CN208272878U

CN208272878U - 一种低频功率单元

Info

Publication number: CN208272878U
Application number: CN201820922233.0U
Authority: CN
Inventors: 郑孝平; 王金
Original assignee: LUOYANG YUANCHUANG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: LUOYANG YUANCHUANG ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2028-06-14

Abstract

本实用新型属于高压变频器控制技术，提出一种低频功率单元。提出的一种低频功率单元的三相输入端R、S、T通过电缆与网侧的整流变压器副边绕组输出端相连；低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的前端和二电平IGBT‑H型逆变桥；前端连接在低频功率单元的三相输入端，具有四象限和两象限两种型式；低频功率单元控制器通过光纤与高压变频器主控系统相互连通，对应低频功率单元设置有低频功率单元供电电源；所述的低频功率单元供电电源由若干开关电源块组成，输入端并接于功率单元的母排两端。以本实用新型所述的低频功率单元组成的低频直驱的中高压变频器，驱动低速交流电机省略减速器，达到减少了设备总体体积和成本包括运维成本的目的。

Description

一种低频功率单元

技术领域

本实用新型属于高压变频器控制技术，提出一种低频功率单元。

背景技术

传统的变频功率单元为高速异步机设计，由此组成的高压变频器驱动高速异步机，通常额定频率为50Hz；为了匹配电动机与机械设备间的额定转速，通常需要增设减速器；减速器增加了设备整体体积和重量，从而增加包括设备及其基建在内的投资费用，并且降低了传动效率。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种低频功率单元，并提出相应工程设计法对所述低频功率单元的功率器件的技术参数进行设计，满足所述低频功率单元的低频特性要求。

本实用新型采取以下技术方案完成其实用新型目的：

一种低频功率单元，低频功率单元的输出频率为0.1Hz~17.0Hz；所述的低频功率单元的三相输入端R、S、T通过电缆与网侧的整流变压器副边绕组输出端相连；所述低频功率单元的单相输出端通过母排引出；所述整流变压器的额定容量为P；所述的低频功率单元为3n个，n≥1；在不设其他用途的副边绕组的情况下，整流变压器每个副边绕组的额定功率P₂=P/3n；若设有其他用途的副边绕组，且该副边绕组的功率为P0，则，每个副边绕组的功率P2=（P-P0）/3n；低频功率单元的三相输入端R、S、T的线电压分别为U_RS、U_RT、U_ST；网侧的工频为f，角频率ɷ=2Πf；副边绕组所输出的相电压u₁=U_RS/√3，副边绕组所输出的相电流i₁=P₂/(√3U_RS)；要求副边绕组的等效短路阻抗u_kb=4%，即副边绕组的额定压降为其相电压的4%；副边绕组中的等效电感L_b（mH)=（u₁*u_kb)*10³/(ɷ*i₁)；低频功率单元的额定输出电压为u₂；低频功率单元的额定输出电流为i₂；i₂=P₂/u₂；所述的低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的前端和二电平IGBT-H型逆变桥；所述二电平IGBT-H型逆变桥的每相由两个IGBT组成，上下桥臂各有一个IGBT，触发信号必须互锁，确保所述的同相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通；所述的前端连接在低频功率单元的三相输入端，具有四象限和两象限两种型式；所述的前端与二电平IGBT-H型逆变桥之间并接有储能电容和均压电阻，对低频功率单元进行储能和平波，均压电阻也安装在散热器上；所述由IGBT三相整流桥组成的前端和二电平IGBT-H型逆变桥分别通过相应的IGBT驱动器与低频功率单元控制器相连通；所述前端中每个器件的额定电流I_1e≥（2~3）*i₁；二电平IGBT-H型逆变桥中每个IGBT的额定电流I_2e≥（2~3）*i₂；所述储能电容C_d的设计按照所述低频功率单元母排峰值电压E_m和最大波动幅值为-5.132%；其设计值为C_d≥2P₂/[1-(100%-5.132%)²*E_m ²*f_d]；所述的低频功率单元控制器主要由DSP、CPLD、FPGA和逻辑及接口电路组成，所述的低频功率单元控制器通过光纤与高压变频器主控系统相互连通，所述的低频功率单元控制器将接收到高压变频器主控系统的控制信号翻译成数相两组IGBT的触发信号并保证互锁，并通过IGBT驱动器去触发相应的IGBT，同时将低频功率单元的信息和状态返回高压变频器主控系统，所述的互锁指的是同一相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通，否则将形成短路；对应所述的低频功率单元设置有低频功率单元供电电源；所述的低频功率单元供电电源由若干开关电源块组成，输入端并接于功率单元的母排两端，直接从所述的低频功率单元内部取电，不需外部另供任何电源。

所述的四象限型式，对应的前端为IGBT三相整流桥，同时在所述的前端与整流变压器副边绕组三相输出端之间增设有RCL滤波单元，并通过快熔与整流变压器副边绕组三相输出端相连；这样，所述的RCL滤波单元与整流变压器副边绕组中等效电感L_b组成具有限流电阻R的LCL滤波器；所述的IGBT三相整流桥具有双向导电特性，因此，由IGBT三相整流桥组成的前端与二电平IGBT-H型逆变桥形成能量可逆的四象限低频功率单元。

所述RCL滤波单元中滤波电容C应至少按整流变压器单相副边绕组额定功率的5%来设计；滤波电容C≥(5%*P₂/3)/(u₁ ²*ɷ)；滤波单元中电阻R=0.15~0.50Ω；滤波单元中电感L=（2-3）*L_b，且要求至少通过两倍电流不饱和。

所述的两象限型式，对应的前端为二极管三相整流桥或二极管-可控硅三相半控桥，所述的这两种整流桥具有单向导电特性，因此，由二极管三相整流桥或二极管-可控硅半控桥组成的前端与二电平IGBT-H型逆变桥形成能量不可逆的两象限低频功率单元；所述的二极管-可控硅三相半控桥自带充电控制电路；同时充电电路并接有接触器或继电器触点，这些触点的开闭由低频单元控制器控制；所述的充电控制电路由电阻和电容串联而成，并接于可控硅的门极和阴极两端；借助电容的工作特性，所述的低频功率单元得电之初，可控硅获得触发脉冲而导通，所述的三相二极管-可控硅半控桥将三相交流电整流成直流电对储能电容进行储能充电，充电完成后，低频单元控制器通过所控制的接触器或继电器触点将所述的阻容电路短接，之后，可控硅的作用如同二极管。

本实用新型提出一种低频功率单元，稳定工作频率范围为0.1~17.0Hz，在此频率范围内具有足够的过载能力，静动态性能满足要求，为低频直驱中高压变频器定制，具有四象限和两象限两种类型，所述四象限低频功率单元的前端和逆变桥均为二电平IGBT结构，并增设RCL滤波单元，降低谐波分量并与网侧适当解耦，满足各种低频直驱的四象限工况需求；所述两象限低频功率单元的前端为三相二极管整流桥或二极管-可控硅的半控桥（自带充电控制），满足各种低频直驱的两象限工况需求；根据所述的低频特性，提出相关的工程设计法，简化设计成本和过程，提高设计效率。相较于现有传统技术，以本实用新型所述的低频功率单元组成的低频直驱中高压变频器，驱动他励低速同步机或永磁低速同步机、低速异步机，电动机直接与机械设备同轴联接，省略减速器，在减少机械设备总体体积的同时提高传动效率，可靠性进一步提高，达到减少了设备总体体积和成本包括运维成本的目的，节省了包括设备及其基建投资在内的费用，社会和经济效益显著。

附图说明

图1四象限低频功率单元的原理示意图；

图2两象限低频功率单元的原理示意图；

图3自带充电控制电路的两象限低频功率单元的原理示意图；

图4为图1所示四象限低频功率单元的等效电路图（图4中，P₂、u_kb、L_b：整流变压器副边绕组的额定功率、等效短路阻抗和电感，u₁、i₁：整流变压器副边绕组输出的额定相电压、相电流，L：滤波电感，u₂、i₂：低频功率单元输出的额定电压、电流）；

图5 为图1四象限低频功率单元的幅频特性（图5中，f₀：谐振频率，f_k：SPWM调制开关频率）。

图中：0、整流变压器副边绕组，1、快熔，2、RCL滤波单元，3、前端，4、均压电阻，5、储能电容，6、二电平IGBT-H型逆变桥，7、低频功率单元控制器，8、低频功率单元供电电源，9、高压变频器主控系统，10、散热器。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本实用新型加以说明，该文件中所述的低频功率单元控制器7通过光纤与高压变频器主控系统9进行通讯联络均采用现有技术中已有的结构，在此不做过多说明。

实施例1：如图1所示，一种四象限低频功率单元，为低频直驱四象限中高压变频器定制，稳定输出频率范围通常为0.1Hz~17.0Hz；在此频率范围内具有足够的过载能力，静动态性能满足要求，所述的低频功率单元至少为3*1个；所述的低频功率单元具有安装在同一散热器10元件面的前端3和二电平IGBT-H型逆变桥6；所述的散热器10，具有风冷和水冷两种型式；该实施例中，所述的前端3为二电平IGBT三相整流桥，所述二电平的整流桥或逆变桥的每相由两个IGBT组成，上下桥臂各有一个IGBT，触发脉冲必须互锁，上下桥臂的IGBT不得同时导通；同时在所述的前端3与整流变压器副边绕组0三相输出端之间增设有RCL滤波单元2，并通过快熔1与整流变压器副边绕组0三相输出端相连；这样，所述的RCL滤波单元2与整流变压器副边绕组0中等效电感L_b组成具有限流电阻R的LCL滤波器；所述的IGBT三相整流桥具有双向导电特性，因此，由IGBT三相整流桥组成的前端与二电平IGBT-H型逆变桥形成能量可逆的四象限低频功率单元：所述前端3与二电平IGBT-H型逆变桥6分别通过IGBT驱动器与所述的低频功率单元控制器7相连通；所述的前端3与二电平IGBT-H型逆变桥6之间并接有储能电容5和均压电阻4，对低频功率单元进行储能和平波;所述的低频功率单元控制器7通过光纤与高压变频器主控系统9相互连通，所述的低频功率单元控制器7将接收到高压变频器主控系统9的控制信号翻译成数相两组IGBT的触发信号并保证互锁，通过IGBT驱动器去触发相应的IGBT，确保同相中上下桥臂的IGBT不得同时导通；同时将低频功率单元的信息和状态返回高压变频器主控系统9；对应所述的低频功率单元设置有低频功率单元供电电源8；所述的低频功率单元供电电源8由若干开关电源块组成，输入端并接于功率单元的母排两端，直接从所述的低频功率单元内部取电，不需外部另供任何电源；所述的低频功率单元的三相输入端通过电缆与整流变压器的副边绕组输出端相连，其单相输出端通过母排引出，该实施例的充电过程由其所组成的低频直驱中高压变频器集中控制。

该实施例中，所述的低频功率单元，其能量传输为双向，电动状态下，能量从前端3指向逆变桥6，这种情况下，电动机处于电动状态，将从所述的低频功率单元获得电能转化成机械能，拖动机械设备；逆变状态下，能量从逆变桥6指向前端3，这种情况下，机械设备拖动电动机发电，通过逆变桥6使得低频功率单元的母排电压（+E、0V）泵升，经前端3将能量回馈网侧，达到四象限可逆运行的目的，且节省电能；以此为核心功率器件组成的低频直驱四象限中高压变频器，具有百分百能量回馈功能，用于驱动需要可逆运行的机械设备，如下行带式输送机、高炉卷扬机、升船机、重型轧机、矿井（凿井）提升机，等等。

实施例2：如图2所示，所述的低频功率单元中前端3为二极管三相整流桥，本实施例所述的功率单元即为两象限低频功率单元，网侧不需要设置滤波单元；该实施例的充电过程由其所组成的低频直驱两象限中高压变频器集中控制。

实施例3：如图3所示，所述的前端3为三相二极管-可控硅半控桥；本实施例所述的功率单元为另一种的两象限低频功率单元，网侧同样不需要设置滤波单元；所述的低频功率单元自带充电控制，由所述低频功率单元组成的中高压变频器送电之初的充电过程由低频功率单元自行控制完成，无需中高压变频器进行控制。所述的充电控制电路由电阻和电容串联而成，并接于可控硅的门极和阴极两端；借助电容的工作特性，所述的低频功率单元得电之初，可控硅获得触发脉冲而导通，所述的三相二极管-可控硅半控桥将三相交流电整流成直流电对储能电容进行储能充电，充电完成后，低频功率单元控制器通过所控制的接触器或继电器触点将所述的阻容电路短接，之后，可控硅的作用如同二极管。

实施例2和实施例3所述的低频功率单元，其能量传输仅为单向，能量传输方向从前端3指向逆变桥6，以此为核心功率器件组成的低频直驱两象限中高压变频器，不具备能量回馈功能，用于驱动不可逆运行的机械设备，如：风机、水泵、上行或平行带式输送机，等。

在上述实施例中，所述低频功率单元的输入端（R、S、T）线电压（U_RS、U_RT、U_ST）通常选取为AC600V，这样，直流母排（+E、0V）间的峰值电压（E_m）为848.5V，如果选取额定电压为1700V的普通低压IGBT，则IGBT的电压裕量大于2.0（1700V/848.5）倍，满足实用的要求并具有合适的电压裕量，确保所述的低频功率单元的安全可靠性；所述的低频功率单元中每组逆变桥6的额定输出电压（U_UV）按700V标定（实际输出可大于700V）。根据所述低频功率单元的技术参数，选取合适的低频功率单元及其数量作为低频直驱中高压变频器核心功率器件以满足实用和相应电压等级的需要。

所述的工程设计法是依据整流变压器副边绕组0的技术参数和所述低频功率单元的幅频特性（如图5所示）设计所述的低频功率单元中功率器件的关键技术参数，将复杂的理论计算和工程经验有效地结合，简化设计成本，提高设计效率的一种设计方法，以四象限低频功率单元为实施例进行工程设计法如下：

图4为实施例图1的等效电路图，结合图5，以整流变频器额定容量为1560kVA、副边绕组的等效短路阻抗u_kb为4%、副边绕组的数量为15（3*5）套作为实施例，说明所述低频功率单元的工程设计过程，并设计有关RCL滤波单元和所述低频功率单元中功率器件的关键技术参数。所述副边绕组的等效短路阻抗可设计和测量，通常按下列方法测量：将某一副边绕组短路，其他副边绕组开路，从原边绕组进行观测；或将原边绕组短路，从某一副边绕组进行观测（其他副边绕组开路），u_kb为4%是整流变压器副边绕组短路阻抗的设计值，实际值从整流变压器出厂试验报告中可查获。各副边绕组的等效短路阻抗的实际值与设计值略有偏差而且各绕组间有一定的离散性，但不影响工程设计的结果。

根据上述，网侧工频f为50Hz（角频率ɷ=2Πf为314Hz），直流母排电压的脉动频率（f_d）为300Hz（50Hz*6)；整流变压器副边绕组的技术参数分别为：

额定功率P₂=1560/15=104kVA；

输出相电压u₁=U_RS/√3=600/√3=346.4V；

输出相电流i₁=P₂/(√3U_RS)=104*10³/(√3*600)=100.1A；

等效短路阻抗u_kb=4%；

等效电感L_b=（u₁*u_kb)*10³/(ɷ*i₁)=(346.4*4%)*10³/(314*100.1)=0.44mH。

所述的低频功率单元额定输出为：

电压u₂=700V;

电流i₂=P₂/u₂=104*10³/700=148.6A。

所述的工程设计方法，还包括：

至少按整流变压器副边绕组（单相）额定功率的5%设计滤波电容并具有一定的电压裕量，设计滤波电容时，认为限流电阻的阻值为零（等效于图4中滤波单元的中性点从Q₀变为Q₀’），设计如下：

滤波电容C≥(5%*P₂/3)/(u₁ ²*ɷ)=(5%*104*10³/3)*10⁶/((346.4)²*314) =46uF，对照所选用电容标准系列的容值并高靠一档，选定滤波电容为49uF，电容额定电压选定为690V及以上；

电阻R的作用为滤波电容进行限流并影响谐振频率，而且，通过RC支路的电流比较复杂，估算值与实际值有较大的差异。因此，通常选择R=0.15~0.50Ω，参照所述低频功率单元的额定功率的大小，选定限流电阻的功率为100W~500W的水泥电阻等类型的耐热电阻器。

至少按整流变压器副边绕组等效电感的2-3倍（该实施例按3倍）设计滤波电抗器，设计如下：

电抗L=3L_b=3*0.44=1.32mH，可选定L=1.32mH，额定电流为100A，且要求至少通过两倍电流不饱和。

按照电流和电压裕量分别达到3倍和2倍及以上，设计前端（IGBT或二极管、二极管-可控硅）以及逆变桥的IGBT，设计如下：

前端功率器件的I_1e≥3*i₁=3*100.1=300.3A，因此，选定前端IGBT或二极管、二极管-可控硅的额定电流为450A，额定电压为1700V；

逆变桥IGBT的I_2e≥3*i₂=3*148.6=445.8A，因此选定逆变桥IGBT的额定电流为450A，额定电压为1700V。

根据所述低频功率单元的额定功率，按照所述低频功率单元母排峰值电压E_m并以最大波动幅值为-5.132%，设计储能电容C_d，设计如下：

C_d≥2P₂/[1-(100%-5.132%)²*E_m ²*f_d]=2*104*10³*10⁶/[0.1*848.5²*300]=9630uF，因此，选取额定容值/电压为6800uF/450V的电容两组串联，每组电容为3只；这样C_d实为3*6800uF/2=10200uF。

参考图5中所述低频功率单元的幅频特性，按下式估算所述低频功率单元的谐振频率f₀，所述低频功率单元的SPWM（正弦脉宽调制）开关频率f_k至少是谐振频率f₀的两倍选取，确保所述低频功率单元在输出频率范围内特别是低频段的工作特性满足静动态性能要求：

f₀=(1/2Π)*√[(L_b+L)/(L_b*L*C)]

将L=3L_b，L_b=0.44mH=0.44*10^-3H，C=49uF=49*10^-6F代入上式，得到：

f₀=(1/2Π)*√[4/3L_b*C]=(1/2Π)*√[4/(3*0.44*10^-3*49*10^-6)=1252Hz

因此，选定所述低频功率单元的SPWM调制开关频率f_k为2.6kHz。

说明：上述工程设计中因单位换算的关系，涉及：容量1kVA=10³VA，频率1kHz=10³Hz，电感1H=10³mH，电容1F=10⁶uF，Π=3.14。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种低频功率单元，其特征在于：低频功率单元的输出频率为0.1Hz~17.0Hz；所述的低频功率单元的三相输入端R、S、T通过电缆与网侧的整流变压器副边绕组输出端相连；所述低频功率单元的单相输出端通过母排引出；所述整流变压器的额定容量为P；所述的低频功率单元为3n个，n≥1；在不设其他用途的副边绕组的情况下，整流变压器每个副边绕组的额定功率P₂=P/3n；若设有其他用途的副边绕组，且该副边绕组的功率为P0，则，每个副边绕组的功率P2=（P-P0）/3n；低频功率单元的三相输入端R、S、T的线电压分别为U_RS、U_RT、U_ST；网侧的工频为f，角频率ɷ=2Πf；副边绕组所输出的相电压u₁=U_RS/√3，副边绕组所输出的相电流i₁=P₂/(√3U_RS)；要求副边绕组的等效短路阻抗u_kb=4%，即副边绕组的额定压降为其相电压的4%；副边绕组中的等效电感L_b（mH)=（u₁*u_kb)*10³/(ɷ*i₁)；低频功率单元的额定输出电压为u₂；低频功率单元的额定输出电流为i₂；i₂=P₂/u₂；所述的低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的前端和二电平IGBT-H型逆变桥；所述二电平IGBT-H型逆变桥的每相由两个IGBT组成，上下桥臂各有一个IGBT，触发信号必须互锁，确保所述的同相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通；所述的前端连接在低频功率单元的三相输入端，具有四象限和两象限两种型式；所述的前端与二电平IGBT-H型逆变桥之间并接有储能电容和均压电阻，均压电阻也安装在散热器上；所述由IGBT三相整流桥组成的前端和二电平IGBT-H型逆变桥分别通过相应的IGBT驱动器与低频功率单元控制器相连通；所述前端中每个器件的额定电流I_1e≥（2~3）*i₁；二电平IGBT-H型逆变桥中每个IGBT的额定电流I_2e≥（2~3）*i₂；所述储能电容C_d的设计按照所述低频功率单元母排峰值电压E_m和最大波动幅值为-5.132%；其设计值为C_d≥2P₂/[1-(100%-5.132%)²*E_m ²*f_d]；所述的低频功率单元控制器通过光纤与高压变频器主控系统相互连通，所述的低频功率单元控制器将接收到高压变频器主控系统的控制信号翻译成数相两组IGBT的触发信号并保证互锁，并通过IGBT驱动器去触发相应的IGBT，同时将低频功率单元的信息和状态返回高压变频器主控系统；对应所述的低频功率单元设置有低频功率单元供电电源；所述的低频功率单元供电电源由若干开关电源块组成，输入端并接于功率单元的母排两端，直接从所述的低频功率单元内部取电。

2.如权利要求1所述的一种低频功率单元，其特征在于：所述的四象限型式，对应的前端为IGBT三相整流桥，同时在所述的前端与整流变压器副边绕组三相输出端之间增设有RCL滤波单元，并通过快熔与整流变压器副边绕组三相输出端相连；所述的RCL滤波单元与整流变压器副边绕组中等效电感L_b组成具有限流电阻R的LCL滤波器；由IGBT三相整流桥组成的前端与二电平IGBT-H型逆变桥形成能量可逆的四象限低频功率单元。

3.如权利要求1或2所述的一种低频功率单元，其特征在于：所述RCL滤波单元中滤波电容C应至少按整流变压器单相副边绕组额定功率的5%来设计，即，滤波电容C≥(5%*P₂/3)/(u₁ ²*ɷ)；滤波单元中电阻R=0.15~0.50Ω；滤波单元中电感L=（2-3）*L_b，且要求至少通过两倍电流不饱和。

4.如权利要求1所述的一种低频功率单元，其特征在于：所述的两象限型式，对应的前端为二极管三相整流桥或二极管-可控硅三相半控桥，由二极管三相整流桥或二极管-可控硅半控桥组成的前端与二电平IGBT-H型逆变桥形成能量不可逆的两象限低频功率单元；所述的二极管-可控硅三相半控桥自带充电控制电路；同时充电控制电路并接有由低频单元控制器控制的接触器或继电器触点；所述的充电控制电路由电阻和电容串联而成，并接于可控硅的门极和阴极两端。