[发明专利]一种高功率密度模块、模块化中压变频器及方法

说明书

本发明公开一种高功率密度模块、模块化中压变频器及方法，高功率密度模块由网侧电路、多绕组高频变压器和机侧电路构成；网侧三个单相整流器的直流侧通过三个直流电容分别与三个高频变流器的直流侧相连，三个高频变流器的交流输出端口分别通过三个LC谐振支路与高频变压器的三个绕组相连，形成网侧电路；高频变压器的其余n个绕组分别通过n个LC谐振支路与其余n个高频变流器的交流端口相连，n个高频变流器的直流侧通过n个直流电容与机侧n个单相逆变器的直流侧相连，形成机侧电路。模块化中压变频器由一个或多个高功率密度模块通过隔离端口串联或并联连接以应用于不同电压等级和功率等级的场合。本发明具有高功率密度，模块化和高效率的特性。

技术领域

本发明属于电力电子电能变换技术领域，涉及一种高功率密度模块、模块化中压变频器及方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，中压大功率电机在风机、水泵、铁路牵引和船舶推进装置等方面的应用日益广泛，而采用中压调速驱动系统可显著节省电能，优化控制，延长电机寿命，提升电机性能。其中，中压调速驱动系统的研究热点是模块化大容量变换器技术。

美国Robicon公司推出了串联H桥型变换器(Cascaded H-Bridge,CHB)，并获得了巨大的成功，由于CHB具有输出电压多电平、低dv/dt、可使用低压功率器件、较低的开关频率、简单的冗余机制、维护方便等诸多优点，成为了当今中压电机驱动的主流拓扑结构之一。CHB另一个主要特征是需要一个移相变压器来为每个子模块提供隔离的直流电源，同时通过移相来保证网侧的功率因数、降低电流谐波。但是这种移相变压器的使用有诸多的缺点：变压器内部环流大、发热高；效率低；噪声大；体积笨重；运输困难；成本高昂；制作工艺复杂等。

Marquardt教授提出了另一种中压大功率逆变器，名为模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)。MMC取消了CHB中笨重昂贵的移相变压器，直接采用公共直流母线供电，简化了系统整体结构。但是MMC各子模块电容电压波动大小与交流侧输出频率成反比关系，若利用MMC直接驱动大功率低速电机将造成较大的子模块电容电压波动，从而影响交流侧输出波形质量，严重时甚至会影响MMC以及电机的正常运行。为抑制子模块电容电压波动，通常采取增大电容容量的方式，但同时造成了电容体积和重量占比过大、系统建造维护成本过高的问题。

除此之外，MMC的开关器件和电容器数量分别增加至CHB的2倍和4倍，以增加开关器件和电容器数量为代价换取的省去工频多绕组变压器的技术思路并不能从根本上解决中压变频系统成本和功率密度问题，上述缺点限制了MMC在中压电机驱动领域的应用。因此，中压大功率电机拖动领域迫切需要开发具有较小电容容值和变压器尺寸的新一代高功率密度变换器。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种高功率密度模块、模块化中压变频器及方法，该方案具有高功率密度，模块化和高效率的特性。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种用于电机拖动的高功率密度模块，包括网侧三个单相整流器、(3+n)个直流电容、(3+n)个高频变流器、(3+n)个LC谐振支路、一个(3+n)绕组高频变压器和机侧n个单相逆变器；

网侧三个单相整流器的直流侧通过三个直流电容分别与三个高频变流器的直流侧相连，三个高频变流器的交流输出端口分别通过三个LC谐振支路与高频变压器的三个绕组相连，形成网侧电路；

高频变压器的其余n个绕组分别通过n个LC谐振支路与其余n个高频变流器的交流端口相连，n个高频变流器的直流侧通过n个直流电容与机侧n个单相逆变器的直流侧相连，形成机侧电路。

作为本发明的进一步改进，所述网侧单相整流器为单相全桥电路；所述高频变流器是全桥电路或者半桥电路；所述机侧单相逆变器为单相全桥电路；所述的高功率密度模块中的电力电子器件为MOSFET、IGBT或其他全控型开关器件。