[發明專利]一種高壓變頻裝置

無效

• 申請號: 200910090101.1
• 申請日: 2009-07-31
• 公開（公告）號: CN101989816A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發明（設計）人: 吳學智;姚吉隆;趙研峰;克晶;宋英華
• 申請（專利權）人: 西門子(中國)有限公司
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02M1/12;H02M1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及電力電子技術，具體涉及一種高壓變頻裝置。

背景技術

在工業領域，需要經常使用功率在幾百千瓦或以上的大功率電機來進行設備驅動。對于這些大功率電機，由于其輸出功率較高，因此通常采用提高額定電壓(比如采用3KV、6KV或10KV的額定電壓)的方式來降低其工作電流。所述大功率電機一般使用高壓變頻裝置進行驅動，從而可以進行電機的速率調整以在需要時實現節省能源的目的，或達到對電機所驅動的設備進行控制的要求。

對于普通的變頻電源，由于其使用的電力電子器件的耐壓等級和能夠承受的電流受到相當的限制，無法對高電壓進行操作，因此目前一般使用級聯式H橋高壓變頻裝置對輸入電壓進行調制，如圖1所示，6KV高壓變頻裝置由15個功率單元組成，每5個功率單元串聯構成一相，每相輸出電壓為3450V；三相星形連接，且每相的輸出端連接到電機進行供電，疊加后的線電壓為6KV，從而能夠實現高電壓輸出，滿足大功率電機額定輸入電壓的要求。

其中，每個功率單元為一個整流逆變裝置，能夠實現三相交流輸入和單相交流輸出。雖然每個功率單元的設計和加工都相當復雜，但大規模制造后成本能夠得到很好的控制，又由于每個功率單元完全相同，因此這種功率單元具有模塊化和可替換的優點，對于不同額定輸入電壓的電機，只需采用不同數量的功率單元按照圖1所示的方法進行串聯組合，就能夠滿足對它們進行驅動的要求。

本領域技術人員容易理解，圖1所示僅為高壓變頻裝置的原理示意圖，在實際的電路結構中，高壓變頻裝置由移相變壓器和圖1中所示的多個功率單元共同組成，其電路結構示意圖如圖2所示，其中包括：

移相變壓器210和3n個功率單元220，每相對應的功率單元為n個，n為大于等于1的正整數；

移相變壓器210為星型·三角延邊式或Z型連接式變壓器，其原邊繞組連接三相電(例如圖1所示的線電壓為6KV的輸入電壓)；移相變壓器210的副邊包含與功率單元220個數相等的繞組(通常稱為低壓隔離繞組)——即移相變壓器210的副邊包含3n個低壓隔離繞組。

每個功率單元220的輸入端連接一個低壓隔離繞組，且每一相電壓分別對應功率單元220的一個輸入端；功率單元220進一步由高壓二極管三相全橋221、電解電容223和絕緣柵雙極型晶體管(Insulated-Gate?Bipolar?Transistor，IGBT)逆變橋222組成，其中高壓二極管三相全橋221和IGBT逆變橋222的具體結構均為現有成熟技術，此外，通過調整移相變壓器的移相角設計消除輸入到各功率單元中的低次諧波的具體方法也為現有成熟技術，不再詳細介紹。

通過圖2所示的電路結構，原邊側輸入的三相交流電首先通過高壓二極管三相全橋221被整流轉化成為直流電，之后通過控制IGBT逆變橋222中四個IGBT管的柵極進行開啟和關斷操作，能夠將直流電再次轉化成指定頻率和電壓的交流電，從而實現將電能從原邊側向負載側的傳遞。

隨著電力系統、電機設備以及環保節能技術的發展，許多場合下——比如需要快速停止的電機應用場合，或者工程機械中的制動力能量回收系統等，都要求系統中的功率單元不僅能夠工作在驅動模式下，還要能夠工作在反向的再生模式下。在再生模式下，功率單元接收負載側反饋的電能，并將其傳送到電網側(即移相變壓器原邊側)進行儲存，從而能夠更有效地利用和節省能源。在這種情況下，雖然圖2所示的電路結構能夠實現大功率電機的驅動，但是卻無法滿足再生模式的工作要求，由圖2容易發現，由于高壓二極管三相全橋221中的二極管的單向導通特性，使得該電路結構下，負載側無法反饋電流并反向通過二極管，進而將反饋能量傳送給原邊繞組，因而功率單元只能夠工作在驅動模式下，這就極大地限制了圖2所示的高壓變頻裝置的應用范圍。

為了使高壓變頻裝置能夠不僅工作在驅動模式，而且還能夠工作在再生模式下，目前廣泛采用的解決方案是采用如圖3所示的功率單元進行實現，圖3所示的功率單元通常被稱為脈沖寬度調制(Pulse?Width?Modulated，PWM)整流逆變電路，該電路的三個輸入端子分別連接通過移相變壓器副邊繞組輸入的三相交流電，該電路具體包括：