CN220307121U - 一种基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，包括控制单元和功率单元，逆变电路由A、B和C相桥臂构成；特征在于：所述A、B和C相桥臂均由至少两个单桥臂并联形成，单桥臂的上半桥臂和上半桥臂均由至少两个串联的IGBT器件串联形成；属于同一相桥臂的所有单个桥臂中的上（下）半桥臂中的IGBT器件共用控制单元经光纤发送的同一驱动信号。本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，解决了现有大功率变频器技术方案中的环流问题，有效的减小了大功率变频器的实际占地面积和设计成本，减少了控制单元与功率单元之间的光纤数量，提高了系统的可维护性。

Description

一种基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置

技术领域

本实用新型涉及一种变频器装置，更具体的说，尤其涉及一种可有效避免环流产生的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置。

背景技术

现有技术中，大功率变频器的实现方法主要由以下两种典型方案：

方案一，如图1所示，包括一个控制单元和若干个功率模组组成，通过多个功率模组并联的方式来实现整机扩容，控制单元和每个功率模组之间通过六路光纤发送信号和六路光纤接收信号进行数据交互，因此并联的功率模组越多，整机需要的光纤数量越多，且由于受到信号带宽的影响以及驱动信号传输存在延时，各个功率模组的IGBT驱动信号很难做到完全同步，因此无法避免各个单元之间存在环流，要解决环流问题，一般会在功率模组的输出端增加电抗器，这样会导致整机体积以及成本的相应增加。

方案二，如图2所示，采用主机和从机并机的方式实现大功率，主机与从机之间通过光纤连接，包括一路光纤发送信号和一路光纤接收信号，除此之外，主机与从机并无差别，主机与从机共用主机的控制系统，从机跟随主机开停机，二者输出并联，同样的，也会存在环流问题，且相较于方案一，需要更大的空间来放置设备。

综上，现有的大功率变频器以及实现方法都存在环流这一共性问题，为解决这一问题，只能通过增加输出电抗器，增大整机体积来缓解，对于整个系统的可靠性、可维护性以及成本控制都会带来不利因素。

发明内容

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置。

本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，包括控制单元和功率单元，功率单元由整流电路、直流母线和逆变电路构成，整流电路的输入端与交流电源相连接，整流电路的输出端接于直流母线上，逆变电路的输入端接于直流母线上，逆变电路的输出形成变频交流输出端U、V、W；逆变电路由A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂构成；其特征在于：所述A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂均由至少两个单桥臂并联形成，单桥臂的上半桥臂和上半桥臂均由至少两个串联的IGBT器件串联形成；属于同一相桥臂的所有单个桥臂中的上半桥臂中的IGBT器件共用控制单元经光纤发送的同一驱动信号，属于同一相桥臂的所有单个桥臂中的下半桥臂中的IGBT器件共用控制单元经光纤发送的同一驱动信号。

本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，所述控制单元由DSP处理芯片及与其相连接的A相驱动模块、B相驱动模块和C相驱动模块构成，控制单元和功率单元中均设置有6组光纤通讯模块，光纤通讯模块中设置有发射光耦和接收光耦，控制单元中的6组光纤通讯模块分别经一路发送光纤和一路接收光纤与控制单元中的6组光纤通讯模块相连接，控制单元经6路发送光纤将驱使IGBT器件通断的信号发送至功率单元中的光线通讯模块，功率单元中的光纤通讯模块将接收的光信号转化为电信号以驱使IGBT器件通断。

本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，所述控制单元的中设置有与DSP处理芯片相连接的电流检测模块、故障保护模块和电压检测模块，电压检测模块用于对直流母线的电压和整流电路输入端的交流电源的电压进行检测，电流检测模块用于对逆变电路输出端的电流进行检测。

本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，所述每个IGBT器件上均设置有有源钳位保护电路，有源钳位保护电路由串联在IGBT器件的集电极与栅极之间的瞬态电压抑制二极管构成。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，设置有控制单元以及由整流电路、逆变电路和直流母线构成的功率单元，逆变电路中的A相、B相、C相桥臂具有两个或两个以上的单桥臂并联形成，这样，使得流经每相（A、B或C相）的电流得到成倍增加，而且每个单桥臂的上、下半桥臂均由两个或两个以上的IGBT器件构成，这样也使得每个单桥臂的耐压得到成倍增加，从而允许直流母线上输入更高的直流电压，因此，逆变电路的输入电压和输出电流均得到了成倍的增加，进而增加了本实用新型的变频器装置的容量（可达4.5MW）；同时，由于属于同一相桥臂（A、B或C相桥臂）的所有单桥臂中的上半桥臂（或下半桥臂）中的IGBT器件共用控制单元经光纤发出的同一驱动信号，这样，使得A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂中所有上半桥臂和下半桥臂上的所有IGBT器件均可同步导通，从原理上来说不会存在环流问题，进而省去用来解决环流问题的电抗器的使用，有效的减小了大功率变频器的实际占地面积和设计成本，减少了控制单元与功率单元之间的光纤数量，提高了系统的可维护性。

附图说明

图1为现有采用一个控制模组和若干个功率模组组成的变频器的原理图；

图2为现有采用主机和从机并机的方式组成的变频器的原理图；

图3为本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置的原理图。

图中：1控制单元，2功率单元，3整流电路，4单桥臂，5 A相驱动模块，6 B相驱动模块，7 C相驱动模块，8电流检测模块，9故障保护模块，10电压检测模块。

实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图3所示，给出了本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置的原理图，其由控制单元1、功率单元2以及连接控制单元1与功率单元2的光纤构成，控制单元1具有信号采集、数据运算、控制输出以及产生驱使功率单元2工作的驱动信号的作用。功率单元2由整流电路3、直流母线和逆变电路构成，整流电路3为六个二极管（D1~D6）构成的全波整流电流，二极管的型号可采用TFM750XDM65-D200，整流电路3的输入端连接有交流电源，整流电路3的输出端接于直流母线上，整理电路3将输入的交流电整流为直流电后输入至直流母线上。

所示逆变电路的输出端接于直流母线上，以便直流母线给逆变电路提供直流电压输入，逆变电路的形成标号为U、V、W三相输出。逆变电路由A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂构成，A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂均由两个或两个以上（图3中为两个）的单桥臂4并联形成，每个单桥臂4又由上半桥臂和下半桥臂构成，而且上半桥臂和下半桥臂又由两个或两个以上的IGBT器件构成，IGBT可采用型号为5SNA1200G450300的器件。可见，由于每相桥臂（A相、B相或C相桥臂）由两个或两个以上的单桥臂4并联而成，这样，每项桥臂上所允许通过的电流就得到了成倍的增加；上半桥臂或下半桥臂又由两个或两个以上的IGBT器件串联而成，这样，使得上半桥臂或下半桥臂整体的耐压得到了成倍增加，也就是允许直流母线上输入更高的电压，可见，由于逆变电路的输入电压和所允许流经的电流均得到了成倍增加，有利于形成容量较大（可达4.5MW）的变频器装置。

属于同一相桥臂（A相、B相或C相桥臂）的所有单桥臂4的上半桥臂的IGBT器件共用控制单元1经光纤发送的同一驱动信号，同样地，属于同一相桥臂（A相、B相或C相桥臂）的所有单桥臂4的下半桥臂的IGBT器件也共用控制单元1经光纤发送的同一驱动信号；这样，就使得每相桥臂（A相、B相或C相桥臂）的所有上半桥臂和下半桥臂上的IGBT器件同时导通或截止，就避免了由于IGBT器件关断时刻不一致所导致的环流问题的产生。由于本实用新型中的逆变电路从原理上来讲不会产生环流，故就省去了输出电抗器的使用，在降低了变频器设计成本的同时也减小了占地面积。

具体地说，图3中，IGBT器件T1-T4串联构成了一个单桥臂，IGBT器件T5-T8串联、T9-T12串联、T13-T16串联、T17-T20串联、T21-T24串联也分别构成了单桥臂，T1-T4构成的单桥臂和T5-T8构成的单桥臂并联后形成A相桥臂，T9-T12构成的单桥臂和T13-T16构成的单桥臂并联后形成B相桥臂，T17-T20构成的单桥臂和T21-T24构成的单桥臂并联后形成C相桥臂。T1与T2串联形成单桥臂的上半桥臂，T3与T4串联形成单桥臂的下半桥臂，以此类推。

其中作为A相桥臂的两个单桥臂的上半桥臂的IGBT器件T1、T2、T5、T6共用一个控制单元1发送的驱动信号，作为A相桥臂的两个单桥臂的下半桥臂的IGBT器件T3、T4、T7、T8共用一个控制单元1发送的驱动信号，相应地，B相桥臂中：IGBT器件T9、T10、T13、T14共用一个驱动信号，T11、T12、T15、T16共用一个驱动信号；C相桥臂中：IGBT器件T17、T18、T21、T22共用一个驱动信号，T19、T20、T23、T24共用一个驱动信号。可见，控制单元1需要向功率单元2发送6路驱动信号即可实现对逆变电路的驱动控制。

所示控制单元1由DSP处理芯片及与其相连接的A相驱动模块5、B相驱动模块6、C相驱动模块7、电流检测模块8、故障保护模块9和电压检测模块10构成，电流检测模块8用于检测功率单元2所输出的电流大小，电压检测模块10用于检测直流母线电压以及整流电路3输入端的交流电压的大小。A相、B相和C相驱动模块（5、6、7）中均设置有2组光纤通讯模块，这样，就形成了6组光纤通讯模块。功率单元2的控制电路中也设置有6组光纤通讯模块，每组光纤通讯模块中均设置有发射光耦和接收光耦，控制单元1中的光纤通讯模块中的发射光耦和接收光耦分别与功率单元2中的光纤通讯模块中的接收光耦和发射光耦经光纤相连接，这样就实现了控制单元1与功率单元2之间的光纤信号收发。

控制单元1产生的驱动电信号经发射光耦转换为光信号，并发送至功率单元2中的光纤通讯模块中，功率单元2中的光纤通讯模块中的接收光耦将光信号转化为电信号直接驱使IGBT器件工作。功率单元2所采集的输出电流、母线电压、输入电压、整流电路温度、逆变电路温度经光纤发送至控制单元1中。

功率单元2中的每个IGBT器件都带有有源钳位保护电路，有源钳位保护电路通过在IGBT的集电极和栅极之间串联一定数量的瞬态电压抑制二极管（TVS）构成，当电压超过TVS的钳位电压时，会向门极注入一定的电流。如果这个时候IGBT正在关断，那注入的电流会使IGBT关断速度变缓，di/dt会减小，从而集电极电压也会减小，达到保护IGBT的目的。

可见，本实用新型的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，解决了现有大功率变频器技术方案中的环流问题，有效的减小了大功率变频器的实际占地面积和设计成本，减少了控制单元与功率单元之间的光纤数量，提高了系统的可维护性。

Claims (4)

1.一种基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，包括控制单元（1）和功率单元（2），功率单元由整流电路（3）、直流母线和逆变电路构成，整流电路的输入端与交流电源相连接，整流电路的输出端接于直流母线上，逆变电路的输入端接于直流母线上，逆变电路的输出形成变频交流输出端U、V、W；逆变电路由A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂构成；其特征在于：所述A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂均由至少两个单桥臂（4）并联形成，单桥臂的上半桥臂和上半桥臂均由至少两个串联的IGBT器件串联形成；属于同一相桥臂的所有单个桥臂中的上半桥臂中的IGBT器件共用控制单元经光纤发送的同一驱动信号，属于同一相桥臂的所有单个桥臂中的下半桥臂中的IGBT器件共用控制单元经光纤发送的同一驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，其特征在于：所述控制单元（1）由DSP处理芯片及与其相连接的A相驱动模块（5）、B相驱动模块（6）和C相驱动模块（7）构成，控制单元（1）和功率单元（2）中均设置有6组光纤通讯模块，光纤通讯模块中设置有发射光耦和接收光耦，控制单元中的6组光纤通讯模块分别经一路发送光纤和一路接收光纤与控制单元中的6组光纤通讯模块相连接，控制单元经6路发送光纤将驱使IGBT器件通断的信号发送至功率单元中的光线通讯模块，功率单元中的光纤通讯模块将接收的光信号转化为电信号以驱使IGBT器件通断。

3.根据权利要求2所述的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，其特征在于：所述控制单元（1）的中设置有与DSP处理芯片相连接的电流检测模块（8）、故障保护模块（9）和电压检测模块（10），电压检测模块用于对直流母线的电压和整流电路（3）输入端的交流电源的电压进行检测，电流检测模块用于对逆变电路输出端的电流进行检测。

4.根据权利要求1或2所述的基于三电平拓扑的单机大功率变频器装置，其特征在于：所述每个IGBT器件上均设置有有源钳位保护电路，有源钳位保护电路由串联在IGBT器件的集电极与栅极之间的瞬态电压抑制二极管构成。