CN111682783A - 一种采用梯形调制波的高压变频一体机及其控制方法 - Google Patents

一种采用梯形调制波的高压变频一体机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机，包括整流部分、功率单元、多绕组电机和控制电路，n个功率单元依次串联后接于直流电压母线上，多绕组电机上设置有n个三相电机绕组，n个三相逆变单元的输出分别接于n个三相电机绕组上。本发明的高压变频一体机的控制方法，包括：a).产生梯形调制波；b).发送调制波；c).产生驱动信号；c‑1).变频启动控制；c‑2).额定频率控制。本发明的高压变频一体机及控制方法，当变频器输出的电压与电机的额定电压相等或接近时，梯形波与三角波比较产生的IGBT驱动信号与电机额定频率（如50Hz）相等，大大降低了功率器件的开关次数，降低了损耗、延长了功率器件的使用寿命。

Description

一种采用梯形调制波的高压变频一体机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种高压变频一体机及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种采用梯形调制波的高压变频一体机及其控制方法。
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，输入侧必须有隔离移相变压器为级联的变频器功率单元提供电压钳位，保护功率单元内部使用的功率器件IGBT。
从整个系统来看，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。同时由于隔离移相变压器本身的体积较大，使得最终整个系统的体积或者占地面积较大。
另外在一般情况下，电机和变频器分开布置，两者之间有一定的距离，长距离变频供电会产生电缆的反射效应，引起电机端电压过大，进而对电机寿命产生很大影响。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种采用梯形调制波的高压变频一体机及其控制方法。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机，包括整流部分、n个功率单元、多绕组电机和控制电路，整流部分的输入端接于高压交流电上，输出端形成直流电压母线；n≥1；其特征在于：n个功率单元依次串联后的两端接于直流电压母线上，每个功率单元的输入端均设置有直流滤波电容，n个功率单元上的n个直流滤波电容依次串联后的两端接于直流电压母线上；所述多绕组电机上设置有n个三相电机绕组，所述功率单元为三相逆变单元，n个三相逆变单元的输出分别接于n个三相电机绕组上。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机，所述控制电路部分由主控制器及n个辅助控制器组成，主控制器上设置有电网电压、功率单元输入侧的直流电压、电机转速和功率单元输的输出电流采集端口，辅助控制器经光纤与主控制器相通信；n个辅助控制器分别对n个三相逆变单元上的IGBT功率器件的导通状态进行控制，辅助控制器上设置有对功率单元的故障信号进行采集的端口；主控制器经光纤发送控制命令至辅助控制器，辅助控制器经光纤给主控制器反馈功率单元的工作状态。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机，所述整流部分采用三相不控整流器件构成的不控整流电路，每一相整流桥臂由多个不控整流二极管串联组成，每个二极管上均并联RC均压网络，以保证二极管串联后的均压。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机，所述n个功率单元构成的变频器与多绕组电机为一体结构。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).产生梯形调制波，主控制器根据所检测的多绕组电机的工作状态，计算出控制n个功率单元工作的梯形调制波的幅值和频率，产生n组梯形波调制信号，相邻功率单元的梯形调制波之间的角度差为120/n度，同一组内三相调制波互差120度；
b).发送调制波，主控制器将产生的n组梯形波调制信号经光纤发送至相应的n个辅助控制器；
c).产生驱动信号，辅助控制器接收到梯形波调制信号后，将梯形波调制信号与作为载波信号的三角波进行比较，得到n组功率单元上的IGBT的驱动信号，IGBT按照给定的驱动信号进行动作，产生电机的驱动电源，驱动电机转动；
c-1).变频启动控制，在多绕组电机变频启动过程中，梯形波的幅值小于三角波的幅值，在梯形波的整个周期中的上升段、水平段和下降段均与三角波载波信号相比较，来控制功率单元上IGBT器件的导通和关断，以实现每个功率单元的变频控制，此时IGBT功率器件的开关频率较高；
c-2).额定频率控制，当n个功率单元构成的变频器的输出达到或接近额定电压时，作为调制波的梯形波的幅值大于作为载波的三角波的幅值，在梯形调制波的整个周期中只在上升段、下降段与三角波进行比较，所产生的驱动信号波形的频率与电机额定频率相等，大大降低了IGBT功率器件的开关频率，开关损耗大大降低。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机的控制方法，如果多绕组电机为6kV电机，其电机绕组数量不低于4组；如果多绕组电机为10kV，其电机绕组数量为7组或8组。
本发明的有益效果是：本发明的高压变频一体机及控制方法，整流部分将高压交流电转化为直流电，n个功率单元串联后接于直流母线上，n个功率单元的输出分别与多绕组电机上的n个电机绕组相连接；主控制器根据所检测的电机运行状态参数，产生n组梯形波作为调制信号，辅助控制器接收到相应的梯形波调制信号后，将其与作为载波信号的三角波进行比较，不仅实现了电机的变频启动，而且当变频器输出的电压与电机的额定电压相等或接近时，梯形波与三角波比较产生的IGBT功率器件的驱动信号（方波信号）频率与电机额定频率（如50Hz）相等，大大降低了功率器件的开关次数，降低了损耗、延长了功率器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机的电路原理图；
图2为本发明中控制电路部分的原理图；
图3为本发明中一组功率单元的3个梯形调制波的波形示意图。
图中：1整流部分，2功率单元，3电机绕组，4主控制器，5辅助控制器。
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，给出了本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机的电路原理图，图2给出了本发明中控制电路部分的原理图，所示的高压变频一体机由整流部分1、功率单元2、多绕组电机和控制电路组成，整流部分1的输入端接于高压直流电上，整流部分1的输出端形成直流电压母线。多绕组电机的绕组数为n个，功率单元2的数量与电机绕组3的数量一致，数量也为n个。n个功率单元2依次串联后的两端接于直流电压母线上，功率单元2的输入端并联有直流滤波电容，n个直流滤波电容依次串联后的两端接于直流电压母线上，n个功率单元的输出依次接于n个电机绕组上。
整流部分是三相不控整流器件构成的不控整流电路，每一相的整流桥臂由多个不控整流二极管串联，每个二极管上均并联RC均压网络，可以有效的解决二极管进行串联后的均压问题。
级联的功率单元为普通的三相逆变单元，每一个功率单元内部包含直流滤波电容和IGBT功率模块组成的三相全桥。功率单元的直流侧首位相连，首端连接至整流部分输出端的直流正极，末端连接至整流部分输出端的直流负极，每个功率单元的三相输出端连接至电机的一组星接的绕组。多套绕组电机每套绕组为3相，单套绕组内部的3相绕组互差120度，每套绕组之间的角度差为120/n。
如图2所示，给出了本发明中控制电路部分的原理图，控制电路由主控制器4及n个辅助控制器5组成，辅助控制器5经光纤与主控制器4相通信，通过通讯的方式进行数据交互，主控制器给辅助控制器发送控制命令，辅助控制器给主控制器反馈功率单元的工作状态。主控制器4上设置有电网电压直流电压、电机转速和输出电流采集端口，辅助控制器经光纤与主控制器相通信；n个辅助控制器分别对n个三相逆变单元上的IGBT功率器件的导通状态进行控制，辅助控制器上设置有对功率单元的故障信号进行采集的端口；主控制器经光纤发送控制命令至辅助控制器，辅助控制器经光纤给主控制器反馈功率单元的工作状态。
本发明的采用梯形调制波的高压变频一体机的控制方法，通过以下步骤来实现：
a).产生梯形调制波，主控制器根据所检测的多绕组电机的工作状态，计算出控制n个功率单元工作的梯形调制波的幅值和频率，产生n组梯形波调制信号，相邻功率单元的梯形调制波之间的角度差为120/n度，同一组内三相调制波互差120度；
如图3所示，给出了本发明中一组功率单元的3个梯形调制波的波形示意图，梯形波A、B、C为一组功率单元中的3个梯形调制波，相邻梯形波的相位差为120°。采用梯形波的好处是，在电机以额定功率运行时，此时调制信号梯形波的水平段大于三角波的峰值，在梯形波的水平段不会与三角波进行频繁比较，IGBT功率器件处于关断或打开状态不便。
b).发送调制波，主控制器将产生的n组梯形波调制信号经光纤发送至相应的n个辅助控制器；
c).产生驱动信号，辅助控制器接收到梯形波调制信号后，将梯形波调制信号与作为载波信号的三角波进行比较，得到n组功率单元上的IGBT的驱动信号，IGBT按照给定的驱动信号进行动作，产生电机的驱动电源，驱动电机转动；
c-1).变频启动控制，在多绕组电机变频启动过程中，梯形波的幅值小于三角波的幅值，在梯形波的整个周期中的上升段、水平段和下降段均与三角波载波信号相比较，来控制功率单元上IGBT器件的导通和关断，以实现每个功率单元的变频控制，此时IGBT功率器件的开关频率较高；
c-2).额定频率控制，当n个功率单元构成的变频器的输出达到或接近额定电压时，作为调制波的梯形波的幅值大于作为载波的三角波的幅值，在梯形调制波的整个周期中只在上升段、下降段与三角波进行比较，所产生的驱动信号波形的频率与电机额定频率相等，大大降低了IGBT功率器件的开关频率，开关损耗大大降低。
本发明的高压变频一体机，利用电机本身的绕组实现变频器功率单元的电压钳位均压，取消了变频器输入侧的隔离移相变压器，降低了成套系统的成本和体积。同时将变频器和电机设计成一体机，直接将变频器于电机设计为一个整体，最大程度上减少了两者的线缆连接长度，可以有效抑制电缆的反射效应，提升电机的使用寿命。
使用梯形波波形驱动普通的三相电机，会在电机内部产生5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次……等一些列的谐波磁场，影响电机的运行，本发明所述的电机采用多套绕组的方式，当n=2时，两套绕组互差60度，可以消除5次、7次的谐波成分，当n=4时，可以消除19次以下的谐波成分。n越大，可以消除的谐波成分越多，且谐波成分的次数越高，其幅值越小，对电机的影响越小，当n达到一定值时，梯形波波形驱动所带来的负面影响可以忽略不计。
一般来说6kV的电机可以将电机的绕组分为4组，10kV的电机可以将电机绕组分为7组或者8组，这两种电机绕组划分都可以使用本发明所述的梯形波波形驱动。
本发明的高压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。

Claims (6)

1.一种采用梯形调制波的高压变频一体机，包括整流部分（1）、n个功率单元（2）、多绕组电机和控制电路，整流部分的输入端接于高压交流电上，输出端形成直流电压母线；n≥1；其特征在于：n个功率单元依次串联后的两端接于直流电压母线上，每个功率单元的输入端均设置有直流滤波电容，n个功率单元上的n个直流滤波电容依次串联后的两端接于直流电压母线上；所述多绕组电机上设置有n个三相电机绕组（3），所述功率单元为三相逆变单元，n个三相逆变单元的输出分别接于n个三相电机绕组上。
2.根据权利要求1所述的采用梯形调制波的高压变频一体机，其特征在于：所述控制电路部分由主控制器（4）及n个辅助控制器（5）组成，主控制器上设置有电网电压、功率单元输入侧的直流电压、电机转速和功率单元输的输出电流采集端口，辅助控制器经光纤与主控制器相通信；n个辅助控制器分别对n个三相逆变单元上的IGBT功率器件的导通状态进行控制，辅助控制器上设置有对功率单元的故障信号进行采集的端口；主控制器经光纤发送控制命令至辅助控制器，辅助控制器经光纤给主控制器反馈功率单元的工作状态。
3.根据权利要求1或2所述的采用梯形调制波的高压变频一体机，其特征在于：所述整流部分（1）采用三相不控整流器件构成的不控整流电路，每一相整流桥臂由多个不控整流二极管串联组成，每个二极管上均并联RC均压网络，以保证二极管串联后的均压。
4.根据权利要求1或2所述的采用梯形调制波的高压变频一体机，其特征在于：所述n个功率单元构成的变频器与多绕组电机为一体结构。
5.一种基于权利要求1所述的采用梯形调制波的高压变频一体机的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).产生梯形调制波，主控制器根据所检测的多绕组电机的工作状态，计算出控制n个功率单元工作的梯形调制波的幅值和频率，产生n组梯形波调制信号，相邻功率单元的梯形调制波之间的角度差为120/n度，同一组内三相调制波互差120度；
b).发送调制波，主控制器将产生的n组梯形波调制信号经光纤发送至相应的n个辅助控制器；
c).产生驱动信号，辅助控制器接收到梯形波调制信号后，将梯形波调制信号与作为载波信号的三角波进行比较，得到n组功率单元上的IGBT的驱动信号，IGBT按照给定的驱动信号进行动作，产生电机的驱动电源，驱动电机转动；
c-1).变频启动控制，在多绕组电机变频启动过程中，梯形波的幅值小于三角波的幅值，在梯形波的整个周期中的上升段、水平段和下降段均与三角波载波信号相比较，来控制功率单元上IGBT器件的导通和关断，以实现每个功率单元的变频控制，此时IGBT功率器件的开关频率较高；
c-2).额定频率控制，当n个功率单元构成的变频器的输出达到或接近额定电压时，作为调制波的梯形波的幅值大于作为载波的三角波的幅值，在梯形调制波的整个周期中只在上升段、下降段与三角波进行比较，所产生的驱动信号波形的频率与电机额定频率相等，大大降低了IGBT功率器件的开关频率，开关损耗大大降低。
6.一种基于权利要求5所述的采用梯形调制波的高压变频一体机的控制方法，其特征在于：如果多绕组电机为6kV电机，其电机绕组（3）数量不低于4组；如果多绕组电机为10kV，其电机绕组数量为7组或8组。
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