CN111464109A - 一种10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，包括输入电抗器、整流单元、母线滤波电路、逆变单元和直流母线，逆变单元由N个四桥臂逆变模块串联组成，四桥臂逆变模块的输出接于线圈绕组数为4N的多输入端电动机的电源输入端；从电网引入的高压三相交流电接于输入电抗器的输入端，依次经整流、滤波和逆变后，转换为驱使多输入端电动机运行的可控交流电；N≥3。本发明的电机一体机电气拓扑结构，实现了对高压电动机的高压变频控制，具有结构紧凑，系统效率高，性能优良等特点，解决了高压变频器输出距离受限，输出电缆对周围设备产生干扰的问题，也避免了长距离电平供电造成的电机端电压尖峰过大导致的电机绝缘老化甚至击穿的情况的发生。

Description

一种10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种高压变频电机一体机电气拓扑结构，特别是一种10kV变频器与电机一体的电气拓扑结构，属于电力电子功率变换领域。
背景技术
目前，高电压电机调速一般采用级联式多电平技术的高压变频器，结构上采用功率单元串联的方式实现，受到电压等级、模块性能和生产成本等因素的制约，采用该结构的高压变频器体积普遍偏大，同时该结构的高压变频器当中，输入侧均有一个隔离移相变压器。从整个高压电机的变频调速系统来看，变频器里面的隔离移相变压器进行了一次电磁转换，电机本身也进行了电磁转换，相当于进行了两次电磁的转换，这样使得整个系统的效率偏低，由于隔离移相变压器的存在，在功率大的时候，其发热量也是比较可观的，并且对其冷却也提出了一定的难度。同时，一般情况下，电机和变频器之间有一定的距离，由于变频器体积比较大，占地面积也不小，而且由于连接电缆的存在会使得系统性能降低，若是长距离变频供电会引起电机端电压过大，进而对电机寿命产生很大影响。
目前，高电压的高压变频器普遍采用H桥功率模块单元，功率单元级联后既有较高的电压等级，功率单元与隔离移相变压器之间电缆连线较多，在高压变频器的制造中相对都比较复杂，给生产带来了极大的不便。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构。
本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，包括输入电抗器、整流单元、母线滤波电路、逆变单元和直流母线，输入电抗器、整流单元均为三相，输入电抗器的输出接于整流单元的输入端，整流单元的输出端接于直流母线上，母线滤波电路的两端接于直流母线上；其特征在于：所述逆变单元由N个四桥臂逆变模块串联组成，四桥臂逆变模块串联后的两端接于直流母线上；四桥臂逆变模块的输出接于线圈绕组数为4N的多输入端电动机的电源输入端；从电网引入的高压三相交流电接于输入电抗器的输入端，依次经整流单元、母线滤波电路、逆变电路的整流、滤波和逆变后，转换为驱使多输入端电动机运行的可控交流电；N≥3。
本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，所述逆变单元由4个四桥臂逆变模块串联组成，四桥臂逆变模块中相邻桥臂之间的基波输出相位差90°，每个四桥臂逆变模块具有4路输出；逆变单元形成具有16路输出的电气拓扑结构，接于具有16路线圈绕组的多输入端电动机的电源输入端。
本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，所述逆变模块采用两电平电路拓扑或三电平电路拓扑，采用两电平电路拓扑时：逆变模块的每个桥臂由两串联的6.5kV的电力电子开关功率器件构成；采用三电平电路拓扑时：逆变模块的每个桥臂由4个串联的3.3kV的电力电子开关功率器件构成。
本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，所述多输入端电动机的16个线圈绕组分为4组，每一组均为星形连接，形成的4个星点之间相互独立没有任何连接，4个线圈绕组之间相互电气隔离。
本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，所述输入电抗器采用三相共铁芯的电抗器，所述整流单元为三相全桥整流，每个整流桥臂由多个串联的二极管形成，每个二极管的两端均并联有RC均压网络，RC均压网络用于保证二极管静态和动态的均压；所述母线滤波电路由4组电容组串联组成，每组电容组有多个电容并联组成，每组电容组两端并联有均压电阻，电容组由膜电容并联组成。
本发明的有益效果是：本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，从供电电网至电动机依次设置有电抗器、整流单元、滤波电路、逆变单元，三相高压交流电依次经整流、滤波、逆变后转化为可控的高压交流电输入至电动机的电源输入端，实现了对高压电动机的高压变频控制，无需采用隔离移相变压器，也就减少了一次电磁转换；具有结构紧凑，系统效率高，性能优良等特点，解决了电磁之间的多次转换，提高了整个系统的效率，同时也解决了高压变频器输出距离受限，输出电缆对周围设备产生干扰的问题，也避免了长距离电平供电造成的电机端电压尖峰过大导致的电机绝缘老化甚至击穿的情况的发生。
同时，由于在逆变器和电机之间由于采用了多相，系统具有一定的冗余能力，当电机驱动系统中的电机或者逆变器的一相发生故障时，可以将其断开，系统仍可在运行而不必要停车，系统仍然能够继续工作可靠性得到了很大提高。
附图说明
图1为本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构的电路图；
图2为本发明中逆变模块的另一种三电平逆变模块电路拓扑图。
图中：101多输入端电动机，102逆变单元，103母线滤波电路，104整流单元，105输入电抗器，106直流母线；1021逆变模块，1041整流模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构的电路图，其由输入电抗器105、整流单元104、直流母线106、母线滤波器103、逆变单元102和多输入端电动机101，输入电抗器105的输入端与高压供电电网相连接，输入电抗器105的输出端与整流单元104的输入端相连接，整流单元104的输出接于直流母线106上，母线滤波电路103的两端接于直流母线106上。所示的逆变单元102由4个四桥臂逆变模块1021串联组成，4个四桥臂逆变模块1021串联后的两端接于直流母线106上，每个四桥臂逆变模块1021均由4路输出，这样，逆变单元102就形成了16路输出，16路输出接于具有16个线圈绕组的多输入端电动机101的电源输入端。
从电网引入的高压（10kV）三相交流电接于输入电抗器105的输入端，然后依次经整流单元104、母线滤波电路103、逆变单元102的整流、滤波和逆变处理后，转化为可控的交流电接于多输入端电动机101的电源输入端，从而实现了对高压电动机的运行控制。由于电动机的高压变频电路没有采用隔离移相变压器，也就少了一次电磁转换，提高了整个电机变频控制系统的效率。
所示的输入电抗器105采用三相共铁芯的电抗器，整流单元104采用三相全桥整流，每个整流桥由多个串联的二极管组成，如D1、D2、…、Dn个二极管串联形成整流模块1041，串联二极管的个数由二极管的电压等级确定，每个二极管上均并联RC均压网络，如D1二极管上并联有R1、CC1并联而组成的RC均压网络，D2二极管上并联有R2、CC2并联而组成的RC均压网络，Dn二极管上并联有Rn、CCn并联而组成的RC均压网络，这样保证了二极管进行串联后静态和动态的均压。
所示的直流母线滤波电路103由4组电容组C11、C12、C13、C14串联组成，每组电容组C11、C12、C13、C14上有多个电容并联组成，并联电容的多少由一体机电气拓扑结构的系统容量大小计算确定，每组电容组C11、C12、C13、C14两端还并联有均压电阻R11、R12、R13、R14，所使用的电容组均由膜电容并联组成。
所示逆变单元102部分是通过采用四个相同的逆变模块1021串联分压形成，四组逆变单元串联组成的逆变单元102部分的输出具有16路输出的主回路电气拓扑结构，逆变单元102部分的输出端对应连接于具有16路绕组组成的多输入端电动机101的电源输入端。每个逆变模块1021中采用3.3kV的电力电子开关功率器件时，逆变器单元采用三电平电路拓扑结构，如图2所示的三电平逆变模块结构组成逆变单元102；如果采用6.5kV的电力电子开关功率器件时，逆变器单元采用两电平电路拓扑结构，如图1所示的逆变模块1021组成的部分。每个逆变模块1021均采用四桥臂结构输出，如逆变模块1021输出A1、B1、C1、D1，在A1、B1、C1、D1桥臂输出中，相互之间的基波输出相位互差90度，这样可以有效的减小直流母线当中直流电压的纹波，从而有效提高直流电容的寿命。
所示的多输入端的电动机101部分是电动机定子结构上包含有16个线圈绕组，16个线圈绕组分为4组L1、L2、L3、L4，其中L1、L2、L3、L4的每一组均为星形连接，形成的4个星点O1、O2、O3、O4，这四个星点之间相互独立没有任何连接，同时这4个线圈绕组L1、L2、L3、L4之间相互电气隔离，每一组的线圈绕组设计时采用对称设计，电机在工作中，电机定子上的这16个线圈绕组共同作用产生电动机内部的旋转磁场，在多相驱动下系统转矩性能平稳，并且电机噪音也小。
通过本发明的高压变频电机一体机电气拓扑结构制作的10kV变频一体机具有结构紧凑，系统效率高，性能优良等特点，解决了电磁之间的多次转换，提高了整个系统的效率，同时也解决了高压变频器输出距离受限，输出电缆对周围设备产生干扰的问题，也避免了长距离电平供电造成的电机端电压尖峰过大导致的电机绝缘老化甚至击穿的情况的发生。在逆变器和电机之间由于采用了多相，系统具有一定的冗余能力，当电机驱动系统中的电机或者逆变器的一相发生故障时，可以将其断开，系统仍可在运行而不必要停车，系统仍然能够继续工作可靠性得到了很大提高。

Claims (5)

1.一种10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，包括输入电抗器（105）、整流单元（104）、母线滤波电路（103）、逆变单元（102）和直流母线（106），输入电抗器、整流单元均为三相，输入电抗器的输出接于整流单元的输入端，整流单元的输出端接于直流母线上，母线滤波电路的两端接于直流母线上；其特征在于：所述逆变单元由N个四桥臂逆变模块（1021）串联组成，四桥臂逆变模块串联后的两端接于直流母线上；四桥臂逆变模块的输出接于线圈绕组数为4N的多输入端电动机的电源输入端；从电网引入的高压三相交流电接于输入电抗器的输入端，依次经整流单元、母线滤波电路、逆变电路的整流、滤波和逆变后，转换为驱使多输入端电动机（101）运行的可控交流电；N≥3。
2.根据权利要求1所述的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，其特征在于：所述逆变单元由4个四桥臂逆变模块（1021）串联组成，四桥臂逆变模块中相邻桥臂之间的基波输出相位差90°，每个四桥臂逆变模块具有4路输出；逆变单元形成具有16路输出的电气拓扑结构，接于具有16路线圈绕组的多输入端电动机（101）的电源输入端。
3.根据权利要求1或2所述的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，其特征在于：所述逆变模块（1021）采用两电平电路拓扑或三电平电路拓扑，采用两电平电路拓扑时：逆变模块的每个桥臂由两串联的6.5kV的电力电子开关功率器件构成；采用三电平电路拓扑时：逆变模块的每个桥臂由4个串联的3.3kV的电力电子开关功率器件构成。
4.根据权利要求2所述的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，其特征在于：所述多输入端电动机（101）的16个线圈绕组分为4组，每一组均为星形连接，形成的4个星点之间相互独立没有任何连接，4个线圈绕组之间相互电气隔离。
5.根据权利要求1或2所述的10kV高压变频电机一体机电气拓扑结构，其特征在于：所述输入电抗器（105）采用三相共铁芯的电抗器，所述整流单元（104）为三相全桥整流，每个整流桥臂由多个串联的二极管形成，每个二极管的两端均并联有RC均压网络，RC均压网络用于保证二极管静态和动态的均压；所述母线滤波电路（103）由4组电容组串联组成，每组电容组有多个电容并联组成，每组电容组两端并联有均压电阻，电容组由膜电容并联组成。
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