CN112187084B - 一种带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，包括输入投切、交流逆变、输出投切和故障投切电路，交流逆变电路由m个常用和n个备用交流逆变单元组成，输入投切电路控制交流逆变单元的投入和旁路，输出投切电路控制交流逆变单元输出端的断开和闭合；故障投切电路用于控制备用交流逆单元的输出代替发生故障的常用交流逆变单元的输出。本发明的变频一体机主回路拓扑结构，创新性的提出通过配置备用单元及对应的投切控制装置，在系统内部某一逆变单元出现故障后，自动旁路，同时投入备用单元，保证整个系统仍可以按照额定功率正常工作，提高了整机的工作可靠性和冗余特性，避免了因单一单元故障引起的整机停机问题。

Description

一种带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种变频一体机主回路拓扑结构，更具体的说，尤其涉及一种带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，变频器与负载电机一体式设计方案因设备体积小，占用空间小，安装便利等优势在电机驱动方面得到了大量的应用。尤其是多绕组变频一体式电机因其输入侧可直接使用高电压输入、输出侧可采用低压多绕组电机驱动的方式受到越来越多的关注。但现有的多绕组的变频一体式电机主回路拓扑存在一个问题，如果多绕组的驱动单元中有一个出现故障，整个驱动系统就会因此停止输出，对于实际应用过程中的生产效率、整机可靠性应用造成较大的影响。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构。
本发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，其特征在于：包括输入投切电路、交流逆变电路、输出投切电路和故障投切电路，交流逆变电路由m个常用的交流逆变单元和n个备用的交流逆变单元组成，m个常用交流逆变单元和n个备用交流逆变单元输入端串联后的两端接于母线的正极和负极上；输入投切电路设置于所有交流逆变单元输入端的正负极上，输入投切电路控制每个交流逆变单元的投入和旁路；输出投切电路设置于所有交流逆变单元的交流输出端，输出投切电路控制每个交流逆变单元输出端的断开和闭合；故障投切电路的数量与备用交流逆变单元的数量相等，每个备用交流逆单元的输出经单独的故障投切电路与所有常用交流逆变单元的输出相连接，故障投切电路用于控制备用交流逆单元的输出代替发生故障的常用交流逆变单元的输出。
本发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，所述输入投切电路由n+m个单相开关组成，分别记为K11、K21、…、K(n+m)1，n+m个单相开关K11、K21、…、K(n+m)1的两端分别接于n+m个交流逆变单元输入端的正负极上。
本发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，所述交流逆变单元为三相交流逆变单元，所述输出投切电路由n+m个三相开关组成，n+m个三相开关分别记为K12、K22、…、K(n+m)2，三相开关K12、K22、…、K(n+m)2分别接于n+m个交流逆变单元的交流输出端；
所述故障投切电路的数量为n个，每个故障投切电路由m个三相开关组成，n个故障投切电路上的三相开关分别记为K13、K23、…、Km3，K14、K24、…、Km4，…，K1(n+2)、K2(n+2)、…、Km (n+2)，第i个备用交流逆变单元的三相输出端经开关Km (i+2)与第m个常用交流逆变单元的输出端相连接，i=1,2，…，n；三相开关Kjq的两端接于第j个常用交流逆变单元的输出端与第j+1个常用交流逆变单元的输出端之间，j=1,2，…，m-1；q=3,4，…，n+2。
本发明的有益效果是：本发明的变频一体机主回路拓扑结构，通过设置有m个常用交流逆变单元和n个备用交流逆变单元组成的交流逆变电路，并在交流逆变电路的输入端设置输入投切电路，输出端设置输出投切电路和故障投切电路，当所有的常用交流逆变单元均无故障时，则通过m个常用交流逆变单元的输出控制电机工作；当有1个或1个以上的常用交流逆变单元出现故障时，则利用输入投切电路将出现故障的交流逆变单元旁路，利用输出投切电路将出现故常的交流逆变单元的输出断开，利用故障投切电路将备用交流逆变单元的输出代替故障交流逆变单元的输出，保证整个变频一体机仍可以按照额定功率正常工作。
可见，本发明的变频一体机主回路拓扑结构，在现有的变频一体机的基础上，创新性的提出通过配置备用单元及对应的投切控制装置，在系统内部某一逆变单元出现故障后，自动旁路，同时投入备用单元，保证整个系统仍可以按照额定功率正常工作，提高了整机的工作可靠性和冗余特性，避免了因单一单元故障引起的整机停机问题。
附图说明
图1为本发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构的电路原理图；
图2为本发明中三相交流逆变单元的电路原理图；
图3为本发明中输出投切电路和故障投切电路所采用的三相开关的电路原理图。
图中：1交流逆变电路，2输入投切电路，3输出投切电路，4故障投切电路。
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给出了发明的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构的电路原理图，本发明的变频一体机主回路拓扑结构由输入投切电路、交流逆变电路、输出投切电路和故障投切电路组成，交流逆变电路由常用交流逆变单元和备用交流逆变单元组成，图中所示的常用交流逆变单元的数量为N-1个，备用交流逆变单元的数量为1个。所示的输入投切电路由N个单相开关组成，N个单相开关分别标记为K11，K21，K31...，KN1；所示的N-1个常用交流逆变单元和1个备用交流逆变单元分别记为1，2,3...，N，常用交流逆变单元和备用交流逆变单元均为三相交流逆变单元。输出投切电路和故障投切电路均为三相开关，所示的输出投切电路由N个三相开关组成，N个三相开关分别标记为K12，K22，K32...，KN2，故障投切电路由N-1个三相开关组成，N-1个三相开关分别标记为K13，K23，K33...，K（N-1）3。
输入投切电路（K11，K21，K31...，KN1）采用单相开关控制，每个交流逆变单元的母线投切电路可单独控制。K11可以短接三相交流逆变单元1的正负母线，K21可以短接三相交流逆变单元2的正负母线，以此类推，KN1可以短接三相交流逆变单元N的正负母线。
如图2给出了本发明中三相交流逆变单元的电路原理图，N个三相交流逆变单元（1，2，3...，N）的完全一致。三相交流逆变单元由两路直流输入IN+、IN-、DC/AC逆变电路，三路交流输出OU1、OUT2、OUT3组成。其中前（N-1）个三相逆变单元的直流输入侧连接方式为串联关系，连接到总的正负母线之间，剩余的1个三相逆变单元作为备用单元使用。N-1交流逆变单元的母线均分整个的正负母线电压，分的得电压UN-1=U总/(N-1)。交流逆变单元1的IN+连接前级输入的正母线，交流逆变单元1的IN-连接单元2的IN+，交流逆变单元1的IN+与IN-经开关K11相连接，交流逆变单元2的IN-连接交流逆变单元3的IN+，以此类推，交流逆变单元N-1的IN-连接交流逆变单元N的IN+，交流逆变单元N的IN-连接负母线。
如图3给出了本发明中输出投切电路和故障投切电路所采用的三相开关的电路原理图，输出投切电路（K12，K22，K32...，KN2），故障投切电路（K13，K23，K33...，K（N-1）3）均为三相输出装置，由三相输入I1、I2、I3和三相输出O1、O2、O3组成，三相绕组相互独立，每路投切电路可单独控制投切。
正常情况下使用时，投入前N-1个三相逆变单元，此时的投切开关操作逻辑为：
（1）断开输入投切开关K11、K21，K31，...，K（N-1）1，吸合输入投切开关KN1。
（2）投入单元输出投切电路（K12，K22，K32...，K（N-1）2），断开单元输出投切电路KN2。
（3）断开所有单元故障投切电路（K13，K23，K33...，K（N-1）3）。
当前N-1个交流逆变单元其中一个出现故障时，执行冗余措施。假设第X个三相逆变单元出现故障，此时的投切开关逻辑为：
1).保持前（X-1）个输入投切开关的状态不变，吸合第X个三相逆变单元的输入投切开关KX1，第X+1到第N-1个逆变单元的输入投切开关的状态不变。备用交流逆变单元（第N个单元）的输入投切开关KN1断开，此时仍可保持N-1个逆变单元平均分担整个正负母线。避免因串联的单元个数减少，导致逆变单元的母线电压升高而过压保护。
2).保持前（X-1）个单元输出投切开关的状态不变，断开第X个逆变单元的单元输出投切开关KX2，第X+1到第N-1个逆变单元的单元输出投切开关的状态不变。备用单元第N个逆变单元的单元输出投切开关KN2吸合。
3).保持前X-1个单元故障投切电路（K13，K23，K33,...，K（X-1）3）保持不变，投入第X个功率单元至第N-1个功率单元的故障投切电路（KX3，K（X+1）3，...，K（N-1）3）。
4).相关投切逻辑执行完成后，仍可以维持N-1个三相逆变单元的输出，对应N-1个电机绕组不变，从而可以保证在一个功率单元出现故障切除后，仍可以保证系统正常工作。

Claims (3)

1.一种带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，其特征在于：包括输入投切电路、交流逆变电路、输出投切电路和故障投切电路，交流逆变电路由m个常用的交流逆变单元和n个备用的交流逆变单元组成，m个常用交流逆变单元和n个备用交流逆变单元输入端串联后的两端接于母线的正极和负极上；输入投切电路设置于所有交流逆变单元输入端的正负极上，输入投切电路控制每个交流逆变单元的投入和旁路；输出投切电路设置于所有交流逆变单元的交流输出端，输出投切电路控制每个交流逆变单元输出端的断开和闭合；故障投切电路的数量与备用交流逆变单元的数量相等，每个备用交流逆单元的输出经单独的故障投切电路与所有常用交流逆变单元的输出相连接，故障投切电路用于控制备用交流逆单元的输出代替发生故障的常用交流逆变单元的输出。
2.根据权利要求1所述的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，其特征在于：所述输入投切电路由n+m个单相开关组成，分别记为K11、K21、…、K(n+m)1，n+m个单相开关K11、K21、…、K(n+m)1的两端分别接于n+m个交流逆变单元输入端的正负极上。
3.根据权利要求1或2所述的带冗余设计的变频一体机主回路拓扑结构，其特征在于：所述交流逆变单元为三相交流逆变单元，所述输出投切电路由n+m个三相开关组成，n+m个三相开关分别记为K12、K22、…、K(n+m)2，三相开关K12、K22、…、K(n+m)2分别接于n+m个交流逆变单元的交流输出端；
所述故障投切电路的数量为n个，每个故障投切电路由m个三相开关组成，n个故障投切电路上的三相开关分别记为K13、K23、…、Km3，K14、K24、…、Km4，…，K1(n+2)、K2(n+2)、…、Km (n+2)，第i个备用交流逆变单元的三相输出端经开关Km (i+2)与第m个常用交流逆变单元的输出端相连接，i=1,2，…，n；三相开关Kjq的两端接于第j个常用交流逆变单元的输出端与第j+1个常用交流逆变单元的输出端之间，j=1,2，…，m-1；q=3,4，…，n+2。
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