CN201332382Y - 背靠背式单元串联多电平结构高压变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，其特征在于，其三相输入侧分别经由第一电抗器e_a、第二电抗器e_b和第三电抗器e_c连接至少五个串联的功率单元，三相中每相第一个功率单元连接在一起、最后一个功率单元连接在一起，三相中每相最后一个功率单元连接电动机。本实用新型的优点是省去了输入侧的移相变压器，可以实现四象限运行，节省了成本以及装置体积，减少了有色金属的消耗。

Description

背靠背式单元串联多电平结构高压变频器

技术领域

本实用新型涉及一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，属于高压变频器技术领域。

背景技术

交流变频调速器在生产和生活中的许多领域中得到了广泛应用，但是国内外所提供的变频调速器产品中相对而言比较成熟的是低电压产品，他们满足不了高电压负载的要求，而高压电机所需要的高电压变频器至今还没有特别成熟的产品。

单元串联结构的高压变频器是现在众多高压变频主回路方案中最有优势的一种，单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出。其输出通常采用多电平移相式脉冲宽度调制(PWM)技术，以实现较低的输出电压谐波，较小的电压上升率(du/dt)和共模电压。输入通常采用多重化移相变压器，通过移相变压器将输入侧的高压转换为低电压分配给各功率单元，以此来达到减少输入侧谐波的目的。

如图1所示，为现有的单元串联多电平高压变频器电气结构图，输入侧的移相变压器多采用星角(Yd)联结，即一次侧为星形(Y)联结，二次侧为三角形(d)联结，这样做的好处就是二次侧的三次(以及三的倍数次)谐波电压相互抵消，不会在二次绕组中形成电流，这样也就不会耦合到变压器的一次侧，从而降低了对网侧的谐波干扰。通常称这种技术为多重化整流技术，为了实现多重化整流，需在高压变频器输入侧变压器二次侧进行移相，采用的是延边三角形移相技术。

使用移相变压器解决了输入侧谐波以及电压分配问题，但移相变压器沉重昂贵，消耗大量有色金属，造成资源浪费。通常一台装置中移相变压器所占的成本达到30％-40％左右。另外，由于市场上现有的单元串联多电平高压变频器多采用移相变压器带二极管整流，能量无法双向流动，变频器无法四象限运行，且功率因数不可控。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种无移相变压器、可四象限运行的背靠背式单元串联多电平结构高压变频器。

为了实现以上目的，本实用新型的技术方案是提供一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，其特征在于，其三相输入侧分别经由第一电抗器e_a、第二电抗器e_b和第三电抗器e_c连接至少五个串联的功率单元，三相中每相第一个功率单元连接在一起、最后一个功率单元连接在一起，三相中每相最后一个功率单元连接电动机。

进一步地，所述的三相中每个功率单元优选由第一H桥电路、直流环节和第二H桥电路依次串联组成，其中，第一H桥电路和第二H桥电路分别由4个绝缘栅双极晶体管以H桥的结构形式构成。

所述的直流环节优选由第一电容器、第三H桥电路、高频隔离变压器、第四H桥电路和第二电容器依次串联组成，其中，第三H桥电路和第四H桥电路分别由4个绝缘栅双极晶体管以H桥的结构形式构成。

本实用新型与传统单元串联多电平变频器相比较省去了输入侧的移相变压器，将输入直接串联接入高压，并且输入侧的功率器件选择了可控的绝缘栅双极晶体管，可以实现四象限运行。移相变压器的消除带来的高压隔离问题由直流环节来进行处理。本实用新型中所提及的直流环节是由功率器件绝缘栅双极晶体管以及高频隔离变压器以及电容器所组成，大大节省了成本以及装置体积，减少了有色金属的消耗。

附图说明

图1为现有的单元串联多电平高压变频器电气结构图；

图2为背靠背式单元串联多电平结构高压变频器总体电气结构图；

图3为背靠背式单元串联多电平结构高压变频器功率单元电气结构图；

图4为直流环节电气结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例

如图2所示，为背靠背式单元串联多电平结构高压变频器的电气结构图，输入侧为电网，输出侧接负载电动机。三相输入分别接入第一电抗器e_a、第二电抗器e _b和第三电抗器e_c，作用是隔离电网电动势与变频器交流侧电压、滤出部分谐波电流以及使系统获得一定的阻尼特性，有利于控制系统的稳定运行。电抗器的设计原则是要满足两个设计指标，一是满足瞬态电流跟踪指标，二是要满足功率要求，两个指标分别确定所选电抗器电感量的上限值和下限值。第一电抗器e_a、第二电抗器e _b和第三电抗器e_c分别连接第一功率单元、第六功率单元和第十一功率单元，第一至第五、第六至第十、第十一至第十五功率单元分别串联，由每个功率单元平均分配输入侧以及输出侧的电压，以使耐压低的绝缘栅双极晶体管组成的电路能够承受高压。串联的功率单元共同承受大小相同的输入电压并输出相同的电压，每相最后一个功率单元连接构成一个浮地的中性点N。

如图3所示，为背靠背式单元串联多电平结构高压变频器功率单元电气结构图，输入和输出由第一和第二H桥电路组成背靠背结构。当功率正向流动时(由电网方向向电动机方向)，输入侧H桥采用PWM整流控制策略，即控制4个绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关时刻，使输入侧两点的电压满足控制给定值。该电压给定值包含两个主要信息：大小和相位，相位给定的目的是使输入侧的电流与电压保持同相位，也即使输入侧功率因数为1。电压大小给定值的目的是控制输入侧H桥电路后连接的直流环节电压的大小，直流环节电压过高会使绝缘栅双极晶体管(IGBT)过压损坏，过低会不能满足输出电压的要求。输出侧H桥在功率正向流动时采用载波移相的正弦波调制方式输出控制信号给4个绝缘栅双极晶体管，这样可以减少电动机上的共模电压以及输出谐波含量。当变频器工作在能量回馈状态，也即功率反相流动(由电动机向电网方向)时，上述两个H桥电路的控制方式互换，这样在控制策略上两个H桥电路对称互补，体现了背靠背结构的特点。另外，由于是PWM整流控制策略，可以减少输入侧波形的谐波含量。当工作在变频器第四象限工作区间时作为逆变工况，此时即能量回馈运行方式。对H桥电路采用的控制方式是载波移相控制，这样可以减少共模电压以及谐波含量。

如图4所示，为直流环节电气结构图，由8个绝缘栅双极晶体管、两个电容器以及一个高频隔离变压器组成，其中每4个绝缘栅双极晶体管组成一个H桥结构，两个H桥电路通过高频隔离变压器连接，输入输出端通过电容器分别与功率单元的输入和输出侧连接。输入侧H桥电路将输入的直流转换成为高频正弦波，然后高频正弦波电压经过高频隔离变压器到输出侧H桥电路，经H桥电路整流完成直直变换功能，作用是隔离高压。本实用新型的背靠背式单元串联多电平结构高压变频器省去了沉重昂贵的移相变压器，这样带来了输入侧的高压隔离问题。这个问题通过直流环节中的高频隔离变压器来解决，由于高频变压器的频率级别在千赫兹，所以体积重量以及价格远远低于低频变压器。两个H桥电路的作用是将直流电压变为高频的交流脉冲信号以便于高频变压器的能量传递。因此对其控制方式是：输入侧采用正弦波调制控制策略，输出侧不对绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制，仅利用其反向二极管构成的整流电路。

Claims (3)

1.一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，其特征在于，其三相输入侧分别经由第一电抗器e_a、第二电抗器e_b和第三电抗器e_c连接至少五个串联的功率单元，三相中每相第一个功率单元连接在一起、最后一个功率单元连接在一起，三相中每相最后一个功率单元连接电动机。

2.如权利要求1所述的一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，其特征在于，所述的三相中每个功率单元由第一H桥电路、直流环节和第二H桥电路依次串联组成，其中，第一H桥电路和第二H桥电路分别由4个绝缘栅双极晶体管以H桥的结构形式构成。

3.如权利要求2所述的一种背靠背式单元串联多电平结构高压变频器，其特征在于，所述的直流环节由第一电容器、第三H桥电路、高频隔离变压器、第四H桥电路和第二电容器依次串联组成，其中，第三H桥电路和第四H桥电路分别由4个绝缘栅双极晶体管以H桥的结构形式构成。

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