TWI439024B - 一種級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組 - Google Patents

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Description

一種級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組
本發明涉及變頻器技術領域，更具體地，涉及一種級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組。
隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，大功率變頻器不斷地成熟應用起來，特別是在中、高壓器件應用的可靠性還不是太高且價格昂貴的情况下，近年人們通過低壓的功率單元級聯的方式使這一問題得到很好的解决，因此級聯變頻器應用的領域和範圍也越來越廣泛，這使得高效、合理地利用能源（尤其是電能）成爲了可能。
在級聯變頻器中，功率單元的數目根據變頻器電壓等級不同而不同。例如6kV變頻器，每相通常有5個或者6個功率單元串聯，每個功率單元提供相同的輸出電壓，共有15個或者18個功率單元，而10kV變頻器，功率單元的數目更是多達27個，如此多的功率單元，一旦某個功率單元發生故障，如果沒有合理的處理措施，則整個變頻器發生故障，無法繼續運行，就會造成一定的經濟損失或者將事故擴大化。變頻器的可靠性由於功率單元數目多而變低。
功率單元旁路電路可以有效解决這個問題。由於功率單元在正常工作時是主電路導通，即主電路正常工作，則整個變頻器可正常工作，因此級聯型變頻器功率單元的旁路電路（BY PASS Circuit）是在一功率單元的主電路發生故障時，爲了不造成整個變頻器系統停機，將故障功率單元的主電路旁路（短路）的一種旁路裝置。現有技術中，在級聯型變頻器中，每個功率單元都有一個旁路電路，當某個功率單元的主電路發生故障而不能正常輸出電壓時，爲了不造成整個變頻器停機，需要利用故障單元的旁路電路將故障部分旁路（短路），即對應的旁路電路切上工作，這樣故障功率單元的主電路就會被旁路掉，就可以使整個變頻器繼續運行，保證不會由於變頻器停機造成經濟或者其他損失。
中國專利申請201010218945.2公開一種單元級聯高壓變頻器的單元旁路電路，該旁路電路功率單元出現故障時，需要手動閉合機械操作刀閘，更換出現故障的功率單元後再將該機械操作刀閘斷開，效率低下。
現有技術還公開一種如圖1所示的采用接觸器的機械方式作爲旁路電路的技術方案，其由輔助開關KM控制其切合或者斷開，此旁路電路可靠性高，在小功率變頻器系統中很有優勢，但在大功率變頻器系統中，由於接觸器體積大且成本高，會使得系統設計更加複雜，成本較高。
綜上所述，現有技術的級聯型變頻器中的旁路電路具有成本高，體積大等缺點，需要進一步改進。
本發明的目的在於提供一種級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組，有效地解决了現有的旁路電路成本較高、體積大等問題，其電路結構簡單、導通損耗低、可靠性高。
爲實現本發明目的而提供的一種級聯型變頻器功率單元旁路模組，用於旁路該功率單元的主電路模組，該主電路模組包括熔斷器、整流器、母線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的一第一輸出端和一第二輸出端，包括旁路電路；該旁路電路包括一第一開關元件、一第二開關元件、一第一二極管和一第二二極管；該旁路電路包括一第一橋臂和一第二橋臂，該第一橋臂包括一開關元件，該第二橋臂包括一二極管；從該旁路電路的第一橋臂上引出一點作爲該旁路電路的第一輸入端，從該旁路電路的第二橋臂上引出一點作爲該旁路電路的第二輸入端，該第一輸入端和該主電路模組的第一輸出端電性連接，該第二輸入端和該主電路模組的第二輸出端電性連接；當該主電路模組發生故障且旁路電路切上工作時，該旁路電路的一開關元件和一二極管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組。
其中，該第一開關元件爲第一絕緣栅雙極型晶體管，該第二開關元件爲第二絕緣栅雙極型晶體管。
其中，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極電性連接，該第一二極管的陽極和該第二二極管的陰極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第一二極管的陰極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二二極管的陽極電性連接；在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第二絕緣栅雙極型晶體管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；在該第一二極管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；該第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第二絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組,使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組,使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極電性連接，該第一二極管的陰極和該第二二極管的陽極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第一二極管的陽極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二二極管的陰極電性連接；在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第二絕緣栅雙極型晶體管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；在該第一二極管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；該第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第二絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第一二極管的陽極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二二極管的陽極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二二極管的陰極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第一二極管的陰極電性連接；在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第一二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；在該第二絕緣栅雙極型晶體管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；該第一二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第一絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
其中，該旁路電路還包括吸收電路，該吸收電路包括一吸收電容，該吸收電容並聯於該旁路電路的兩端。
其中，該吸收電路還包括第三保護電阻；該吸收電容和該第三保護電阻串聯連接後，並聯於該旁路電路的兩端。
其中，還包括第一保護電阻和第二保護電阻；該第一保護電阻的一端與該吸收電容的一端電性連接，該第一保護電阻的另一端與該母線電容一端電性連接；該第二保護電阻的一端與該吸收電容的另一端電性連接，該第二保護電阻的另一端與該母線電容的另一端電性連接。
其中，該旁路電路還包括RC支路和旁路電路狀態檢測單元；該RC支路包括第四電阻和儲能電容，該第四電阻和該儲能電容串聯連接後並聯在該旁路電路的兩端；該旁路電路狀態檢測單元與該RC支路並聯，用於檢測該旁路電路是否工作。
其中，還包括旁路控制電路，該旁路控制電路與該第一開關元件和該第二開關電性連接，用於控制該第一開關元件和該第二開關元件的導通或斷開。
其中，該第一絕緣栅雙極型晶體管和第二絕緣栅雙極型晶體管的門極與該旁路控制電路連接。
本發明還公開一種級聯型變頻器功率單元，包括主電路模組、功率單元控制模組和旁路模組；該主電路模組包括熔斷器、整流器、母線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的兩個輸出端；該旁路模組爲如前所述的旁路模組；該旁路電路的兩個輸入端與該主電路模組的兩個輸出端對接；功率單元控制模組與該主電路模組和該旁路模組電性連接。
其中，該功率單元控制模組包括控制電路和故障檢測單元；該故障檢測單元用於檢測該主電路模組是否故障；該控制電路用於在故障檢測單元檢測出故障時，發送故障檢測信號。
其中，該故障檢測單元包括缺相檢測電路和/或橋臂故障檢測電路；該缺相檢測電路與經過該熔斷器的交流電源的三相輸入電性連接，用於檢測該主電路模組在交流輸入端是否發生故障；該橋臂故障檢測電路與該H逆變橋電性連接，用於檢測該H逆變橋是否發生故障。
本發明還公開一種級聯型變頻器，包括移相變壓器、功率單元和三相負載，該功率單元包括主電路模組、旁路模組和功率單元控制模組；該主電路模組包括熔斷器、整流器、母綫線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的兩個輸出端；該旁路模組爲如權利要求申請專利範圍第1項至第17項任一項所述的旁路模組；該旁路電路的兩個輸入端與該主電路模組的兩個輸出端對接；功率單元控制模組與該主電路模組和該旁路模組電性連接。
其中，該移相變壓器包括至少一副邊繞組。
其中，該移相變壓器的每一副邊繞組的三相輸出分別和該功率單元的三相輸入端連接。
其中，該功率單元控制模組包括控制電路和故障檢測單元；該故障檢測單元用於檢測該主電路模組是否故障；該控制電路用於在故障檢測單元檢測出故障時，發送故障檢測信號。
其中，該故障檢測單元包括缺相檢測電路和/或橋臂故障檢測電路；該缺相檢測電路與經過該熔斷器的交流電源的三相輸入電性連接，用於檢測該主電路模組在交流輸入端是否發生故障；該橋臂故障檢測電路與該H逆變橋電性連接，用於檢測該H逆變橋是否發生故障。
其中，該級聯型變頻器還包括一變頻器控制系統，當該故障檢測單元檢測到功率單元的主電路模組發生故障，該控制電路産生故障信號發送到該變頻器控制系統，該變頻器控制系統發送控制信號到該功率單元控制模組，觸發該旁路模組的該旁路控制電路，該旁路控制電路將該旁路電路切上工作以旁路故障的主電路模組。
其中，該級聯型變頻器還包括一變頻器控制系統，當該故障檢測單元檢測到功率單元的主電路模組發生故障，該控制電路産生故障信號發送到該變頻器控制系統，該變頻器控制系統發送控制信號觸發該旁路控制電路，該旁路控制電路將該旁路電路切上工作以旁路故障的主電路模組。
本發明的有益效果是：本發明的級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組，當該主電路模組發生故障且旁路電路切上工作時，該旁路電路的一開關元件和一二極管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組，在保證變頻器正常運行的同時，損耗較小，電路結構簡單，在大功率變頻器系統中具有很好的成本優勢。
爲了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明的一種級聯型變頻器、功率單元及其旁路模組進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在實施方式和申請專利範圍中，除非文中對於冠詞有特別限定，否則“一”與“該”可泛指單一個或複數個。
本文中所使用的“約”、“ 大約”或“大致”用以修飾任何可稍微變化的數量，但這種稍微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，以“約”、“ 大約”或“大致”所修飾的數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地是於百分五之以內。
實施例一
如圖2所示，本發明實施例一提供了一種級聯型變頻器，包括移相變壓器T11和至少一個功率單元。
如圖2所示，作爲一種示例方式，是一6kV的具有18個功率單元的級聯型變頻器系統示意圖，該級聯變頻器包括移相變壓器T11和三相級聯設置的18個功率單元（Power Cell），其中，每相由6個功率單元級聯輸出，該6個低壓的功率單元通過級聯的方式輸出高壓。
圖3爲圖2中一個具有旁路模組2的功率單元的電路圖，該具有旁路模組2的功率單元包括主電路模組1、旁路模組2以及功率單元控制模組3。作爲一種可實施方式，該主電路模組1包括熔斷器11、整流器12、母線電容13、H逆變橋（逆變橋臂）14。
作爲一種可實施方式，移相變壓器的一個副邊繞組的三相（U、V、W）輸出分別連接一個功率單元的三相輸入端，且此三相交流電經整流器12整流爲直流電，於本實施例中，該整流器12爲二極管整流，於其它實施例中，可爲其它形式的整流器。整流器12輸出的直流電壓連接到母線電容13上，然後，H逆變橋14將該直流電壓逆變爲交流電壓，每一H逆變橋14包括一第一輸出端A和一第二輸出端B，即每一個功率單元的主電路模組1都具有一第一輸出端A和一第二輸出端B。
如圖2所示，在級聯變頻器中，功率單元A1、A2、A3、A4、A5、A6級聯輸出變頻器的第一相電壓，即，功率單元A1的第二輸出端B連接功率單元A2的第一輸出端A，功率單元A2的第二輸出端B連接功率單元A3的第一輸出端A，功率單元A3的第二輸出端B連接功率單元A4的一輸出端A，功率單元A4的第二輸出端B連接功率單元A5的第一輸出端A，功率單元A5的第第二輸出端B連接功率單元A6的第一輸出端A以得到該變頻器的第一相輸出。同樣地，功率單元B1、B2、B3、B4、B5、B6級聯設置以得到該變頻器的第二相輸出，功率單元C1、C2、C3、C4、C5、C6級聯設置以得到該變頻器的第三相輸出，所輸出的三相電壓爲電機等三相負載供電。
本發明實施例一中的移相變壓器T11是一種現有技術，本領域技術人員根據本發明實施例一公開的技術方案內容能够實現該移相變壓器T11，因此，在本發明實施例一中，不再一一詳細描述。
作爲一種可實施方式，本發明實施例一的旁路模組2包括旁路電路21和旁路控制電路22。
作爲一種可實施方式，功率單元的H逆變橋14可以由任何其開關狀態受其控制端控制的開關元件構成。作爲本可實施方式，功率單元的H逆變橋14的開關元件爲絕緣栅雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor），其包括第三絕緣栅雙極型晶體管Q3、第四絕緣栅雙極型晶體管Q4，第五絕緣栅雙極型晶體管Q5和第六絕緣栅雙極型晶體管Q6；第三絕緣栅雙極型晶體管Q3和第四絕緣栅雙極型晶體管Q4串聯組成該H逆變橋14的一橋臂，第五絕緣栅雙極型晶體管Q5和第六絕緣栅雙極型晶體管Q6串聯組成該H逆變橋14的另一橋臂。兩橋臂的兩端電性連接組成功率單元的H逆變橋14。該H逆變橋14的一橋臂的中點爲H逆變橋14(也即主電路模組1)的第一輸出端，即輸出端A；該H逆變橋14的另一橋臂的中點爲H逆變橋14(也即主電路模組1)的第二輸出端，即輸出端B。且主電路模組1的兩輸出端連接到旁路電路21的兩輸入端。
如圖4所示，作爲一種實施例方式，該功率單元控制模組3包括控制電路31和故障檢測單元32。故障檢測單元32包括缺相檢測電路321和/或橋臂故障檢測電路322，於其它實施例中，功率單元亦可包括其它形式的故障檢測電路。
在級聯型變頻器的功率單元正常工作時，本發明的旁路模組2不工作，變頻器各相的功率單元中的逆變橋臂的輸出端串聯以得到變頻器的各相輸出。一旦級聯型變頻器中的一個或多個功率單元發生故障，如缺相檢測電路321檢測到功率單元的輸入端有缺相和/或橋臂故障檢測電路322檢測到主電路模組1的逆變橋臂發生故障，則控制電路31産生故障信號發送到變頻器控制系統（未顯示）；再由變頻器控制系統發送控制信號到功率單元控制模組3，觸發該旁路模組2的旁路控制電路22，旁路控制電路22將該旁路電路21切上工作以旁路相應功率單元的主電路模組；或者，由變頻器控制系統（未顯示）直接發送控制信號到旁路控制電路22，其後旁路控制電路22將旁路電路21切上工作以旁路相應故障的功率單元的主電路模組1。如此以來，即使其中一個或多個功率單元發生故障整個級聯型變頻器仍能繼續工作，大大提高了變頻器系統運行的可靠性。
實施例二
作爲一種可實施方式，本發明實施例一的級聯型變頻器的功率單元旁路模組，包括旁路電路21和旁路控制電路22。
該旁路電路21包括一第一開關元件、一第二開關元件、一第一二極管和一第二二極管；
該旁路電路21包括一第一輸入端和一第二輸入端，該第一輸入端和該主電路模組1的第一輸出端電性連接，該第二輸入端和該主電路模組1的第二輸出端電性連接。當該主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作時，該旁路電路21的一開關元件和一二極管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組1。
該第一開關元件和該第二開關元件爲任何其開關狀態受其控制端控制的開關元件。
如圖5所示，作爲一種可實施方式，旁路電路21的開關元件爲絕緣栅雙極型晶體管，旁路電路21包括第一絕緣栅雙極型晶體管Q1、第二絕緣栅雙極型晶體管Q2、第一二極管D1和第二二極管D2。
該第一絕緣栅雙極型晶體管Q1和該第二絕緣栅雙極型晶體管Q2串接組成第一橋臂，第一絕緣栅雙極型晶體管Q1的發射極和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2的集電極電性連接。該第一二極管D1和該第二二極管D2串接組成第二橋臂，第一二極管D1的陽極和該第二二極管D2的陰極電性連接。第一橋臂和第二橋臂的兩端對接，即第一絕緣栅雙極型晶體管Q1的集電極和第一二極管D1的陰極電性連接，第二絕緣栅雙極型晶體管Q2的發射極和第二二極管D2的陽極電性連接。
第一絕緣栅雙極型晶體管Q1和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2同向串接，第一二極管D1和第二二極管D2也同向串接。
在第一絕緣栅雙極型晶體管Q1和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2之間的一點引出一導線作爲該旁路電路21的第一輸入端；在第一二極管D1和第二二極管D2之間的一點引出一導線作爲該旁路電路21的第二輸入端。
作爲一種可實施方式，如圖6所示，爲主電路模組1與旁路電路21連接的示意圖。功率單元的主電路模組1的第一輸出端A電性連接到旁路電路21的第一輸入端；功率單元的主電路模組1的第二輸出端B電性連接到旁路電路21的第二輸入端，即圖3中所示點A也爲該旁路電路21的第一輸入端，點B也爲該旁路電路21的第二輸入端。
該旁路電路21的第一二極管D1和第一絕緣栅雙極型晶體管Q1組成一條支路；而第二二極管D2和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2組成另一條支路，在交流輸出的的負半周期或正半周期內，兩條支路中的一條支路導通。
如圖7所示，如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲負，第二輸入端（B）接收的電流爲正，也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流出電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流入電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第一二極管D1和第一絕緣栅雙極型晶體管Q1導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作，電流方向如圖7中箭頭所示。
如圖8所示，如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲正，第二輸入端（B）接收的電流爲負也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流入電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流出電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第二二極管D2和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作，電流方向如圖8中箭頭所示。
如圖9所示，作爲旁路電路21的另一種可實施方式，該第一絕緣栅雙極型晶體管Q1的集電極和該第二絕緣栅雙極型晶體管Q2的發射極電性連接構成旁路電路21的第一橋臂；該第一二極管D1的陰極和該第二二極管D2的陽極電性連接構成旁路電路21的第二橋臂，第一橋臂和第二橋臂的兩端電性連接。其中第一橋臂的中點作爲旁路電路21的第一輸入端A；第二橋臂的中點作爲旁路電路21的第二輸入端B。
如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲正，第二輸入端（B）接收的電流爲負也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流入電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流出電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第一二極管D1和第一絕緣栅雙極型晶體管Q1導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲負，第二輸入端（B）接收的電流爲正也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流出電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流入電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第二二極管D2和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
如圖10所示，作爲旁路電路21的再一種可實施方式，該第一絕緣栅雙極型晶體管Q1管的發射極和該第一二極管D1的陽極電性連接構成旁路電路21的第一橋臂，第二絕緣栅雙極型晶體管Q2管的發射極和第二二極管D2的陽極電性連接構成旁路電路21的第二橋臂，第一橋臂和第二橋臂的兩端電性連接。其中第一橋臂的中點作爲旁路電路21的第一輸入端A；第二橋臂的中點作爲旁路電路21的第二輸入端B。
如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲正，第二輸入端（B）接收的電流爲負也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流入電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流出電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第一二極管D1和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
如在旁路電路21的第一輸入端（A）接收的電流爲負，第二輸入端（B）接收的電流爲正也即功率單元的逆變橋臂的第一輸出端A流出電流，功率單元的逆變橋臂的第二輸出端B流入電流時，主電路模組1發生故障且旁路電路21切上工作，則旁路電路21的第二二極管D2和第一絕緣栅雙極型晶體管Q1導通以旁路相應的主電路模組1，使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
如圖11所示，該級聯型變頻器的功率單元旁路模組還設置有旁路控制電路22，該旁路控制電路22電性連接至旁路電路21的該開關元件，用以控制該開關元件的斷開或導通。
以圖5所示的旁路電路21爲例來說明該旁路控制電路22與該旁路電路21的連接關係。該第一絕緣栅雙極型晶體管Q1和第二絕緣栅雙極型晶體管Q2的門極與該旁路控制電路22連接，該旁路控制電路22用於控制該兩個絕緣栅雙極型晶體管的導通或斷開，該旁路控制電路22還與該功率單元控制模組連接。
在級聯型變頻器的功率單元正常工作時，本發明的旁路模組2不工作，變頻器各相的功率單元中的逆變橋臂的輸出端串聯以得到逆變橋臂的各相輸出。一旦級聯型變頻器中的其中一個或多個功率單元發生故障，則控制電路將故障檢測電路檢測到的故障信號發送到變頻器控制系統（未顯示）；再由變頻器控制系統發送控制信號到功率單元控制模組3，觸發該功率單元的旁路控制電路22，旁路控制電路22將該旁路電路21切上工作，將該發生故障的功率單元的主電路模組1短路，從而保證在某一功率單元的主電路模組1發生故障時，切換到功率單元的旁路上進行工作，進而不影響整個級聯型變頻器的其他功率單元的正常工作，大大提高了變頻器系統運行的可靠性。
實施例三
作爲一種可實施方式，本發明所提供的旁路模組2包括旁路電路21和旁路控制電路22，該旁路電路21包括第一絕緣栅雙極型晶體管Q1、第二絕緣栅雙極型晶體管Q2、第一二極管D1、第二二極管D2和一吸收電路211。
作爲一種可實施方式，該吸收電路211爲一吸收電容C1。如圖12所示，以圖5所示的旁路電路21爲例，該吸收電容C1並聯於該旁路電路21也即該第一二極管D1和該第二二極管D2串接的橋臂的兩端。
參見圖13，圖13所示爲如圖12所示的旁路電路21連接到主電路模組1上的一種實施方式，該主電路模組1的兩個輸出端分別和旁路電路21的兩個輸入端電性連接。
作爲一種可實施方式，該功率單元還包括第一保護電阻R1和第二保護電阻R2，該第一保護電阻R1的一端與該吸收電容C1的一端連接，該第一保護電阻R1的另一端與該主電路模組1的母線電容13的一端連接；該第二保護電阻R2的一端與該吸收電容C1的另一端連接，該第二保護電阻R2的另一端與該主電路模組1的母線電容13的另一端連接。
主電路模組1的母線電容13的漏感比較大和/或在主電路模組1發生故障導致主電路模組1的H逆變橋14的絕緣栅雙極型晶體管關斷很快時，如果主電路模組1的輸出被短路，則可能在主電路模組1的H逆變橋14保護關斷時，在主電路模組1的輸出端A和B之間産生很高的電壓尖峰和/或伴隨高頻電壓振蕩，且振蕩峰值很大。此電壓尖峰可能接近或超過旁路電路21的絕緣栅雙極型晶體管等器件的電壓安全工作區。
因此，爲了防止絕緣栅雙極型晶體管等器件被損壞，作爲一種可實施方式，旁路電路21設置了該吸收電容C1，且設置了該第一保護電阻R1和該第二保護電阻R2，在功率單元正常工作時該主電路模組1通過該第一保護電阻R1和該第二保護電阻R2給吸收電容C1充電以防止在功率單元正常工作時，旁路電路21形成全橋整流結構對吸收電容C1進行充電而導致功率單元的不正常工作，提高了系統運行的可靠性。由於絕緣栅雙極型晶體管Q1和Q2以及二極管D1和D2的漏電流較小，該第一保護電阻R1和該第二保護電阻R2的損耗也比較小。
如圖14所示，作爲一種可實施方式，該吸收電路211還包括第三電阻R3。該吸收電容 C1和該第三電阻R3串接後並聯於該旁路電路21也即由該第一二極管D1和該第二二極管D2串聯連接組成的橋臂的兩端。
如圖15所示，作爲一種可實施方式，該旁路電路21還包括一串聯的RC支路以及一旁路電路狀態檢測單元212，其中該RC支路由第四電阻R4和儲能電容C2串聯連接構成，並聯在旁路電路21橋臂的兩端，該旁路電路狀態檢測單元212用於檢測旁路電路21是否切上工作。
當功率單元正常工作時，輸出端（A、B）輸出脉衝電壓，通過旁路電路21的第一絕緣栅雙極型晶體管Q1或第二絕緣栅雙極型晶體管Q2上固有的反並聯二極管，以及旁路電路21的第二二極管D2或第一二極管D1形成整流電路，給並聯的RC支路的儲能電容C2充電，此時第四電阻R4的阻值可選擇很大，例如爲幾十千歐，儲能電容C2的電壓一直保持高電壓。
當功率單元的主電路模組1發生故障時，旁路電路21切上工作，即同時導通絕緣栅雙極型晶體管Q1和Q2，這樣RC支路的電容C2上的電壓會迅速的放到零。因此可以通過檢測RC支路的電容C2上的電壓來確定旁路電路21的工作狀態，當電容C2上的電壓爲高電位時認爲功率單元正常工作，也即旁路電路21沒有切上工作；當電容C2上的電壓爲低電位時認爲功率單元的主電路模組1發生故障，也即旁路電路21切上工作。
作爲一種可實施方式，在變頻器功率等級比較大時，本發明實施例二和實施例三中的旁路電路21的該第一開關元件和該第二開關元件可設置由多個開關元件並聯構成。例如當該第一開關元件和該第二開關元件爲第一絕緣栅雙極型晶體管和第二絕緣栅雙極型晶體管時，該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第二絕緣栅雙極型晶體管可爲多個絕緣栅雙極型晶體管並聯構成。
本發明實施例的級聯型變頻器的功率單元的旁路電路21，在旁路電路21切上工作時，只有一條支路在工作，即每個時刻只有一條支路上的二極管和開關元件兩個功率器件導通，導通的器件少,損耗比較小,且本發明提供的旁路電路21結構比較簡單，可靠性高。而且，通過吸收電容C1和保護電阻（R1、R2）可進一步保護其旁路電路21的可靠性，進而提高級聯型變頻器的可靠性。而且，通過一個RC支路和一個旁路電路狀態檢測單元212可準確地檢測到旁路電路21的工作狀態。
最後應當說明的是，很顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型。
1．．．主電路模組
11．．．熔斷器
12．．．整流器
13．．．母線電容
14．．．H逆變橋(逆變橋臂)
2．．．旁路模組
21．．．旁路電路
211．．．吸收電路
212．．．旁路電路狀態檢測單元
22．．．旁路控制電路
3．．．功率單元控制模組
31．．．控制電路
32．．．故障檢測單元
321．．．缺相檢測電路
322．．．橋臂故障檢測電路
KM ．．．輔助開關
T11．．．移相變壓器
A．．．第一輸出端
A1~A6．．．功率單元
B．．．第二輸出端
B1~B6．．．功率單元
C1~C6．．．功率單元
C1．．．吸收電容
C2．．．儲能電容
D1．．．第一二極管
D2．．．第二二極管
Q1．．．第一絕緣柵雙極型晶體管
Q2．．．第二絕緣柵雙極型晶體管
Q3．．．第三絕緣柵雙極型晶體管
Q4．．．第四絕緣柵雙極型晶體管
Q5．．．第五絕緣柵雙極型晶體管
Q6．．．第六絕緣柵雙極型晶體管
R1．．．第一保護電阻
R2．．．第二保護電阻
R3．．．第三電阻
R4．．．第四電阻
圖1爲現有技術的一種接觸器式旁路電路的示意圖。
圖2爲本發明的級聯型變頻器的結構示意圖。
圖3爲本發明的功率單元的一種實施方式的示意圖。
圖4爲本發明實功率單元的另一種實施方式示意圖。
圖5爲本發明旁路電路的一種實施方式的結構示意圖。
圖6爲本發明一種實施方式中主電路模組與旁路電路連接的示意圖。
圖7爲本發明旁路電路的一種電流流向示意圖。
圖8爲本發明旁路電路的另一種電流流向示意圖。
圖9爲本發明旁路電路的另一種實施方式的結構示意圖。
圖10爲本發明旁路電路的再一種實施方式的結構示意圖。
圖11爲本發明旁路模組的一種實施方式的結構示意圖。
圖12爲本發明帶有吸收電容的旁路電路的結構示意圖。
圖13爲本發明另一種實施方式中主電路模組與旁路電路連接的示意圖。
圖14爲本發明帶有吸收電容和第三電阻的旁路電路的結構示意圖。
圖15爲本發明再一種實施方式中主電路模組與旁路電路連接的示意圖。
1．．．主電路模組
21．．．旁路電路
A．．．第一輸出端
B．．．第二輸出端
D1．．．第一二極管
D2．．．第二二極管
Q1．．．第一絕緣柵雙極型晶體管
Q2．．．第二絕緣柵雙極型晶體管
Q3．．．第三絕緣柵雙極型晶體管
Q4．．．第四絕緣柵雙極型晶體管
Q5．．．第五絕緣柵雙極型晶體管
Q6．．．第六絕緣柵雙極型晶體管

Claims (27)

  1. 一種級聯型變頻器功率單元旁路模組，用於旁路該功率單元的主電路模組，該主電路模組包括熔斷器、整流器、母線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的一第一輸出端和一第二輸出端，其特徵在於，包括旁路電路；
    　　該旁路電路包括一第一開關元件、一第二開關元件、一第一二極管和一第二二極管；
    　　該旁路電路包括一第一橋臂和一第二橋臂，該第一橋臂包括一開關元件，該第二橋臂包括一二極管；
    　　從該旁路電路的第一橋臂上引出一點作爲該旁路電路的第一輸入端，從該旁路電路的第二橋臂上引出一點作爲該旁路電路的第二輸入端，該第一輸入端和該主電路模組的第一輸出端電性連接，該第二輸入端和該主電路模組的第二輸出端電性連接；
    　　當該主電路模組發生故障且旁路電路切上工作時，該旁路電路的一開關元件和一二極管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該第一開關元件爲第一絕緣栅雙極型晶體管，該第二開關元件爲第二絕緣栅雙極型晶體管。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；
    　　該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極電性連接，該第一二極管的陽極和該第二二極管的陰極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第一二極管的陰極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二二極管的陽極電性連接；
    　　在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第二絕緣栅雙極型晶體管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；
    　　在該第一二極管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；
    　　該第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第二絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；
    　　該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組,使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組,使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；
    　　該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極電性連接，該第一二極管的陰極和該第二二極管的陽極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第一二極管的陽極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二二極管的陰極電性連接；
    　　在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第二絕緣栅雙極型晶體管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；
    　　在該第一二極管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；
    　　該第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第二絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；
    　　該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路包括該第一絕緣栅雙極型晶體管、該第二絕緣栅雙極型晶體管、該第一二極管和該第二二極管；
    　　該第一絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第一二極管的陽極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的發射極和該第二二極管的陽極電性連接，該第一絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第二二極管的陰極電性連接，該第二絕緣栅雙極型晶體管的集電極和該第一二極管的陰極電性連接；
    　　在該第一絕緣栅雙極型晶體管和該第一二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第一輸入端；
    　　在該第二絕緣栅雙極型晶體管和該第二二極管之間的一點引出一導線作爲該旁路電路的第二輸入端；
    　　該第一二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管組成第一條支路，該第二二極管和該第一絕緣栅雙極型晶體管組成第二條支路；
    　　該主電路模組的第一輸出端電性連接該旁路電路的第一輸入端，該主電路模組的第二輸出端電性連接該旁路電路的第二輸入端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲正，第二輸入端接收的電流爲負時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第一二極管和第二絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路的第一輸入端接收的電流爲負，第二輸入端接收的電流爲正時，功率單元的主電路模組發生故障且旁路電路切上工作，則該旁路電路的第二二極管和第一絕緣栅雙極型晶體管導通以旁路相應的功率單元的主電路模組使整個級聯型變頻器仍能繼續工作。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路還包括吸收電路，該吸收電路包括一吸收電容，該吸收電容並聯於該旁路電路的兩端。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該吸收電路還包括第三保護電阻；
    　　該吸收電容和該第三保護電阻串聯連接後，並聯於該旁路電路的兩端。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，還包括第一保護電阻和第二保護電阻；
    　　該第一保護電阻的一端與該吸收電容的一端電性連接，該第一保護電阻的另一端與該母線電容一端電性連接；該第二保護電阻的一端與該吸收電容的另一端電性連接，該第二保護電阻的另一端與該母線電容的另一端電性連接。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該旁路電路還包括RC支路和旁路電路狀態檢測單元；
    　　該RC支路包括第四電阻和儲能電容，該第四電阻和該儲能電容串聯連接後並聯在該旁路電路的兩端；
    　　該旁路電路狀態檢測單元與該RC支路並聯，用於檢測該旁路電路是否工作。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，還包括旁路控制電路，該旁路控制電路與該第一開關元件和該第二開關電性連接，用於控制該第一開關元件和該第二開關元件的導通或斷開。
  17. 如申請專利範圍第2項及第16項所述之級聯型變頻器功率單元旁路模組，其特徵在於，該第一絕緣栅雙極型晶體管和第二絕緣栅雙極型晶體管的門極與該旁路控制電路連接。
  18. 一種級聯型變頻器功率單元，其特徵在於，包括主電路模組、功率單元控制模組和旁路模組；
    　　該主電路模組包括熔斷器、整流器、母線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的兩個輸出端；
    　　該旁路模組爲如申請專利範圍第1項至第17項任一項所述的旁路模組；
    　　該旁路電路的兩個輸入端與該主電路模組的兩個輸出端對接；
    　　功率單元控制模組與該主電路模組和該旁路模組電性連接。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之級聯型變頻器功率單元，其特徵在於，該功率單元控制模組包括控制電路和故障檢測單元；
    　　該故障檢測單元用於檢測該主電路模組是否故障；
    　　該控制電路用於在故障檢測單元檢測出故障時，發送故障檢測信號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之級聯型變頻器功率單元，其特徵在於，該故障檢測單元包括缺相檢測電路和/或橋臂故障檢測電路；
    　　該缺相檢測電路與經過該熔斷器的交流電源的三相輸入電性連接，用於檢測該主電路模組在交流輸入端是否發生故障；
    　　該橋臂故障檢測電路與該H逆變橋電性連接，用於檢測該H逆變橋是否發生故障。
  21. 一種級聯型變頻器，包括移相變壓器、功率單元和三相負載，其特徵在於，該功率單元包括主電路模組、旁路模組和功率單元控制模組；
    　　該主電路模組包括熔斷器、整流器、母線電容、H逆變橋，從該H逆變橋上引出兩點作爲該主電路模組的兩個輸出端；
    　　該旁路模組爲如申請專利範圍第1項至第17項任一項所述的旁路模組；
    　　該旁路電路的兩個輸入端與該主電路模組的兩個輸出端對接；
    　　功率單元控制模組與該主電路模組和該旁路模組電性連接。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該移相變壓器包括至少一副邊繞組。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該移相變壓器的每一副邊繞組的三相輸出分別和該功率單元的三相輸入端連接。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該功率單元控制模組包括控制電路和故障檢測單元；
    　　該故障檢測單元用於檢測該主電路模組是否故障；
    　　該控制電路用於在故障檢測單元檢測出故障時，發送故障檢測信號。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該故障檢測單元包括缺相檢測電路和/或橋臂故障檢測電路；
    　　該缺相檢測電路與經過該熔斷器的交流電源的三相輸入電性連接，用於檢測該主電路模組在交流輸入端是否發生故障；
    　　該橋臂故障檢測電路與該H逆變橋電性連接，用於檢測該H逆變橋是否發生故障。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該級聯型變頻器還包括一變頻器控制系統，當該故障檢測單元檢測到功率單元的主電路模組發生故障，該控制電路産生故障信號發送到該變頻器控制系統，該變頻器控制系統發送控制信號到該功率單元控制模組，觸發該旁路模組的該旁路控制電路，該旁路控制電路將該旁路電路切上工作以旁路故障的主電路模組。
  27. 如申請專利範圍第21項所述之級聯型變頻器，其特徵在於，該級聯型變頻器還包括一變頻器控制系統，當該故障檢測單元檢測到功率單元的主電路模組發生故障，該控制電路産生故障信號發送到該變頻器控制系統，該變頻器控制系統發送控制信號觸發該旁路控制電路，該旁路控制電路將該旁路電路切上工作以旁路故障的主電路模組。
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