CN205356133U - 基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置 - Google Patents

Abstract

一种基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置，包括双路供电电源装置、旁路驱动板、一路转换式直流接触器，一路转换式直流接触器是旁路故障功率单元的执行部件，该接触器包含一常开一常闭两个触点，当功率单元发生故障时，可以有效、快速将故障功率单元从物理连接中切除，并联在线圈中的续流二极管用于线圈中感性电流的续流。本实用新型采用双路供电方式，极大得提高了功率单元旁路系统的可靠性。通过使用转换型机械式接触器，可以从根本上将故障单元隔离，提高了高压变频器整体可靠性。可实现针对功率单元绝大多数故障旁路，并可实现中性点飘移功能。

Description

基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置

技术领域

本实用新型涉及一种以接触器为核心器件采用双路供电的用于高压变频器的高可靠性单元旁路装置。

背景技术

我国能源生产和能源消费已列世界前茅，但是仍满足不了工业生产和人民生活发展的需要，所以在能源非常紧张的今天，如何节约能源变得非常重要。而我国工业用高压大功率交流电机目前大部分采用直接恒速拖动，能源浪费巨大。如采用变频调速技术运行，节能效果非常的明显。因此，高压大容量交流电机变频调速节能系统的研发及应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。

200kW的大中功率的传动设备占市场的70％以上，国内电压等级为6kV和10kV，由于受功率器件的耐压水平和载流能力的限制，此电压等级的高压变频器多采用多电平变换及相关技术，其中单相H桥级联多电平逆变器由于控制相对简单，不用考虑中点电压平衡问题，易于实现多电平，改善输出电压谐波，方便模块化设计等优点，在工业上获得不错的应用效果。

H桥级联多电平逆变器采用多组低电压小功率IGBT构成的功率单元串联形成高压输出，由于采用的是功率单元串联，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且功率单元是模块化的结构，便于更换和维护。各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，并以高速微处理器和光纤实现控制和通讯。

由于采用多个功率单元串联构成高压输出的方式，功率单元的故障率是最高的。有效的保护功率单元稳定可靠的运行是非常必要的，单元旁路技术由此应运而生。现有高压变频器单元旁路方式主要有两种：一、采用可控硅等电力电子器件作为旁路开关；二、采用接触器作为旁路开关；相比于可控硅作为旁路元件，接触器式单元旁路由于抗干扰能力强、可靠性高，有明显隔离开断点等优势，受到了更多认可。

常用的晶闸管电子器件式旁路，在功率单元H桥逆变回路工作时，经常由于高频率、高变化率dv/dt的脉冲电压导致晶闸管误导通，这对带负荷运行的高压变频器是非常危险的，需要额外加装RC吸收等抗干扰电路；而使用机械式接触器不存在这类干扰问题，可以有效开通、关断。

采用电子式晶闸管的单元旁路方案，需要额外考虑晶闸管的散热及配用整流二极管，而且导通电流越大，散热量及器件尺寸越大越难以实现；而采用机械式接触器单元旁路方案只需考虑使用更大的接触器即可，可以与功率单元分离安装，结构形式简单，易于实现。

采用电子式晶闸管的单元旁路方案是在功率单元输出侧增加一个常开点，故障时切换为常闭点，这种拓扑存在一定风险，例如功率单元逆变部分IGBT部分坏损，且无法完全关断时，晶闸管动作机会引起单元直流母线直通，引起更恶劣的联锁损坏；而采用机械式接触器，尤其是转换式(即一常开点，一常闭点)接触器时的拓扑是可以从物理上完全将故障功率单元切除的，相比而言，具有更高可靠性。

由于单元旁路系统是确保高压变频器可靠性的装置，因此单元旁路系统的可靠性要高于变频器整体水平。关于旁路系统的可靠性设计需要被特殊关注。如果供电电路采用双路冗余供电方式，当其中一路故障时，立即可以切换备用的另一路，不影响旁路系统使用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置，具体实现方式是采用了双路供电冗余设计方式，并采用了一路转换型接触器，保证了单元旁路装置的可靠性，确保功率单元旁路系统稳定可靠。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，包括双路供电电源板、旁路驱动板、控制机、一路转换型接触器，所述的双路供电电源板为旁路驱动板提供电源，旁路驱动板通过光纤与控制机进行通讯，旁路驱动板根据控制机指令，驱动对应的接触器控制线圈，控制接触器的开断；所述的接触器串联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元发生故障时，可有效快速将故障功率单元从物理连接中切除；接触器包含一常开一常闭两个触点，接触器的控制线圈并联有续流二极管。

所述的双路供电电源板由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器、整流电路、电容滤波电路及稳压电路，两路输出通过二极管模块作为切换开关，实现双路供电冗余结构，当使用的主供电电路故障时，瞬间切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

根据本实用新型的技术方案，由于采用了双路供电电路的冗余设计，并采用了一路转换型接触器，具有更高的可靠性，提高了高压变频器整机运行稳定性。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图。

图2是双路供电电源原理图。

图3是接触器旁路功率单元拓扑。

图4是旁路用接触器原理图。

图5是多电平级联式高压变频器原理示意图。

图6是多电平级联式高压变频器输出波形。

图7是标准功率单元拓扑。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体技术方案进行进一步详细描述。

见图1，本实用新型基于机械式接触器的高压变频器单元旁路装置，包括双路供电电源板、旁路驱动板、控制机、一路转换型接触器，所述的双路供电电源板为旁路驱动板提供电源，旁路驱动板通过光纤与控制机进行通讯，旁路驱动板根据控制机指令，驱动对应的接触器控制线圈，控制接触器的开断；并持续检测所有接触器工作状态，设置有故障报警电路，能有效检测旁路驱动板、直流接触器、以及通讯回路是否存在故障。旁路驱动板通过光纤与控制机进行通讯，通讯速率高达10Mb/s。

见图2，双路供电电源板由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器(T1、T2)、由二极管构成的整流桥电路接于变压器输出端，电容滤波电路与二极管整流桥电路并联连接，在电容滤波电路的输出端设有二极管稳压电路，两路输出端相并联连接，通过二极管作为切换开关，实现双路供电冗余结构。当使用的主供电电路故障时，瞬间切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。

图3是接触器旁路功率单元拓扑图，由旁路接触器构成的H桥功率单元包括熔断器(参考图1)、整流模块、直流滤波电容、IGBT构成的H桥电路、放电电路、功率单元控制电路；

所述熔断器在功率单元三相输入端，当功率单元内部器件发生故障时，可以有效熔断，保证变压器二次侧绕组的安全。

所述整流模块是两个二极管串联在一起，并且由三个整流模块构成三相不可控整流电路，将输入交流整流成脉动直流。

所述直流滤波电容连接在整流电路之后，用于吸收整流后直流电压的脉动成分，使其变得平滑。

所述IGBT构成的H桥电路，是由四只或其倍数的IGBT构成的H桥逆变电路，按照对角IGBT开通关断顺序，实现了将直流电压变成可控交流电压。

所述放电回路，用于泻放直流滤波电容中储存的电压，该回路一般是由一只大功率放电电阻串联在功率单元直流母线实现，对于直流母线电压有特殊要求的负载，该电路也可以在放电电阻上串联一只可控IGBT，当直流母线电压超过一定程度时，可以设定该IGBT导通，及时泻放电压。

所述功率单元控制电路具体包括供电电源、控制电路、驱动电路；

供电电源取自直流母线的高压直流电压或是三相输入交流电压，通过内部变换，稳定输出一定电压，为功率控制电路和驱动电路供电；

功率单元控制电路包括通讯电路、故障检测、直流母线电压检测、显示电路等电路，是功率单元的控制核心，并且与上一级控制机进行实时通讯；

功率单元驱动电路用于驱动IGBT，并检测IGBT的工作状态，在IGBT异常状态下可以有效实现保护功能。

一路转换式接触器串联在高压变频器功率单元输出端，当功率单元发生故障时，可有效快速将故障功率单元从物理连接中切除。

如图4所示，接触器包含一常开一常闭两个触点，接触器的控制线圈并联有续流二极管。旁路驱动板包括接触器旁路驱动电路、旁路检测电路、旁路控制电路，可以集中式管理各个接触器的开关机关断，以实现故障时特定功率单元旁路；并可以有效检测接触器状态及相应信息；通过光纤通讯和高压变频器主控制机通讯，可实现针对某个功率单元的旁路。

旁路控制电路，用于计算、控制旁路相关指令，并且与上一级控制机进行实时通讯，有效监测系统运行状态；

旁路允许检测电路，用于检测旁路系统供电及接触器状态，以表示是是否允许执行旁路指令。

旁路成功检测电路，通过检测接触器驱动线圈是否有电流通过，以表示旁路指令是否执行成功。

旁路驱动电路，可以选择继电器或MOS管等开关管等器件作为驱动部件，用于驱动对应接触器的线圈，达到控制接触器开断目的。

本实用新型的旁路供电电源采用双路供电冗余设计，由两路互相独立的供电回路，具体包括变压器、整流电路、电容滤波电路及稳压电路，通过使用二极管作为切换开关，当使用的主供电电路故障时，瞬间即可切换至备用电路，保证旁路装置安全稳定运行。该种方案设计充分考虑了系统的薄弱环节，进一步提高了旁路装置整体的可靠运行，保证了高压变频器整机具有更高的可靠性。

旁路驱动板是接触器的集中控制中心，并且与高压变频器控制机通过光纤进行实时通讯。当功率单元发生故障时，旁路驱动板接受到来自控制机的相应信息后，立即对故障单元的接触器进行分合控制，将故障功率单元从原来连接上切除，构成了新的连接后。发送旁路成功信号给控制机，控制机再重新启动单元，并进行搜频等工作，恢复设备正常运转。每次旁路时间控制在300ms以内，所以不会影响设备正常工作。根据现场生产任务，适时停机修复故障单元即可。

如图5所示，为多电平级联式高压变频器结构及工作原理图。其工作原理是输入变压器采用移相变压器，即变压器原边采用延边三角形接法，副边是多绕组输出，且每一组输出互差一定的电角度，以达到抑制输入谐波电流目的。输出采用多电平移相式PWM，同一相中不同串联单元的三角载波互差一定的相位，以增加输出电压台阶，提高等效开关效率，改善了输出波形。

图6是各功率单元输出波形，因为串联的连接形式，最终输出了多重化的完整波形，直接可以用于电机驱动。由于多电平级联式高压变频器的输入、输出波形好，谐波含量小，且方便适配电机，现在已得到大量推广。

图7是多电平级联式高压变频器的一种标准形式功率单元，包括由二极管构成的整流电路，作用是将自移相变压器二次侧输入的三相交流电整流成脉动直流电路；铝电解电容或薄膜电容构成的滤波电路，作用是将脉动直流电变成平滑的直流电；由IGBT构成的H桥逆变电路，作用是将直流电变成可调交流电，最后通过多个单元串联叠加成可以驱动电机的交流输出。通常而言，功率单元由于器件及控制电路较多且复杂，难以保证较高的可靠性；为了保证高压变频器整体具备较高的可靠性，就必须减少数目众多的功率单元对整机的影响；单元旁路技术就是在此种需求下应运而生，可以有效切除故障单元，重新组合新的连接，保证高压变频器可以继续工作。

综上所述，本实用新型采用的具有一路转换式机械接触器的单元旁路方案，相较而言，具有电路结构简单，使用更少器件，故障点少，可以导通更大电流等特点；且该接触器构成的单元拓扑，在故障时，完全可以做到物理切除，可以解决更多类型的单元故障。该接触器线圈与触点之间具备高绝缘耐压性能，一台高压变频器的所有旁路用接触器都可以集中控制，方便管理，智能化程度高。接触器控制更加容易，而且不易受到干扰，运行稳定。

Claims (2)

1.基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，包括双路供电电源板、旁路驱动板、控制机、一路转换型接触器，所述的双路供电电源板为旁路驱动板提供电源，旁路驱动板通过光纤与控制机进行通讯，旁路驱动板根据控制机指令，驱动对应的接触器控制线圈，控制接触器的开断；所述的接触器串联在高压变频器功率单元输出端；接触器包含一常开一常闭两个触点，接触器的控制线圈并联有续流二极管。

2.根据权利要求1所述的基于机械式接触器的双路供电的高压变频器单元旁路装置，其特征在于，所述的双路供电电源板由两路互相独立的供电电路组成，具体包括变压器，由二极管构成的整流桥电路接于变压器输出端，电容滤波电路与二极管整流桥电路并联连接，在电容滤波电路的输出端设有二极管稳压电路，两路输出端相并联连接，通过二极管作为切换开关，实现双路供电冗余结构。