[发明专利]中压变频驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种变频驱动系统，尤其涉及一种三相中压变频驱动系统。

背景技术

在电动机械或感应马达的控制当中，马达的速度调节是一个重要的课题，习知的电动机械中采用的传统直流调速技术，因硬件体积大且故障率高而使其应用受限。

变频器(Variable-frequency Drive，VFD)，是应用变频技术与电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动组件。

变频器的作用是改变感应马达的交流供电频率和振幅，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制感应马达转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器配合交流式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，使得电路系统得以缩小体积并降低维修率。

其中，中压变频调速系统，目前应用广泛，在大型风机、水泵、牵引、传动等方面都具有广阔的前景。中压变频调速系统需要具备以下几个主要功能：安全、快速、宽范围地变频调速；良好的网侧功率因子；良好的输入输出电流谐波等。

同时，由于中压(系指介于1kV～35kV的电压，常见应用以6kV为例)系统中，对于开关组件耐压的要求很高，此目前最常见的中压变频调速系统主要采用多层级的级联型(cascade)方案，请参照图1与图2，图1绘示习知技术中采用多层级架构的中压变频调速系统300的示意图，图2绘示图1的习知中压变频调速系统300的功率单元320内部电路示意图。如图1所示的中压变频调速系统300中，多级变压器可将电网侧高电压变换为副边多个低电压，每个副边绕组接单独的功率单元320，如图2所示，各功率单元320完成整流到逆变的工作，实现变频调速功能。变压器的引入即可解决功率器件耐压问题，又可解决网侧电流谐波问题。以多级变压器为例，多级变压器可将三相电网(一次侧)较高的输入电压变换为二次侧的较低的工作电压，二次侧的每个绕组分别耦接单独的功率单元。每个功率单元针对较低的工作电压完成整流与逆变的工作，实现变频调速功能。透过上述多级变压器的设置，可解决功率单元无法耐高压的问题，又可解决一次侧的电流谐波问题。然而，上述习知的中压变频调速系统所设置的多级变压器，其体积和重量庞大，所需成本高，且设计复杂。因此如何采用其它调速系统结构，在获得同样性能的同时可省略变压器的设置，成为重点的研究方向。

图3绘示习知的一种中压变频调速系统结构400，图3中绘示的为业界内称为背靠背(back-to-back)变频调速的系统结构，其为无变压器型中压调速系统的一种重要结构。这种背靠背变频调速的中压变频调速系统结构400基于二极管箝位型三电平拓扑，多电平的设计可使开关管耐压降低一半，且整流侧与逆变侧采用对称结构，可有效控制网侧功率因子与谐波，并可调节电机四象限运行，实现能量回馈。这种能量回馈的特性在升降机类负载应用中具有重大意义。

然而，上述习知的无变压器型中压变频调速系统仍设置有大量的开关组件，结构相对复杂，成本亦居高不下。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明揭露一种中压变频驱动系统，其中在整流前端采用三相切换式维也纳整流技术，在逆变后端则配合二极管箝位型三电平逆变器，共同实现完整的中压变频调速系统。这种变频调速结构基于二极管箝位型三电平拓扑，开关组件耐压与背靠背变频结构一致，而开关组件数量大幅减少，对于风机、水泵类无需能量回馈的负载，则可以采用单象限结构，牺牲能量回馈功能，节约开关组件，降低成本。

相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)整流器，本申请的实施例中所提出的三相维也纳式整流模块的电路结构，其开关组件可减少至少一半，以功率二极管取而代之。且在本申请提出的三相维也纳式整流模块的电路结构中，部分的二极管不需要与开关组件在较高的开关频率(如1200Hz左右)下换流，对其反向恢复特性要求大大降低，成本可进一步降低。此外，本申请的部分实施例中提出的三相切换式整流模块中，因为换流二极管的存在限制了电流的方向性，即使同相有两个开关组件且两个开关组件同时开启或同时关闭亦不会发生直通现象，即不会影响有效开关组件的正常工作，在控制上简单可靠。