[發明專利]中壓變頻驅動系統

有效

• 申請號: 201110269272.8
• 申請日: 2011-09-13
• 公開（公告）號: CN103001573A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 張怡;陳偉;蒲波宇
• 申請（專利權）人: 臺達電子企業管理（上海）有限公司
• 主分類號: H02P27/06
• 分類號: H02P27/06;H02M5/458;H02M7/487;H02M7/217
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 曾紅

技術領域

本發明涉及一種變頻驅動系統，尤其涉及一種三相中壓變頻驅動系統。

背景技術

在電動機械或感應馬達的控制當中，馬達的速度調節是一個重要的課題，習知的電動機械中采用的傳統直流調速技術，因硬件體積大且故障率高而使其應用受限。

變頻器(Variable-frequency?Drive，VFD)，是應用變頻技術與電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動組件。

變頻器的作用是改變感應馬達的交流供電頻率和振幅，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制感應馬達轉速的目的。變頻器的出現，使得復雜的調速控制簡單化，用變頻器配合交流式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，使得電路系統得以縮小體積并降低維修率。

其中，中壓變頻調速系統，目前應用廣泛，在大型風機、水泵、牽引、傳動等方面都具有廣闊的前景。中壓變頻調速系統需要具備以下幾個主要功能：安全、快速、寬范圍地變頻調速；良好的網側功率因子；良好的輸入輸出電流諧波等。

同時，由于中壓(系指介于1kV～35kV的電壓，常見應用以6kV為例)系統中，對于開關組件耐壓的要求很高，此目前最常見的中壓變頻調速系統主要采用多層級的級聯型(cascade)方案，請參照圖1與圖2，圖1繪示習知技術中采用多層級架構的中壓變頻調速系統300的示意圖，圖2繪示圖1的習知中壓變頻調速系統300的功率單元320內部電路示意圖。如圖1所示的中壓變頻調速系統300中，多級變壓器可將電網側高電壓變換為副邊多個低電壓，每個副邊繞組接單獨的功率單元320，如圖2所示，各功率單元320完成整流到逆變的工作，實現變頻調速功能。變壓器的引入即可解決功率器件耐壓問題，又可解決網側電流諧波問題。以多級變壓器為例，多級變壓器可將三相電網(一次側)較高的輸入電壓變換為二次側的較低的工作電壓，二次側的每個繞組分別耦接單獨的功率單元。每個功率單元針對較低的工作電壓完成整流與逆變的工作，實現變頻調速功能。透過上述多級變壓器的設置，可解決功率單元無法耐高壓的問題，又可解決一次側的電流諧波問題。然而，上述習知的中壓變頻調速系統所設置的多級變壓器，其體積和重量龐大，所需成本高，且設計復雜。因此如何采用其它調速系統結構，在獲得同樣性能的同時可省略變壓器的設置，成為重點的研究方向。

圖3繪示習知的一種中壓變頻調速系統結構400，圖3中繪示的為業界內稱為背靠背(back-to-back)變頻調速的系統結構，其為無變壓器型中壓調速系統的一種重要結構。這種背靠背變頻調速的中壓變頻調速系統結構400基于二極管箝位型三電平拓撲，多電平的設計可使開關管耐壓降低一半，且整流側與逆變側采用對稱結構，可有效控制網側功率因子與諧波，并可調節電機四象限運行，實現能量回饋。這種能量回饋的特性在升降機類負載應用中具有重大意義。

然而，上述習知的無變壓器型中壓變頻調速系統仍設置有大量的開關組件，結構相對復雜，成本亦居高不下。

發明內容

因此，為了解決上述問題，本發明揭露一種中壓變頻驅動系統，其中在整流前端采用三相切換式維也納整流技術，在逆變后端則配合二極管箝位型三電平逆變器，共同實現完整的中壓變頻調速系統。這種變頻調速結構基于二極管箝位型三電平拓撲，開關組件耐壓與背靠背變頻結構一致，而開關組件數量大幅減少，對于風機、水泵類無需能量回饋的負載，則可以采用單象限結構，犧牲能量回饋功能，節約開關組件，降低成本。

相較傳統的三電平脈寬調變(pulse-width?modulation，PWM)整流器，本申請的實施例中所提出的三相維也納式整流模塊的電路結構，其開關組件可減少至少一半，以功率二極管取而代之。且在本申請提出的三相維也納式整流模塊的電路結構中，部分的二極管不需要與開關組件在較高的開關頻率(如1200Hz左右)下換流，對其反向恢復特性要求大大降低，成本可進一步降低。此外，本申請的部分實施例中提出的三相切換式整流模塊中，因為換流二極管的存在限制了電流的方向性，即使同相有兩個開關組件且兩個開關組件同時開啟或同時關閉亦不會發生直通現象，即不會影響有效開關組件的正常工作，在控制上簡單可靠。