一种级联型能馈式高压变流器.pdf

本发明公开了一种级联型能馈式高压变流器，由多绕组整流变压器、3组N个单相输入的功率单元和控制系统组成。所述的多绕组整流变压器采用原边三相三角形输入、副边3组N个单相电压输出，每一个副边绕组与一个功率单元的输入端相连接。高压变流器各相输出由N个功率单元的输出端级联而成，三相间采用星型连接。所述的功率单元主要包括由IGBT构成的H桥整流电路、电容滤波电路、由IGBT构成的H桥逆变电路、旁路电路和单元控制电路。所述的高压变流器控制系统通过光纤以星型网络方式与各个功率单元的控制电路相连接。本发明的功

1、  一种级联型能馈式高压变流器，其特征在于：该变流器包括多绕组整流变压器(1)、3组且每组N个单相输入的功率单元(2)；所述的多绕组整流变压器(1)原边的三相三角形输入由电网侧接入，副边绕组有3组×N个且每一个副边绕组与一个功率单元(2)的输入端相连接，高压变流器的每相输出由本组中的N个功率单元输出级联而成，三相之间采用星型接法，其中：N＝V1/V2，V1为变流器需要的输出电压，V2为功率单元的输出电压。

2、  根据权利要求1所述的级联型能馈式高压变流器，其特征在于：所述的功率单元(2)包括：四个整流IGBT即第一IGBT(Q1)、第二IGBT(Q2)、第三IGBT(Q3)、第四IGBT(Q4)组成H桥可控整流电路(3)，整流电路(3)的输入端分别通过熔断器(8)、电感(9)连结到交流输入端，整流电路(3)的输出端连结到并联的电阻(R1)和电容(R1)组成的电容滤波电路(4)两端；四个整流IGBT即第五IGBT(Q5)、第六IGBT(Q6)、第七IGBT(Q7)、第八IGBT(Q8)组成H桥逆变电路(5)，逆变电路(5)的输入端连结到电容滤波电路(4)的两端，输出端接有旁路电路(6)。

3、  根据权利要求1所述的级联型能馈式高压变流器，其特征在于：多绕组整流变压器(1)采用原边三相三角形输入、副边3组N个单相电压输出，其中副边第一组绕组由原边线电压AB变压而来，包括a₁₁b₁₁、a₁₂b₁₂、a₁₃b₁₃……a_1Nb_1N；第二组绕组由原边线电压BC变压而来，包括b₂₁c₂₁、b₂₂c₂₂、b₂₃c₂₃、……b_2Nc_2N；第三组绕组由原边线电压CA变压而来，包括c₃₁a₃₁、c₃₂a₃₂、c₃₃a₃₃、……c_3Na_3N；变压器各副边绕组之间相互绝缘；每个功率单元最大输出电压为V且副边按照三组顺序排列，则副边绕组的组间绝缘电压不得小于N×V。

4、  根据权利要求1所述的级联型能馈式高压变流器，其特征在于所述的旁路单元(6)包括：四个整流二极管即第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、第一整流三极管(3)、第四整流二极管(D4)组成不可控的旁路整流H桥，旁路整流H桥的输入连结到逆变电路(5)的输出端上，旁路整流H桥的正、负极分别连接到晶闸管(S1)的阳、阴极，并在晶闸管(S1)两端连接有电阻(R2)、电容(C2)组成的RC电路。

一种级联型能馈式高压变流器
技术领域
本发明涉及高压变流器领域，尤其涉及一种能馈式级联型高压变流器。
背景技术
随着电力电子技术的进步，高压大功率电力电子技术在电力系统中得到了越来越广泛的应用。中国是能源消耗大国，而能源利用效率相对很低，因此变流器等节能设备的应用尤为关键。中国变流器市场目前正处于一个高速增长的时期，而且在通用机械、金属机床、空调、电梯、冶金等行业得到广泛应用，并在发挥越来越重要的作用。特别是，大功率高压变流器的应用日益广泛。
级联型高压变流器以其无需高压功率器件，易于提高输出电压等级以及输出电流谐波低等优点很好地解决了风机、泵类等高压大功率负载场合的电机调速问题，并取得了显著的节能效果。但传统的基于不可控整流桥功率单元的级联型高压变流器存在输入电流对电网产生严重的谐波污染，能量只能单向流动，无法应用于矿井提升机等要求能量双向流动的负载场合等问题，限制了其进一步的应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种级联型能馈式高压变流器，它可在输入电流近似正弦，当负载的高压电动机处于再生制动状态时，将再生能量回馈到电网，保证了电动机系统的安全可靠运行，进而拓展了应用场合。
技术方案：本发明是在改进传统的功率单元的基础上实现的。对于每个级联单元，用单相PWM整流器代替了不可控整流桥，而原有的H桥逆变器保持不变。借助PWM整流器优良的输入电流控制特性和能量双向可控等特点，实现高压电机系统的能量回馈。将各个功率单元输入端通过整流变压器并联，输出端级联，即构成了馈能式级联型变流器。级联型能馈式高压变流器由多绕组整流变压器、若干个能馈式功率单元模块以及控制系统构成。
本发明的级联型能馈式高压变流器包括多绕组整流变压器、3组且每组N个单相输入的功率单元；所述的多绕组整流变压器原边的三相三角形输入由电网侧接入，副边绕组有3组×N个且每一个副边绕组与一个功率单元的输入端相连接，高压变流器的每相输出由本组中的N个功率单元输出级联而成，三相之间采用星型接法，其中：N＝V1/V2，V1为变流器需要的输出电压，V2为功率单元的输出电压。
所述的功率单元包括：四个整流IGBT即第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT组成H桥可控整流电路，整流电路的输入端分别通过熔断器、电感连结到交流输入端，整流电路的输出端连结到并联的电阻和电容组成的电容滤波电路两端；四个整流IGBT即第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT组成H桥逆变电路，逆变电路的输入端连结到电容滤波电路的两端，输出端接有旁路电路。
多绕组整流变压器采用原边三相三角形输入、副边3组N个单相电压输出，其中副边第一组绕组由原边线电压AB变压而来，包括a₁₁b₁₁、a₁₂b₁₂、a₁₃b₁₃……a_1Nb_1N；第二组绕组由原边线电压BC变压而来，包括b₂₁c₂₁、b₂₂c₂₂、b₂₃c₂₃、……b_2Nc_2N；第三组绕组由原边线电压CA变压而来，包括c₃₁a₃₁、c₃₂a₃₂、c₃₃a₃₃、……c_3Na_3N；变压器各副边绕组之间相互绝缘；每个功率单元最大输出电压为V且副边按照三组顺序排列，则副边绕组的组间绝缘电压不得小于N×V。
所述的旁路单元包括：四个整流二极管即第一整流二极管、第二整流二极管、第一整流三极管、第四整流二极管组成不可控的旁路整流H桥，旁路整流H桥的输入连结到逆变电路的输出端上，旁路整流H桥的正、负极分别连接到晶闸管的阳、阴极，并在晶闸管两端连接有电阻、电容组成的RC电路。
有益效果：
(1)通过将PWM整流器引入到级联单元中，可实现高压变流器的能量回馈功能。采用此方案的高压变流器输入电流正弦性好，以近似单位功率因数运行；当应用的异步电动机处于再生发电状态时，输入电流自动反相，能量从电动机流向电网，并保持母线电压恒定，保证了系统安全可靠运行。可使输出转速、转矩变化平稳，能快速产生再生制动转矩，系统很快达到稳定。
(2)高压变流器的控制系统采用光纤与功率单元通讯，保证了可靠的电气隔离，从而使得高压变流器的数字控制部分能够安全地工作。
(3)在电路设计中，每个功率单元均装有旁路单元，一旦发生故障，电路可以自动切换到旁路，实现了不因某个或某几个功率单元的故障而影响整个系统的工作。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是级联型能馈式高压变流器的结构示意图；
图2是功率单元的内部结构示意图图；
图3是控制系统与各功率单元的连接方式示意图；
具体实施方式
如图1所示，本发明的级联型能馈式高压变流器由多绕组整流变压器1、3组N个能馈式功率单元模块2以及控制系统构成。
多绕组整流变压器1采用原边三相三角形输入、副边3组N个单相电压输出，其中副边第一组绕组由原边线电压AB变压而来，包括a₁₁b₁₁、a₁₂b₁₂、a₁₃b₁₃……a_1Nb_1N；第二组绕组由原边线电压BC变压而来，包括b₂₁c₂₁、b₂₂c₂₂、b₂₃c₂₃、……b_2Nc_2N；第三组绕组由原边线电压CA变压而来，包括c₃₁a₃₁、c₃₂a₃₂、c₃₃a₃₃、……c_3Na_3N。变压器各副边绕组之间相互绝缘，假定每个功率单元最大输出电压为V且副边按照三组顺序排列，则副边绕组的组间绝缘电压不得小于N×V。
多绕组变压器原边从电网侧接入三相电，副边每一绕组与一个功率单元相连接。第一组绕组a₁₁b₁₁、a₁₂b₁₂、a₁₃b₁₃……a_1Nb_1N分别并联接入功率单元A1、A2、A3、……AN，此N个功率单元的输出侧级联以组成输出的A相。B、C相同此，然后三相以星型方式连接，从而形成输出侧的三相A’、B’、C’。
如图2所示，本高压变流器的功率单元包括：由IGBT构成的的H桥整流电路3、电容滤波电路4、由IGBT构成的H桥逆变电路5、旁路电路6、单元控制电路7、熔断器8、电感9和散热器。
其中，整流电路3和逆变电路5均是由IGBTQ1-Q8组成H桥电路，且每个IGBT均有与其反并联的二极管，以此来保护IGBT。
功率单元的电容滤波电路4采用RC并联的结构，亦可采用多组并联方式相连接的串联电解电容阵列和平衡电阻。由于电解电容的耐压等级较低，当功率单元直流侧达kv时，只有采用串联方式以提高耐压，但串联后等效电容值会降低，故采用多组串联电容并联的方式，并采用平衡电阻均衡各串联电容上的电压。
功率单元的旁路单元6包括晶闸管S1、单相二极管整流桥D1-D4以及并联的RC电路R2、C2。RC电路用于平滑电压波形和减少输出的du/dt，保证晶闸管能够可靠地导通，而电阻R2的附加作用还用于当变流器退出运行后释放电容C2的电荷。
功率单元的单元控制电路7主要用于接受控制系统的指令、控制本单元IGBT的通断和旁路的运作，并将本单元的错误信息编码上传给控制系统。
功率单元中还包括熔断器8及电感9，熔断器8用于输入侧的过流保护，电感9用于滤除网侧的电流谐波。
如图3所示，高压变流器的控制系统用于控制高压变流器各个功率单元的协同运作，其通过光纤以星型网络的方式与各个功率单元相连接，其中与每个功率单元相连的有两组光纤，一组为下行控制光纤10，一组为上行信息反馈光纤11。