CN2713730Y - 软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，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、一个直流平波电抗器、一个瞬时停电保护电路、一个电流型三相IGBT逆变器，三相全桥二极管整流器的直流输出接到软开关直流升压开关变换器的直流输入端，软开关直流升压开关变换器的直流输出端经过直流平波电抗器接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，瞬时停电保护电路并接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端。这种主电路具有升压电感小、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

软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路

                     技术领域

本实用新型涉及一种电机调速装置，特别涉及一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路。

                     背景技术

变频调速装置已成功的应用在中、小容量和低压电机上，取得了巨大的节能效果。而在矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门和水厂、电厂，使用着大量的中、高压风机、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，从各火力发电厂高压厂用电动机缺陷的统计结果看，约有10％的电动机缺陷是由启动时的大电流及对绕组的过大电磁力直接引起的，定子绕组接头开焊、转子鼠笼断条等缺陷也都与直接启动有关。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方法。但由于电力半导体器件容量的限制，它们还不能简单的应用于高压变频调速系统中，因此高压变频器的成本很高，设备投资回收期较长，所以急需调速性能好、价格低的高压调速电机来解决大中型水泵的调速节能运行。

串级调速电机特别是内反馈串级调速电机及其调速控制装置是一种具有优良的性能价格比的调速节能产品，适合于矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门和水厂、电厂等领域的大中型水泵、风机的调速节能运行，一般1～2年即可通过节电效益回收全部设备投资。

串级调速是指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。

现有的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。后一种方式主电路原理图见图1，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1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，其总电流谐波畸变率大于10％，功率因数仍较低，一般小于0.8。

                     发明内容

本实用新型的目的在于提供一种带瞬时停电保护电路的软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，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，本实用新型采取的技术方案是：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、一个直流平波电抗器、一个瞬时停电保护电路、一个电流型三相IGBT逆变器，其特征在于：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，直流输出接到软开关直流升压开关变换器的直流输入端，软开关直流升压开关变换器的直流输出端经过直流平波电抗器接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，瞬时停电保护电路并接到电流型三相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由一个升压储能电抗器L1，两只半导体功率开关器件(SA、SB)，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D4以及输出直流电容器C组成，升压储能电抗器L1一端接三相全桥二极管整流器的正输出端，另一端接半导体功率开关器件(SA、SB)的漏极及反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，半导体功率开关器件(SA、SB)的源极并接到三相全桥二极管整流器的负输出端、反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的公共端及输出直流电容器C的负极，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D4的阳极，反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的另一个输出端与升压续流二极管D4的阴极、输出直流电容器C的正极相连。

上述的瞬时停电保护电路由一个功率电阻R、一个功率半导体开关S及其吸收电路、一个续流二极管DL组成，所述的功率电阻R的一端与续流二极管DL的阴极相连后接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入正极端，功率电阻R的另一端与续流二极管DL的阳极相连后接到功率半导体开关S的漏极，功率半导体开关S的源极接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入负极端，吸收电路与功率半导体开关S并联连接。

上述的电流型三相IGBT逆变器由一个标准的电流型三相IGBT逆变桥、三个输出滤波电容器(CA、CB、CC)及三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)组成，电流型三相IGBT逆变桥的直流正极接到直流平波电抗器的输出端，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(CA、CB、CC)的一端及三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)的一端，三个滤波电容器(CA、CB、CC)的另一端并接到一起后接到大地，三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)的另一端分别作为电流型三相IGBT逆变器的交流输出端。

上述的两只半导体功率开关器件(SA、SB)采用脉冲宽度调制，且驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只半导体功率开关器件工作频率的两倍。

本实用新型的优点：1)软开关直流升压开关变换器中的吸收单元是一个谐振电路，它不消耗和积累能量的，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；2)本实用新型中的瞬时停电保护电路在发生电网瞬时停电时，能迅速封锁电流型逆变器的6只IGBT开关的驱动脉冲，同时使功率IGBT开关S进入全导通状态，此后绕线电动机的速度由功率电阻R决定；当检测到电网电源恢复正常后，解除电流型逆变器的6只IGBT开关的驱动脉冲的封锁状态，使电流型逆变器进入正常工作状态，延时一定时间后封锁功率IGBT开关S的驱动信号使其截止，调速装置进入正常运行状态，避免了瞬时停电导致电机的频繁起动，减小瞬时停电对电机的冲击，延长电机的使用寿命；3)本实用新型的总电流谐波畸变率小于5％，功率因数大于0.95。

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为采用可控硅做升压和逆变开关的串级调速装置主电路。

图2是本实用新型的电路图

                   具体实施方式

参见图2，图中，由DR1-DR6组成的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组成软开关升压电路，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)的另一端作为公共端与输出直流电容(C)的负极及半导体功率开关器件(SA、SB)的源极相接。二极管D3的阴极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、电抗器LA-LC组成电流型三相IGBT逆变电路，将电能逆变回电网。电流型三相IGBT逆变器的交流输出端U、V、W可接到绕线式异步电动机的内馈绕组或接到逆变变压器的逆变侧。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。功率IGBT开关S及其吸收电路、功率电阻R和续流二极管DL构成瞬时停电保护电路。

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

本实用新型中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。

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。

本实用新型中瞬时停电保护电路的工作原理如下：当发生电网瞬时停电时，检测出停电事件后迅速封锁电流型逆变器的6只IGBT开关的驱动脉冲，同时使功率IGBT开关S进入全导通状态，此后绕线电动机的速度由功率电阻R决定；当检测到电网电源恢复正常后，解除电流型逆变器的6只IGBT开关的驱动脉冲的封锁状态，使电流型逆变器进入正常工作状态，延时一定时间后封锁功率IGBT开关S的驱动信号使其截止，之后整个装置进入正常运行状态，从二避免了瞬时停电导致电机停机。

Claims (6)

1、一种软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，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、一个直流平波电抗器、一个瞬时停电保护电路、一个电流型三相IGBT逆变器，其特征在于：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，直流输出接到软开关直流升压开关变换器的直流输入端，软开关直流升压开关变换器的直流输出端经过直流平波电抗器接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入端，瞬时停电保护电路并接到电流型三相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所述的软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，其特征在于：所述的软开关直流升压开关变换器由一个升压储能电抗器(L1)，两只半导体功率开关器件(SA、SB)，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(D4)以及输出直流电容器(C)组成，升压储能电抗器(L1)一端接三相全桥二极管整流器的正输出端，另一端接半导体功率开关器件(SA、SB)的漏极及反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的输入端，半导体功率开关器件(SA、SB)的源极并接到三相全桥二极管整流器的负输出端、反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的公共端及输出直流电容器(C)的负极，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(D4)的阳极，反向恢复电流抑制及过电压吸收电路的另一个输出端与升压续流二极管(D4)的阴极、输出直流电容器(C)的正极相连。

3、根据权利要求1所述的软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，其特征在于：所述的瞬时停电保护电路由一个功率电阻(R)、一个功率半导体开关(S)及其吸收电路、一个续流二极管(DL)组成，所述的功率电阻(R)的一端与续流二极管(DL)的阴极相连后接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入正极端，功率电阻(R)的另一端与续流二极管(DL)的阳极相连后接到功率半导体开关(S)的漏极，功率半导体开关(S)的源极接到电流型三相IGBT逆变器的直流输入负极端，吸收电路与功率半导体开关(S)并联连接。

4.根据权利要求1所述的带瞬时停电保护电路的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逆变器由一个标准的电流型三相IGBT逆变桥、三个输出滤波电容器(CA、CB、CC)及三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)组成，电流型三相IGBT逆变桥的直流正极接到直流平波电抗器的输出端，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(CA、CB、CC)的一端及三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)的一端，三个滤波电容器(CA、CB、CC)的另一端并接到一起后接到大地，三个输出滤波电抗器(LA、LB、LC)的另一端分别作为电流型三相IGBT逆变器的交流输出端。

5、根据权利要求2所述的软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，其特征在于：所述的反向恢复电流抑制及过电压吸收电路由一个电抗器(LS)、两个电容器(CS1、CS2)、三个二极管(D1-D3)组成，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)的另一端作为公共端与输出直流电容(C)的负极及半导体功率开关器件(SA、SB)的源极相接。二极管(D3)的阴极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。

6、根据权利要求2所述的软开关升压及正弦电流逆变型串级调速装置主电路，其特征在于：所述的两只半导体功率开关器件(SA、SB)采用脉冲宽度调制，且驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只半导体功率开关器件工作频率的两倍。

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