CN105406457A - 基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，包括双路供电AC/DC电源、晶闸管驱动板、晶闸管及其反向并联的二极管整流桥，所述的双路供电AC/DC电源为晶闸管驱动板提供电源，晶闸管驱动板通过光纤与单元控制板进行通讯；晶闸管驱动板与晶闸管相连接，控制晶闸管的开断；配有二极管整流桥的晶闸管并联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元内IGBT、整流模块等器件出现故障时，实现将该功率单元与其他功率单元切除掉的功能。本发明采用双路供电方式，并配有晶闸管吸收电路，有效吸收晶闸管动作时产生的电压尖峰，极大地提高了功率单元旁路系统的可靠性。

Description

基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置

技术领域

本发明涉及一种以晶闸管为核心器件采用双路供电的用于高压变频器的高可靠性单元旁路装置。

背景技术

我国能源生产和能源消费已列世界前茅，但是仍满足不了工业生产和人民生活发展的需要，所以在能源非常紧张的今天，如何节约能源变得非常重要。而我国工业用高压大功率交流电机目前大部分采用直接恒速拖动，能源浪费巨大。如采用采用变频调速技术运行，节能效果非常的明显。因此，高压大容量交流电机变频调速节能系统的研发及应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。

200KW的大中功率的传动设备占市场的70％以上，国内电压等级为6KV和10KV，由于受功率器件的耐压水平和载流能力的限制，此电压等级的高压变频器多采用多电平变换及相关技术，其中单相H桥级联多电平逆变器由于控制相对简单，不用考虑中点电压平衡问题，易于实现多电平，改善输出电压谐波，方便模块化设计等优点，在工业上获得不错的应用效果。

H桥级联多电平逆变器采用多组低电压小功率IGBT构成的功率单元串联形成高压输出，由于采用的是功率单元串联，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且功率单元是模块化的结构，便于更换和维护。各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，并以高速微处理器和光纤实现控制和通讯。

由于采用多个功率单元串联构成高压输出的方式，功率单元的故障率是最高的。有效地保护功率单元稳定可靠的运行是非常必要的，单元旁路技术由此应运而生。

高压变频器功率单元旁路装置是用于实现故障情况下高压变频器仍可以切除故障单元继续工作，完成现场生产任务的目的。常用的晶闸管电子器件式旁路，在功率单元H桥逆变回路工作时，经常由于高频率、高变化率dv/dt的脉冲电压导致晶闸管误导通，这对带负荷运行的高压变频器是非常危险的，需要额外加装RC吸收等抗干扰电路；晶闸管电子式旁路由于体积小、便于安装、成本低廉，适用于小容量高压变频器实现单元旁路。

采用电子式晶闸管的单元旁路方案，需要额外考虑晶闸管的散热及配用整流二极管，以确保晶闸管有效开通；晶闸管开通速度极快，一般在微秒内开通、关断，无触点运行、无火花、无噪声、效率高、成本低。

采用电子式晶闸管的单元旁路方案是在功率单元输出侧增加一个常开点，故障时切换为常闭点；将故障单元切除，将故障单元相邻的两个单元输出串联在一起，构成新的连接。

由于单元旁路系统是确保高压变频器可靠性的装置，因此单元旁路系统的可靠性要高于变频器整体水平。关于旁路系统的可靠性设计需要被特殊关注。如果供电电路采用双路冗余供电方式，当其中一路故障时，立即可以切换备用的另一路，不影响旁路系统使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，具体实现方式是采用了双路供电冗余设计方式，保证了单元旁路装置的可靠性优于功率单元。本发明采用的晶闸管电子式单元旁路，适用于小容量高压变频器实现单元旁路功能。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，包括双路供电AC/DC电源、晶闸管驱动板、晶闸管及其反向并联的二极管整流桥，所述的双路供电AC/DC电源为晶闸管驱动板提供电源，晶闸管驱动板通过光纤与单元控制板进行通讯；晶闸管驱动板与晶闸管相连接，控制晶闸管的开断；配有二极管整流桥的晶闸管并联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元内IGBT、整流模块等器件出现故障时，实现将该功率单元与其他功率单元切除掉的功能。

所述的双路供电AC/DC电源由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器、由二极管构成的整流桥电路接于变压器输出端，电容滤波电路与二极管整流桥电路并联连接，在电容滤波电路的输出端设有二极管稳压电路，两路输出端相并联连接，通过二极管作为切换开关，实现双路供电冗余结构；当使用的主供电电路故障时，瞬间切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。

所述的晶闸管配有可有效吸收晶闸管动作时产生的电压尖峰的晶闸管吸收电路。

采用所述晶闸管旁路装置的H桥功率单元包括熔断器、整流模块、直流滤波电容、IGBT构成的H桥电路、放电电路、功率单元控制电路；

所述熔断器在功率单元三相输入端，当功率单元内部器件发生故障时，可以有效熔断，保证变压器二次侧绕组的安全；

所述整流模块是两个二极管串联在一起，并且由三个整流模块构成三相不可控整流电路，将输入交流整流成脉动直流；

所述直流滤波电容连接在整流电路之后，用于吸收整流后直流电压的脉动成分，使其变得平滑；

所述IGBT构成的H桥电路，是由四只或其倍数的IGBT构成的H桥逆变电路，按照对角IGBT开通关断顺序，实现了将直流电压变成可控交流电压；

所述放电回路，用于泻放直流滤波电容中储存的电压，该回路一般是由一只大功率放电电阻串联在功率单元直流母线实现，对于直流母线电压有特殊要求的负载，该电路也可以在放电电阻上串联一只可控IGBT，当直流母线电压超过一定程度时，可以设定该IGBT导通，及时泻放电压；

所述功率单元控制电路具体包括供电电源、控制电路、驱动电路；

供电电源取直流母线的高压直流电压或是三相输入交流电压，通过内部变换，稳定输出一定电压，为控制电路和驱动电路供电；

控制电路包括通讯电路、故障检测、直流母线电压检测、显示电路等电路，是功率单元的控制核心，并且与上一级控制机进行实时通讯；

驱动电路用于驱动IGBT，并检测IGBT的工作状态，在IGBT异常状态下可以有效实现保护功能。

本发明的有益效果是：根据本发明的技术方案，由于采用了双路供电冗余设计，具有更高的可靠性，提高了高压变频器整机运行稳定性。晶闸管电子式单元旁路，由于体积小，安装方便，成本低廉，尤其适合小容量高压变频器的单元旁路方案。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是双路供电电源原理图。

图3是晶闸管旁路功率单元拓扑图。

图4-1是晶闸管内部结构图。

图4-2是晶闸管等效电路图。

图5是多电平级联式高压变频器原理示意图。

图6是多电平级联式高压变频器输出波形。

图7是标准功率单元拓扑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体技术方案进行进一步详细描述。

见图1，基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，包括双路供电AC/DC电源、晶闸管驱动板、晶闸管及其反向并联的二极管整流桥，所述的双路供电AC/DC电源为晶闸管驱动板提供电源，晶闸管驱动板通过光纤与单元控制板进行通讯；晶闸管驱动板与晶闸管相连接，控制晶闸管的开断；配有二极管整流桥的晶闸管并联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元内IGBT、整流模块等器件出现故障时，实现将该功率单元与其他功率单元切除掉的功能。所述的晶闸管配有可有效吸收晶闸管动作时产生的电压尖峰的晶闸管吸收电路。

见图2，双路供电AC/DC电源由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器(T1T2)、由二极管构成的整流桥电路接于变压器输出端，电容滤波电路与二极管整流桥电路并联连接，在电容滤波电路的输出端设有二极管稳压电路，两路输出端相并联连接，通过二极管作为切换开关，实现双路供电冗余结构；当使用的主供电电路故障时，瞬间切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。

本发明提基于晶闸管的高压变频器单元旁路装置，晶闸管旁路装置配用整流二极管，采用了双路供电电源冗余设计思路，保证了旁路装置可靠性高于单元可靠性；晶闸管和整流电路可以选取混合模块，将这两部门封装在了一个模块内，体积小，安装方便。对应的控制电路，具有接触器状态检测、旁路允许检测、旁路成功检测等功能。

晶闸管，配有二极管构成的整流电路，用于实现故障单元的旁路功能；另配有吸收电路，用于吸收晶闸管动作时产生的电压尖峰，使晶闸管工作更稳定可靠。

晶闸管驱动板包括驱动电路、检测电路、控制电路等，可以实现晶闸管的通断控制，以实现故障时特定功率单元旁路；并可以有效检测接触器状态及相应信息；和高压变频器主控制机通讯，可实现针对某个功率单元的旁路。

双路供电旁路电源：该电源采用双路供电冗余设计，可以有效弥补功率单元旁路系统供电异常引起的无法旁路缺陷，本电源原理实用，电路简单易于实现，器件数目较少，相应故障点也少，安全可靠。

采用本发明晶闸管旁路装置的高压变频器：包括多个级联的功率单元，每个功率单元含有三相全桥整流电路，并配有电容滤波，IGBT构成的H桥逆变电路，构成的交流-直流-交流变换拓扑；完成了将移相变压器输出的三相低压交流电，通过整流滤波电路变换成脉动直流电路，再通过可控H桥逆变电路，将脉动直流逆变成SPWM波形，最终通过多个功率单元具有相位差的SPWM波形组合成正弦波，驱动电机。

实施例：

多电平级联式高压变频器结构及工作原理如图5所示，其工作原理是输入变压器采用移相变压器，即变压器原边采用延边三角形接法，副边是多绕组输出，且每一组输出互差一定的电角度，以达到抑制输入谐波电流目的。输出采用多电平移相式PWM，同一相中不同串联单元的三角载波互差一定的相位，以增加输出电压台阶，提高等效开关效率，改善了输出波形。图6是各单元输出波形，因为串联的连接形式，最终输出了多重化的完整波形，直接可以用于电机驱动。由于多电平级联式高压变频器的输入、输出波形好，谐波含量小，且方便适配电机，现在已得到大量推广。

图7是多电平级联式高压变频器的一种标准形式功率单元，包括由二极管构成的整流电路，作用是将自移相变压器二次侧输入的三相交流电整流成脉动直流电路；铝电解电容或薄膜电容构成的滤波电路，作用是将脉动直流电变成平滑的直流电；由IGBT构成的H桥逆变电路，作用是将直流电变成可调交流电，最后通过多个单元串联叠加成可以驱动电机的交流输出。通常而言，功率单元由于器件及控制电路较多且复杂，难以保证较高的可靠性；为了保证高压变频器整体具备较高的可靠性，就必须减少数目众多的功率单元对整机的影响；单元旁路技术就是在此种需求下应运而生，可以有效切除故障单元，重新组合新的连接，保证高压变频器可以继续工作。

单元旁路装置要求执行快，且对通流能力要求较高，一般会选择使用晶闸管等电力电子器件方案，如图3。选用晶闸管通常会配合使用二极管构成的整流桥，并且需要额外给晶闸管配置吸收电路以吸收切换过程产生的电压尖峰，防止击穿功率器件；

晶闸管是一种四层PNPN结构器件，如图4-1、图4-2所示，它在任何方向上至少有一个反向偏置的PN结，因此它能在任一方向上阻断电流。同时利用门极的特性又可方便地控制其导通。由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以其具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转换，具体条件如下：

1.晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压情况下晶闸管才导通。

3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，无论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4.晶闸管在导通的情况下，当主回路电压(或电流)减少到接近于零时，晶闸管关断。

使用晶闸管构成的电子式单元旁路装置，当选择使用晶闸管和整流桥混合模块时，占用空间最小，且方便安装，成本低廉；本发明为驱动电路供电的电源选用双路供电冗余设计，进一步加强了该装置的可靠性。可针对如下故障进行单元旁路操作。

1.单元过压、欠压故障

2.单元过流、驱动故障

3.单元超温故障

4.单元板卡电源故障

5.单元通讯故障

6.单元功率器件故障。

Claims (4)

1.基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，包括双路供电AC/DC电源、晶闸管驱动板、晶闸管及其反向并联的二极管整流桥，所述的双路供电AC/DC电源为晶闸管驱动板提供电源，晶闸管驱动板通过光纤与单元控制板进行通讯；晶闸管驱动板与晶闸管相连接，控制晶闸管的开断；配有二极管整流桥的晶闸管并联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元内IGBT、整流模块等器件出现故障时，实现将该功率单元与其他功率单元切除掉的功能。

2.根据权利要求1所述的基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，所述的双路供电AC/DC电源由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器、由二极管构成的整流桥电路接于变压器输出端，电容滤波电路与二极管整流桥电路并联连接，在电容滤波电路的输出端设有二极管稳压电路，两路输出端相并联连接，通过二极管作为切换开关，实现双路供电冗余结构；当使用的主供电电路故障时，瞬间切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。

3.根据权利要求1所述的基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，所述的晶闸管配有可有效吸收晶闸管动作时产生的电压尖峰的晶闸管吸收电路。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于晶闸管的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，采用所述晶闸管旁路装置的H桥功率单元包括熔断器、整流模块、直流滤波电容、IGBT构成的H桥电路、放电电路、功率单元控制电路；

所述熔断器在功率单元三相输入端，当功率单元内部器件发生故障时，可以有效熔断，保证变压器二次侧绕组的安全；

所述整流模块是两个二极管串联在一起，并且由三个整流模块构成三相不可控整流电路，将输入交流整流成脉动直流；

所述直流滤波电容连接在整流电路之后，用于吸收整流后直流电压的脉动成分，使其变得平滑；

所述IGBT构成的H桥电路，是由四只或其倍数的IGBT构成的H桥逆变电路，按照对角IGBT开通关断顺序，实现了将直流电压变成可控交流电压；

所述放电回路，用于泻放直流滤波电容中储存的电压，该回路一般是由一只大功率放电电阻串联在功率单元直流母线实现，对于直流母线电压有特殊要求的负载，该电路也可以在放电电阻上串联一只可控IGBT，当直流母线电压超过一定程度时，可以设定该IGBT导通，及时泻放电压；

所述功率单元控制电路具体包括供电电源、控制电路、驱动电路；

供电电源取直流母线的高压直流电压或是三相输入交流电压，通过内部变换，稳定输出一定电压，为控制电路和驱动电路供电；

控制电路包括通讯电路、故障检测、直流母线电压检测、显示电路等电路，是功率单元的控制核心，并且与上一级控制机进行实时通讯；

驱动电路用于驱动IGBT，并检测IGBT的工作状态，在IGBT异常状态下可以有效实现保护功能。