[实用新型]带储能单元的多电平变频驱动装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力电子多电平拓扑结构，具体是指一种带储能单元的多电平变频调速装置的拓扑。

背景技术

能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪难题。我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。而我国工业用的高压大容量交流电动机目前大部分为直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费，如果能采用变频调速技术实现变速运行，则节能效果明显。因此，开发高性能高效率的大容量交流电机变频调速系统并推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。

我国现有的交流电动机200kW以下是低压380V，200kW以上电机电压等级多为6kV和10kV。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限制，传统两电平逆变器的变换装置难以满足高压大功率电能变换的要求。相比之下，多电平变换器及其相关技术具有诸多显著优点，包括：(1)、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小；(2)、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平；(3)、以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题。因此，多电平逆变器及其相关技术被业界认为在高压大容量领域中具有广阔的应用前景。

目前，多电平变换器及其相关技术在大容量变频调速领域中已取得了良好的效果和显著的经济效益，然而事实上，多电平变频调速技术仍然还有进一步节能和提高效率的潜力，这就是将生产过程中的制动能量存储再利用。对于一些要求电机快速启动，制动，和频繁正反转的系统，如高速电梯、矿井提升机、大型龙门刨床等，实现制动能量的高效利用具有十分重要的现实意义。

目前采用多电平技术的中高压变频装置有交-直-交电压型多电平结构的变频装置和电压型H桥串联的变频装置。

已有的交-直-交电压型多电平变频装置结构，前级的交-直部分多采用不可控整流器，通过电网或恒定的交流电压源来供电，后级的直-交部分采用多电平逆变器，以获得相应的多电平电压输出。对于后级的多电平逆变器结构，目前主要应用的是二极管箝位型结构。附图1所示的是传统的三电平二极管箝位型交-直-交电压型变频装置。

已有的H桥串联型变频器的主电路一般结构如图2所示，图2a中副边多重化移相隔离变压器为各H桥功率单元提供三相交流输入，每个H桥功率单元为三相不可控整流、两电平H桥逆变器和直流母线电容结构，如图2b所示，每个H桥使用低压开关器件，多个H桥单元输出串联实现高压输出，输出电压波形更接近正弦，不用输出滤波器，同时网侧电流谐波小。

交-直-交电压型多电平结构的变频装置和电压型H桥串联的变频装置，他们的应用已经取得了一定的效果，但也存在着一些问题。如上述这两类变频装置，前级输入都采用的是不可控整流器，由于不可控整流器各桥臂使用的是单向导通的二极管，所以在电机制动时，制动能量无法反向流动。对于这部分制动能量，传统的做法是在电机处于制动状态时，将一个制动电阻串联开关再并联接到直流母线上，如图3所示，将制动能量完全转化为制动电阻上的热能损耗掉。这种结构对于需要电机频繁启动制动的调速系统而言，能量的浪费是巨大的。

实用新型内容：

本实用新型的目的是设计一种高效节能的多电平变频调速装置的拓扑结构，本实用新型解决了大容量电机变频调速中制动能量的储存及再利用的问题，同时在不增加系统输入电源的前提下，实现了输出电压电平数的增加，还可以提高系统的可靠性，该变频装置可以应用于中高压调速领域。

本实用新型的特征在于，其系统结构如图4a所示，包含有：多绕组副边移相隔离变压器1，H桥串联变频装置2，一组储能逆变器装置3以及全数字控制器4：

所述的多绕组副边移相隔离变压器，是指其原边绕组为三相绕组，输入为电网电压，副边绕组为多组三相绕组，每一组三相绕组输出的线电压相位依次移过相同相位角；

所述的H桥串联变频装置，将上述每一组三相绕组连接一个H桥功率变换单元，把不同相移的三相绕组连接的多级两电平H桥功率变换单元的输出进行串联，如图4a中2所示，其中所述的每一个两电平H桥功率变换单元，如图2b所示，包括整流部分1，逆变部分2和直流母线电容及其检测环节3；

所述整流部分为三相功率二极管不控整流部分，其三相输入端和多绕组副边移相隔离变压器副边的输出端相连接，其输出电压母线端与逆变部分连接；