所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工作于开关频率，需采用快速恢复二极管。
根据本发明的一实施例，其中所述三相切换式整流模块为三相维也纳整流模块。
根据本发明的一实施例，其中所述多电平逆变器中透过所述第一输出端、所述中点和所述第二输出端与所述高容量电容模块耦接，所述三相电网的输入经由所述多电平逆变器转换为所需的一三相输出交流电以驱动所述感应电动机。
根据本发明的一实施例，其中所述多电平逆变器为三电平逆变器，每一单相三电平逆变器上至少包含两个开关与一箝位二极管，所述箝位二极管一端与所述中点耦接，所述箝位二极管另一端与两开关组件耦接。
根据本发明的一实施例，其中所述交流电压为一脉宽调变方波交流讯号，其中所述中压变频驱动系统更包含至少一个控制器，所述至少一个控制器与所述多电平逆变器以及所述三相切换式整流模块耦接，所述至少一个控制器用以控制所述交流电压，于此实施例中，交流电压可为一脉宽调变方波交流讯号。控制器用以控制脉宽调变方波交流讯号的所述可变频率、一脉宽或一幅度，以便所述控制器用以使所述脉宽调变方波交流讯号迭加为近似正弦波的一交流电输出，进而驱动所述感应电动机。
根据本发明的一实施例，其中所述中压变频驱动系统的控制器用以控制整流模块交流侧的所述脉宽调变方波交流讯号的所述可变频率、所述脉宽或所述幅度，以便对所述三相切换式整流模块的功率因子和总谐波畸变率进行控制，进而使功率因子和总谐波畸变率各达到一个合适值。
根据本发明的一实施例，其中所述中压变频驱动系统的控制器为数字化微处理器。
根据本发明的一实施例，其中所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第一开关以及一第二开关。所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入。第二二极管的阳极耦接至所述第一二极管的阴极，所述第二二极管的阴极耦接至所述第一输出端。第三二极管的阴极耦接至所述单相电压输入。第四二极管的阴极耦接至所述第三二极管的阳极，所述第四二极管的阳极耦接至所述第二输出端。第一开关的一第一端耦接至所述第一二极管与所述第二二极管之间，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点。所述第二开关的一第一端耦接至所述中点，所述第二开关的一第二端耦接至所述第三二极管与所述第四二极管之间。
于上述实施例中，所述第二二极管与所述第四二极管为换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用快速恢复二极管，所述第一二极管和所述第三二极管为非换流二极管，所述第一二极管和所述第三二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
根据本发明的另一实施例，其中所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第一开关以及一第二开关。所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入，所述第一二极管的阴极耦接至所述第一输出端。所述第二二极管的阳极耦接至所述单相电压输入。所述第三二极管的阴极耦接至所述单相电压输入，所述第三二极管的阳极耦接至所述第二输出端。所述第四二极管的阴极耦接至所述单相电压输入。所述第一开关的一第一端耦接至所述第二二极管的阴极，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点。所述第二开关的一第一端耦接至所述中点，所述第二开关的一第二端耦接至所述第四二极管的阳极。
于上述实施例中，其中所述第一二极管与所述第三二极管为换流二极管，所述第一二极管与所述第三二极管采用快速恢复二极管，所述第二二极管与所述第四二极管为非换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
根据本发明的另一实施例，其中所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第五二极管、一第六二极管以及一开关。所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入。所述第二二极管的阳极耦接至所述中点。所述第三二极管的阴极耦接至所述第一输出端。所述第四二极管的阴极耦接至所述单相电压输入。所述第五二极管的阴极耦接至所述中点。所述第六二极管的阳极耦接至所述第二输出端。所述开关的一第一端耦接至所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阴极以及所述第三二极管的阳极之间，所述开关的一第二端耦接至所述第四二极管的阳极、所述第五二极管的阳极以及所述第六二极管的阴极之间。
于上述实施例中，其中所述第三二极管和所述第六二极管为换流二极管，所述第三二极管和所述第六二极管采用快速恢复二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第四二极管以及所述第五二极管为非换流二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第四二极管以及所述第五二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
根据本发明的另一实施例，其中所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第一开关以及一第二开关。第一开关的一第二端耦接至所述单相电压输入。第二开关的一第一端耦接至所述单相电压输入。所述第一二极管的阳极耦接至所述第一开关的一第一端，所述第一二极管的阴极耦接至所述第一输出端。所述第二二极管的阳极耦接至所述中点，所述第二二极管的阴极耦接至所述第一开关的所述第一端。所述第三二极管的阴极耦接至所述第二开关的一第二端，所述第三二极管的阳极耦接至所述第二输出端。所述第四二极管的阳极耦接至所述第二开关的所述第二端，所述第四二极管的阴极耦接至所述中点。
于上述实施例中，所述第一二极管与所述第三二极管为换流二极管，所述第一二极管与所述第三二极管采用快速恢复二极管，所述第二二极管与所述第四二极管为非换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1绘示习知技术中采用多层级架构的中压变频调速系统的示意图；
图2绘示图1的习知中压变频调速系统的功率单元内部电路示意图；
图3绘示习知的一种中压变频调速系统结构；
图4绘示根据本发明一实施例中的一种中压变频驱动系统的功能方块示意图；
图5绘示图4的中压变频驱动系统中的三相切换式整流模块、多电平逆变器以及高容量电容模块的电路示意图；
图6绘示中压变频驱动系统中的三相切换式整流模块及其周边电路的局部示意图；
图7绘示于另一实施例中的三相切换式整流模块的单相整流电路及其周边电路的局部示意图；
图8绘示于另一实施例中的三相切换式整流模块的单相整流电路及其周边电路的局部示意图；以及
图9绘示于另一实施例中的三相切换式整流模块的单相整流电路及其周边电路的局部示意图。
【主要组件符号说明】
100：中压变频驱动系统        120：三相切换式整流模块
140：多电平逆变器            160：高容量电容模块
122a～126a：单相整流电路     122b～126b：单相整流电路
122c～126c：单相整流电路 122d～126d：单相整流电路
200：三相电网            180：控制器
300：中压变频驱动系统    202：感应电动机
400：中压变频驱动系统    320：功率单元
具体实施方式
请参阅图4，其绘示根据本发明一实施例中的一种中压变频驱动系统100的功能方块示意图。于此实施例中，中压变频驱动系统100与三相电网200耦接并用以驱动感应电动机202。如图4所示，中压变频驱动系统100包含三相切换式整流模块120、多电平逆变器140以及高容量电容模块160。请一并参阅图5，其绘示图4的中压变频驱动系统100中的三相切换式整流模块120、多电平逆变器140以及高容量电容模块160的电路示意图。
如图4与图5所示，三相切换式整流模块120与三相电网200耦接，并用以将三相电网200上具有固定工作频率的交流电输入转换为直流电讯号。多电平逆变器140用以将直流电讯号转化成具有可变频率的方波讯号，方波讯号可用以驱动感应电动机202。高容量电容模块160耦接于三相切换式整流模块120与多电平逆变器140之间，并用以暂存所述直流电讯号。所述三相切换式整流模块120用以调节所述三相电网200的功率因子以及消除所述三相电网的电流总谐波畸变率。
于此实施例中，多电平逆变器140为三电平逆变器，每一单相三电平逆变器至少包含两个开关组件与一箝位二极管，上述两个开关组件与箝位二极管可设置于单相三电平逆变器的桥臂上，所述箝位二极管一端与所述中点耦接，所述箝位二极管的另一端与两开关组件耦接。
此外，如图4所示，于部分实施例中，中压变频驱动系统100可进一步包含控制器180，控制器180可与多电平逆变器140以及三相切换式整流模块120耦接，控制器180用以控制交流电压的可变频率、脉宽或幅度。
于此实施例中，其中所述交流电压为一脉宽调变(pulse-widthmodulation，PWM)方波交流讯号。
控制器180用以控制PWM方波交流讯号的可变频率、脉宽或幅度，藉此，控制器180用以使PWM方波交流讯号迭加为近似正弦波的交流电输出，进而驱动感应电动机202。控制器180用以控制PWM方波交流讯号的可变频率、脉宽或幅度，藉此，控制器180用以使PWM方波交流讯号迭加为近似正弦波的交流电输出，进而控制电网侧功率因子和电流总谐波畸变率。
实际应用中，控制器用以控制整流模块交流侧的所述脉宽调变方波交流讯号的所述可变频率、所述脉宽或所述幅度，藉此，对所述三相切换式整流模块的功率因子和总谐波畸变率进行控制，进而使功率因子和总谐波畸变率各达到一个合适值。实际应用中，中压变频驱动系统100中的控制器可以为一数字化微处理器，但本领域的技术人员也可以选用其它适合的处理器，并不以此为限。
于本实施例中，本申请中所提及的三相切换式整流模块120，本身可采用三相维也纳式(Vienna)整流模块的结构。以下段落将对本申请所采用的三相切换式整流模块120其内部结构做进一步说明。
请进一步参阅图6，其绘示中压变频驱动系统100中的三相切换式整流模块120及其周边电路的局部示意图。
如图6所示，三相切换式整流模块120中包含了三组单相整流电路(单相整流电路122a、单相整流电路124a以及单相整流电路126a)，三组单相整流电路122a～126a分别由三相电网200各自接收一组单相电压输入，三组单相整流电路122a～126a彼此并联，且三组单相整流电路122a～126a均耦接至第一输出端N1、中点Nc以及第二输出端N2(如图6所示)。
此外，于此实施例中，高容量电容模块160可包含第一电容C1以及第二电容C2。第一电容C1耦接于第一输出端N1与中点Nc之间。第二电容C2耦接于中点Nc与所述第二输出端N2之间。
由于三相切换式整流模块120中的三组单相整流电路122a～126a皆具有相类似的架构，因此，以下为说明上的简洁，以其中一个单相整流电路122a作举例。其它单相整流电路124a，126a因具有相对应的结构，则不再赘述。
如图6所示，根据本发明的一实施例，其中单相整流电路122a包含第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关S 1以及第二开关S2。第一二极管D1的阳极耦接至单相电压输入。第二二极管D2的阳极耦接至第一二极管D1的阴极，第二二极管D2的阴极耦接至第一输出端N1。第三二极管D3的阴极耦接至单相电压输入。第四二极管D4的阴极耦接至第三二极管D3的阳极，第四二极管D4的阳极耦接至第二输出端N2。第一开关S1的一端耦接至第一二极管D1与第二二极管D2之间，第一开关S1的另一端耦接至中点Nc。第二开关S2的一端耦接至中点Nc，第二开关S2的另一端耦接至第三二极管D3与第四二极管D4之间。
于此实施例中，其中第一二极管D1与第三二极管D3可工作于较低的工作频率(例如可大致介于50赫兹至60赫兹)，第二二极管D2及第四二极管D4则与第一开关S1及第二开关S2工作于较高的开关频率(例如可大致为1200赫兹)，于此实施例中，第二二极管D2及第四二极管D4为换流二极管，须采用较高转换速率(slew rate)的快恢复特性二极管组件。
须补充说明的是，于本发明内容中所提到的换流二极管是指，在开关频率下，若开关组件关断之后，负载电流全部转移流入的二极管，即为换流二极管。另一方面，若开关组件关断之后，负载电流并未全部转移流入的二极管，即为非换流二极管。
于此实施例中，第二二极管D2及第四二极管D4为换流二极管，须采用具有快恢复特性的二极管组件。另一方面，第一二极管D1及第三二极管D3则非换流二极管，可采用具有快恢复特性的二极管组件，或可采用慢速恢复的二极管组件。
也就是说，每一组单相整流电路122a，124a或126a包含至少两个二极管，上述两个二极管可设置于每一组单相整流电路的桥臂上，其中一个二极管为换流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，所述另一二极管为非换流二极管。其中所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
为方便理解本申请中的三相切换式整流模块120(单相整流电路122a、单相整流电路124a以及单相整流电路126a)的作动方式，以下段落利用单相整流电路122a的等效单相电路来示意说明。
相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)整流器，本申请所提出的三相切换式整流模块120的内部电路结构，即三组单相整流电路122a～126a，其开关组件可减少至少一半，以二极管取而代之。
此外，本实施例中提出的三相切换式整流模块120中，因为单相整流电路122a～126a中的换流二极管限制了电流的方向性，即使同相电路中有两个开关组件(如开关S1与开关S2)同时开启或同时关闭亦不会发生直通现象，即不会影响其它组件的正常工作，在控制上简单可靠。
这种变频调速结构基于二极管箝位型三电平拓扑，多电平的设计可使耐压降低一半，且所述三相切换式整流模块使开关组件减少至少一半，对于风机水泵类无需能量回馈的负载，则可以采用单象限结构，牺牲能量回馈功能，节约开关器件，降低成本。
本申请所提出的三相切换式整流模块120并不仅限于上述实施例及图6中单相整流电路122a～126a架构，本申请另提出不同的三相切换式整流模块120的内部电路架构方式，亦可达到相类似效果。
请参阅图7，其绘示于另一实施例中的三相切换式整流模块120的单相整流电路122b～126b及其周边电路的局部示意图。
如图7所示，本申请所提出的另一种实施例的三相切换式整流模块120中，每一单相整流电路122b～126b不同于先前实施例的单相整流电路122a～126a。
由于三相切换式整流模块120中的三组单相整流电路122b～126b皆具有相类似的架构，因此，以下为说明上的简洁，以其中一个单相整流电路122b作举例。
如图7所示，单相整流电路122b包含第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关S1以及第二开关S2。第一二极管D1的阳极耦接至单相电压输入，第一二极管D1的阴极耦接至第一输出端N1。第二二极管D2的阳极耦接至单相电压输入。第三二极管D3的阴极耦接至单相电压输入，第三二极管D3的阳极耦接至第二输出端N2。第四二极管D4的阴极耦接至单相电压输入。第一开关S1的一端耦接至第二二极管D2的阴极，第一开关S1的另一端耦接至中点Nc。第二开关S2的一端耦接至中点Nc，第二开关S2的另一端至第四二极管D4的阳极。
于此实施例中，其中第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4可与第一开关S1及第二开关S2工作于相同的开关频率(例如可大致为1200赫兹)。于此实施例中，第一二极管D1、第三二极管D3皆为换流二极管，须采用较高转换速率(slew rate)的快恢复特性二极管组件。而第二二极管D2和第四二极管D4则无此快恢复特性需求。
请参阅图8，其绘示于再一实施例中的三相切换式整流模块120的单相整流电路122c～126c及其周边电路的局部示意图。
如图8所示，由于三相切换式整流模块120中的三组单相整流电路122c～126c皆具有相类似的架构，因此，以下为说明上的简洁，以其中一个单相整流电路122c作举例。
如图8所示，其中单相整流电路122c包含第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6以及开关S0。第一二极管D1的阳极耦接至单相电压输入。第二二极管D2的阳极耦接至所述中点Nc。第三二极管D3的阴极耦接至第一输出端N1。第四二极管D4的阴极耦接至单相电压输入。第五二极管D5的阴极耦接至中点Nc。第六二极管D6的阳极耦接至第二输出端N2。开关S0的一端耦接至第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阴极以及第三二极管D3的阳极之间，开关S0的另一端耦接至第四二极管D4的阳极、第五二极管D5的阳极以及第六二极管D6的阴极之间。
于此实施例中，第一二极管D1与第四二极管D4可工作于较低的工作频率，所述第一频率大致介于50赫兹至60赫兹，第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5、第六二极管D6则与开关S0工作于开关频率(例如大致为1200赫兹)。于此实施例中，第三二极管D3、第六二极管D6皆为换流二极管，须采用较高转换速率(slew rate)的快恢复特性二极管组件。而所述第一二极管D1、所述第二二极管D2、所述第四二极管D4、所述第五二极管D5则无此快恢复特性需求。
若三相切换式整流模块120采用图8的单相整流电路122c～126c，可将开关组件的数目更进一步降低(相较图6与图7的实施例，本实施例仅需一半的开关组件)。然而，相对应的二极管数量则大幅增加。
请参阅图9，其绘示于再一实施例中的三相切换式整流模块120的单相整流电路122d～126d及其周边电路的局部示意图。
如图9所示，由于三相切换式整流模块120中的三组单相整流电路122d～126d皆具有相类似的架构，因此，以下为说明上的简洁，以其中一个单相整流电路122d作举例。
如图9所示，其中单相整流电路122d包含第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关S1以及第二开关S2。第一开关S1的一第二端耦接至所述单相电压输入。第二开关S2的一第一端耦接至所述单相电压输入。第一二极管D1的阳极耦接至所述第一开关S 1的一第一端，第一二极管D1的阴极耦接至所述第一输出端N1。第二二极管D2的阳极耦接至中点Nc，第二二极管D2的阴极耦接至第一开关S1的第一端。第三二极管D3的阴极耦接至第二开关S2的第二端，第三二极管D3的阳极耦接至所述第二输出端N2。第四二极管D4的阳极耦接至第二开关S2的第二端，第四二极管D4的阴极耦接至中点Nc。
其中所述第一二极管D1与第三二极管D3为换流二极管，所述第一二极管D1与第三二极管D3采用快速恢复二极管，第二二极管D2与第四二极管D4为非换流二极管，所述第二二极管D2与第四二极管D4采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
于上述实施例中，本申请提出多种(如图6至图9)不同的三相切换式整流模块120内部实际电路架构。在上述三相切换式(维也纳式)整流模块的具体线路的选择上，应结合实际制程情况与组件特性、成本等，作综合上的考虑。
综上所述，本发明揭露了一种中压变频驱动系统与其三相切换式整流模块，其中在整流前端采用三相切换式整流技术，例如三相维也纳式(Vienna)整流模块，在逆变后端则配合二极管箝位型三电平逆变器，共同实现完整的中压变频调速系统。相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)整流器，本发明的各实施例中所提出的三相维也纳式整流模块的电路结构，其开关组件可减少至少一半，以功率二极管取而代之。且在本发明提出的三相维也纳式整流模块的电路结构中，部分的二极管不需要与开关组件采用较高的开关频率(如1200Hz)进行换流，无反向快恢复特性需求，成本可进一步降低。此外，本申请的部分实施例中提出的三相切换式整流模块中，因为二极管限制了电流的方向性，即使两个开关组件同时开启或同时关闭亦不会发生直通现象，即不会影响有效开关组件的正常工作，在控制上简单可靠。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (20)

1.一种中压变频驱动系统，与一三相电网耦接并用以驱动一感应电动机，其特征在于，所述中压变频驱动系统包含：
一三相切换式整流模块，与所述三相电网耦接，用以将所述三相电网上具有固定工作频率的一交流电压输入转换为一直流电压；
一多电平逆变器，用以将所述直流电压转化成所需的一可变频率的一交流电压，所述交流电压用以驱动所述感应电动机；以及
一高容量电容模块，耦接于所述三相切换式整流模块与所述多电平逆变器之间，用以暂存所述直流电压。
2.如权利要求1所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块包含：
三组单相整流电路，所述三组单相整流电路为三电平整流电路分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块用以调节所述三相电网的功率因子以及消除所述三相电网的电流总谐波畸变率。
3.如权利要求2所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路的一电压输入端与所述三相电网之间分别耦接有一电感。
4.如权利要求3所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中，每一组单相整流电路上包含至少两个二极管，其中一个二极管为换流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，另一个二极管为非换流二极管。
5.如权利要求4所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
6.如权利要求1所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块为三相维也纳整流模块。
7.如权利要求2所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述多电平逆变器中透过所述第一输出端、所述中点和所述第二输出端与所述高容量电容模块耦接，所述三相电网的输入经由所述多电平逆变器转换为所需的一三相输出交流电以驱动所述感应电动机。
8.如权利要求7所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述多电平逆变器为三电平逆变器，每一单相三电平逆变器上至少包含两个开关与一个箝位二极管，所述箝位二极管的一端与所述三电平整流电路中点输出连接，另一端与两开关连接。
9.如权利要求1所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述交流电压为一脉宽调变方波交流讯号，所述中压变频驱动系统还包含至少一个控制器，所述至少一个控制器与所述多电平逆变器以及所述三相切换式整流模块耦接，所述至少一个控制器用以控制所述脉宽调变方波交流讯号的所述可变频率、一脉宽或一幅度，以便所述控制器用以使所述脉宽调变方波交流讯号迭加为近似正弦波的一交流电输出，进而驱动所述感应电动机。
10.如权利要求9所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述中压变频驱动系统的控制器用以控制整流模块交流侧的所述脉宽调变方波交流讯号的所述可变频率、所述脉宽或所述幅度，以便对所述三相切换式整流模块的功率因子和总谐波畸变率进行控制，进而使功率因子和总谐波畸变率各达到一个合适值。
11.如权利要求10所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述中压变频驱动系统的控制器为一数字化微处理器。
12.如权利要求2所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述高容量电容模块包含：
一第一电容，耦接于所述第一输出端与所述中点之间；以及
一第二电容，耦接于所述中点与所述第二输出端之间。
13.如权利要求4所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含：
一第一二极管，所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入；
一第二二极管，所述第二二极管的阳极耦接至所述第一二极管的阴极，所述第二二极管的阴极耦接至所述第一输出端；
一第三二极管，所述第三二极管的阴极耦接至所述单相电压输入；
一第四二极管，所述第四二极管的阴极耦接至所述第三二极管的阳极，所述第四二极管的阳极耦接至所述第二输出端；
一第一开关，所述第一开关的一第一端耦接至所述第一二极管与所述第二二极管之间，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点；以及
一第二开关，所述第二开关的一第一端耦接至所述中点，所述第二开关的一第二端耦接至所述第三二极管与所述第四二极管之间。
14.如权利要求13所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述第二二极管与所述第四二极管为换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用快速恢复二极管，所述第一二极管和所述第三二极管为非换流二极管，所述第一二极管和所述第三二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
15.如权利要求4所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含：
一第一二极管，所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入，所述第一二极管的阴极耦接至所述第一输出端；
一第二二极管，所述第二二极管的阳极耦接至所述单相电压输入；
一第三二极管，所述第三二极管的阴极耦接至所述单相电压输入，所述第三二极管的阳极耦接至所述第二输出端；
一第四二极管，所述第四二极管的阴极耦接至所述单相电压输入；
一第一开关，所述第一开关的一第一端耦接至所述第二二极管的阴极，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点；以及
一第二开关，所述第二开关的一第一端耦接至所述中点，所述第二开关的一第二端耦接至所述第四二极管的阳极。
16.如权利要求15所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述第一二极管与所述第三二极管为换流二极管，所述第一二极管与所述第三二极管采用快速恢复二极管，所述第二二极管与所述第四二极管为非换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
17.如权利要求4所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含：
一第一二极管，所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入；
一第二二极管，所述第二二极管的阳极耦接至所述中点；
一第三二极管，所述第三二极管的阴极耦接至所述第一输出端；
一第四二极管，所述第四二极管的阴极耦接至所述单相电压输入；
一第五二极管，所述第五二极管的阴极耦接至所述中点；
一第六二极管，所述第六二极管的阳极耦接至所述第二输出端；
一开关，所述开关的一第一端耦接至所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阴极以及所述第三二极管的阳极之间，所述开关的一第二端耦接至所述第四二极管的阳极、所述第五二极管的阳极以及所述第六二极管的阴极之间。
18.如权利要求17所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述第三二极管和所述第六二极管为换流二极管，所述第三二极管和所述第六二极管采用快速恢复二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第四二极管以及所述第五二极管为非换流二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第四二极管以及所述第五二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
19.如权利要求4所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含：
一第一开关，所述第一开关的一第二端耦接至所述单相电压输入；
一第二开关，所述第二开关的一第一端耦接至所述单相电压输入；
一第一二极管，所述第一二极管的阳极耦接至所述第一开关的一第一端，所述第一二极管的阴极耦接至所述第一输出端；
一第二二极管，所述第二二极管的阳极耦接至所述中点，所述第二二极管的阴极耦接至所述第一开关的所述第一端；
一第三二极管，所述第三二极管的阴极耦接至所述第二开关的一第二端，所述第三二极管的阳极耦接至所述第二输出端；以及
一第四二极管，所述第四二极管的阳极耦接至所述第二开关的所述第二端，所述第四二极管的阴极耦接至所述中点。
20.如权利要求19所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述第一二极管与所述第三二极管为换流二极管，所述第一二极管与所述第三二极管采用快速恢复二极管，所述第二二极管与所述第四二极管为非换流二极管，所述第二二极管与所述第四二极管采用慢速恢复二极管或快速恢复二极管。
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