CN1207843C

CN1207843C - 6kv异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路

Info

Publication number: CN1207843C
Application number: CNB021211132A
Authority: CN
Inventors: 刘文华; 吴步宁; 宋强; 王曙兵
Original assignee: ZHONGSHAN MINGYANG ELECTRIC Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: ZHONGSHAN MINGYANG ELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: CN1384598A

Abstract

6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路属于大容量、高压异步机变频调速装置领域，其特征在于它含有：依次串接的内设有高压电子开关和输入共模电压抑制电路的四重化输入整流滤电路，输入端设有逆变开关器件开通电流上升速度抑制和关断过电压用箝位电路的集成门极换相晶体管(IGCT)串联运行式三电平电压源逆变电路以及输出三相LC滤波电路。上述输入整流滤波电路中输入隔离变压器副边每组绕组的输出电压相对参考电压的相位依次为0、15、30和45度，副边绕组的匝数比也有特殊的比值。它具有变压器原边6KV、输入功率因数为0.95，输入电流总谐波畸变率小于5%，过载130%立即保护等优点，另外，在额定负载下，变频调速装置的效率可大于96%。

Description

6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路

技术领域

一种6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路属于大容量、中高压异步电动机变频调速装置领域。

背景技术

目前在矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门广泛使用大容量、中高压风机、水泵、压缩机、搅拌机的异步电机系统中大多还采用恒速交流传动，而以挡板、阀门或空放回流等法来调节，浪费掉大量电能，而且约10％的高压厂用电动机的缺陷是由启动时的大电流及对绕组的过大电磁力直接引起的，定子绕组接头开焊、转子鼠笼断条等缺陷也都与直接启动有关。随着电网对机组深调峰，甚至两班制运行要求的提高，大型风机将经常运行在低负荷区并频繁起停，而采用变频调速电源可有效地减小起动冲击，延长电机寿命。

国内见诸报导的高压变频调速装置均采用基于1200～1800V IGBT(DIM800FSS门)器件的单元串联单相桥式主电路结构，其缺点是器件数量多，信号调制复杂，整体可靠差。三电平电压源逆变式主电路结构具有结构简单，单个功率器件承受电压低，等效开关频率高、输出谐波小等优点，而且采用高电压、大功率、快速的集成门极换相晶闸管(IGCT)来作为主要开关器件构成三电平电压源逆变器已成为高中压交流变频调速装置的主要发展方向。国外许多跨国公司已经推出高中压变频调速系统初期产品，但其主电路结构与参数等核心技术对外保密，未见请于公开发表的论文及相关专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种6KV异步电动机变速调频用的三电平电压源逆变式主电路的电路结构。

本发明的特征在于，它含有：四重化输入整流滤波电路，集成门极换相晶闸管(IGCT)串联运行式三电平电压源逆变电路和输出LC滤波电路；其中，所述的四重化输入整流滤波电路包含：原边接电网而副边为四组电压相等但相隔离的三相绕组的输入隔离变压器，输入端与上述变压器输出端相连而各整流桥的直流正负端相串接的三相二极管全桥整流电路以及整流输出端的两个滤波电容器；三电平电压源逆变电路包含：各由四组IGCT开关器件和二组二极管组成的三电平电压源逆变式桥接电路以及并接于每组开关器件和每组二极管上的均压电路；其中，所述输入隔离变压器副边每组绕组的输出电压相对于参考电压的相位依次为0度、15度、30度和45度，副边绕组的匝数比为：

A1∶a1＝3.43∶1，a1＝b1＝c1；A1∶a2＝7.26∶1，a2＝b2＝c2；

A1∶a3＝19.88∶1，a3＝b3＝c3；A1∶a4＝5.94∶1，a4＝b4＝c4；

A1∶a5＝7.26∶1，a5＝b5＝c5；A1∶a6＝19.88∶1，a6＝b6＝c6。

所述的均压电路由电阻串联式静态均压电路和阻容串联式动态均压电路相并联而成。所述的四重化输入整流滤波电路的正、负电压输出端分别连接到一个由两个各自并联着一个上述均压电路的IGCT串联而成的高压电子开关，上述开关的另一端分别连接到都与上述下部两个整流桥正端相连的两个滤波电容器的另一端。所述的四重化输入整流滤波电路的两个相串接的输出滤波电容和三电平电压源逆变电路间的正、负母线组上串接着一个由分别串接在正、负母线组上的阳极电抗、并联于上述阳极电抗上用阳极电阻和共同并联着一个均压电路的两个反向二极管串联组成的均压支路以及并接在上述均压支路中点之间且其另一端连在一起并接到上述四重化整流滤波电路下部两个整流桥正端的两个箝位电容三者共同构成的逆变开关器件IGCT开通电流上升速度抑制及关断过电压用的箝位电路。在所述的两个正、负高压电子开关和四重化输入滤波整流电路的两个输出滤波电容间串接着一个由共模电抗和电阻并联组成的输入共模电压抑制电路。所述的输出LC滤波电路是一个每相由电抗器和电容器串联而成的三相LC滤波电路。在所述的三电平电压源逆变式桥接电路中，每组开关器件或每组二极管分别由两个IGCT或两个二极管串接而成。

使用证明：它达到了预期目的。

附图说明

图1：交流输入隔离、四重化整流滤波电路原理图。

图2：采用IGCT串联运行的正弦波输出三电平电压源式逆变电路原理图。

图3：均压电路原理图。

具体实施方式

请见图1。隔离变压器TR副边输出四组三相绕组，原边输入线电压为6KV时，副边每绕组输出线电压为1750±10％优。每组绕组输出电压相对于参考电压的相位依次为0度、15度、30度、45度，可保证变压器原边的功率因数达到0.95，输入电流总谐波畸变率(THD)小于5％，整流后直流电压达到9KV～10KV，从而保证后级三电平逆变器输出线电压有效值能达到6KV。为达到以上要求，变压器副边绕组除需如图1所示接线外，其匝数比应满足上述条件。DA1～DA6、DB1～DB6、DC1～DC6、DD1～DD6分别构成4个三相全波整流桥H1～H4。H1输出与H2输出相串构成额定5000V直流输出(DC+与DC0)，H3输出与H4输出相串联构成额定5000V直流(DC0与DC-)。SA1、SA2、SB1、SB2均为4500V耐压的IGCT器件，SA1与SA2串联构成正母线过电流保护电子开关，SB1与SB2串联构成负母线过电流保护电子开关。SA1与SA2、SB1与SB2的阳阴极间均连接一个如图3所示均压电路以确保它们开通和关断时能均分总承受的直流电压。电阻RSTA、RSTB意在输入端合闸时去抑制电容C1、C2上的充电电流。为一共模电抗，它和电阻RG构成输入共模电压抑制电路，防止电容C1、C2上出现过高的共模电压。

在图2中，逆变开关器件SA11～SA42、SB11～SB42、SC11～SC42均为4500V耐压的IGCT。每相桥臂的8个IGCT器件各构成串联运行关系，共同承担开断时应承受的5KV直流高压。L3、L4分别为正、负母线阳级电抗，用于抑制挤臂IGCT开通时的电流上升速度di/dt，使其小于每只IGCT能承受的最大开通电流上升速度。RA+、C3、DA1+/DA2+以及RA-、C4、DA1-/DA2-分别构成桥臂正、负端电压箝位电路。二极管DA11/DA12、DA21/DA22、DB11/DB12、DB21/DB22、DC11/DC12、DC21/DC22各自构成串联运行关系，每只二极管为耐压4500V的快恢复二极管。LA/CA、LB/CB、LC/CC分别构成A、B、C三相输出电压滤波电路，使三相输出成为正弦波。上述各器件的型号各为IGCT为5SHX08F4502，二极管为5SDF03D4502。

在图3中，R1、R2构成静态均压电路，R3/C1、R4/C2构成IGCT或二极管关断时的动态均压电路。通过选择合适电阻电容参数可以保证IGCT或二极管的均压误差小于10％，从而保证它们能安全运行。

在额定输入电压为6KV(+5％、-10％)而频率为45Hz～55Hz下，额定输出功率为1000kw。输入侧功率因数当大于50％额定负载时为大于0.95，此时，输入侧电流谐波总畸变率为小于5％。在额定负载下，装置效率大于0.96。适用输出电压频率范围为(1～60)Hz。其过载能力：120％时为1分钟，130％时为立即保护。

Claims

1、6kV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路，含有三电平电压源逆变器，其特征在于它含有：

四重化输入整流滤波电路，它含有：

输入隔离变压器：它的原边接电网，副边为四组互相隔离的三相绕组，其中：

第一组三相绕组：各相分别由绕组a5与b6、b5与c6、c5与a6在同名端串接而成，而a5、b5、c5的非同名端相连，b6、c6、a6的非同名端为该组三相绕组的三个输出端；该组三相绕组的输出电压相对于参考电压的相位为+45度；

第二组三相绕组：各相分别由绕组a4、b4、c4构成，a4、b4、c4的非同名端相连，而它们的同名端为该三相绕组的三个输出端；该组三相绕组的输出电压相对于参考电压的相位为+30度；

第三组三相绕组：各相分别由绕组a2与c3、b2与a3、c2与b3在同名端串接而成，而a2、b2、c2的非同名端相连，c3、a3、b3的非同名端为该组三相绕组的三个输出端；该组三相绕组的输出电压相对于参考电压的相位为+15度；

第四组三相绕组：各相分别由绕组a1、b1、c1构成，绕组a1的非同名端与b1的同名端相连，绕组b1的非同名端与c1的同名端相连，绕组c1的非同名端与a1的同名端相连，b1的同名端、a1的同名端及c1的同名端构成该三相绕组的三个输出端，该三相绕组的输出电压相对于参考电压的相位为0度；

上述参考电压是指变压器原边A相和B相之间的线电压；

A1为隔离变压器原边A相绕组，上述原边和副边绕组的匝数之比为：

A1∶a1＝3.43∶1，a1＝b1＝c1；A1∶a2＝7.26∶1，a2＝b2＝c2；

A1∶a3＝19.88∶1，a3＝b3＝c3；A1∶a4＝5.94∶1，a4＝b4＝c4；

A1∶a5＝7.26∶1，a5＝b5＝c5；A1∶a6＝19.88∶1，a6＝b6＝c6。

三相二极管全桥整流滤波电路：它的上半部的两个整流桥是由输入端分别与第二组三相绕组、第一组三相绕组输出端相连的整流桥依次正向串接而成，它的下半部的两个整流桥是由输入端分别与第四组三相绕组、第三组三相绕组输出端相连的整流桥依次正向串接而成，其中每个整流桥是由三个二极管串联支路并联而成，每条支路的中点分别与相应的三相绕组输出端相连；所述上下两个半部的整流桥分别并接着一个输出滤波电容；

三电平电压源逆变电路，它含有：

三相桥臂，A相桥臂由SA11、SA12、SA21、SA22、SA31、SA32、SA41、SA42共8个简称为IGCT的集成门极换相晶闸管依次串接而成，A相桥臂分成上、下两个IGCT数目相等的部分，每部分又分成两组IGCT开关器件，每组IGCT开关器件由两个IGCT串接而成，在每个IGCT上反向并接一个反向续流二极管；B、C两相依此类推；

IGCT开关器件的均压电路ESA1-ESA4：从SA11、SA12这一组IGCT开关器件开始依次分别并接在A相四组IGCT开关器件上，而所述电路的中点与该组IGCT开关器件的中点分别相连；ESB1-ESB4、ESC1-ESC4依此类推；

快恢复二极管支路：A相支路依次分别由二极管DA11、DA12、DA21和DA22串接而成，DA11阴极接到SA21的阳极，DA22的阳极接到SA41的阳极，而该快恢复二极管支路的中点接到整流桥输出滤波电容器的中点；B、C两相依此类推；

快恢复二极管的均压电路：在A相，共二个，分别并接在依次串接的DA12和DA11、DA22和DA21两条快恢复二极管支路上，B、C两相依次类推。

2、根据权利要求1所述的6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变器，其特征在于：所述的IGCT开关器件的均压电路、快恢复二极管的均压电路都是由电阻串联式静态均压支路和组容串联式动态均压支路并联而成。

3、根据权利要求1所述的6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路，其特征在于：所述的上半部两个整流桥与相应的输出滤波电容之间串接着一个由两个IGCT正向串接而成的高压电子开关，该高压电子开关两端并接一个均压电路EA，而均压电路EA的中点与两个IGCT的串接点相连，同时在该高压电子开关两端并接着一个限流电阻RSTA；所述的下半部两个整流桥与相应的输出滤波电容之间串接着一个由两个IGCT反向串接而成的高压电子开关，该高压电子开关两端并接一个均压电路EB，而均压电路EB的中点与两个IGCT的串接点相连，同时在该高压电子开关两端并接着一个限流电阻RSTB；所述的均压电路EA、EB分别由电阻串联式静态均压支路和组容串联式动态均压支路并联而成。

4、根据权利要求1所述的6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路，其特征在于：在所述四重化输入整流滤波电路的两个输出滤波电容器和三电平电压源逆变电路的正、负母线组上分别串接着一个箝位电路，所述的箝位电路由阳极电抗、并接在阳极电抗上由电阻和电子开关串联而成的开关支路、并接在上述电子开关上的均压电路、一端接到电阻和电子开关的相接点而另一端接到整流桥输出滤波电容中点的箝位电容组成，所述的电子开关由两个二极管串接而成，在正母线组上，上述两个二极管反向串接，而在负母线组上，则是正向串接的；所述的均压电路是由电阻串联式静态均压支路和组容串联式动态均压支路并联而成。

5、根据权利要求1或3所述的6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路，其特征在于：在所述的两个正、负高压电子开关和四重化输入滤波整流电路的两个输出滤波电容间串接着一个由共模电抗和电阻并联组成的输入共模电压抑制电路。

6、根据权利要求1所述的6KV异步机变频调速装置的三电平电压源逆变式主电路，其特征在于：所述的输出LC滤波器是由一个每相由电抗器和电容器串联而成的三相LC滤波电路，三个L和C的连接点是三相输出端。