[发明专利]四象限三电平功率单元及高压变频器

说明书

技术领域

本发明涉及高压变频器领域，更具体地说，涉及一种四象限三电平功率单元及高压变频器。

背景技术

随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频器技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量。此外，使用电机还可大幅度节约能源，降低生产成本。

功率单元串联型多电平高压变频器是目前国内厂商最为青睐的技术方案，其通过在输入端设置一台输入隔离变压器，将输入高压交流电变成多组低压交流电，每组低压交流电分别输入到一个功率单元，经整流滤波为直流电后，再逆变成为交流电，各功率单元输出的交流信号在逆变侧串联成为高压交流输出供给高压电动机。该方案采用低压器件实现高压变频输出，器件无需串联，输入输出谐波非常小，是一种很优秀的高压变频方案。

如图1所示，是功率单元串联多电平式高压变频器的结构示意图，该高压变频器主要由多副边绕组移相变压器1’、多个功率单元2’和控制系统3’构成；其中多个功率单元2’彼此串联形成频率可调的高压交流电源U、V、W。整个电路由A、B、C三相组成，每一相由功能结构相同的N个功率单元叠加而成。每一相的N个功率单元的输出端顺次相连，从而构成串联叠加的方式，控制每个功率单元的输出情况，经叠加后就可得到一个接近正弦的多阶梯波。

构成上述高压变频器的主要元器件功率单元2’的内部结构如图2所示，主要由二极管整流桥21’、并联在直流母线侧的大电容、均压电阻22’和逆变桥23’构成。

采用上述功率单元21’的高压变频器存在以下缺点：单元输出电压低，要达到高压输出需要串联的单元数量多，故障率高；输入变压器副边绕组多，制造工艺复杂；整机体积庞大，成本高；较难实现四象限运行。

如图3所示，是目前普遍使用的具备能量回馈的功率单元。该功率单元主要由二极管整流桥21、反馈桥22(由反并联在整流桥21的每一二极管的多个开关管组成)、并联在直流母线侧的母线电容和均压电阻23和逆变桥24构成。

在高压变频器正常运行时，反馈桥22关断，电路其他部分的工作与没有此反馈桥是一样的。当电机制动运行时，能量通过功率单元逆变桥24回馈到直流母线电容中，导致母线电容电压升高，当电容电压高于二极管整流桥21的整流电压峰值时，二极管整流桥关断，此时可以有选择的使反馈桥22的器件导通，将母线电容中的能量通过反馈桥、移相整流变压器反馈回电网。这种方式的功率单元虽然可以实现简单的能量回馈，但由于反馈桥开关管为半控型器件，开关频率低，导致回馈到电网的电能的谐波含量大，损耗高。且单元输出电压仍然不高，整机串联的功率单元数量并没有下降。

针对以上缺点，许多厂商也做了大量的试验来试图提高功率单元的输出电压，减少整机串联功率单元的个数。但由于功率器件耐压的限制，单元电压输出最高也只能在750V左右。仍不能将整机串联功率单元数减少，无法解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有功率单元单元输出电压不足的缺陷，提供一种四象限三电平功率单元及高压变频器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种四象限三电平功率单元，包括分别连接到直流母线的三相三电平整流桥、均压电阻、直流支撑电容模块以及单相三电平逆变桥，其中所述三相三电平整流桥与单相三电平逆变桥背靠背连接，所述三相三电平整流桥包括三相第一桥臂且每相第一桥臂包括四个功率开关管及其反并联续流功率管以及两个箝位模块，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，所述单相三电平逆变桥包括两相第二桥臂，且每相第二桥臂包括串联在所述直流母线间的四个功率开关管、两个箝位模块以及分别并联在每一所述功率开关管两端的四个续流功率管，所述箝位模块的中间抽头连接到直流支撑电容模块的中间抽头。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，还包括连接在三相电平整流桥输入端的滤波电路。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，所述直流支撑电容模块具有中间抽头，且将直流母线分为三个电平。

在本发明所述的四象限三电平功率单元中，具有旁路模块。

本发明还提供一种高压变频器，包括变压器、功率单元以及控制系统，其中，所述功率单元为以上任一项所述的功率单元。

在本发明所述的高压变频器中，包含三相功率单元电路，每相包含多个功率单元，且各单元输出侧依次串联成高压。

在本发明所述的高压变频器中，所述变压器为干式整流变压器。