多模块并联输出均流变流器.pdf

本发明公开了一种多模块并联输出均流变流器，包括依次设置的整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块；变流器的输入为三相交流电，经整流模块后变成直流电，作为第一逆变模块和第二逆变模块的输入；第一逆变模块的四条支路和第二逆变模块的四条支路均并联在直流侧的正母排和负母排之间；第一逆变模块和第二逆变模块的输出信号，用于给牵引电机供电，驱动牵引电机运转；当牵引电机停止运行时，制动电阻开始工作，消耗变流器直流侧的正母排和负母排上的电压，保证人身安全。本发明提出的多模块并联输出均流变流器，技术难度小、投入成本低、均流效果好，完美解决了并联输出均流问题，降低了变流器生产成本与工艺难度，使大功率变流器量产成为可能。

1.  一种多模块并联输出均流变流器，其特征在于，包括依次设置的整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块；
所述第一逆变模块包括并联的四条支路，分别为第一支路、第二支路、第三支路、第四支路，每条支路由串联的两个IGBT组成；所述第二逆变模块也包括并联的四条支路，分别为第五支路、第六支路、第七支路、第八支路，每条支路也由串联的两个IGBT组成；
所述变流器的输入为三相交流电，经整流模块后变成直流电，作为第一逆变模块和第二逆变模块的输入；第一逆变模块的四条支路和第二逆变模块的四条支路均并联在直流侧的正母排和负母排之间；
其中，第一支路的两个串联IGBT间的中点和第二支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的U相输入；第三支路的两个串联IGBT间的中点和第四支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的V相输入；第五支路的两个串联IGBT间的中点和第六支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的W相输入；第七支路的两个串联IGBT间的中点和第八支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，接到制动电阻的一端，制动电阻另一端与直流负母排连接，共同构成斩波回路；
第一逆变模块和第二逆变模块的输出信号，用于给牵引电机供电，驱动牵引电机运转；当牵引电机停止运行时，制动电阻开始工作，消耗变流器直流侧的正母排和负母排上的电压，保证人身安全。

2.  根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，连接牵引电机U相的第一支路和第二支路集成在第一逆变模块中，连接牵引电机V相的第三支路和第四支路也集成在第一逆变模块中；连接牵引电机W相的第五支路和第六支路集成在第二逆变模块中；制动电阻斩波回路的第七支路和第八支路集成在第二逆变模块中；第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT均分别经脉冲分配板连接主控板，主控板接收变流器实际工况的逻辑信号，然后计算出脉冲波，通过光纤将该信号传给脉冲分配板，对该脉冲波进行分配，通过光纤分别传给第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT，从而单独控制各IGBT的开通与关断。

3.  根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中分别串联有第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第五电流传感器、第六电流传感器、第七电流传感器、第八电流传感器，用于分别检测每条输出支路的电流，确保并联支路输出电流在允许范围内一致，该八个电流传感器分别连接主控板，当并联支路输出电流超出允许范围，主控板将报出不平衡电流故障。

4.  根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述第一支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第二支路汇合的交点为终点的第一电缆，与所述第二支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第一支路汇合的交点为终点的第二电缆的长度相等；
和/或，
所述第三支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第四支路汇合的交点为终点的第三电缆，与所述第四支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第三支路汇合的交点为终点的第四电缆的长度相等；
和/或，
所述第五支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第六支路汇合的交点为终点的第五电缆，与所述第六支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第五支路汇合的交点为终点的第六电缆的长度相等；
和/或，
所述第七支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第八支路汇合的交点为终点的第七电缆，与所述第八支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第七支路汇合的交点为终点的第八电缆的长度相等。

5.  根据权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆、第五电缆、第六电缆、第七电缆、第八电缆的截面积均不小于95mm²，且每根电缆长度不小于1.5m。

多模块并联输出均流变流器
技术领域
本发明涉及变流器电路技术领域，特别是指一种多模块并联输出均流变流器。
背景技术
随着市场对大功率电力电子装置的需求不断增加，单支路器件的功率输出，逐渐无法满足工业对大功率的需求。通常，采用多个电力电子器件(如IGBT)并联的方式，来构成更高电流密度的功率模块，来提高电力电子装置的功率等级。但在多器件并联中，输出均流问题一直是个技术难题，阻碍了变流器向更高功率等级发展的步伐。
以下为几种现有的均流方法：
1)将整个变流输出的均流装置全部封装在同一块铜板上，通过对称设计、相同尺寸和相同阻抗，实现多条支路的均流；但由于全部均流装置都集中在一块铜板上，设备体积不容易提升，只能提高功率密度，却不能满足工业对大功率变流器的需求；
2)通过在输出端，串入相互交叉的限流环来抑制电流不平衡，从而达到输出端静态均流的目的；通过加入电流环来抑制不平衡电流，但是电流环的加入无疑增加了设备成本，也增加了故障可能性。
为满足工业领域大功率的需求，若单纯的改进电力电子元器件的性能，完全跟不上工业领域对功率的需求。同时，单纯从提高功率输出的角度来讲，可通过提高逆变模块的输出电压、电流，来满足大功率的要求。但是，变流器负载的额定电压大多已经成为行业标准，而且负载设备也不可能无限制的提高电压值，否则将极大的危害人身安全，因此提高逆变模块输出电流，成为最有前景的研究方向。
近年来，随着来各大厂家、科研院所对多模块并联研究的深入，并联模块输出均流问题显得日益棘手。不平衡电流的存在，将对IGBT器件产生很大的过电流冲击，加快IGBT器件的损坏速率，也因此降低了变流器的性能，增加 了设备的维护成本。均流问题得不到良好的解决，变流器多模块并联的批量生产几乎不可能实现，所谓的理论研究也会变得毫无实际价值。
发明内容
有鉴于此，本发明从生产厂家的角度出发，反复对变流器进行技术设计与方案优化，结合公司合理资源，对变流器模型进行仿真研究与样机开发，其目的在于提出一种技术难度小、投入成本低、均流效果好的多模块并联输出均流变流器，不但完美的解决了并联输出的均流问题，也降低了变流器的生产成本与工艺难度，使大功率变流器的量产成为可能。
基于上述目的，本发明提出的多模块并联输出均流变流器，包括依次设置的整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块；
所述第一逆变模块包括并联的四条支路，分别为第一支路、第二支路、第三支路、第四支路，每条支路由串联的两个IGBT组成；所述第二逆变模块也包括并联的四条支路，分别为第五支路、第六支路、第七支路、第八支路，每条支路也由串联的两个IGBT组成；
所述变流器的输入为三相交流电，经整流模块后变成直流电，作为第一逆变模块和第二逆变模块的输入；第一逆变模块的四条支路和第二逆变模块的四条支路均并联在直流侧的正母排和负母排之间；
其中，第一支路的两个串联IGBT间的中点和第二支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的U相输入；第三支路的两个串联IGBT间的中点和第四支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的V相输入；第五支路的两个串联IGBT间的中点和第六支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，作为牵引电机的W相输入；第七支路的两个串联IGBT间的中点和第八支路的两个串联IGBT间的中点并联后输出，接到制动电阻的一端，制动电阻另一端与直流负母排连接，共同构成斩波回路；
第一逆变模块和第二逆变模块的输出信号，用于给牵引电机供电，驱动牵引电机运转；当牵引电机停止运行时，制动电阻开始工作，消耗变流器直流侧的正母排和负母排上的电压，保证人身安全。
在一些实施方式中，连接牵引电机U相的第一支路和第二支路集成在第一逆变模块中，连接牵引电机V相的第三支路和第四支路也集成在第一逆变模块中；连接牵引电机W相的第五支路和第六支路集成在第二逆变模块中； 制动电阻斩波回路的第七支路和第八支路集成在第二逆变模块中；第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT均分别经脉冲分配板连接主控板，主控板接收变流器实际工况的逻辑信号，然后计算出脉冲波，通过光纤将该信号传给脉冲分配板，对该脉冲波进行分配，通过光纤分别传给第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT，从而单独控制各IGBT的开通与关断。
在一些实施方式中，第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中分别串联有第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第五电流传感器、第六电流传感器、第七电流传感器、第八电流传感器，用于分别检测每条输出支路的电流，确保并联支路输出电流在允许范围内一致，该八个电流传感器分别连接主控板，当并联支路输出电流超出允许范围，主控板将报出不平衡电流故障。
在一些实施方式中，所述第一支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第二支路汇合的交点为终点的第一电缆，与所述第二支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第一支路汇合的交点为终点的第二电缆的长度相等；
和/或，
所述第三支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第四支路汇合的交点为终点的第三电缆，与所述第四支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第三支路汇合的交点为终点的第四电缆的长度相等；
和/或，
所述第五支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第六支路汇合的交点为终点的第五电缆，与所述第六支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第五支路汇合的交点为终点的第六电缆的长度相等；
和/或，
所述第七支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第八支路汇合的交点为终点的第七电缆，与所述第八支路中以两个串联的IGBT之间的中点为起点并且以与第七支路汇合的交点为终点的第八电缆的长度相等。
在一些实施方式中，所述第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆、第五电缆、第六电缆、第七电缆、第八电缆的截面积均不小于95mm²，且每根 电缆长度不小于1.5m。
从上面所述可以看出，本发明提供的多模块并联输出均流变流器，通过对变流器主电路拓扑结构的设计、逆变模块内部结构的改进，逆变模块输出电缆的甄选与测试，最终提出一种均流效果良好，满足市场需求，且能批量生产的变流器输出均流的解决方案。该多模块并联输出均流变流器，将变流器并联模块的输出支路，整合在同一个逆变模块内，保证了并联输出支路的IGBT器件，由同一块主控板、同一块脉冲分配板控制开通和关断，从而确保了IGBT器件开通关断的同时性；在变流器技术方案设计时，为了抑制并联输出的不平衡电流，将变流器的并联输出支路，用等长的电缆引出，接到负载上，这样，就确保了并联输出的两条支路电缆电感量一致，抑制不平衡电流能力相当；为保证输出电缆的电感量能够有效的抑制不平衡电流，设计时对输出电缆进行了计算和甄选，要求并联输出的电缆截面积不小于95mm²，且每根电缆长度不小于1.5m。
附图说明
图1为本发明提供的多模块并联输出均流变流器实施例的原理示意图；
图2为本发明提供的多模块并联输出均流变流器实施例中逆变模块的原理示意图；
图3为本发明提供的多模块并联输出均流变流器实施例中逆变模块的控制原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
相关技术术语的名词解释：
DRU：整流模块；
INU：逆变模块；
IGBT：绝缘栅双极型晶体管；
LH3～LH10：电流传感器；
制动电阻：是波纹电阻的一种，主要用于变流器控制牵引电机快速停车的机械系统中，帮助牵引电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了 区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
参照附图1，为本发明提供的多模块并联输出均流变流器实施例的原理示意图。
图1示出为变流器主电路拓扑结构，所述多模块并联输出均流变流器，包括依次设置的整流模块DRU、第一逆变模块INU1、第二逆变模块INU2；
所述第一逆变模块INU1内封装了一个直流电容和八个IGBT，包括并联的四条支路，分别为第一支路、第二支路、第三支路、第四支路，每条支路由串联的两个IGBT组成，并联成整个第一逆变模块INU1；所述第二逆变模块INU2内也封装了一个直流电容和八个IGBT，也包括并联的四条支路，分别为第五支路、第六支路、第七支路、第八支路，每条支路也由串联的两个IGBT组成，并联成整个第二逆变模块INU2；
所述变流器的输入为三相交流电，经整流模块后变成直流电，作为第一逆变模块INU1和第二逆变模块INU2的输入；第一逆变模块INU1的四条支路和第二逆变模块INU2的四条支路均并联在直流侧的正母排(DCP)和负母排(DCN)之间；如图2所示，DCP、DCN为每个逆变模块的直流输入端，其中DCP为正母排，DCN为负母排；每个逆变模块均有A、B、C、D共四路输出，通过软件控制IGBT器件的开通关断，输出三相交流电；
其中，第一支路的两个串联IGBT间的中点A1和第二支路的两个串联IGBT间的中点B1并联后输出，作为牵引电机的U相输入(即：第一支路的两个串联的IGBT之间的中点A1引出的信号与第二支路的两个串联的IGBT之间的中点B1引出的信号汇集于第一交点T1并一起作为牵引电机的U相的输入)，牵引电机的U相；第三支路的两个串联IGBT间的中点C1和第四支路的两个串联IGBT间的中点D1并联后输出，作为牵引电机的V相输入(即：第三支路的两个串联的IGBT之间的中点C1引出的信号与第四支路的两个串联的IGBT之间的中点D1引出的信号汇集于第二交点T2并一起作为牵引电机的V相的输入，牵引电机的V相)；第五支路的两个串联IGBT间的中点A2和第六支路的两个串联IGBT间的中点B2并联后输出，作为牵引电机的W相输入(即：第五支路的两个串联的IGBT之间的中点A2引出的信号与第六支路的两个串联的IGBT之间的中点B2引出的信号汇集于第三交点T3并一 起作为牵引电机的W相的输入，牵引电机的W相)；通过控制这几条支路中IGBT的开通关断，变流器输出三相交流电，供牵引电机使用；第七支路的两个串联IGBT间的中点C2和第八支路的两个串联IGBT间的中点D2并联后输出，接到制动电阻的一端，制动电阻另一端与直流负母排连接，共同构成斩波回路(制动回路)(即：第七支路的两个串联的IGBT之间的中点C2引出的信号与第八支路的两个串联的IGBT之间的中点D2引出的引出线汇集于第四交点T4并连接制动电阻的一端Chop，制动电阻另一端DC-连接直流侧负母排(DCN)并构成斩波回路)；当牵引电机停运时，通过控制这两条支路IGBT的开通关断，使制动支路导通，消耗变流器中直流电容存储的电量，保证检修人员的人身安全；
第一逆变模块INU1和第二逆变模块INU2的输出信号，用于给牵引电机供电，驱动牵引电机运转；当牵引电机停止运行时，制动电阻开始工作，消耗变流器直流母排(DCP和DCN)上的电压，保证人身安全。
结合参照附图2和附图3，二者分别为本发明提供的多模块并联输出均流变流器实施例中逆变模块的原理示意图以及逆变模块的控制原理示意图。
较佳的，如图2和图3所示(结合参照图1)，连接牵引电机U相的第一支路和第二支路集成在第一逆变模块INU1中，连接牵引电机V相的第三支路和第四支路也集成在第一逆变模块INU1中；连接牵引电机W相的第五支路和第六支路集成在第二逆变模块INU2中；制动电阻斩波回路的第七支路和第八支路集成在第二逆变模块INU2中；第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT均分别经脉冲分配板连接主控板，主控板接收变流器实际工况的逻辑信号，然后计算出脉冲波，通过光纤将该信号传给脉冲分配板，由脉冲分配板对该脉冲波进行分配，并通过光纤分别传给第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路、第八支路中的每个IGBT，从而单独控制各IGBT的开通与关断。可见，每条支路IGBT器件的开通关断，均由同一块主控板进行控制算法的计算，由同一块脉冲分配板发送脉冲，由同一根光纤传输光信号，这样就保证了支路中的IGBT器件开通关断的同时性。当然，也可为成对的两条支路单独连接脉冲分配板或者单独连接脉冲分配板和主控板，也都是可以实现的。
进一步的，参照附图1，第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第 五支路、第六支路、第七支路、第八支路中分别串联有第一电流传感器LH3、第二电流传感器LH4、第三电流传感器LH5、第四电流传感器LH6、第五电流传感器LH7、第六电流传感器LH8、第七电流传感器LH9、第八电流传感器LH10，用于分别检测每条输出支路的电流(电流传感器LH3～LH6检测第一逆变模块INU1的输出支路的电流，LH7～LH10检测第二逆变模块INU2的输出支路的电流，电流传感器测得的电流值，作为电机的过电流保护、不平衡电流保护)，确保并联支路输出电流在允许范围内一致，该八个电流传感器分别连接主控板，当并联支路输出电流超出允许范围，主控板将报出不平衡电流故障。
从电路理论上可知，支路阻抗的大小对支路电流的影响很大。在变流器方案设计时，考虑到电缆的电感量与电缆长度关系密切。为保证并联支路对不平衡电流的抑制作用相当，要求并联支路的电缆长度一致。具体长度如下表所示：

因此，较佳的，参照附图1，所述第一支路中以两个串联的IGBT之间的中点A1为起点并且以与第二支路汇合的第一交点T1为终点的第一电缆，与所述第二支路中以两个串联的IGBT之间的中点B2为起点并且以与第一支路汇合的第一交点T1为终点的第二电缆的长度相等(即第一电缆和第二电缆长度相等)；
和/或，
参照附图1，所述第三支路中以两个串联的IGBT之间的中点C1为起点并且以与第四支路汇合的第二交点T2为终点的第三电缆，与所述第四支路中以两个串联的IGBT之间的中点D1为起点并且以与第三支路汇合的第二交点T2为终点的第四电缆的长度相等(即第三电缆和第四电缆长度相等)；
和/或，
参照附图1，所述第五支路中以两个串联的IGBT之间的中点A2为起点并且以与第六支路汇合的第三交点T3为终点的第五电缆，与所述第六支路中以两个串联的IGBT之间的中点B2为起点并且以与第五支路汇合的第三交点T3为终点的第六电缆的长度相等(即第五电缆和第六电缆长度相等)；
和/或，
参照附图1，所述第七支路中以两个串联的IGBT之间的中点C2为起点并且以与第八支路汇合的第四交点T4为终点的第七电缆，与所述第八支路中以两个串联的IGBT之间的中点D2为起点并且以与第七支路汇合的第四交点T4为终点的第八电缆的长度相等(即第七电缆和第八电缆长度相等)。
进一步的，经过技术设计、仿真结果和样机验证，为保证输出电缆的电感量能够有效的抑制不平衡电流，设计时对输出电缆进行了选型。基本要求为：所述第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆、第五电缆、第六电缆、第七电缆、第八电缆的截面积均不小于95mm²，且每根电缆长度不小于1.5m。
从上述实施例可以看出，本发明提供的多模块并联输出均流变流器，解决大功率变流器因模块并联，而产生的不平衡电流的技术难题；本发明将逆变模块的并联输出支路的IGBT器件，集中在同一个逆变模块内，保证IGBT器件开通关断的同时性；并联输出支路采用截面积95mm²以上，长度1.5m以上，且等长的电缆，保证每条支路的不平衡电流能够得到有效的抑制，且抑制能力相当。
本发明提供的多模块并联输出均流变流器，均流效果好，结构简单、安装方便，经济成本合理，适合工业变流器的批量生产；在具体实现方式上，简单易行；并联支路的IGBT器件，都由同一块主控板，同一块脉冲分配板控制开通与关断，降低了控制算法对时间精准度要求，因此降低了主控板对程序的要求，同时也降低了变流器的开发成本；本发明对变流器输出电缆有比较严格的要求，利用电缆电感来抑制不平衡电流，代替了了均流电抗器、均流环等器件的作用，降低了变流器成本，也保证了均流的效果；本发明中，每条输出支路上都配有电流传感器，能够实时的检测各支路的电流值，当不平衡电流过大时，变流器报故障跳闸，确保了并联输出的均流作用。
需要特别指出的是，除了本发明中已经清楚描述的变流器双模块并联输出均流方案外，对变流器输出进行三模块并联、四模块并联，且所有并联支路的 IGBT器件，都由同一块主控板、脉冲分配板来控制开通关断的技术方案都应当属于本发明的保护范围。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。