CN210745049U - 一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及大功率电机及其驱动控制，特别涉及一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，包括n个相互独立的交‑直‑交变频单元和1个主控制器；所述n为大于1的正整数，n等于多相电机的绕组数，也等于多相电机的相数除以3。每个交‑直‑交变频单元采用模块化结构，每个交‑直‑交变频单元结构相同，每个交‑直‑交变频单元内部的整流‑逆变采用对称拓扑结构。本申请每个交‑直‑交变频单元的硬件结构和软件程序完全一致，易于生产和组装；每个交‑直‑交变频单元之间相互隔离，变频单元之间无环流，确保多相电机各绕组功率平衡；交‑直‑交变频单元相互冗余备份，不会造成多相电机停机。
Description
技术领域
本申请涉及大功率电机及其驱动控制，特别涉及一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置。
背景技术
多相电机因其电压电流范围大、转子损耗小、电机效率高、直流电压纹波小等优点被广泛使用。其中，大容量高频多相电机近年来得到广泛的关注。大容量高频多相电机的主要技术特点包括：基频高、电压高、容量可达兆瓦级、转速高达常规永磁电机的8倍以上。多相电机既要发电、又要电动，要求能量双向流动。此外，电机共模谐波控制要求严格。
目前市面上的中压大容量高频多相电机驱动变频器主要包括三电平VSC、级联H桥、基于晶闸管的LCC这三种方案。其中三电平VSC可实现双向运行，但驱动频率低、共模谐波不受控；级联H桥可实现高频，但无法双向运行、共模谐波不受控；基于晶闸管的LCC 可实现双向运行、可控制共模谐波，但驱动频率低。这三种方案的多相电机驱动变频器分别用于不同应用场合，但无法同时实现高频、双向运行、共模谐波可控。
发明内容
本申请针对上述现有应用中存在的不足和问题，提供一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，技术方案如下：
一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：包括n个相互独立的交-直-交变频单元和1个主控制器；所述 n 为大于1的正整数，n等于多相电机的绕组数，也等于多相电机的相数除以3。每个交-直-交变频单元采用模块化结构，每个交-直-交变频单元结构相同，每个交-直-交变频单元内部的整流-逆变采用对称拓扑结构。
交-直-交变频单元包括网侧接触器，网侧接触器的输入端与外部电源相连，所述网侧接触器的输出端与所述整流部分的交流端相连；所述整流部分的直流端与所述电抗器一侧相连；所述逆变器的直流端与所述电抗器的另一侧相连；所述逆变部分的交流端与所述机侧接触器的输入端相连，所述机侧接触器的输出端与所述多相电机的一个绕组相连。
网侧接触器和机侧接触器为三相交流接触器。
所述整流部分和逆变部分的功率器件为晶闸管；所述整流部分和逆变部分均为三相全桥电路，且电路结构完全相同。
每个交-直-交变频单元采用模块化结构，每个交-直-交变频单元软硬件结构相同，且均能独立运行；每一个支路上均设置有断路器，当任何一个交-直-交变频单元损坏后，通过分断对应支路的断路器将其完成从电路中切除，从而具有任何一个交-直-交变频单元损坏不影响其他单元运行的特点。
每个交-直-交变频单元的直流母线不并联，主电路仅在输入侧连接在一起，其输出侧仅分别与电机的一个绕组连接，没有其他连接点。而电机的绕组之间是相互隔离的，因此相当于每个交-直-交变频单元之间的主电路电气隔离。
交-直-交变频单元可实现能量双向流动，即能量既能从电网侧流向电机侧（电动模式运行），也能从电机侧流向电网侧（发电模式运行）。交-直-交变频单元的机侧和网侧拓扑结构完全相同，均采用基于晶闸管的三相桥拓扑。通过在0~360度之间调节晶闸管三相桥的触发角可以使得三相桥处于整流运行或逆变运行。当触发角在0~180度之间时，三相桥处于整流运行。当触发角在180~360度之间时，三相桥处于逆变运行。当多相电机进行电动模式运行时，网侧三相桥为整流运行，机侧三相桥为逆变运行，能量从电网侧流向电机侧。当多相电机进行发电模式运行时，机侧三相桥为整流运行，网侧三相桥为逆变运行，能量从电机侧流向电网侧。
所述主控制器的输入端与n个交-直-交变频单元的模拟信号和数字信号连接，采集交-直-交变频单元的实时电压、电流、温度等信号；所述主控制器输出端与n个交-直-交变频单元的数字信号和驱动信号连接，用于控制交-直-交变频单元的功率器件、接触器、旁路开关和继电器等。主控制器控制n个交-直-交变频单元的驱动脉冲序列，n个交-直-交变频单元之间的脉冲共用一个时钟基准，从而保持同步关系，确保不同相绕组谐波电流具有固定的相位关系。n个交-直-交变频单元之间的脉冲基波相位差与多相电机绕组的相移相同，从而确保高频谐波电流能够相互削弱，减小总电磁转矩脉动。主控制器可关闭 1个或n个交-直-交变频单元，可以实现降功率运行。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
1、在本申请中，提供了一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，包括n个相互独立的交-直-交变频单元，每个交-直-交变频单元与多相电机的一个绕组相连，实现了多相变频器对多相电机的驱动。
2、交-直-交变频单元采用模块化设计理念，每个交-直-交变频单元的硬件结构和软件程序完全一致，易于生产和组装；每个交-直-交变频单元之间相互隔离，变频单元之间无环流，确保多相电机各绕组功率平衡；n个交-直-交变频单元相互冗余备份，1个或多个交-直-交变频单元发生故障时，其他交-直-交变频单元仍可正常工作，不会造成多相电机停机。
3、每个交-直-交变频单元内部的整流-逆变采用对称拓扑，可自然实现能量双向流动，控制方法统一，发电与电动运行工况可平滑过渡；采用晶闸管作为功率模块，多相电机的共模谐波可控，不易损坏多相电机。通过控制 n 个交-直-交变频单元驱动脉冲的相位，使电机绕组间的高频谐波电流相互削弱，减小了电机总电磁转矩脉动。主控制器可实现多个交-直-交变频单元的协同控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型提供的大容量高频多相电机双向变频器装置的一种结构示意图；
图2是本实用新型提供的交-直-交变频单元的结构示意图。
图3是本实用新型提供实施例12相电机双向变频器的结构示意图。
图4-图5是本实用新型提供实施例12相电机双向变频器在发电模式下的电机转矩与电磁功率仿真结果图。
图6-图7是本实用新型提供实施例12相电机双向变频器在电动模式下的电机转矩与电磁功率仿真结果图。
附图中：
1-交-直-交变频单元，2-主控制器，3-网侧接触器，4-外部电源，5-整流部分6-电抗器，7-逆变部分，8-绕组，9-机侧接触器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其包括n个相互独立的交-直-交变频单元1和1个主控制器2；所述 n 为大于1的正整数，n等于多相电机的绕组8数，也等于多相电机的相数除以3。每个交-直-交变频单元1采用模块化结构，每个交-直-交变频单元1结构相同，每个交-直-交变频单元1内部的整流-逆变采用对称拓扑结构。
本申请中的主控制器2可采用但是不限于本领域技术人员熟知的专用工控板实现，工控板基于DSP+FPGA架构，DSP型号可采用TMS320F28377双核处理器，用于实现控制算法，FPGA可采用Cyclone IV系列产品，用于实现脉冲形成、IO扩展和板间通信与同步。
交-直-交变频单元1包括网侧接触器3，网侧接触器3的输入端与外部电源4相连，所述网侧接触器3的输出端与所述整流部分5的交流端相连；所述整流部分5的直流端与所述电抗器6一侧相连；所述逆变器的直流端与所述电抗器6的另一侧相连；所述逆变部分7的交流端与所述机侧接触器9的输入端相连，所述机侧接触器9的输出端与所述多相电机的一个绕组8相连。
网侧接触器3和机侧接触器9为三相交流接触器。
所述整流部分5和逆变部分7的功率器件为晶闸管；所述整流部分5和逆变部分7均为三相全桥电路，且电路结构完全相同。
每个交-直-交变频单元1采用模块化结构，每个交-直-交变频单元1软硬件结构相同，且均能独立运行；每一个支路上均设置有断路器，当任何一个交-直-交变频单元1损坏后，通过分断对应支路的断路器将其完成从电路中切除，从而具有任何一个交-直-交变频单元1损坏不影响其他单元运行的特点。
每个交-直-交变频单元1的直流母线不并联，主电路仅在输入侧连接在一起，其输出侧仅分别与电机的一个绕组8连接，没有其他连接点。而电机的绕组8之间是相互隔离的，因此相当于每个交-直-交变频单元1之间的主电路电气隔离。
交-直-交变频单元1可实现能量双向流动，即能量既能从电网侧流向电机侧（电动模式运行），也能从电机侧流向电网侧（发电模式运行）。交-直-交变频单元1的机侧和网侧拓扑结构完全相同，均采用基于晶闸管的三相桥拓扑。通过在0~360度之间调节晶闸管三相桥的触发角可以使得三相桥处于整流运行或逆变运行。当触发角在0~180度之间时，三相桥处于整流运行。当触发角在180~360度之间时，三相桥处于逆变运行。当多相电机进行电动模式运行时，网侧三相桥为整流运行，机侧三相桥为逆变运行，能量从电网侧流向电机侧。当多相电机进行发电模式运行时，机侧三相桥为整流运行，网侧三相桥为逆变运行，能量从电机侧流向电网侧。
所述主控制器2的输入端与n个交-直-交变频单元1的模拟信号和数字信号连接，采集交-直-交变频单元1的实时电压、电流、温度等信号；所述主控制器2输出端与n个交-直-交变频单元1的数字信号和驱动信号连接，用于控制交-直-交变频单元1的功率器件、接触器、旁路开关和继电器等。主控制器2控制n个交-直-交变频单元1的驱动脉冲序列，n个交-直-交变频单元1之间的脉冲共用一个时钟基准，从而保持同步关系，确保不同相绕组8谐波电流具有固定的相位关系。n个交-直-交变频单元1之间的脉冲基波相位差与多相电机绕组8的相移相同，从而确保高频谐波电流能够相互削弱，减小总电磁转矩脉动。主控制器2可关闭 1个或n个交-直-交变频单元1，可以实现降功率运行。
在本申请中，提供了一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，包括n个相互独立的交-直-交变频单元1，每个交-直-交变频单元1与多相电机的一个绕组8相连，实现了多相变频器对多相电机的驱动。
交-直-交变频单元1采用模块化设计理念，每个交-直-交变频单元1的硬件结构和软件程序完全一致，易于生产和组装；每个交-直-交变频单元1之间相互隔离，变频单元之间无环流，确保多相电机各绕组8功率平衡；n个交-直-交变频单元1相互冗余备份，1个或多个交-直-交变频单元1发生故障时，其他交-直-交变频单元1仍可正常工作，不会造成多相电机停机。
每个交-直-交变频单元1内部的整流-逆变采用对称拓扑，可自然实现能量双向流动，控制方法统一，发电与电动运行工况可平滑过渡；采用晶闸管作为功率模块，多相电机的共模谐波可控，不易损坏多相电机。通过控制 n 个交-直-交变频单元1驱动脉冲的相位，使电机绕组8间的高频谐波电流相互削弱，减小了电机总电磁转矩脉动。主控制器2可实现多个交-直-交变频单元1的协同控制。
实施例2
图 3 为本实用新型的一个具体实施例，该用于 12 相电机的双向变频器装置具体实施方式如下：
包括 4个交-直-交变频单元1和一个主控制器2，每个交-直-交变频单元1的输入侧连接到一起，与外部电源4相连，每个交-直-交变频单元1的输出侧与 12 相电机的一个绕组8相连。
4个交-直-交变频单元1的硬件结构完全相同，包括网侧接触器3、整流部分5、电抗器6、逆变部分7、机侧接触器9、主控制器2。其中整流部分5和逆变部分7的电路结构完全相同，为三相全桥电路，功率器件为晶闸管。网侧接触器3的输入端与外部电源4相连，输出端与整流部分5的交流端相连；整流部分5的直流端与电抗器6一侧相连；逆变器的直流端与电抗器6的另一侧相连；逆变部分7的交流端与机侧接触器9的输入端相连，机侧接触器9的输出端与多相电机的一个绕组8相连。
主控制器2输入端与4个交-直-交变频单元1的模拟信号和数字信号连接，采集电源侧的实时电压、电流、温度等信号，执行控制算法，输出数字信号驱动交-直-交变频单元1的功率器件，建立直流母线电压并稳定母线电流；在发电模式下，采集电机绕组8侧的实时电压、电流、转矩等信号，执行控制算法，输出数字信号驱动交-直-交变频单元1的功率器件，实时控制电机的转矩电流；在电动模式下，采集电机绕组8侧的实时电压、电流、转速等信号，执行控制算法，输出数字信号驱动交-直-交变频单元1的功率器件，实时控制电机的转速。
4个交-直-交变频单元1的驱动脉冲序列由所述主控制器2决定，具有以下特点：4个交-直-交变频单元1之间的脉冲共用一个时钟基准，从而保持同步关系，确保不同相绕组8谐波电流具有固定的相位关系。4个交-直-交变频单元1之间的脉冲基波相位差与多相电机绕组8的相移相同，从而确保高频谐波电流能够相互削弱，减小总电磁转矩脉动。
4个交-直-交变频单元1之间完全电气隔离，且 12 相电机的4套绕组8相互隔离，故4台并联变频器间不存在本质上的电气环流。绕组8间功率可以确保平衡。
4个交-直-交变频单元1都能独立运行，任何一个交-直-交变频单元1损坏不影响其他单元运行。此外，通过主控制器2切断1个或多个交-直-交变频单元1，可以实现降功率运行。
交-直-交变频单元1可实现能量双向流动，能量既能从电网侧流向电机侧（电动模式），也能从电机侧流向电网侧（发电模式）。发电模式下，发电机转矩和电磁功率如图4、5所示，负号表示发电工况。此时发电机的功率达到了额定的10MW。其转矩波动和功率波动都较小，只有频率为6kHz的高频脉动，幅值约±4%左右，性能良好。电动模式下，电动机转矩和电磁功率如图6、7所示，正号表示电动工况。此时电动机的功率达到了额定的5MW。其转矩波动和功率波动都较小，只有频率为3kHz的高频脉动，幅值约±4%左右，性能良好。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型实施例。上述实施例仅体现了本实用新型技术方案的优选方案，本领域的专业技术人员对其中某些部分的多种改动均体现了本实用新型的原理，属于本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：包括n个相互独立的交-直-交变频单元（1）和1个主控制器（2）；每个交-直-交变频单元（1）采用模块化结构，每个交-直-交变频单元（1）结构相同，每个交-直-交变频单元（1）内部的整流-逆变采用对称拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：交-直-交变频单元（1）包括网侧接触器（3），网侧接触器（3）的输入端与外部电源（4）相连，网侧接触器（3）的输出端与整流部分（5）的交流端相连；整流部分（5）的直流端与电抗器（6）一侧相连；逆变器的直流端与电抗器（6）的另一侧相连；逆变部分（7）的交流端与机侧接触器（9）的输入端相连，机侧接触器（9）的输出端与多相电机的一个绕组（8）相连。
3. 根据权利要求2所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：网侧接触器（3）和机侧接触器（9）为三相交流接触器；主控制器（2）包括但不限于工控板，工控板基于DSP+FPGA架构，DSP型号采用TMS320F28377双核处理器， FPGA采用CycloneIV系列产品。
4.根据权利要求2所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：整流部分（5）和逆变部分（7）的功率器件为晶闸管；整流部分（5）和逆变部分（7）均为三相全桥电路，且电路结构完全相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：每个交-直-交变频单元（1）软硬件结构相同，且均能独立运行；每一个支路上均设置有断路器，当任何一个交-直-交变频单元（1）损坏后，通过分断对应支路的断路器将其完成从电路中切除。
6.根据权利要求5所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：每个交-直-交变频单元（1）的直流母线不并联，主电路仅在输入侧连接在一起，其输出侧仅分别与电机的一个绕组（8）连接，电机的绕组（8）之间是相互隔离，每个交-直-交变频单元（1）之间的主电路电气隔离。
7.根据权利要求1所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：交-直-交变频单元（1）的机侧和网侧拓扑结构完全相同，均采用基于晶闸管的三相桥拓扑，通过在0~360度之间调节晶闸管三相桥的触发角可以使得三相桥处于整流运行或逆变运行；当触发角在0~180度之间时，三相桥处于整流运行；当触发角在180~360度之间时，三相桥处于逆变运行。
8.根据权利要求7所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：当多相电机进行电动模式运行时，网侧三相桥为整流运行，机侧三相桥为逆变运行，能量从电网侧流向电机侧；当多相电机进行发电模式运行时，机侧三相桥为整流运行，网侧三相桥为逆变运行，能量从电机侧流向电网侧。
9.根据权利要求1所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：主控制器（2）的输入端与n个交-直-交变频单元（1）的模拟信号和数字信号连接，采集交-直-交变频单元（1）的实时电压、电流、温度等信号；主控制器（2）输出端与n个交-直-交变频单元（1）的数字信号和驱动信号连接，用于控制交-直-交变频单元（1）的功率器件、接触器、旁路开关和继电器。
10. 根据权利要求9所述的一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置，其特征在于：主控制器（2）控制n个交-直-交变频单元（1）的驱动脉冲序列，n个交-直-交变频单元（1）之间的脉冲共用一个时钟基准， n个交-直-交变频单元（1）之间的脉冲基波相位差与多相电机绕组（8）的相移相同，主控制器（2）可关闭 1个或n个交-直-交变频单元（1）。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110677097A (zh) * | 2019-09-10 | 2020-01-10 | 中国东方电气集团有限公司 | 一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置 |
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2019
- 2019-09-10 CN CN201921495922.9U patent/CN210745049U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN110677097A (zh) * | 2019-09-10 | 2020-01-10 | 中国东方电气集团有限公司 | 一种用于大容量高频多相电机的双向变频器装置 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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