CN203813691U - 逆变桥电路和异步电动机串级调速装置 - Google Patents

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张晓东
史辉
谢胜利
李明星
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Abstract

本实用新型提供了一种逆变桥电路和异步电动机串级调速装置，用于对内反馈电动机进行串级调速。在该逆变桥电路中，三个上桥臂和三个下桥臂中的每一个桥臂包括串联连接的IGBT和逆阻二极管以及并联连接在IGBT的集电极和发射极之间的续流二极管。该异步电动机串级调速装置包括：整流器和上述逆变桥电路。通过采用可关断器件IGBT和大功率二极管组成的逆变桥代替传统晶闸管逆变桥，在保持串级调速系统优点的基础上，利用IGBT的可控性等特点，增强调速系统逆变桥各相之间换流的稳定性，避免“逆变颠覆”现象的产生，同时进一步提升调速系统的功率因数，改善网侧交流电流的波形，减小电流谐波污染。

Description

逆变桥电路和异步电动机串级调速装置
技术领域
本实用新型涉及异步电动机串级调速装置及其逆变桥电路。
背景技术
串级调速技术是在上世纪60-80年代兴起的一种较为经典的电动机调速方式。
如图1所示，在绕线式电动机10的转子侧连接一个整流逆变装置(即串级调速装置，包括整流器20、电感器L1和由晶闸管VT1～VT6构成的逆变桥)，然后在通过变压器30，把电动机运行过程中产生的转差功率通过串级调速装置反馈到电网中，实现电动机调速和节能的目的。传统串级调速装置采用晶闸管组成逆变桥(如图1所示)，通过控制晶闸管VT1～VT6的逆变角来改变逆变桥直流侧的电压，进而改变电动机的转子电流，以达到调节电动机转速的目的。
这一时期的调速技术存在的问题是：晶闸管属于半控器件，关断时需要足够大的反向偏压才能使其彻底关断，因此在换流过程中，容易出现“逆变颠覆”现象，导致换流失败；又由于其采用改变晶闸管逆变角来进行转速的控制，在低速时会使调速系统功率因数急剧下降，严重影响电网电能质量，调速范围受到限制。
上世纪90年代，由于在高压大容量电动机的调速方面，变频调速存在控制难度高、投资成本大等缺陷，工程师们又开始重新考虑研究串级调速技术，提出采用内反馈电动机进行串级调速控制，省去了庞大的逆变变压器，使得调速系统结构大大简化；随着串级调速系统直流回路斩波控制方式的提出(使晶闸管逆变角固定在最小角，通过控制斩空比来控制直流回路电压)，使串级调速系统与传统可控硅移相控制相比，功率因数得到大大提高，在高压大容量电动机调速方面展现出良好节能效果，这种调速也称之为现代串级调速技术，如图2所示。
图2中，内反馈电动机210从外部电源接收电力。串级调速系统与其相连接。内反馈电动机210的定子中有两套绕组，其中一套绕组是定子绕组，用来连接电源；另一套绕组是反馈绕组，用来连接逆变桥，达到反馈能量的目的。
串级调速系统包括整流器220，连接到内反馈电动机的转子侧线圈，用于将来自转子侧线圈的交流电流转换为直流电流。
晶闸管VT1～VT6构成的逆变桥电路的两个输入节点分别连接到整流器的正负两个输出端，逆变桥电路的三个输出节点分别连接到内反馈电动机的定子中的反馈绕组侧。
第一电感器L1的第一端连接到整流器220的正输出端。
二极管D的正极连接到第一电感器L1的第二端。
第二电感器L2的第一端连接到二极管D的负极，第二电感器L2的第二端连接到逆变桥电路的第一输入节点。
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关240的集电极连接到第一电感器L1的第二端和二极管D的正极，其发射极连接到整流器220的负输出端。
电容器C并联在逆变桥电路的第一输入节点和第二输入节点之间。
然而，无论是传统串级调速技术还是现代串级调速技术，仍旧采用晶闸管逆变桥。由于晶闸管属于半控器件，要有足够高的反向偏压才能够彻底关断，因此在换流过程中依然存在“逆变颠覆”和电流严重畸变等现象。即便是现代串级调速系统采用斩波控制技术，为了能使换流更稳定，仍然要留有较大的逆变裕量(即设定最小逆变角，通常逆变角为30°)，从根本上限制了调速系统功率因素的提高。
实用新型内容
针对以上晶闸管可控硅串级调速系统中存在的问题，本实用新型提出采用可关断器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和大功率二极管组成的逆变桥代替传统晶闸管逆变桥，在保持串级调速系统优点的基础上，利用IGBT的可控性等特点，增强调速系统逆变桥各相之间换流的稳定性，避免“逆变颠覆”现象的产生，同时进一步提升调速系统的功率因数，改善网侧交流电流的波形，减小电流谐波污染。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种逆变桥电路，包括：第一输入节点和第二输入节点；三个输出节点；三个上桥臂，分别连接在第一输入节点和三个输出节点之间；三个下桥臂，分别连接在三个输出节点和第二输入节点之间，三个上桥臂和三个下桥臂中的每一个桥臂包括串联连接的IGBT和逆阻二极管以及并联连接在IGBT的集电极和发射极之间的续流二极管。
优选地，在每个上桥臂中，IGBT的集电极和逆阻二极管的正极直接或间接连接到第一输入节点；并且在每个下桥臂中，IGBT的发射极和逆阻二极管的负极直接或间接连接到第二输入节点。
优选地，在每个上桥臂中，逆阻二极管的正极连接到第一输入节点，IGBT的集电极连接到逆阻二极管的负极，IGBT的发射极连接到相应的输出节点；并且在每个下桥臂中，逆阻二极管的负极连接到第二输入节点，IGBT的发射极连接到逆阻二极管的正极，IGBT的集电极连接到相应的输出节点。
优选地，续流二极管的正极连接到IGBT的发射极；并且续流二极管的负极连接到IGBT的集电极。
优选地，每一个桥臂中的IGBT的控制极用来接收控制信号；并且IGBT根据控制信号而导通或关断。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种异步电动机串级调速装置，用于对内反馈电动机进行串级调速。该异步电动机串级调速装置包括：整流器，连接到内反馈电动机的转子侧线圈，用于将来自转子侧线圈的交流电流转换为直流电流；根据本实用新型的逆变桥电路，逆变桥电路的第一输入节点连接到整流器的正输出端，逆变桥电路的第二输入节点连接到整流器的负输出端，逆变桥电路的三个输出节点分别连接到内反馈电动机的定子中的反馈绕组侧。
优选地，该异步电动机串级调速装置还包括：第一电感器，其第一端连接到整流器的正输出端；二极管，其正极连接到第一电感器的第二端；第二电感器，其第一端连接到二极管的负极，其第二端连接到逆变桥电路的第一输入节点；IGBT开关，其集电极连接到第一电感器的第二端和二极管的正极，其发射极连接到整流器的负输出端；以及电容器，并联在逆变桥电路的第一输入节点和第二输入节点之间。
优选地，逆变器电路的逆变角可以被设置为小于或等于5°。
优选地，逆变器电路的逆变角可以被设置为大约2°。
附图说明
下面参考附图描述本实用新型的具体实施方式
图1是传统串级调速系统结构图；
图2是现代串级调速系统结构图；
图3是根据本实用新型的新型IGBT逆变桥；
图4是基于根据本实用新型的IGBT逆变器的内反馈串级调速装置的结构图。
具体实施方式
图3所示为根据本实用新型的新型IGBT逆变桥的拓扑结构，与传统的晶闸管逆变桥不同的是，该拓扑结构中采用IGBT和大功率二极管构成逆变桥。图中与IGBT VT1～VT6并联的二极管VD1～VD6为续流二极管，主要作用是保护IGBT免受反向电压的损坏。与IGBT串联的二极管VD7～VD12称为逆阻二极管，其作用是防止在换流过程中导通桥臂与关断桥臂上的续流二极管发生短路现象，避免产生很大的冲击电流而造成设备的损坏。
如图3所示，根据本实用新型的逆变桥电路具有两个输入节点，第一输入节点(P)和第二输入节点(N)；三个输出节点a、b、c，分别连接到内反馈电动机的定子中的反馈绕组线圈(分别用电感器La、Lb、Lc和电压ea、eb、ec表示，电流ik(k＝a,b,c)在分别在线圈中流动，中心点电压为零)，输出节点a、b、c处的电压可以分别记为ua、ub、uc。
三个上桥臂，分别连接在第一输入节点P和三个输出节点a、b、c之间。
三个下桥臂，分别连接在三个输出节点a、b、c和第二输入节点N之间，
三个上桥臂和三个下桥臂中的每一个桥臂包括串联连接的IGBT VT1～VT6和逆阻二极管VD7～VD12，还包括并联连接在IGBTVT1～VT6的集电极和发射极之间的续流二极管VD1～VD6。
在每个上桥臂中，IGBT VT1～VT6的集电极和逆阻二极管VD7～VD12的正极直接或间接连接到第一输入节点P。并且在每个下桥臂中，IGBT VT1～VT6的发射极和逆阻二极管VD7～VD12的负极直接或间接连接到第二输入节点。
作为一种具体的实施例，在每个上桥臂中，逆阻二极管VD7～VD12的正极连接到第一输入节点，IGBT VT1～VT6的集电极连接到逆阻二极管VD7～VD12的负极，IGBT VT1～VT6的发射极连接到相应的输出节点。并且在每个下桥臂中，逆阻二极管VD7～VD12的负极连接到第二输入节点，IGBT VT1～VT6的发射极连接到逆阻二极管VD7～VD12的正极，IGBT VT1～VT6的集电极连接到相应的输出节点。
逆阻二极管VD7～VD12可以是大功率二极管。
续流二极管VD1～VD6的正极分别连接到IGBT VT1～VT6的发射极。并且续流二极管VD1～VD6的负极分别连接到IGBT VT1～VT6的集电极。
每一个桥臂中的IGBT VT1～VT6的控制极用来接收控制信号。IGBT VT1～VT6根据控制信号而导通或关断。
图3中还示出了跨接在第一输入节点P和第二输入节点N之间的电容器C，其两端电压可以记为Ud。
逆变桥的控制策略可以采用120°移相控制，即IGBT按照导通顺序分别导通120°，各个元器件之间的换流顺序如表1所示。
表1逆变器导通顺序表
图4示出了根据本实用新型的异步电动机串级调速装置，其使用了图3所示的逆变桥，用于对内反馈电动机进行串级调速。
内反馈电动机410的定子中有两套绕组，其中一套绕组是定子绕组，用来连接电源；另一套绕组是反馈绕组，用来连接逆变桥，达到反馈能量的目的。
如图4所示，在根据本实用新型的异步电动机串级调速装置中，整流器420连接到内反馈电动机410的转子侧线圈，用于将来自转子侧线圈的交流电流转换为直流电流。
如图3所示的逆变桥电路(图4中点划线所包围的部分)的第一输入节点连接到整流器420的正输出端，逆变桥电路的第二输入节点连接到整流器420的负输出端，逆变桥电路的三个输出节点分别连接到内反馈电动机410的定子中的反馈绕组侧。
整流器420和逆变桥电路是串级调速装置的整流逆变功能的核心部分。
另外，如图4所示，根据本实用新型的异步电动机串级调速装置还可以包括一些其它元件。
第一电感器L1的第一端连接到整流器420的正输出端。
二极管D的正极连接到第一电感器L1的第二端。
第二电感器L2的第一端连接到二极管D的负极，第二端连接到逆变桥电路的第一输入节点。
IGBT开关440的集电极连接到第一电感器L1的第二端和二极管D的正极，发射极连接到整流器420的负输出端。
电容器D(图3中也已示出)，并联在逆变桥电路的第一输入节点和第二输入节点之间。
根据本实用新型的异步电动机串级调速装置的工作原理为：将IGBT逆变角固定，该逆变装置可以将逆变角设置的足够小，例如可以设置为小于或等于5°(理论上该逆变角可以接近为0°，但是考虑到换向裕量角，实践中优选为大约2°)，因此逆变器侧的功率因数得到了很大的提高(功率因数即为cosβ，β为逆变角)，减少了来自电网的无功功率，网侧电能质量得到了进一步的改善；又因为该系统采用的IGBT元器件，具有良好的可控性，因此避免了“逆变颠覆”现象的发生，提高了系统换流稳定性。
因此，使用根据本实用新型的逆变桥电路和异步电动机串级调速装置，可以很好地弥补现有方案中晶闸管逆变桥在串级调速系统中存在的不足，对于完善高压大功率电动机调速性能、实现节能降耗具有非常深远的现实意义。

Claims (10)

1.一种逆变桥电路，其特征在于，包括： 
第一输入节点和第二输入节点； 
三个输出节点； 
三个上桥臂，分别连接在第一输入节点和所述三个输出节点之间；以及 
三个下桥臂，分别连接在所述三个输出节点和第二输入节点之间， 
所述三个上桥臂和所述三个下桥臂中的每一个桥臂包括串联连接的IGBT和逆阻二极管以及并联连接在所述IGBT的集电极和发射极之间的续流二极管。 
2.根据权利要求1所述的逆变桥电路，其特征在于， 
在每个上桥臂中，IGBT的集电极和逆阻二极管的正极直接或间接连接到第一输入节点；并且 
在每个下桥臂中，IGBT的发射极和逆阻二极管的负极直接或间接连接到第二输入节点。 
3.根据权利要求1所述的逆变桥电路，其特征在于， 
在每个上桥臂中，逆阻二极管的正极连接到第一输入节点，IGBT的集电极连接到逆阻二极管的负极，IGBT的发射极连接到相应的输出节点；并且 
在每个下桥臂中，逆阻二极管的负极连接到第二输入节点，IGBT的发射极连接到逆阻二极管的正极，IGBT的集电极连接到相应的输出节点。 
4.根据权利要求1所述的逆变桥电路，其特征在于， 
所述逆阻二极管为大功率二极管。 
5.根据权利要求1所述的逆变桥电路，其特征在于， 
所述续流二极管的正极连接到所述IGBT的发射极；并且 
所述续流二极管的负极连接到所述IGBT的集电极。 
6.根据权利要求1至5中所述任何一项的逆变桥电路，其特征在于， 
所述每一个桥臂中的IGBT的控制极用来接收控制信号；并且 
所述IGBT根据所述控制信号而导通或关断。 
7.一种异步电动机串级调速装置，用于对内反馈电动机进行串级调速，其特征在于，该异步电动机串级调速装置包括： 
整流器，连接到所述内反馈电动机的转子侧线圈，用于将来自所述转子侧线圈的交流电流转换为直流电流；以及 
根据权利要求1至6中所述任何一项所述的逆变桥电路，所述逆变桥电路的第一输入节点连接到所述整流器的正输出端，所述逆变桥电路的第二输入节点连接到所述整流器的负输出端，所述逆变桥电路的所述三个输出节点分别连接到所述内反馈电动机的定子中的反馈绕组侧。 
8.根据权利要求7所述的异步电动机串级调速装置，其特征在于，还包括： 
第一电感器，其第一端连接到所述整流器的正输出端； 
二极管，其正极连接到所述第一电感器的第二端； 
第二电感器，其第一端连接到所述二极管的负极，其第二端连接到所述逆变桥电路的第一输入节点； 
IGBT开关，其集电极连接到所述第一电感器的第二端和所述二极管的正极，其发射极连接到所述整流器的负输出端；以及 
电容器，并联在所述逆变桥电路的第一输入节点和第二输入节点之间。 
9.根据权利要求7或8所述的异步电动机串级调速装置，其特征在于，所述逆变器电路的逆变角被设置为小于或等于5°。 
10.根据权利要求7或8所述的异步电动机串级调速装置，其特征在于，所述逆变器电路的逆变角被设置为大约2°。 
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