CN1983784A - 带接触器旁路功能的功率单元和高压变频器 - Google Patents

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本发明为一种功率单元的接触器旁路模块、带有该接触器旁路功能的功率单元和高压变频器。所述接触器旁路模块，包括：一路转换型接触器；续流二极管，用于所述一路转换型接触器的线圈内感性电流的续流；以及驱动电路，用于根据外部命令驱动所述一路转换型接触器，以旁路所述功率单元；其中，接触器的触点和线圈之间无需高压绝缘。根据本发明的技术方案，由于每个接触器的线圈采用了由对应的功率单元分布式供电，接触器的触点和线圈基本处于低压电位差，二者之间无需高压绝缘。每个接触器的控制和检测部分通过每个功率单元完成，利用功率单元原有的光纤和主控系统进行通信，大大提高可靠性，降低成本。

Description

带接触器旁路功能的功率单元和高压变频器
技术领域：
本发明涉及高压变频器领域，特别是公开一种带接触器旁路功能的功率单元和高压变频器，通过多个功率单元串联来实现高压输出的高压变频器的旁路功能。
背景技术：
美国专利4674024，5625545和中国机械工业出版社《通用变频器及其应用》第二版(ISBN7-111-04766-4/TP.598)第395页介绍了一种单元串联多电平PWM电压源型高压变频器(高压变频器一般输出电压等级为交流1kV-35kV，国外习惯称中压)。该结构的变频器采用若干个独立PWM变频功率单元串联的方式，以实现多电平高压输出，改善输出电压波形。变频器输入采用多副边的移相多重化隔离变压器，给每个功率单元分别供电的同时达到谐波抵消，改善输入电流波形，提高输入功率因数的目的。该变频器还可以通过控制系统将故障功率单元自动旁路，使变频器在一个或多个功率单元故障的情况下还能满载或降额运行，大大提高系统的可靠性。
现有高压变频器的功率单元旁路方式主要有以下二种，即采取可控硅等电力电子器件作为旁路开关的功率单元旁路技术和采取接触器为旁路开关的功率单元旁路技术。接触器功率单元旁路方式由于可靠性高，有明显隔离断开点等优点越来越得到认可。常规的接触器旁路方式采用旁路接触器线圈集中控制方式，存在以下缺点：接触器触点和线圈之间需要很高的绝缘耐压(相当于变频器主回路输出电压等级，如6kV)，需要使用特殊设计或者经过改装的接触器(比如在触点和推动线圈之间加入绝缘杆)，成本非常高，可靠性大大降低。
发明内容：
为了解决现有功率单元接触器旁路存在的要求高绝缘的特殊接触器等问题，本发明的目的是提供一种新的接触器旁路，能使用常规的接触器，不需要高压绝缘，具有可靠，或本低，制造标准化等优点。
为了达到本发明的目的，本发明提供了一种功率单元接触器旁路，包括线圈为直流供电的一路转换型(即包含一个常开触点和一个常闭触点)接触器，直流电源电路，接触器驱动电路，检测电路等，其特征在于：接触器的触点和线圈之间不需要高压绝缘；每个功率单元有独立的接触器控制电路，其电源分别取自每个功率单元，接触器控制电路具有接触器的驱动，旁路允许检测和旁路成功检测，接触器的控制信号和检测信号通过接触器控制电路传送给每个功率单元的控制板，最终由功率单元控制板通过光纤和变频器主控系统通信。
根据本发明的一种功率单元的接触器旁路模块包括：一路转换型接触器(电保持方式或磁保持方式)；驱动电路，用于根据外部命令驱动所述一路转换型接触器，以旁路所述功率单元；以及电源电路，用于为所述接触器旁路模块内的各电路提供低压直流电源，其输入取自每个功率单元的交流输入端；其中，接触器的触点和线圈之间无需高压绝缘。
另外，通常在接触器线圈反并联续流二极管，用于线圈内感性电流的续流。
根据本发明的一种功率单元包括：整流电路，用于将输入的交流电整流为脉动直流电；滤波电路，用于对整流电路输出的脉动直流电进行滤波；逆变桥电路，用于对滤波电路输出的直流电进行逆变，以输出可变压变频的交流电；接触器旁路模块，用于在功率单元故障时将其旁路；以及控制电路，用于对逆变桥电路和接触器旁路模块进行控制。
根据本发明的一种高压变频器包括多个串联连接的功率单元，其特征在于每一个功率单元都包括：整流电路，用于将输入的交流电整流为脉动直流电；滤波电路，用于对整流电路输出的脉动直流电进行滤波；逆变桥电路，用于对滤波电路输出的直流电进行逆变，以输出可变压变频的交流电；接触器旁路模块，用于在功率单元故障时将其旁路；以及控制电路，用于对逆变桥电路和接触器旁路模块进行控制。
根据本发明的技术方案，由于每个接触器的线圈采用了由对应的功率单元分布式供电，接触器的触点和线圈基本处于低压电位差(如600V等级)，二者之间不必采用额外线圈绝缘。每个接触器的控制和检测部分通过每个功率单元完成，利用功率单元原有的光纤和主控系统进行通信，大大提高可靠性，降低成本。
附图说明：
图1是单元串联多电平高压变频器的结构图；
图2是功率单元的结构，图中虚线部分为接触器功率单元旁路主电路结构；
图3是现有技术的接触器功率单元旁路方案的示意电路方框图；
图4是本发明的功率单元旁路方案的示意电路方框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是单元串联式高压变频器的拓扑结构，连接到高压变频器输入端的高压交流电经过输入变压器进行隔离和降压后形成的中间交流电分别供给各个功率单元。每个功率单元为交直交电压源型结构，输入为三相固定交流电，输出为单相变压变频的交流电。功率单元的输入分别连接到变压器副边，相邻功率单元的输出串联起来，形成变压变频的高压输出，供给高压交流电机。图中采用每相3个功率单元串联的方式为例，功率单元的串联个数和每个功率单元的最高输出电压决定整个变频器的最高输出电压。
图2是每个功率单元的结构，图中虚线部分为功率单元旁路接触器。功率单元的交流输入经过进线熔断器(过流保护用)后经过由二极管组成的整流桥(整流电路)后形成脉动直流电，由滤波电容组成的直流环节滤波电路对整流桥输出的脉动直流电进行滤波。直流环节的正、负母线之间的直流电压经过由自关断电力电子器件Q组成的逆变桥输出。每个自关断电力电子器件Q还反并联有一个续流二极管。通过对逆变桥的各自关断电力电子器件的控制端施加合适的控制信号，可以改变逆变桥输出的电压幅值和/或频率，从而可以输出各种合适的信号，通常是可变压变频的交流电。每个功率单元内部有单元控制板，并通过光纤和主控系统(未示出)进行通信。主控系统协调各单元的控制，接受来自单元的信息并给单元发送命令。当采用功率单元旁路功能时，功率单元输出额外增加如图虚线框所示的旁路接触器，用于将故障的功率单元进行自动旁路。正常工作时，接触器触点处于图2所示的上部位置(即常闭触点闭合，常开触点断开)，每个功率单元的输出都能被有效的串联起来，形成高压输出。当系统检测到功率单元故障时，先封锁对应功率单元中逆变器件的触发脉冲，适当延时后，将接触器动作，使其位置移动到下部位置(即常闭触点断开，常开触点闭合，与图中的状态刚好相反)。这样，该单元的输出和整个高压变频器主电路断开了，不在串联的单元之列，相当于将该故障功率单元切除了。功率单元输出端原来串联到高压变频器的位置被接触器的触点所短接。余下的功率单元继续工作，串联起来提供输出电压。根据需要，旁路接触器可以位于功率单元上，也可独立于功率单元设置，安装在变频器整机架构上。接触器通常采用一路转换型(也可用常开接触器和常闭接触器组合而成)，可以选取电保持方式或磁保持方式的接触器。
图3是现有的常规功率单元接触器旁路系统结构图。该图为旁路控制板控制1号功率单元旁路接触器的示意图，其余n-1个功率单元的接触器(2号至n号)只画了其线圈，以做示意。由一块集中的旁路控制板对所有功率单元的旁路接触器线圈进行控制。旁路控制板的电源取自外部控制电源或者输入变压器的其中一个副边。旁路控制板通过光纤等方式和主控系统直接通信，根据主控系统的旁路命令，给对应功率单元的接触器线圈施加电压，实现接触器的动作。由于所有n个功率单元的旁路接触器线圈都由同一旁路控制板控制。每个功率单元串联后会处于不同的电位(不同功率单元之间的最大电位相当于高压变频器的输出线电压)，而所有这些功率单元旁路接触器的线圈都由同一旁路控制板驱动，这些线圈基本处于同一电位。这就要求每个接触器的触点和线圈之间要求保证足够的高压绝缘，其绝缘水平相当于变频器的最高输出线电压，比如6kV。常规的接触器触点和线圈之间不可能达到如此高的耐压，所以需要采用特殊设计的接触器，或者对常规接触器进行改造，以满足耐压要求。这样一来，接触器的成本大大上升，可靠性也因此下降。而且由于所有单元的接触器都采用同一旁路控制板，当旁路控制板或其供电电源故障时，每个单元都丧失了旁路功能，导致系统可靠性下降。
图4是本发明的功率单元旁路结构。图中显示了一个功率单元的旁路原理图，每个功率单元的旁路电路都一样。
每个功率单元都有各自独立的旁路控制板，旁路控制板的电源由每个单元的交流输入(功率单元的主输入熔断器前))经过熔断器，AC/DC整流、降压和稳压(此环节可采用各种类型的DC/DC变换电路)后提供，电源输出包括接触器的工作电源(此处以+48V为例，实际应用中根据接触器的电压等级可以采用110V，24V等)和旁路控制板内部的控制电源，比如5V，根据电路设计，可能还需要+15V，-15V等。
接触器线圈的正端连接到+48V，另一端经过开关管(如MOSFET或IGBT)回到电源地(中间可串联采样电阻)。当功率单元需要旁路时候，主控系统通过光纤给单元控制板发送命令，单元控制板把命令传送给旁路控制板，旁路控制电路触发开关管导通，电流从+48V端经过接触器线圈，再经过开关管，回到电源地端，形成回路。这样等于给接触器线圈施加了工作电压，导致接触器动作。+48V和开关管之间的续流二极管相当于和接触器线圈反并联，用于开关管关断时候接触器线圈内感性电流的续流，此二极管根据需要也可直接安装在接触器的线圈上。
根据本发明的一个优选实施例，开关和电源地之间可以串入一采样电阻，用于检测接触器线圈流过的电流，将采样得到的电压和一参考电平进行比较(可以采用运算放大器，比较器或稳压管比较电路等)后输出信号，表示接触器线圈已经得电，用于表示旁路成功信号。
另外，根据需要，可以通过检测开关管上端的电位，和一参考电平进行比较(可以采用运算放大器，比较器或稳压管比较电路等)，得到旁路允许信号。当48V正常、接触器线圈正常，并且和旁路控制板连接正常时，开关管上端的电平基本等于48V，比较器输出对应的高电平信号，表示旁路功能正常，处于待命状态，根据需要随时可以进行旁路动作。反之，如果电源，线圈或者线圈和旁路控制板的连接有问题，比较器输出低电平信号，表示旁路功能失效。
旁路命令来自单元控制板，旁路允许和旁路确认信号可作为状态反馈信号，传送给单元控制板。
旁路确认信号的检测也可通过检测接触器辅助触点闭合状态的方法实现，检测结果更加直接，但是安装辅助触点会增加接触器的成本，同时降低可靠性。
此外，根据需要，旁路控制板可单独设置，也可和单元控制板组合成一个电路板。
除了上述通过功率单元交流输入对旁路控制板进行供电外，也可增加一路从功率单元直流母线供电来作为备份，从而实现冗余设计。同时，旁路板内的直流电源(如5V)也可同时供给单元控制板，作为单元控制板上电源的备份。
以上参照本发明的具体实施方式描述了本发明，但本领域的普通技术人员显然可以对具体实施方式作各种修改、变化和改进，但这些修改、变化和改进都应该属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种功率单元的接触器旁路模块，其特征在于接触器旁路模块包括：一路转换型接触器；驱动电路，用于根据外部命令驱动所述一路转换型接触器，以旁路所述功率单元；电源电路，用于为所述接触器旁路模块内的各电路提供低压直流电源，其输入取自每个功率单元的交流输入端；所述的一路转换型接触器的触点和线圈之间无需高压绝缘。
2.根据权利要求1所述的功率单元的接触器旁路模块，还包括：旁路成功检测电路，用于检测所述一路转换型接触器的线圈流过的电流，以表示旁路是否成功。
3.根据权利要求1所述的功率单元的接触器旁路模块，还包括：旁路允许检测电路，用于检测驱动电路的供电是否正常，以表示是否允许进行旁路动作。
4.根据权利要求1至3任一所述的功率单元的接触器旁路模块，其中所述驱动电路中的驱动部件为开关管，所述旁路成功检测电路和所述旁路允许检测电路为运算放大器、比较器或稳压管比较电路。
5.一种由权利要求1至4任一所组成的带接触器旁路功能的功率单元，功率单元包括：整流电路，用于将输入的交流电整流为脉动直流电；滤波电路，用于对整流电路输出的脉动直流电进行滤波；逆变桥电路，用于对滤波电路输出的直流电进行逆变，以输出可变压变频的交流电，其特征在于功率单元还包括：接触器旁路模块，用于在功率单元故障时将其旁路；控制电路，用于对逆变桥电路和接触器旁路模块进行控制。
6.根据权利要求5所述的功率单元，其中所述接触器旁路模块包括：一路转换型接触器；驱动电路，用于根据外部命令驱动所述一路转换型接触器，以旁路所述功率单元；电源电路，用于为所述接触器旁路模块内的各电路提供低压直流电源，其输入取自每个功率单元的交流输入端；所述的一路转换型接触器的触点和线圈之间无需高压绝缘。
7.根据权利要求6所述的功率单元，其中所述接触器旁路模块还包括：旁路成功检测电路，用于检测所述一路转换型接触器的线圈流过的电流，以表示旁路是否成功。
8.根据权利要求6所述的功率单元，其中所述接触器旁路模块还包括：旁路允许检测电路，用于检测驱动电路的供电是否正常，以表示是否允许进行旁路动作。
9.根据权利要求6至8任一所述的功率单元，其中所述驱动电路中的驱动部件为开关管，所述旁路成功检测电路和所述旁路允许检测电路为运算放大器、比较器或稳压管比较电路。
10.一种由权利要求5至9任一带接触器旁路功能的功率单元组成的高压变频器，包括多个串联连接的功率单元，每一个功率单元包括：整流电路，用于将输入的交流电整流为脉动直流电；滤波电路，用于对整流电路输出的脉动直流电进行滤波；逆变桥电路，用于对滤波电路输出的直流电进行逆变，以输出可变压变频的交流电；其特征在于每一个功率单元还包括：接触器旁路模块，用于在功率单元故障时将其旁路；控制电路，用于对逆变桥电路和接触器旁路模块进行控制。
11.根据权利要求10所述的高压变频器，其中所述接触器旁路模块包括：一路转换型接触器；驱动电路，用于根据外部命令驱动所述一路转换型接触器，以旁路所述功率单元；电源电路，用于为所述接触器旁路模块内的各电路提供低压直流电源，其输入取自每个功率单元的交流输入端；所述的一路转换型接触器的触点和线圈之间无需高压绝缘。
12.根据权利要求11所述的高压变频器，其中所述接触器旁路模块还包括：旁路成功检测电路，用于检测所述一路转换型接触器的线圈流过的电流，以表示旁路是否成功。
13.根据权利要求11所述的高压变频器，其中所述接触器旁路模块还包括：旁路允许检测电路，用于检测驱动电路的供电是否正常，以表示是否允许进行旁路动作。
14.根据权利要求11至13任一所述的高压变频器，其中所述驱动电路中的驱动部件为开关管，所述旁路成功检测电路和所述旁路允许检测电路为运算放大器、比较器或稳压管比较电路。
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