CN2618368Y - 一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置 - Google Patents

Abstract

一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，包括一个三相全桥二极管整流器，一个软开关直流升压开关变换器，一个电流型三相IGBT逆变器；所述三相全桥二极管整流器的交流输入接到绕线式异步电动机的转子绕组输出接线头，直流输出接到直流升压开关变换器的直流输入端，直流升压开关变换器的直流输出端接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，电流型三相IGBT逆变器的交流输出端接到绕线式异步电动机的内馈绕组或逆变变压器的逆变侧。这种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置具有升压电感小、升压开关电路损耗小、效率高、功率因数高、谐波污染小等优点。

Description

一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置

背景技术

在矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门和水厂、电厂大量使用高压的风机、水泵、压缩机和搅拌机等，这些机械功率都在几百千瓦以上，有的高达数千甚至上万千瓦，它们消耗的电能是非常可观的。这类机械大多采用恒速交流传动，而以挡板、阀门或空放回流的办法进行输出量的调节，白白损失大量的电能。另外，高压电动机启动时的大电流及对绕组的过大电磁力很容易导致定子绕组接头开焊、转子鼠笼断条等。随着电网对机组深调峰、甚至两班制运行要求的提高，大型风机将经常运行在低负荷区并频繁启停。因此，急需一种能提高电动机寿命的调速装置。但由于电力半导体器件容量的限制，普通的变频调速装置不能简单的应用于高压变频调速系统中。

目前应用较多的是采用串级调速实现高压电动机的调速。串级调速是在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

串级调速装置主电路一般采用无升压电路的直接整流逆变方式或采用以可控硅做升压电路开关和逆变开关的整流-升压-逆变方式。后一种方式主电路图见图4，图中DR1-DR6构成转子电压整流电路，SS、L1、D1、C构成升压电路，L2和S1-S6构成逆变电路。图4中主电路相对于无升压电路的直接整流逆变方式虽然有逆变器角度固定、效率高、功率因数高、谐波污染小等优点，但可控硅做升压需要复杂的附加强制关断电路，具有强制关断电路可靠性差、开关频率低、升压电感体积与重量大、效率低等缺点，且可控硅逆变器的输出电流谐波仍较大，功率因数仍较低，运行使用中对电网污染严重。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，以克服现有采用可控硅做升压电路开关和逆变开关的整流-升压-逆变方式串级调速装置主电路所固有的强制关断电路可靠性差、开关频率低、升压电感体积与重量大、效率低、逆变功率因数低、输出电流谐波大等缺点。

为实现上述目的，本实用新型包括：一个三相全桥二极管整流器，一个软开关直流升压开关变换器，一个采用脉宽调制(PWM)的电流型三相IGBT逆变器；所述三相全桥二极管整流器的交流输入接到绕线式异步电动机的转子绕组输出接线头，直流输出接到直流升压开关变换器的直流输入端，直流升压开关变换器的直流输出端接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，电流型三相IGBT逆变器的交流输出端接到绕线式异步电动机的内馈绕组或逆变变压器的逆变侧。

上述的软开关直流升压开关变换器包括一个升压储能电抗器、两个开关器件、一个反向恢复电流抑制及过电压吸收电路、一个升压续流二极管、一个输出直流电容器组成；所述升压储能电抗器一端接三相全桥二极管整流器的正输出端，另一端接反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的一个输出端接升压续流二极管的阳极，另一个输出端接升压续流二极管的阴极和输出直流电容器的正极，两个开关器件的相同输出端并接，并接后的第一个输出端接反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，第二个输出端接直流电容器的负极及三相全桥二极管整流器的负输出端，两个开关器件的控制端分别接脉冲宽度调制脉冲。

本实用新型由于采用上述方案，具有升压电感小、升压开关电路损耗小、效率高、功率因数高、谐波污染小的优点。

下面结合附图对本实用新型的结构和工作原理作进一步的说明。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的电路图。

图2a-h为本实用新型中软升压开关电路各阶段的等效电路图。

图3为本实用新型中软开关升压电路各关键点的波形图。

图4为采用可控硅做升压和逆变开关的串级调速装置主电路。

具体实施方式

参见图1，图中DR1-DR6组成的三相二极管整流桥，将绕线式电动机的转子绕组的三相交流电压整流成直流电压，升压储能电抗器L1、IGBT器件SA、SB、电抗器LS、电容CS1、CS2、二极管D1-D4、输出直流电容C组成的软开关升压电路升压，IGBT器件SA、SB接脉冲宽度调制脉冲，且两器件驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只IGBT工作频率的两倍。软开关升压电路将整流后直流电压进行升压。软开关升压电路中的电抗器LS、电容CS1、CS2、二极管D1-D3组成反向恢复电流抑制及过电压吸收电路，电抗器LS的一端与二极管D1的阳极并接作为电路的输入端，电抗器LS的另一端与电容CS1的一端并接作为电路的一个输出端，此输出端接升压续流二极管D4的阳极，二极管D1-D3按极性顺序依次串接，电容CS1的另一端接在二极管D2的阴极与二极管D3的阳极之间，电容CS2的一端接在二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间，电容CS2的一端与二极管D3的阴极并接作为电路的另一个输出端，此输出端与升压续流二极管D4的阴极、输出直流电容C的正极、逆变电路电感L2的一端相接。电抗器L2、二极管DA1-DC2、IGBT器件SD、SA1-SC2、电容CA-CC组成电流型三相IGBT逆变电路，逆变电路将升压后直流电的逆变成交流电送回电网。该电路通过控制转子绕组逆变回电网的功率大小来调节转子转速，即逆变回电网的功率越大，则转子电流越小，转速越低；逆变回电网的功率越小，则转子电流越大，转子转速越高。当转子绕组开路时，转子绕组电流为0，等效于定子绕组的全部功率均逆变回了电网：当转子短路时，转子绕组电流最大，转速最高，称为异步高速运行。在本电路中，当SA和SB全部断开时，电机转速将降到最低，最低转速由电机参数和主电路参数决定；当SA和SB全部导通时，电机转速升到最高，接近于全速运行。

本软开关升压电路中，若DR1-DR6整流电路输出直流电压为VI，电容C上电压为V0，则V₀和V₁有如下关系： $V_O=\frac{V_1}{1-D}$ ，式中D为SA和SB总的占空比。

软开关升压电路的工作原理如下：在S_A或S_B开通时，D₄的反向恢复电流di/dt被吸收电感L_S限制，使S_A或S_B开通及D₄关断损耗减小。在S_A或S_B关断时，S_A或S_B的关断电压上升速度因吸收电容C_S2的存在而减小，从而减小了S_A或S_B的关断损耗，也减小了EMI噪音。D₄也得到零电压的开通和关断过程。吸收电路的储能最终通过C_S1向C放电而释放，没有造成能量损耗。

软开关升压电路的具体工作过程如下：首先假定输入电压恒定；输出电容足够大，输出电压恒定且无纹波；输入储能电感L₁远比吸收电感L_S大；把SA和SB等效成一个开关S1。

基于以上假设，软开关升压电路的工作周期可分为下列8个阶段，各阶段的等效电路如图2(a)-(h)所示。各电气量波形如图3所示。

阶段1：t₀时刻，S₁开通。此后的瞬间，D₄并不立即关断，要经历一个反向恢复的过程。吸收电感限制了反向恢复电流的di/dt，减少了EMI，同时降低了D₄的关断损耗和S₁的开通损耗(S₁不需经受太大的来自二极管支路的反向恢复电流)。

$I_{L_S}\left(t\right)=I_F\left(t_0\right)-\frac{V_O}{L_S}(t-t_0)--\left(1\right)$

I_F(t)为来自L₁的正向导通电流。

阶段2：t₁时刻，D₄断开。由于C_S1和C_S2上的电压为零，C₁上的电压使二极管D₂自然导通。吸收电感L_S、吸收电容C_S2和C_S1通过谐振回路C-C_S2-D₂-C_S1-L_S-S₁充电。由于D₄上电压等于电容C_S2和C_S1电压之和，其上升速度受到抑制，从而实现了D₄的ZVS关断。开关S₁电流等于L₁充电电流和L_S电流之和，当V₀＝V_CS2+V_CS1时，L_S电流达到最大，最大值为：

$I_{L_{S}m}=\frac{\sqrt{V_O^2+{\left(I_{\mathrm{rr}}Z\right)}^2}}{Z}--\left(2\right)$

式中：

$I_{\mathrm{rr}}=\frac{V_O}{L_S}(t1-t0)-I_F\left(t_0\right)--\left(3\right)$

$Z=\sqrt{\frac{L_S(C_{S1}+C_{S2})}{C_{S1}{C}_{S2}}}--\left(4\right)$

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{C_{S1}+C_{S2}}{L_S{C}_{S1}{C}_{S2}}}--\left(5\right)$

t₂时刻，V_CS2等于V₀，谐振过程停止，D₁导通。

阶段3：t₂时刻，C_S2上的电压等于V_C1，二极管D₁自然导通，C_S2电压保持恒定。L_S中的电流通过谐振回路L_S-D₁-D₂-C_S1对C_S1充电。由于D₁、D₂的存在，L_S和C_S1的谐振是单方向的。在t₃时刻，I_LS等于0，谐振过程结束。L_S中的储能在这个阶段全部转移到C_S1中，此时C_S1电压达到最大，其最大值为：

$V_{C_{S1}m}=\sqrt{\frac{C_{S2}{V}_O^2+L_S{I}_{\mathrm{rr}}^2}{C_{S1}}}--\left(6\right)$

D₄要承受的最大反向电压为V₀+V_Cs1m。

C_S1中的最大储能为：

$\frac{1}{2}{C}_{S1}{V}_{C_{S1}}^2\left(t3\right)=\frac{1}{2}{L}_S{I}_{\mathrm{rr}}^2+\frac{1}{2}{C}_{S2}{V}_O^2--\left(7\right)$

阶段3的谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{\frac{1}{L_S{C}_{S1}}}--\left(8\right)$

阶段4：t₃时刻，Ls上的电流降为零，二极管D₁和D₂自然截止。

此后直到t₄，电容C_S1上的电压保持不变，L_S中电流保持为0。电路的工作状态与普通的升压电路S₁开通后的状态相同。

阶段5：t₄时刻，开关S₁断开。L₁中的正向电流I_F均通过D₁使C_S2放电。D₂和D₃因为被V_CS2电压反偏置而不导通。开关S₁漏源极电压等于V₀-V_CS2，C_S2的逐步放电使得S₁上电压dv/dt较小。假设I_F恒定，则C_S2上电压变化过程为：

$V_{C_{S2}}\left(t\right)=V_O-\frac{I_F\left(t_4\right)}{C_{S2}}(t-t_4)--\left(9\right)$

阶段6：t₅时刻，吸收电容C_S2上电压降为0，使得二极管D₂和D₃自然导通。L_S上电压等于V_CS1，使L_S中电流上升并使C_S1放电。

阶段7：t₆时刻，L_S上的电流上升到L₁的正向电流I_F(t₆)，D₁和D₂截止。此后，I_F(t)通过D₃使C_S1继续放电。V_CS1较小的dv/dt使得D₄获得ZVS开通过程。

阶段8：t₇时刻，电容C_S1上的电压减小到0，D₃截止，二极管D₄自然导通。吸收电路能量的恢复过程随C_S1中的全部能量转移到C中而结束。此后电路的工作状态和普通的升压电路S₁关断后的状态相同。

由上面的分析可知，谐振电感的电流、谐振电容与缓冲电容的电压，在一个工作周期中均能减小到0，能量吸收释放，周而复始，并不会消耗，也不能积累。换言之，谐振吸收单元本身是不消耗和积累能量的。同时，谐振电感和谐振电容的作用，限制了主电路的开关损耗，从而提高电路的效率。

下面介绍电流型三相IGBT逆变器的工作原理。该电流型逆变器采用特定谐波消除脉宽调制(SHE-PWM)技术，以消除逆变输出电流中特定的低次谐波电流，而高次谐波电流被输出滤波电容器吸收，使输出电流总的谐波畸变率得到最大限度的衰减，输出功率因数得到最大限度的提高。SHE-PWM的原理是通过求解一个关于PWM开关角度的超越方程，得到使特定次数谐波为0的特定PWM开关角度。这些开关角度数据先离线计算好，存储到脉冲发生器的存储器中，然后通过脉冲发生器的运行实时发出SHE-PWM脉冲，驱动IGBT逆变器，使IGBT逆变器输出电流中不含有预定要消除的谐波电流。旁路功率半导体开关SD起保护三相IGBT逆变器的作用。

Claims (6)

1、一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于包括：一个三相全桥二极管整流器，一个软开关直流升压开关变换器，一个电流型三相IGBT逆变器；所述三相全桥二极管整流器的交流输入接到绕线式异步电动机的转子绕组输出接线头，直流输出接到直流升压开关变换器的直流输入端，直流升压开关变换器的直流输出端接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，电流型三相IGBT逆变器的交流输出端接到绕线式异步电动机的内馈绕组或逆变变压器的逆变侧。

2、根据权利要求1所述的一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于：所述的软开关直流升压开关变换器包括一个升压储能电抗器、两个开关器件、一个反向恢复电流抑制及过电压吸收电路、一个升压续流二极管、一个输出直流电容器组成；所述升压储能电抗器一端接三相全桥二极管整流器的正输出端，另一端接反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的一个输出端接升压续流二极管的阳极，另一个输出端接升压续流二极管的阴极和输出直流电容器的正极，两个开关器件的相同输出端并接，并接后的第一个输出端接反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，第二个输出端接直流电容器的负极及三相全桥二极管整流器的负输出端，两个开关器件的控制端分别接脉冲宽度调制脉冲。

3、根据权利要求2所述的一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于：所述的两个开关器件为IGBT器件。

4、根据权利要求3所述的一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于：所述两个IGBT器件的驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只IGBT工作频率的两倍。

5、根据权利要求1所述的一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于：所述的电流型三相IGBT逆变桥由一个直流电抗器，一个旁路功率半导体开关，一个标准的电流型三相IGBT逆变桥和三个输出滤波电容器组成，所述直流电抗器的一端接到软开关直流升压开关变换器的直流输出正极，直流电抗器的另一端接到电流型三相IGBT逆变桥的直流正极，电流型三相IGBT逆变桥的直流负极接到软开关直流升压开关变换器的直流输出负极，电流型三相IGBT逆变桥的三个交流输出端分别接三个滤波电容器的一端，三个滤波电容器的另一端并接到大地，旁路功率半导体开关一个输出端接电流型三相IGBT逆变桥的直流正极，另一端接电流型三相IGBT逆变桥的直流负极。

6、根据权利要求2或4所述的一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置，其特征在于：所述的反向恢复电流抑制及过电压吸收电路包括一个电抗器(LS)、两个电容器(CS1、CS2)、三个二极管(D1-D3)，所述电抗器(LS)的一端与二极管(D1)的阳极并接作为电路的输入端，电抗器(LS)的另一端与电容(CS1)的一端并接作为电路的一个输出端，此输出端接升压续流二极管(D4)的阳极，二极管(D1-D3)按极性顺序依次串接，电容(CS1)的另一端接在二极管(D2)的阴极与二极管(D3)的阳极之间，电容(CS2)的一端接在二极管(D1)的阴极与二极管(D2)的阳极之间，电容(CS2)的一端与二极管(D3)的阴极并接作为电路的另一个输出端，此输出端与升压续流二极管(D4)的阴极、输出直流电容(C)的正极相接。

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