CN204859024U - 用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，包括：一级联拓扑电路、一电源端口、两电机负载端口和一移相变压器，其中：级联拓扑电路是由6个整流功率单元桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的环形拓扑电路；移相变压器一次侧通过电源端口连接本地电网，其二次侧绕组分别连接6个整流功率单元桥臂；第一电机和第二电机的三相分别通过电机所在的负载端口连接到整流功率单元桥臂。本实用新型可对两台电机提供不同的电压矢量，可有效解决大功率电机负荷群的高能耗问题，具有优异的节能减耗效果，同时还可降低成本和工艺复杂性。

Description

用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，特别涉及一种用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路。

背景技术

级联多电平变换器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器。其无需升降压变压器和均压电路，目前被广泛应用于电机驱动、无功补偿、新能源发电、电能传输与储能等系统。

工业高耗能行业大功率电机负荷群用电量最大，节能迫切性最强。但节能高效电机的高成本也决定了其高价格，因此通过技术手段驱动其高效运行以达到节能效果显得尤为重要。电机高效运行最突出的一方面就是采用级联多电平电力电子变换器进行变频调速控制实现节能降耗。级联多电平拓扑虽然在高压大功率电机驱动方面应用较成熟，但是硬件成本、体积以及工艺复杂性都很高。

目前，适合中高压大功率电源和负荷接入的级联多电平拓扑电路需要进一步拓展，实现高压变频器驱动多电机的多端口级联多电平拓扑结构研究成果较少。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，该电路可降低成本和工艺复杂性，同时还具有优异的节能降耗效果。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

一种用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，包括：

一级联拓扑电路、一电源端口、两电机负载端口和一移相变压器，其中：

级联拓扑电路是由6个整流功率单元桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的环形拓扑电路，级联拓扑电路中整流功率单元桥臂和滤波电感的连接点顺次记为连接点A、连接点B、连接点C、连接点D、连接点E、连接点F；

移相变压器一次侧通过电源端口连接本地电网，其二次侧绕组分别连接6个整流功率单元桥臂；

第一电机的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点A、C、E，第二电机的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点B、D、F。

上述整流功率单元桥臂有两种级联方式：

(1)整流功率单元桥臂由n个二极管整流功率单元级联构成，n取3～8。

(2)整流功率单元桥臂由1个有源前端功率单元和(n-1)个二极管整流功率单元级联构成，n取3～8。

针对整流功率单元桥臂的级联方式(2)有两种具体实施方式：

(a)整流功率单元桥臂中，将(n-1)个二极管整流功率单元级联后再与有源前端功率单元级联，此时n可以为奇数或偶数。

(b)整流功率单元桥臂中，将(n-1)个二极管整流功率单元分别记为单元1、单元2、…单元n-1，则整流功率单元桥臂按单元1、单元2、…单元i、有源前端功率单元、单元i+1、单元i+2、…单元n-1的顺序顺次级联构成，此时，n为奇数。

本实用新型电路为三端口级联型AC/AC变换器拓扑，可同时接入三个中高压交流源和负荷，即可同时接入本地中压电网和两台中高压大功率电机。本实用新型对两台电机提供不同的电压矢量，级联拓扑电路六桥臂逆变器结合直流侧电容中点实现一台变换器驱动两台电机。

和现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)可有效解决大功率电机负荷群的高能耗问题，具有优异的节能减耗效果：

实现了级联多电平逆变器对两台电机的变频驱动，当一台电机再生制动时，其回馈能量可以存储于各功率单元直流侧电容，以便提高给另外一台电机电动运行使用。采用1个有源前端功率单元和(n-1)个二极管整流功率单元级联的级联方式，能量回馈时只需部分有源前端功率单元的三相PWM整流器工作在逆变状态就可以将电机再生制动能量回馈到电网，从而可实现能量双向流动，达到节能减耗的目的。

(2)可降低成本和工艺复杂性：

各整流功率单元桥臂首尾串联成环形结构，该环形结构在功率单元不增加的情况下，可使每相输出电平数增加接近一倍。在保证相同输出电平数和电压幅值的情况下，各整流功率单元桥臂中整流功率单元数可节约一半。本实用新型无需对移相变压器进行绕组改造，仅需一台移相变压器，从而可降低造价成本和工艺复杂性。

附图说明

图1为二极管整流功率单元拓扑结构图；

图2为基于二极管整流功率单元的全整流级联多电平拓扑电路结构图；

图3为有源前端功率单元拓扑结构图；

图4为基于混合整流功率单元的全整流级联多电平拓扑电路结构图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

图1是二极管整流功率单元拓扑结构图，该二极管整流单元为基于三相不控整流电路的功率单元，由三相桥式不控整流电路、中间直压电路和单相H型桥式逆变电路并联构成。其输入侧是由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相桥式不控整流电路，二极管D1、D3、D5共阴极，其阳极分别与三相电源的三相相接；二极管D4、D6、D2共阳极，其阴极分别与三相电源的三相相接。中间直压电路为一大容量直流电容，即直流储能部分。输出侧则是由IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4构成的单相H型桥式逆变电路。输入二极管整流功率单元的交流电经三相桥式不控整流电路后变成直流电，加到中间直压电路，通过控制单相H型桥式逆变电路的IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4，使直流电重新变为驱动电机所需幅值、频率的交流电压。

图2是基于二极管整流单元的全整流级联多电平拓扑电路结构图，该全整流级联多电平拓扑电路由一级联拓扑电路、一电源端口、两负载端口和一移相变压器构成，其中，级联拓扑电路是由6个整流功率单元桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的环形拓扑电路，见图2，将该环形拓扑电路中整流功率单元桥臂和滤波电感的连接点按顺时针方向顺次记为连接点A、连接点B、连接点C、连接点D、连接点E、连接点F。整流功率单元桥臂由n个图1所示的二极管整流功率单元级联构成，n优选为3～8。移相变压器一次侧通过电源端口连接本地电网，其二次侧绕组分别连接6个桥臂的整流功率单元输入侧；电机1#的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点A、C、E，电机2#的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点B、D、F。中压交流电经移相变压器降压移相后，分别传输至各二极管整流功率单元HA1、HA2、HA3、HA4、HA5、HB1、HB2、HB3、HB4、HB5、HC1、HC2、HC3、HC4、HC5、HD1、HD2、HD3、HD4、HD5、HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HF1、HF2、HF3、HF4、HF5中三相桥式不控整流电路，提供三相低压正弦电源。

驱动电机时，二极管整流功率单元HF1、HF2、HF3、HF4、HF5、HA1、HA2、HA3、HA4、HA5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机1#所在负载端口的A相电压，二极管整流功率单元HB1、HB2、HB3、HB4、HB5、HC1，HC2、HC3、HC4、HC5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机1#所在负载端口的B相电压，二极管整流功率单元HD1、HD2、HD3、HD4、HD5、HE1、HE2、HE3、HE4、HE5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机1#所在负载端口的C相电压，电机1#所在负载端口的A相电压、B相电压、C相电压形成一个可控三相正弦波电压源向电机1#供电。同样的，二极管整流功率单元HA1、HA2、HA3、HA4、HA5、HB1、HB2、HB3、HB4、HB5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机2#所在负载端口的A相电压，二极管整流功率单元HC1、HC2、HC3、HC4、HC5、HD1、HD2、HD3、HD4、HD5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机2#所在负载端口的B相电压，二极管整流功率单元HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HF1，HF2、HF3、HF4、HF5中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机2#所在负载端口的C相电压，电机2#所在负载端口的A相电压、B相电压、C相电压形成另一个可控三相正弦波电压源向电机2#供电。

图2所示的全整流级联多电平拓扑电路中，电机的转速和电流信号经处理后，通过单相H型桥式逆变器中IGBT器件的开通和关断，从而控制二极管整流功率单元中三相桥式不控整流电路的开通和关断，使单相H型桥式逆变电路输出给定的电压幅值及频率。当电机制动时，由于二极管不能反向导通，一台电机发电运行产生的能量经单相H型桥式逆变电路快速回馈到中间直压电路存储起来，以供另一台电机电动运行使用。

图3为有源前端功率单元拓扑结构图，包括三相PWM整流电路、中间直压电路和单相H型桥式逆变电路。输入侧是由IGBT器件T1、T2、T3、T4、T5、T6按照三相桥式电路连接构成的三相PWM整流电路，IGBT器件T1、T3、T5共集电极，其发射极分别与三相电源的三相相接，IGBT器件T4、T6、T2共发射极，其集电极分别与三相电源的三相相接。中间直压电路为一直流电容，输出侧是由IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4构成的单相H型桥式逆变电路。

因为IGBT器件可控，所以有源前端功率单元既能工作在整流状态也能工作在逆变状态，确保电机再生制动能量在电源端口和负载端口间的双向流动。有源前端功率单元处于整流工作状态时，输入的交流电经三相PWM整流电路后变成直流电，加到中间直压电路，通过单相H型桥式逆变电路的IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4的开通和关断，使直流电重新变为驱动电机所需幅值、频率的交流电压。当有源前端功率单元处于逆变工作状态时，通过单相H型桥式逆变器中IGBT器件的开通和关断，控制输出电压的相位和幅值，确保在与电网电压同相位的条件下将能量回馈到电网中。电机制动产生的再生能量经过有源前端功率单元的单相H型桥式逆变电路和中间直压电路，同时通过工作在逆变状态的三相PWM整流器和滤波电抗器流向电网。

图4是基于混合整流单元的全整流级联多电平拓扑电路结构图，由一级联拓扑电路、一电源端口、两负载端口和一移相变压器构成，级联拓扑电路是由6个整流功率单元桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的环形拓扑电路。整流功率单元桥臂由(n-1)个二极管流功率单元(见图1)和1个有源前端功率单元(见图3)级联构成。二极管整流功率单元和有源前端功率单元的级联顺序要保持整流功率单元的移相对称结构，以确保整流多重化结构，即有源前端功率单元和二极管整流功率单元的级联顺序要保证达到减小输入交流电流和输出直流电压中的谐波。具体实施时，当n为偶数时，整流功率单元桥臂中有源前端功率单元可位于首位或尾位；当n为奇数时，整流功率单元桥臂中有源前端功率单元可位于首位、尾位或中间位，n优选为3～8内的自然数。

图4所示的全整流级联多电平拓扑电路中，中压交流电经移相变压器降压移相后，通过滤波电抗器给各功率单元HA1＇、HA2＇、HA3＇、HA4＇、HA5＇、HB1＇、HB2＇、HB3＇、HB4＇、HB5＇、HC1＇、HC2＇、HC3＇、HC4＇、HC5＇、HD1＇、HD2＇、HD3＇、HD4＇、HD5＇、HE1＇、HE2＇、HE3＇、HE4＇、HE5＇、HF1＇、HF2＇、HF3＇、HF4＇、HF5＇的整流电路提供三相低压正弦电源。其中，HA3＇、HB3＇、HC3＇、HD3＇、HE3＇、HF3＇为能量可双向流动的有源前端功率单元，其它功率单元为二极管整流功率单元。功率单元HF1＇、HF2＇、HF3＇、HF4＇、HF5＇、HA1＇、HA2＇、HA3＇、HA4＇、HA5＇中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机1#所在负载端口的A相电压，功率单元HB1＇、HB2＇、HB3＇、HB4＇、HB5＇、HC1＇、HC2＇、HC3＇、HC4＇、HC5＇中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构电机1#所在负载端口的B相电压，功率单元HD1＇、HD2＇、HD3＇、HD4＇、HD5＇、HE1＇、HE2＇、HE3＇、HE4＇、HE5＇中单相H型桥式逆变电路的输出电压级联叠加构成电机1#所在负载端口的C相电压，电机1#所在负载端口的A相电压、B相电压、C相电压形成一个可控三相正弦波电压源向电机1#供电。同样的，功率单元HA1＇、HA2＇、HA3＇、HA4＇、HA5＇、HB1＇、HB2＇、HB3＇、HB4＇、HB5＇输出的叠加电压、功率单元HC1＇、HC2＇、HC3＇、HC4＇、HC5＇、HD1＇、HD2＇、HD3＇、HD4＇、HD5＇输出的叠加电压、功率单元HE1＇、HE2＇、HE3＇、HE4＇、HE5＇、HF1＇、HF2＇、HF3＇、HF4＇、HF5＇输出的叠加电压形成另一个可控三相正弦波电压源，向电机2#供电。电机制动时，电机发电运行产生的能量通过单相H型桥式逆变电路回馈到直流母线。当直流母线电压超过设定值时，功率单元处于逆变工作状态，此时电能由电机经级联拓扑电路流向电网。

Claims (5)

1.用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，其特征在于，包括：

一级联拓扑电路、一电源端口、两电机负载端口和一移相变压器，其中：

级联拓扑电路是由6个整流功率单元桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的环形拓扑电路，级联拓扑电路中整流功率单元桥臂和滤波电感的连接点顺次记为连接点A、连接点B、连接点C、连接点D、连接点E、连接点F；

移相变压器一次侧通过电源端口连接本地电网，其二次侧绕组分别连接6个整流功率单元桥臂；

第一电机的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点A、C、E，第二电机的三相通过该电机所在的负载端口分别连接到级联拓扑电路中的连接点B、D、F。

2.如权利要求1所述的用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，其特征在于：

所述的整流功率单元桥臂由n个二极管整流功率单元级联构成，n取3～8。

3.如权利要求1所述的用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，其特征在于：

所述的整流功率单元桥臂由1个有源前端功率单元和(n-1)个二极管整流功率单元级联构成，n取3～8。

4.如权利要求3所述的用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，其特征在于：

整流功率单元桥臂中，将(n-1)个二极管整流功率单元级联后再与有源前端功率单元级联。

5.如权利要求3所述的用于两电机驱动的全整流级联多电平拓扑电路，其特征在于：

整流功率单元桥臂中，将(n-1)个二极管整流功率单元分别记为单元1、单元2、…单元n-1，则整流功率单元桥臂按单元1、单元2、…单元i、有源前端功率单元、单元i+1、单元i+2、…单元n-1的顺序顺次级联构成，n为奇数。