CN112311246A - 一种用于中央空调的永磁变频传动系统及中央空调系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于中央空调的永磁变频传动系统，其包括变频器，该变频器包括：移相变压器，其包括一次侧绕组和多组二次侧绕组，一次侧绕组用于与交流电网连接，多组二次侧绕组相互之间形成固定相位差；多个功率模块，各个功率模块的输入端与对应的二次侧绕组连接，输出端与高压永磁同步电机连接。本系统并不需要像现有技术那样利用电力变压器来将交流电网所提供的高压电降为低压电来提供给低压变频器，变频器可以由交流电网所提供的高压电直接驱动，这样也就省去了传统方案的降压电力变压器，从而省去了变压器采购成本。通过试验发现，该结构能够降低电力变压器所导致的损耗，整个传动系统效率更高，同时也省去了现场工程中变压器的安装空间。

Description

一种用于中央空调的永磁变频传动系统及中央空调系统
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体地说，涉及一种用于中央空调的永磁变频传动系统及中央空调系统。
背景技术
定频直接启动对电网冲击较大，(星-三角启动器的启动电流为电机额定电流的3-6倍，且存在二次冲击；晶闸管软启动器的启动电流为电机额定电流的3-4倍)，这样也就需要同步调整前端电网容量。然而，调整前端电网容量配置大小需要向供电局支付相应比例容量费用，从而造成定频启动的成本较高。同时，部分改造项目或新建项目即使支付相应费用也由于前级电网容量不足而无法开通，造成业主无法使用所需制冷量的冷水机组；
现有异步电机变频传动系统虽相比于定频传动系统功能有一定提升，但采用的异步电机体积相对较大，在低频率段部分负荷下的效率等关键性能仍有提升空间。
目前一些厂家采用10kV高压通过电力变压器转成380V/660V，配套同功率等级的变频器和永磁/异步电机进行冷水机组适配。然而，降压电力变压器会导致系统体积、成本显著增加，同时由于变频器和电机采用380V/660V平台，这样也就使得电流增大、损耗增大，若采用风冷将提高噪音且限制变频器功率大小。
而如果大功率变频器采用水冷或冷媒冷却方式，则需要从冷水机组中取冷水或者冷媒(例如氟利昂)进行冷却，这进一步降低了整机能效。这种技术方案在以能效作为主要技术参数的中央空调行业显然不是最优选择。同时，使用冷水或冷媒进行冷却往往需要复杂的温度、压力采集与配套阀门控制算法，且极易凝露，并有泄露风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于中央空调的永磁变频传动系统，所述系统包括变频器，所述变频器包括：
移相变压器，其包括一次侧绕组和多组二次侧绕组，所述一次侧绕组用于与交流电网连接，所述多组二次侧绕组相互之间形成固定相位差；
多个功率模块，各个功率模块的输入端与对应的二次侧绕组连接，输出端与高压永磁同步电机连接。
根据本发明的一个实施例，所述功率模块包括多个结构相同的功率单元，不同的功率单元的输入端分别与不同的二次侧绕组连接，输出端级联。
根据本发明的一个实施例，所述功率单元包括：
整流电路，其输入端与对应的二次侧绕组连接，用于将二次侧绕组传输来的交流电转换为相应的直流电；
中间直流电路，其与所述整流电路连接；
逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于将中间直流电路所传输来的直流电转换为相应的交流电。
根据本发明的一个实施例，所述整流电路包括二极管三相全桥不可控全波整流电路。
根据本发明的一个实施例，所述中间直流电路包括：
支撑电容，其连接在所述整流电路的直流端正极与直流端负极之间。
根据本发明的一个实施例，所述逆变电路包括H桥全控逆变电路。
根据本发明的一个实施例，所述变频器采用强迫风冷方式进行散热。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：
永磁同步电机，其与所述变频器连接，用于在所述变频器传输来的交流电的驱动下运行。
本发明还提供了一种中央空调系统，所述中央空调系统包括；
如上任一项所述的永磁变频传动系统，其用于通过开关柜与交流电网连接；
空调压缩机，其与所述永磁变频传动系统连接。
本发明所提供的中央空调系统并不需要像现有技术那样利用电力变压器来将交流电网所提供的高压电(例如10kV)降为380V/660V的低压电来提供给低压变频器，本实施例中，变频器可以由交流电网所提供的高压电直接驱动，这样也就省去了传统方案的降压电力变压器，从而省去了变压器采购成本。通过试验发现，本实施例所提供的该结构能够降低电力变压器所导致的约2％损耗，整个传动系统效率更高，同时也省去了现场工程中变压器的安装空间。
同时，由于变频器是高压变频器，因此该变频器可以直接实现高压输入、高压输出，这样也就使得这个电路具有电压高、电流小的特性。而通过功率单元的级联所得到的拓扑的开关频率高，但实际功率器件(例如IGBT器件)的开关频率可以得到降低，这样也就使得实际功率器件的损耗减小，变频器也就可以适用风冷进行散热。而风冷散热所使用的散热风机的电源可以从移相变压器绕组直接提供，这样也就无需另外提供电源。
此外，相较于现有的普通三相整流加逆变拓扑的变频器，本发明所提供的变频器采用的是级联型多电平高压变频器，其输入、输出谐波均较小。较小的输入谐波对电网友好，这样也就无需前端谐波治理装备(例如APF、高压SVG等)，进一步节省了用户成本。较小的输出谐波则对永磁电机的温升、绝缘等都起到保护作用。同时对工程安装中，由于输出谐波小，因此变频器至电机的电缆长度也就没有要求，这样也就不需要额外增加滤波电抗器。这不仅有助于提高系统稳定性及寿命，同时还可以适配对谐波要求较高的磁悬浮电机。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的中央空调系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的变频器的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第一功率单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的用于中央空调的永磁变频传动系统以及应用了该永磁变频传动系统的中央空调系统。其中，该永磁变频传动系统摒弃了现有技术中所采用的降压变压器，而是直接取用电网电源，并使用全频率段高效的永磁电机，从而全面提高了整机能效。
图1示出了本实施例所提供的中央空调系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例所提供的中央空调系统优选地包括：第一开关柜102、永磁变频传动系统103、压缩机104以及上位机控制装置105。其中，第一开关柜102连接在交流电网101与永磁变频传动系统103之间，其内部配置的断路器能够保证在需要进行系统故障保护时及时地断开永磁变频传动系统103与交流电网101之间的电连接。
交流电网101所提供的交流电优选地为高压交流电，而第一开关柜102则是能够与交流电网101所提供的高压交流电相匹配的高压开关柜。例如，本实施例中，交流电网101所提供的交流电可以为10kV三相交流电。
本实施例中，永磁变频传动系统103优选地包括：第二开关柜103a、变频器103b、冷却装置103c以及永磁同步电机103d。其中，第二开关柜103a连接在第一开关柜102与变频器103b之间，其能够通过自身内部配置的断路器来将第一开关柜102与变频器103b之间的电连接导通或是断开。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，第一开关柜102和/或第二开关柜103a可以根据实际需要进行选配，本发明并不对此进行具体限定。
图2示出了本实施例所提供的变频器103b的结构示意图。
如图2所示，本实施例中，变频器103b优选的包括：移相变压器201和多个功率模块。其中，移相变压器201包括一次侧绕组和多组二次侧绕组，其一次侧绕组用于通过开关柜(例如第一开关柜102和第二开关柜103a)与交流电网101连接，其能够子在多组二次侧绕组相互之间形成固定相位差。各个功率单元的输入端与对应的二次侧绕组连接，输出端与高压永磁同步电机连接。
具体地，本实施例中，移相变压器201优选地采用多重化设计，其能够将网侧的高压变换成二次侧绕组的多组低电压，其二次侧绕组在绕制时优选地采用延边三角形接法，这样二次侧绕组相互之间也就能够形成固定相位差。
移相变压器201的这种结构能够产生多脉冲整流方式，使得移相变压器的各个二次侧绕组(对应于功率模块的输入端)的谐波电流相互抵消，这样谐波电流也就不会反映到高压侧，从而有效改善电网的电流波形，基本上消除了变频器对电网的谐波污染。
同时，移相变压器201的各个二次侧绕组相互独立，并单独为一个功率模块供电。因此，每个功率模块的主回路也就相对对立，并且工作在低电压状态。各功率模块之间的相对电压由移相变压器201二次侧绕组的绝缘承担，功率模块之间不存在串联均压问题。
功率模块是高压变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块来实现的。本实施例中，每个功率模块即相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。
本实施例中，各个功率模块202的输入端与对应的二次侧绕组连接，其输出端则与对应的高压永磁同步电机202连接。
需要指出的是，本实施例中，由于各个功率模块的结构类似，故为了描述的方便，以下以其中一个功率模块为例来进行阐述。其中，图3示出了本实施例中功率模块的结构示意图。
本实施例中，功率模块包括了多个结构相同的功率单元，不同的功率单元的输入端分别与不同的二次侧绕组连接，输出端级联。具体地，如图3所示，本实施例中，该功率模块包含有第一功率单元202a和第二功率单元202b，第一功率单元202a与第二功率单元202b的输入端分别与移相变压器201的不同二次侧绕组连接，二者的输出端则采用级联方式。例如，第一功率单元202a的第二输出端与第二功率单元202b的第一输出端连接，并且二者的公共连接点优选的与散热器的外壳连接以实现接地。
当然，在本发明的其他实施例中，第一功率单元202a与第二功率单元202b的公共连接点还也可以与其他合理节点连接，本发明并不对此进行具体限定。
如图3所示，本实施例中，第一功率单元202a优选地包括整流电路VD1、中间直流电路和逆变电路。其中，整流电路的输入端与对应的二次侧绕组连接，其能够将二次侧绕组所传输来的交流电转换为相应的直流电。本实施例中，整流电路优选地包括二极管三相全桥不可控全波整流电路。当然，在本发明其他实施例中，根据实际需要，整流电路还可以采用其他合理电路结构(例如三相桥全控整流电路等)来实现，本发明并不对此进行具体限定。
中间直流电路则与整流电路连接，其能够对整流电路所传输来的直流电进行滤波以及储能。例如，本实施例中，中间直流电路可以包括支撑电容，该支撑电容连接在整流电路的直流端正极与直流端负极之间。根据实际需要，中间直流电路还可以包括中间直流电阻，该直流电阻与上述支撑电容并联。
逆变电路与中间直流电路连接，其能够将中间直流电路所传输来的直流电转换为相应的交流电。本实施例中，逆变电路优选地包括H桥全控逆变电路。
第二功率单元202b的结构与第一功率单元202a的结构类似，故在此不再对第二功率单元202b的具体结构进行赘述。
当然，在本发明的其他实施例中，各个功率模块所包含的功率单元的数量可以根据实际需要配合为不同的合理数量，同时，各个功率模块的结构还可以根据实际需要配置为其他合理结构，本发明并不对此进行具体限定。
从图3可以看出，本实施例中，功率模块采用了二合一的结构形式。相较于现有的功率模块，本实施例提供的功率模块的功率密度更高，这样也就有助于减少整个系统所需要的功率模块的数量，并且还能够提高功率模块一致性，提高现场维护效率，这样也可以使得变频器整机功率密度更高。
以10kV电压等级为例，单个功率模块的输出额定电压为2*720＝1440V。如果每相由4个相同的功率模块串联(对于功率单元而言形成八级联的结构)，这样就可以得到5760V的单相电压，三相星型连接对应的线电压为10000V。三相共有12个二合一功率模块。同时，根据实际需要，改变每相串联功率模块的数目也就可以得到不同输出电压。
变频器的总输出电压由各功率模块的输出电压串联叠加而得到，虽然每个单元输出的都是等幅PWM电压波形，但各个功率单元的输出信号相互之间有确定的相位偏移，串联叠加以后，在变频器输出侧所得到的是正弦阶梯状PWM波形。
通过这种结构，本实施例中，每个功率单元的开关频率可以较低，这样也就可以减小功率器件的损耗和发热。但是，变频器整体的输出电压的等效开关频率却很高，并且仅含少量的极高次谐波。
再次如图1所示，本实施例中，变频器103b还与冷却装置103c连接。其中，冷却装置103c优选地采用风冷散热装置，这样也就可以实现对变频器103b进行强迫风冷散热。这种结构能够使得散热风机的电源从6/10kV通过移相变压器辅助绕组直接获得，而无需另外提供电源。
该永磁变频传动系统中的永磁同步电机103d与变频器103b连接，其能够在变频器103b所传输来的交流电的驱动下运行。本实施例中，永磁同步电机103d优选地为高压永磁同步电机，其电压等级可以达到6/10kV。永磁同步电机103d采用能够一直保持磁性的稀土材料作为电机转子，这样也就替代了异步电机中庞大的转子绕组，从而能够减小系统体积、重量。同时，高压永磁电机优选地可以采用单绕组或多绕组模式。
如图1所示，中央空调系统的空调压缩机104与永磁变频传动系统连接。同时，本实施例中，中央空调系统优选地还可以包括上位机控制装置105。上位机控制装置105与变频器103b连接，其能够根据实际需要生成相应地控制信号，从而实现对变频器103b工作状态的调节。
同时，还需要指出的是，本实施例中，变频器103b根据实际需要还可以配置本地控制模块，这样变频器103b也就可以利用本地控制模块在内部来实现对自身工作状态的调节。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的中央空调系统并不需要像现有技术那样利用电力变压器来将交流电网所提供的高压电(例如10kV)降为380V/660V的低压电来提供给低压变频器，本实施例中，变频器可以由交流电网所提供的高压电直接驱动，这样也就省去了传统方案的降压电力变压器，从而省去了变压器采购成本。通过试验发现，本实施例所提供的该结构能够降低电力变压器所导致的约2％损耗，整个传动系统效率更高，同时也省去了现场工程中变压器的安装空间。
同时，由于变频器是高压变频器，因此该变频器可以直接实现高压输入、高压输出，这样也就使得这个电路具有电压高、电流小的特性。而通过功率单元的级联所得到的拓扑的开关频率高，但实际功率器件(例如IGBT器件)的开关频率可以得到降低，这样也就使得实际功率器件的损耗减小，变频器也就可以适用风冷进行散热。而风冷散热所使用的散热风机的电源可以从移相变压器绕组直接提供，这样也就无需另外提供电源。
此外，相较于现有的普通三相整流加逆变拓扑的变频器，本发明所提供的变频器采用的是级联型多电平高压变频器，其输入、输出谐波均较小。较小的输入谐波对电网友好，这样也就无需前端谐波治理装备(例如APF、高压SVG等)，进一步节省了用户成本。较小的输出谐波则对永磁电机的温升、绝缘等都起到保护作用。同时对工程安装中，由于输出谐波小，因此变频器至电机的电缆长度也就没有要求，这样也就不需要额外增加滤波电抗器。这不仅有助于提高系统稳定性及寿命，同时还可以适配对谐波要求较高的磁悬浮电机。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种用于中央空调的永磁变频传动系统，其特征在于，所述系统包括变频器，所述变频器包括：
移相变压器，其包括一次侧绕组和多组二次侧绕组，所述一次侧绕组用于与交流电网连接，所述多组二次侧绕组相互之间形成固定相位差；
多个功率模块，各个功率模块的输入端与对应的二次侧绕组连接，输出端与高压永磁同步电机连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率模块包括多个结构相同的功率单元，不同的功率单元的输入端分别与不同的二次侧绕组连接，输出端级联。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述功率单元包括：
整流电路，其输入端与对应的二次侧绕组连接，用于将二次侧绕组传输来的交流电转换为相应的直流电；
中间直流电路，其与所述整流电路连接；
逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于将中间直流电路所传输来的直流电转换为相应的交流电。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述整流电路包括二极管三相全桥不可控全波整流电路。
5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述中间直流电路包括：
支撑电容，其连接在所述整流电路的直流端正极与直流端负极之间。
6.如权利要求2～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述逆变电路包括H桥全控逆变电路。
7.如权利要求1～6中任一项所述的系统，其特征在于，所述变频器采用强迫风冷方式进行散热。
8.如权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
永磁同步电机，其与所述变频器连接，用于在所述变频器传输来的交流电的驱动下运行。
9.一种中央空调系统，其特征在于，所述中央空调系统包括；
如权利要求1～8中任一项所述的永磁变频传动系统，其用于通过开关柜与交流电网连接；
空调压缩机，其与所述永磁变频传动系统连接。
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