CN1464627A - 混合五电平高压变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4500V及以上耐压的IGCT或IGBT器件的混合型五电平高压变频器，该变频器的主电路输入采用五重化整流技术，使交流输入侧功率因数高达0.95以上；主电路中逆变器部分为三电平和两电平逆变桥的混合连接，所使用的功率器件少，并避免了以往高压变频器中IGCT或IGBT器件的直接串联运行。这种高压变频器可广泛应用于6kV/10kV1000kW－6000kW系列高压变频调速装置中，为高压大容量异步电动机的变频调速装置提供能量变换电路。

Description

混合五电平高压变频器

技术领域：

本发明涉及一种变频器，特指一种混合五电平高压变频器。

技术背景：

随着电力电子技术的发展，采用电力半导体器件构成的变频调速装置已得到广泛的应用，用它来控制交流电动机的运转，可有效减少电动机的起动冲击，提高电动机的寿命。但变频调速器发展至今仍主要应用于中、小容量和低压电机上，而在矿山、治金、化工。古油、建材等工业部门大量使用的大功率、高压电动机中，仍然大量采用恒速交流传动，其流量调节是而采用以挡板或动叶的节流调节方式，造成大量节流损失，风机及电动机运行在低效率工作区，能源浪费严重。

目前，高压变频调速器主要有两种：

1、“高、低、高”变频调速系统，先将高压降成较低电压，变频后再用升压变压器升压，这种调速系统存在体积大、成本高、结构复杂、对电网污染大的缺点。

2、采用GTO或SCR器件，其变频调速器的主电路有两种结构形式：一种是采用单元串联单相桥式逆变电路，这种结构由于使用的IGBT器件数量多而使得信号调制复杂，系统的整体可靠性差；另一种是采用二极管钳位三电平逆变电路，由于高压IGCT和IGBT器件的最高耐压只有6500V，当逆变器输出电压达到6KV时，需要将IGCT或IGBT器件直接串联运行，这样增加了系统的成本，降低了系统的可靠性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种功率器件数目少、功率器件不需直接串联运行、功率因素高的混合五电平高压变频器。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

本发明包括主电路、控制电路，所述主电路包括主变压器、整流电路、过电流保护电路、过电压钳位电路、逆变输出、滤波电路，主变压器的次级有五组输出绕组，次级绕组输出线电压相对于原边绕组线电压的相位依次为0度、20度、30度、40度、60度，且各绕组满足以下条件：A1＝B1＝C1，a1＝b1＝c1＝a7＝b7＝c7，a2＝b2＝c2，A3＝b3＝c3＝a5＝b5＝c5，a4＝b4＝c4＝a6＝b6＝c6，A1∶a1＝3.41∶1，A1∶a2＝5.906∶1，A1∶a3＝9.81∶1，A1：a4＝8.635∶1；其中与原边绕组相位相差20度、40度、60度的输出绕组分别依次接有整流电路、过电流保护电路、直流滤波电路、过电压钳位电路、单相电压型逆变电路；其中与原边绕组相位相差0度、30度的输出绕组分别经整流电路、过电流保护电路、过电压钳位电路后与二极管钳位三电平电压型逆变桥相接，二极管钳位三电平电压型逆变桥与三个单相电压型逆变桥的输出串接，每个单相电压型逆变桥的一个交流输出端分别连接到二极管钳位三电平电压型逆变桥的一个交流输出端，另一个交流输出端经LC滤波电路输出。

上述的过电压钳位电路各由一个电抗、一个电阻、一个二极管、一个电容组成，电抗串接于整流正输出端与逆变电路的输入端之间，电阻与二极管串接后与电抗并联，二极管正极接逆变电路的输入端，电容一端接整流输出负电源端，另一端与二极管、电阻相接。

本发明具有的优点：

1)、使用的功率器件少，降低了系统的成本，提高了系统的可靠性。

2)、主电路中采用三个单相逆变桥与二极管钳位三电平电压型逆变桥的串联联接，避免了以往高压大功率变频器大功率器件的直接串联运行，提高了系统的稳定性。

3)、输入采用五重化整流技术，使输入功率因数达到0.95以上。

下面结合附图详细说明本发明的结构及工作原理。

附图说明：

图1为交流输入隔离、整流、滤波电路图。

图2为采用IGCT的正弦波输出的五电平电压型逆变电路图。

图3为二极管钳位三电平电压型逆变桥A相桥臂开关管门极驱动电压波形。

图4为单相逆变桥A相桥臂开关管门极驱动电压波形。

具体实施方式：

参见附图1，隔离变压器TR副边输出五组三相绕组，原边输入线电压为6KV，副边每组绕组输出电压为1760V，且如图所示，每组绕组输出线电压相对于原边绕组线电压的相位依次为0度、20度、30度、40度、60度。这样可以保证变压器原边输入功率因数达到0.95以上，输入电流总谐波畸变率小于5％。整流后每组直流电压源的电压达到2500V，从而保证后五级电平逆变器输出线电压有效值能达到6KV，为了达到以上要求，变压器副边绕组匝数比还应满足以下条件：

A1＝B1＝C1，a1＝b1＝c1＝a7＝b7＝c7，a2＝b2＝c2，

A3＝b3＝c3＝a5＝b5＝c5，a4＝b4＝c4＝a6＝b6＝c6，

A1∶a1＝3.41∶1，A1∶a2＝5.906∶1，

A1∶a3＝9.81∶1，A1∶a4＝8.635∶1。

BR1、BR2、BRA、BRB、BRC分别为三相全波整流桥。S1、S2、SA、SB、SC均为4500V耐压的IGCT器件，构成过电流保护电子开关，在后级逆变电路发生过电流故障时迅速关断，保护主电路器件的安全，RST1、RST2、RSTA、RSTB、RSTC分别起到在输入合闸时抑制电容E1、E2、EA、EB、EC的充电电流的作用。

参见图2，采用IGCT的正弦波输出的五电平电压型逆变电路中，每一相的逆变输出分别由三相二极管钳位三电平电压型逆变桥的一相输出与一个单相电压型逆变桥的输出串联而得到，其中的单相电压型逆变桥由四只IGCT或IGBT器件组成，电路连接是一个标准的两电平单相电压型逆变桥连接。U、C、W是逆变器输出三相交流电压端，供负载电机使用，直流母线DC+/DC0/DC-、DCA+/DCA-、DCB+/DCB-、DCC+/DCC-分别来自图1的直流电压源，每组的额定直流电压均为2500V，逆变所用功率开关器件SA1-SA4、SB1-SB4、SC1-SC4、SAL1-SAR2、SBL1-SBR2、SCL1-SCR2均为4500V耐压的IGCT。SA1-SA4、SB1-SB4、SC1-SC4及DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2构成二极管钳位三电平电压型逆变桥，其电路连接是一个标准的二极管钳位三电平电压型逆变桥，SAL1-SAR2、SBL1-SBR2、SCL1-SCR2分别构成三个单相逆变桥，电抗LA+、LA-、LAA、LBA、LCA为阳极电抗，用于抑制桥臂IGCT开通的电流上升速度。DA+/CA+/RA+、DA-/CA-/RA-、DAA/CAA/RAA、DBA/CBA/RBA、DCA/CCA/RCA分别构成各个桥臂IGCT的过电压钳位电路。LA/CA、LB/CB、LC/CC分别构成A、B、C相输出电压滤波电路，使三相输出电压接近正弦波。

为了保证逆变器输出电压，满足异步电动机对供电电源的要求，对使用IGCT器件的五电平电压型逆变电路都采用特定谐波消除PWM算法所得到的脉冲进行调制，且二极管钳位三电平电压型逆变桥的驱动脉冲相位与三个单相电压型逆变桥的驱动脉冲相位相差一个角度，从而形成五个电平的三相输出电压，保证输出电压的正弦度。图3中给出了二极管钳位三电平电压型逆变桥A相桥臂各个开关管的门极驱动脉冲波形，图4给出了单相逆变桥A相各个开关管的门极驱动脉冲波形。图4中各个开关管门极驱动脉冲相位比图3中对应的开关管门极驱动脉冲相位分别滞后一个特定的角度，以达到消除A相输出电压中特定次数谐波的目的。B相各个开关管门极驱动脉冲相位比A相中对应的各开关管门极驱动脉冲相位分别滞后120度，C相各个开关管门极驱动脉冲相位比B相中对应的各开关管门极驱动脉冲相位分别滞后120度。

Claims (2)

1、一种混合五电平高压变频器，包括主电路、控制电路，所述主电路包括主变压器、整流电路、过电流保护电路、关断过电压钳位电路、逆变输出、滤波电路，其特征在于：所述主变压器的次级有五组输出绕组，次级绕组输出线电压相对于原边绕组线电压的相位依次为0度、20度、30度、40度、60度，且各绕组满足以下条件：A1＝B1＝C1，a1＝b1＝c1＝a7＝b7＝c7，a2＝b2＝c2，A3＝b3＝c3＝a5＝b5＝c5，a4＝b4＝c4＝a6＝b6＝c6，A1∶a1＝3.41∶1，A1∶a2＝5.906∶1，A1∶a3＝9.81∶1，A1∶a4＝8.635∶1；其中与原边绕组相位相差20度、40度、60度的输出绕组分别依次接有整流电路、过电流保护电路、直流滤波电路、过电压钳位电路、单相电压型逆变电路；其中与原边绕组相位相差0度、30度的输出绕组分别经整流电路、过电流保护电路、直流滤波电路、过电压钳位电路后与二极管钳位三电平电压型逆变桥相接，二极管钳位三电平电压型逆变桥与三个单相电压型逆变桥的输出串接，每个单相电压型逆变桥的一个交流输出端分别连接到二极管钳位三电平电压型逆变桥的一个交流输出端，另一个交流输出端经LC滤波电路输出。

2、根据权利要求1所述的混合五电平高压变频器，其特征在于：过电压钳位电路各由一个电抗、一个电阻、一个二极管、一个电容组成，电抗串接于整流正输出端与逆变电路的输入端之间，电阻与二极管串接后与电抗并联，二极管正极接逆变电路的输入端，电容一端接整流输出负电源端，另一端与二极管、电阻相接。

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