[发明专利]一种能量回馈型三相高压变频器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种能量回馈型三相高压变频器。

背景技术

当前，工业节能已经受到社会的广泛重视，高压电动机作为重要的耗电设备，也越来越多的采用了变频调速技术以实现经济运行。

自Peter W.Hammond在1995年提出单元串联多重化脉冲宽度调制(PWM)高压变频器以来，这种通过低压电力电子变换技术实现高压电机变频调速的方法由于输出电压波型好、输入谐波电流低、成本低、维护方便，已经成为高压变频调速技术的主流。单元串联多重化PWM高压变频器，通过移相变压器实现多脉波整流，改善了变频器的输入电流特性；将功率单元等分为三相，通过低压功率单元的单相交流输出叠加获得高压单相交流，进而实现高压三相交流输出；通过同输出相功率单元的移相载波调制实现高压变频器的多电平输出，并降低了输出电压变化率和输出谐波电流。

传统的变频器只能实现电能由电网向变频器的单向输送，不能实现电能由变频器向电网的回馈，因而更多地应用于风机、水泵类负载。对于需要频繁起停的牵引、提升类负载，由于电机制动时往往产生巨大的制动能量，必须将其回馈到电网。在不污染电网的前提下将制动能量向电网回馈，就成为对牵引、提升类高压变频器的基本功能要求。

采用“有源前端”技术，即在输入变压器的副边绕组和功率单元之间串入电抗器、功率单元改用全控桥有源整流，可以实现单元串联多重化PWM高压变频器的能量回馈。

图1A描述的是一个2KV单元串联多重化PWM高压变频器的方案，图1B是其功率单元的电路示意图。图1A中的高压变频器包括一个三相移相主变压器1、六个结构相同的三相电抗器(如2AU)、六个电路一致的功率单元(如3’AU)和主控制器5。移相主变压器1包括一路三相原边绕组11和六路三相副边绕组(如12AU)，其原边绕组11与三相高压电网8连接；六路副边绕组分成两组，每组的三路结构相同，而两组副边绕组之间电压相位相差30度。每个功率单元(如3’AU)为三相交流580V输入、单相交流580V输出的能量回馈型低压变频器，六个功率单元分成U、V、W三相，每相的两个功率单元(如3’AU和3’BU)的输出串联分别实现三相(如U相)高压输出，三相高压输出的一端连接在一起作为三相输出的中性点O，另外一端U、V、W作为高压变频器的输出，用于驱动高压电机7。

在主变压器1的各路副边绕组(如12AU)与对应的功率单元(如3’AU)之间，分别接入三相电抗器(如2AU)，以承受主变压器副边绕组(如12AU)与功率单元(如3’AU)输入端(如a1、b1、c1)之间的电压差；各功率单元(如3’AU)的整流桥是采用固态开关如绝缘栅极三极管(IGBT)的三相全控桥31’，以实现功率单元的能量双向传输。

主控制器5通过光纤与各功率单元(如3’AU)连接。根据电机的驱动要求向各功率单元(如3’AU)的单相逆变桥33’输出各固态开关(331-334)的PWM开关信号，控制逆变桥固态开关(如331)的开关动作；接收各功率单元(如3’AU)的运行信息，以进行集中处理。功率单元(如3’AU)内的整流控制电路36接收功率单元对应的主变压器副边绕组(如12AU)的电压信号、电流信号和功率单元(如3’AU)的直流母线电压(p-n)信号，决定功率单元(如3’AU)的三相全控整流桥31’内各固态开关(311-316)的PWM开关逻辑信号，使各功率单元(如3’AU)的输入电流与对应的主变压器副边绕组(如12AU)的电压相位相同(从电网吸取能量)或相反(向电网回馈能量)。

在这种单元串联多重化PWM高压变频器中，各功率单元都是单相输出，当输出频率较低时，功率单元中直流母线电压波动较大，导致变频器输出谐波电流增大，会影响到电机的启动性能和低速运转性能；增大功率单元的滤波电容能够加以改善，但滤波电容容量过大、价格高、寿命短，不但使高压变频器成本上升，而且也增加了使用过程中的维护工作量；主变压器为移相变压器，主变压器的副边绕组路数过多(6路，18绕组)，制造工艺复杂，提高了主变压器的制造成本；功率单元数量过多(6个)，高压变频器共使用了60个固态功率开关，也增加了变频器的材料成本；另外，各功率单元都有独立的电压、电流检测和整流控制电路，不但提高了材料成本，而且各功率单元的整流PWM同步困难，功率单元引起的主变压器原边电流纹波无法相互抵消。

采用图1A的单元串联多重化PWM高压变频器方式，如果每相5个交流690V三相输入、单相输出的功率单元串联，可以实现三相交流6KV输入-输出的高压变频器。这时，主变压器的副边绕组将增加到81个；功率单元的数量为15个，高压变频器共使用了150个固态功率开关。