專利名稱：一種關斷晶閘管的方法及其晶閘管高壓變頻器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力變流技術領域，具體涉及一種換流方法和用此方法換流的高晶閘管壓變頻器。
逆變器已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的基礎元件，在直流輸電、有源無功補償、電機變頻調(diào)速，電能的質(zhì)量控制等許多方面有著廣泛的用途。尤其是高壓三相逆變器在高壓電機變頻調(diào)速，獨立系統(tǒng)高壓直流輸電等領域有廣泛的用途和現(xiàn)實的需求。比如高壓電機的變頻調(diào)速，節(jié)電效果顯著，對節(jié)約能源有著重要的意義，有大量的社會需求。目前已應用的高壓變頻調(diào)速器多數(shù)采用高低高方式，或者采用IGBT多重化串聯(lián)的方式；如美國羅賓康公司生產(chǎn)的PERFECTHARMONY系列高壓變頻器等。但這類高壓變頻器電路復雜，造價很貴，投資回收期延長，不利于應用推廣，所以目前有許多有調(diào)速要求的場所選用了并不節(jié)能的機械調(diào)速裝置。
隨著社會的發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，電力走廊的矛盾已經(jīng)顯現(xiàn)。迫切需要一種低損耗的地下電纜直流輸電的方式向城市的用電中心輸送電力，但是這種輸電方式的前提是首要解決一種經(jīng)濟可靠的高壓無源逆變器技術。
因此，尋求一種新的途徑，研究一種經(jīng)濟可靠的高壓逆變器是很有意義的。
晶閘管是一種技術非常成熟半導體功率器件，國內(nèi)大量生產(chǎn)，價格低廉，但是它自身沒有關斷能力，在無源逆變電路里需要設置LC儲能輔助電路來對它強制關斷，換流電應力大，換流損耗高，在高壓方面存在高壓換流等技術障礙，因此晶閘管難以應用在高壓逆變器上，應用受到很大的限制。
本發(fā)明的主要目的是改進晶閘管的換流方式以克服傳統(tǒng)的LC換流的技術障礙，用晶閘管這種廉價器件制造電路簡單、造價經(jīng)濟的逆變器，特別是高壓逆變器。
本發(fā)明的又一目是晶閘管高壓逆變器采用PAM調(diào)制，以避免采用高壓PWM調(diào)制逆變器高的開關損耗，采用低壓變流器的電能質(zhì)量綜合補償器抑制PAM調(diào)制高壓逆變器輸出電壓含有的電壓諧波，使低開關頻率的高壓逆變器獲得高性能的效果。
實現(xiàn)本發(fā)明主要目的的是一種關斷晶閘管新的技術方法，本發(fā)明關斷晶閘管技術方法的特征是a、在整流回路與逆變回路之間設置斬波器，用于換流過程切斷直流電源與逆變回路之間的主回路電流；b、在與晶閘管逆變器各個橋臂與供流支路反并聯(lián)的二極管續(xù)流支路上串聯(lián)門極可控型元件，形成續(xù)流路徑可以控制的續(xù)流通道，選擇控制續(xù)流通道，控制續(xù)流電流的路徑，使需要關斷的該橋臂的供流支路的晶閘管T受反向偏置而關斷。由此該方法稱之為續(xù)流通道選擇型換流方法。
本發(fā)明其特征在于晶閘管逆變器為三相、六臂結構，每個臂由晶閘管T構成主流支路，由二極管D串聯(lián)門(基)極可控型功率電子元件DG構成可控型續(xù)流支路。
本發(fā)明其特征在于在直流電源COV與晶閘管逆變器INV之間設置了斷流斬波器GOV，斬波器采用門極可控關斷電力電子元件構成，門極可控關斷元件是指IGCT、IGBT、IEGT、GTO、GTR等。也包括采用儲能換流元件構成的晶閘管斬波閥。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于是PAM制交—直—交電壓型逆變、變頻器結構，包括高壓移相調(diào)壓整流器，高壓斷流斬波器，高壓晶閘管逆變器，和低壓電力電子元件構成的電能質(zhì)量綜合補償器。高壓移相調(diào)壓整流器移相調(diào)壓，與高壓晶閘管逆變器逆變變頻協(xié)調(diào)保持V/F變頻的頻壓比，高壓斷流斬波器斷流，為晶閘管高壓逆變器換流提供條件，晶閘管高壓逆變器逆變、變頻，輸出階梯波的三相交流電，電能質(zhì)量綜合補償器抑制高壓晶閘管逆變器輸出階梯波所含的高次諧波，補償負載過度的無功功率。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，在高壓移相調(diào)壓整流器HCOV的直流輸出與高壓晶閘管逆變器HINV之間設置有高壓斷流斬波器HGOV，高壓斷流斬波器是由多個高耐壓的IGCT串聯(lián)構成的高壓斬波閥，高壓斬波閥也可以選用GTO、HIGBT、IEGT、等其它電力電子器件，高壓斬波閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器其特征在于，高壓晶閘管逆變器是三相六臂結構，每個臂都由多個高耐壓晶閘管串聯(lián)，二極管反并串聯(lián)構成的高壓逆變閥，由晶閘管串聯(lián)構成的為閥的供流支路，二極管與晶閘管反并聯(lián)、二極管、二極管串聯(lián)構成的是閥的續(xù)流支路，由二極管反并串聯(lián)構成閥的續(xù)流支路上串聯(lián)一只門極可控的電力電子元件成為可控的續(xù)流通道，該元件包括IGBT、IGCT、GTR、MOSFET等，高壓逆變閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器其特征在于，在晶閘管高壓逆變器HINV的輸出與負載之間設置了采用低壓變流器構成的電能質(zhì)量綜合補償器UPQC，由電能質(zhì)量綜合補償器產(chǎn)生抑制晶閘管逆變器輸出電壓含有的諧波電壓的補償電壓，同時補償調(diào)壓直流電源導致的電壓波動，補償負載功率因素角的過度滯后，保證晶閘管逆變器的可靠換流。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，電能質(zhì)量綜合補償器UPQC包括串聯(lián)補償器VSC和并聯(lián)補償器VSI，串聯(lián)補償器主要功能是抑制晶閘管高壓逆變器輸出電壓含有的諧波，和補償因移相調(diào)壓整流器輸出偏離指令導致的電壓波動，并聯(lián)補償器的主要功能是補償負載的過度無功，保證晶閘管高壓逆變器可靠換流。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于串聯(lián)補償器VSC包括低壓變流器A，交流濾波器LC，串聯(lián)變壓器Ta，低壓變流器的輸出經(jīng)過濾波電感La與串聯(lián)變壓器Ta次級連接，串聯(lián)變壓器初級的進線端與晶閘管高壓逆變器的輸出端口連接，出線端與負載和并聯(lián)變流器的交流濾波器的輸出端連接。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，并聯(lián)補償器VSI包括低壓變流器B，交流濾波器LC，電壓匹配變壓器Tb，低壓變流器的輸出經(jīng)過與電壓匹配變壓器升壓與晶閘管高壓逆變器的高壓輸出電壓匹配，高壓輸出經(jīng)過濾波電感Lb、電容Cb構成的交流濾波濾除低壓變流器高頻開關調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波后，與負載的三相端口并聯(lián)連接。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于串聯(lián)補償器VSC補償晶閘管高壓逆變器輸出電壓所含諧波的方法有a、等幅完全補償，b、限幅欠壓補償，c、恒幅間歇補償三種方式a、等幅完全補償完全補償方式是串聯(lián)補償器產(chǎn)生與晶閘管高壓逆變器輸出電壓所含諧波相位相同，幅值相反，絕對值相等的補償電壓，逆變器輸出電壓所含諧波電壓與補償器輸出的補償電壓兩者完全抵消，經(jīng)過串聯(lián)補償器補償輸出的是沒有波形失真的正弦波；b、限幅欠壓補償 限幅欠壓補償是一種降低補償器容量的補償方式，限幅欠壓補償限定最大的補償幅值，在限定幅值內(nèi)的諧波予以補償，大于限定部分的幅值不予補償?shù)难a償方式，當補償限幅在最大諧波幅值的1/2時，整個周波的大于70％以上的時域都可以得到完全補償，經(jīng)過串聯(lián)補償器補償輸出的是波形失真較小的正弦波；c、恒幅間歇補償 恒幅間歇補償是一種恒定補償幅值，分時域補償?shù)囊环N方式，其補償特征是根據(jù)負載要求確定補償幅值，補償幅值一般選擇在最大諧波幅值的1/2左右，選擇波形失真最大的時區(qū)予以補償?shù)模ㄐ问д嫘〉臅r區(qū)不予補償，經(jīng)過串聯(lián)補償器輸出的波形是9點平的階梯波，波形已逼近正弦，可以滿足電機類負載的要求。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，串聯(lián)補償器VSC補償晶閘管高壓逆變器輸出電壓所含諧波的方法a、等幅完全補償，b、限幅欠壓補償，c、恒幅間歇補償?shù)娜N方法，在同一補償器三種方法各種可以單獨使用，可以兩種或三種方法結合變結構使用。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，串聯(lián)補償器VSC補償器的等幅完全補償、限幅欠壓補償、恒幅間歇補償三種方式分別是一種或二種或三種根據(jù)補償波形采樣，制表，存儲固化在ROM里，運行時實時讀取調(diào)用。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于所述指令控制單元ZK，基于CPU 80C 196MC為核心的控制器，控制器基于頻率指令f設定、采樣電機的轉(zhuǎn)速反饋信號Uc，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，調(diào)節(jié)逆變頻率，并生成晶閘管逆變器的開關時序信號，時序信號由P6口輸入至斬波器逆變器開關邏輯控制器LG，控制斬波器、逆變器的觸發(fā)；壓頻比V/F指令設定，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，運算生成調(diào)壓控制指令Uk，輸入移相調(diào)壓控制器KD控制移相調(diào)壓輸出；指令控制器ZK的頻率信號f同時輸入串聯(lián)補償控制器KA、并聯(lián)補償控制器KB作為補償器的頻率同步信號。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，所述指令控制子單元ZK，控制逆變頻率與電機對應的轉(zhuǎn)速恒定差值，恒轉(zhuǎn)差控制使負載電機無功功率控制在比較穩(wěn)定的范圍，保證晶閘管高壓逆變器的可靠換流。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器，其特征在于，所述指令控制子單元ZK，設有電機轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)CS。
下面結合實施例對本發(fā)明的目的和特征進一步加以說明。


圖1是按照本發(fā)明方法換流的晶閘管逆變器主電路2是本發(fā)明的晶閘管逆變器開關信號時序3是本發(fā)明方法換流過程電流路徑示意4是本發(fā)明方法的換流過程時序5是本發(fā)明晶閘管高壓變頻器工作原理6是本發(fā)明晶閘管高壓變頻器系統(tǒng)結構示意7是本發(fā)明晶閘管高壓變頻器主電路結構示意8是本發(fā)明高壓斬波閥、晶閘管逆變閥電路結構示意9是本發(fā)明串聯(lián)補償器補償三種補償方式電壓波形10是本發(fā)明恒幅間歇補償?shù)拇?lián)補償器輸出電壓波形圖參見圖1本發(fā)明換流方法的晶閘管逆變器主電路圖它由直流電源COV、斷流斬波器GOV、晶閘管逆變器INV和負載IM組成。斬波器設置在直流電源與晶閘管逆變器之間，選用IGCT(或其它門極可控關斷電子功率器件GTO、GTR、IGBT、IEGT等)作為斬波器的開關元件；晶閘管逆變器由U、V、W三相橋組成，每相橋的上、下臂均有晶閘管T構成臂的供流支路，二極管D與門極(基極、柵機)可控開關元件DG串聯(lián)構成可控的續(xù)流支路；可控開關元件選擇IGCT、IGBT、GTR、MOSFET等，它只承載回路各個元件的正向管壓降，因此所需的耐壓較低。各相橋臂的關系是U相橋上臂由晶閘管T1構成供流支路，由D1與DG1串聯(lián)構成續(xù)流支路，下臂由T4構成供流支路，由D4與DG4串聯(lián)構成續(xù)流支路；V相橋上臂由晶閘管T3構成供流支路、由D3與DG3串聯(lián)構成可控續(xù)流支路，下臂由T6構成供流支路，由D6與DG6串聯(lián)構成可控續(xù)流支路；W相上臂由T5構成供流支路、由D5、DG5串聯(lián)構成可控續(xù)流支路，下臂由T2構成供流支路，由D2與DG2串聯(lián)構成可控續(xù)流支路。在需要晶閘管換流時，斬波器G關斷，選控對應要求關斷橋臂里的可控續(xù)流支路上的DG通、斷，使滯后的負載電流按選控的路徑流動續(xù)流，使需要關斷橋臂的供流支路晶閘管T呈反向偏置令其關斷。
參見圖3(圖3中未標元件序號，其序號與圖1相同)，為了方便說明，以圖3的電流路徑所示換流過程，(為了圖示方便圖3中可控開關元件DG用GTO符號表示)圖中所示斬波器和三相逆變器各元件的通斷關系，圖中黑體元件表示導通狀態(tài)，白體則表示處于阻斷狀態(tài)，虛矢線表示電流的流向。換相前G導通，T1、T2、T3導通，其余均截止，電流路徑如圖3a所示，當逆變需要U相電壓換向，要求令T1由導通變?yōu)殛P斷、T4由關斷變?yōu)閷ā?br> 參見圖4，換流過程的時序關系是a、在t0前，控制電路撤消T1的觸發(fā)信號，b、在t1時刻發(fā)出DG1、DG4開通信號，由此設定了續(xù)流電流的流通路徑，c、在t2時刻發(fā)出G的關斷脈沖，使G關斷，切斷主電路的電流，d、在t3給出T4的觸發(fā)信號。在G關斷的瞬間，各相負載電流的流向不能突變，負載電流仍保持G關斷前的狀態(tài)，此時電路的電流路徑如圖3b所示，U相電流Iu由D4、DG4形成續(xù)流回路，V相電流Iv由D4、DG4、D1、DG1、T3形成續(xù)流回路，原先導通T1的受V相的續(xù)流電流Iv的作用而處于反向偏置，在T1受反向偏置的時間大于器件的關斷時間后T1恢復關斷，G可再次開通，原先導通的T3、T2保持導通，U相半橋續(xù)流支路的可控元件DG4、DG1的門極信號在周期的0--1/3π的周期保持，但由于G開通DG1承受反向電壓，原先關斷的T4雖然已經(jīng)有觸發(fā)信號，但由于U相續(xù)流電流Iu的作用，T4仍為阻斷狀態(tài)，待U相續(xù)流電流減至0后T4開始流過正向電流，U相電流換向，完成T1導通向T4導通的轉(zhuǎn)換。
當逆變部分低端的T2、T4、T6的某一元件需要關斷，同理以上關系，如U相換相結束T1關斷后過π/3，W相需要關斷T2時，撤消T2的門極觸發(fā)，給出DG2、DG5的開通信號，保持T3、T4的觸發(fā)，關斷斬波器GOV，由于GOV的關斷，負載電流不能突變，U相Iu電流經(jīng)T4、DG2、DG5、T3、與V相形成回路續(xù)流，此時由于Iu的作用使T2受反向偏置而關斷。
由上所述，續(xù)流通道選擇型換流的換流過程是按逆變時序的要求，1、撤消將需要關斷元件的觸發(fā)信號，2、給出將需要關斷元件所在的半橋續(xù)流支路的可控開關元件的柵極(基極)開通信號，3、保持原先導通、而仍需要保持導通的元件的觸發(fā)信號，4、給出斷流斬波器的關斷脈沖，關斷斷流斬波器，切斷直流電源與逆變器之間的主回路電流，5、負載電流即按設定的續(xù)流通道續(xù)流，續(xù)流電流反向流過需要關斷的該相橋臂，使該半橋供流支路的晶閘管受反向偏置而關斷，即完成換流過程，換流結束后斬波器重新開通。
本發(fā)明的方法適用于采用晶閘管制造逆變器的逆變裝置，特別適用于制造晶閘管高壓逆變裝置。高壓逆變器只需要在上述結構的基礎上，通過選用高壓器件、通過串聯(lián)滿足裝置的電壓要求。以下通過晶閘管高壓變頻器的實施例進一步對本發(fā)明加以說明本發(fā)明的中心思想是應用晶閘管這種國內(nèi)大量生產(chǎn)的廉價元件，制造低成本高性能的高壓變頻器，但是晶閘管是低頻開關元件，不能適用于高性能的高壓PWM調(diào)制，否則會產(chǎn)生較大的開關損耗導致器件發(fā)熱，和降低裝置效率。因此要充分考慮減少斬波和逆變部分的開關損耗，所以本發(fā)明晶閘管高壓逆變器采用低開關頻率PAM調(diào)制變頻，PAM調(diào)制逆變器輸出的是階梯波，它含有高次諧波，會導致電機轉(zhuǎn)矩脈動和加劇電機的發(fā)熱。同時又考慮到PAM調(diào)制電源部分是采用相控調(diào)壓，相控調(diào)壓電源的LC濾波環(huán)節(jié)是一個大慣性系統(tǒng)，在一個寬的調(diào)節(jié)范圍、和負載變化的系統(tǒng)里容易引起電壓振蕩。因此本發(fā)明采用在高壓逆變器的輸出端與負載之間串聯(lián)連接專用電能質(zhì)量綜合補償器，由專用電能質(zhì)量補償器產(chǎn)生與晶閘管逆變器輸出波形所含有的諧波相位相同，幅值相反的補償電壓，抵消逆變器輸出的諧波電壓，同時補償因直流電源波動導致的逆變器輸出交流電壓波動，和補償負載過度的無功功率，控制功率因素角。本發(fā)明的高壓變頻器的主電路是用晶閘管這種低頻開關元件構成的逆變器，實現(xiàn)高壓逆變，用低壓的高頻開關元件構成的電能綜合補償器消除高壓逆變器輸出所含的電壓諧波，因此既降低了高壓逆變器的開關損耗，又滿足了負載對波形指標的要求，同時實現(xiàn)了裝置的低成本。本發(fā)明為了晶閘管逆變器換流可靠，在負載回路采用并聯(lián)補償器補償負載的過度的無功的同時，在控制回路設置電機的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，構成系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)差控制，控制電機遠行在比較穩(wěn)定的無功功率范圍。
參見圖5、圖6、圖7，實施例2是用于高壓交流電機變頻調(diào)速的晶閘管高壓變頻器的系統(tǒng)結構圖。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器包括高壓移相調(diào)壓整流器I、高壓斬波斷流晶閘管逆變器II、電能質(zhì)量綜合補償器III三大部分構成，各個部分都有主功率電路單元和相應的控制電路子單元。工作原理是(參見圖5)電網(wǎng)輸入的高壓交流電Us經(jīng)高壓移相調(diào)壓整流器I移相調(diào)壓整流順變?yōu)榭烧{(diào)的高壓直流Ud，高壓直流電Ud輸入到高壓斬波斷流晶閘管逆變器II逆變?yōu)轭l率、電壓可調(diào)的、波形是階梯波的三相高壓交流電Un，含有高次諧波的階梯波三相交流電Un輸入到電能質(zhì)量綜合補償器III，經(jīng)電能質(zhì)量綜合補償器III濾波、補償，濾除Un所含有的高次諧波，輸出符合負載要求的頻率電壓協(xié)調(diào)的三相高壓交流電Uz，供高壓電機變頻調(diào)速。
(一)高壓移相調(diào)壓整流器I(參見圖7HCOV部分)，移相調(diào)壓整流電源包括輸入變壓器，晶閘管高壓移相調(diào)壓整流器，LC濾波器，和調(diào)壓控制電路構成。由于本發(fā)明的逆變器是采用PAM調(diào)制方式，因此為了保證V/F為設定的常數(shù)頻壓比，直流電源采用晶閘管相控調(diào)壓整流的方式，調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓。為了降低相控調(diào)壓產(chǎn)生的諧波采用變壓器移相30°，12脈波整流。在交流輸入端可以設置濾波器濾波的方式，使諧波指標符合IEEE519-1992的技術標準。也可以采用其它的多重化相控整流來滿足IEEE519-1992的技術標準。相控整流技術是已有的成熟技術，可有多種模式參照。
本發(fā)明高壓整流移相調(diào)壓控制電路單元KD(參見圖6)是基于CPU 80C 196MC為核心的控制器，它接受逆變器指令控制子單元ZK的電壓指令Uk，和接收直流電源反饋信號Ud1，及交流同步信號Us，由它比較運算精確得到整流移相調(diào)壓脈沖的觸發(fā)角；產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，由隔離驅(qū)動電路觸發(fā)高壓整流閥的晶閘管。
(二)高壓斬波斷流晶閘管逆變器II(參見圖7)，包括高壓斷流斬波器HGOV，晶閘管三相高壓逆變器HINV構成，高壓斷流斬波器HGOV是由多個IGCT器件串聯(lián)串聯(lián)構成的高壓斬波閥，(參見圖8A)，它連接在高壓移相調(diào)壓整流器濾波輸出與晶閘管逆變器之間。作用是斬波斷流，在晶閘管高壓逆變器換流時，高壓斬波器關斷，切斷整流器與逆器變之間的主回路的電流，使直流電源回路與逆變回路之間的電流為零電流(忽略漏電流)，為晶閘管逆變部分的續(xù)流選控換流提供條件。由于它需要的開關頻率不高，主要是從成本考慮選用價格相對便宜的IGCT(或GTO)器件，當然也可以選用HV-IGBT和其它的門極可控關斷器件如SITH、IEGT、MCT等。高壓斬波閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。
晶閘管三相高壓逆變器HINV晶閘管三相高壓逆變器由三相六臂晶閘管高壓換流閥構成，每個閥(參見圖8)由多個晶閘管T串聯(lián)構成的供流支路，和由多個二極管D串聯(lián)，并與可控開關元件DG串聯(lián)連接構成的可控續(xù)流支路組成；可控續(xù)流支路上的可控元件是指IGBT或者其它門極全控元件，如IGCT，IEGT，GTR、MOSFET、等，其作用是在晶閘管高壓閥的換流過程中可以選控續(xù)流通道，該器件只需很低的正向阻斷電壓，原理上只承受不大于續(xù)流支路元件正向壓降二倍電壓，一般不大于100V，故可選取廉價的低電壓等級的器件即可。高壓逆變閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。晶閘管高壓逆變器的換流過程與上述的相同，在此不再專述。
高壓斬波斷流晶閘管逆變器觸發(fā)控制電路(參見圖6)由邏輯控制器LG、斷流斬波器觸發(fā)器C2、逆變器觸發(fā)器C3構成，邏輯控制器LG接受指令控制器CPU P6端口的逆變器通斷時序信號，P6端口輸出6線驅(qū)動信號，6線驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動邏輯變換電路LG產(chǎn)生13條驅(qū)動信號線，其中高壓斷流斬波器的驅(qū)動信號1條由觸發(fā)電路C2輸出驅(qū)動高壓斷流閥的IGCT，晶閘管逆變器觸發(fā)器C3，其中晶閘管驅(qū)動信號6條，晶閘管逆變器續(xù)流通道驅(qū)動信號6條。
(三)電能質(zhì)量綜合補償器III(參見圖5、圖6、圖7)，電能質(zhì)量綜合補償器連接在晶閘管高壓器輸出與負載之間，用于產(chǎn)生一個抵消逆變器輸出電壓Un所含諧波電壓Ush的補償電壓Ub，和補償負載電流In過度部分的無功電流，以保證晶閘管逆變器的可靠換流。電能質(zhì)量綜合補償器包括串聯(lián)補償變流器VSC，和并聯(lián)補償變流器VSI組成。串補償變流器VSC的主要功能濾除逆變器輸出波形所含的諧波，和補償因調(diào)壓直流電源電壓Ud偏移指令電壓的差值而導致的逆變輸出電壓Un的偏移。并聯(lián)補償變流器VSI的主要功能是補償負載過度的無功電流，保證補償后的功率因素角φ＜60°，串聯(lián)補償器VSC的輸出是通過變壓器Ta串聯(lián)連接的逆變器輸出與負載之間，并聯(lián)補償器VSI的輸出是通過變壓器Tb與負載并聯(lián)連接。
串聯(lián)補償器VSC包括三相雙向變流器A、由電感La、濾波電容Ca、構成交流濾波器LC，串聯(lián)變壓器Ta組成。三相雙向變流器A是由電力電子器件IGBT構成的標準三相六個開關點基本結構的變流器，變流器A按控制電路KA給定的調(diào)制波經(jīng)C5隔離驅(qū)動IGBT作高頻PWM開關調(diào)制，高頻開關調(diào)制波經(jīng)過LC交流濾波器濾波，濾除高頻開關載波，即可的到所需要的補償電壓波形Ub，這個波形即是與晶閘管逆變器輸出電壓Un波形所含有電壓諧波Ush。
串聯(lián)補償變流器原則上是產(chǎn)生一個與逆變器輸出電壓含有的諧波電壓幅值相等、方向相反的補償電壓Ub，抵消逆變器輸出的諧波電壓Ush。但是，補償電壓完全補償逆變器輸出的諧波電壓勢必會增大串聯(lián)補償器的容量而增加成本，從滿足工程應用為前提，以降低成本為目的，串聯(lián)變流器產(chǎn)生的補償電壓Ub可以小于逆變器輸出的諧波電壓幅值Ush，即所謂的欠補，欠補量的大小視工程要求而定。本發(fā)明針對不同的工程應用研究發(fā)明了完全補償、限幅欠補、恒幅間歇補償三種補償方式。
參見圖9，圖9是本發(fā)明三種補償方式的比較圖，圖9a是完全補償方式，逆變器輸出電壓Un所含的諧波電壓Ush由Ub完全補償，補償后串聯(lián)補償器輸出波形Uz達到比較理想的正弦波，這種補償模式串聯(lián)補償器的容量相對要大一些，影響裝置的成本。圖9b是限幅欠補方式，這種補償模式是根據(jù)串聯(lián)補償器最大容量設定補償量，即限定補償電壓Ub的幅值，超過補償器容量的部分不予補償，即欠補，欠補的量可以設置在最大應補量的1/2左右，這種補償方式在一個周波的大部分時域都可以得到補償，從串聯(lián)補償器輸出Uz的波形畸變很小，基本不影響電機這一類的負載的使用。圖9c是恒幅間歇補償方式，這是一種在一個周波里分時區(qū)間歇補償?shù)姆绞?，是在逆變器輸出電壓波形與正弦基波比較，失真量大的時區(qū)補償一個恒幅的方波Ub，失真小的時區(qū)不予補償，形成間歇補償時區(qū)，在一個周波里有多個補償時區(qū)，有多個間歇時區(qū)，由此減輕了變流器A上器件的熱負擔，可以進一步降低串聯(lián)補償器的容量，降低成本。補償后串聯(lián)變流器的輸出Uz的波形是一個9電平的階梯波，波形已經(jīng)趨于正弦波，完全可以滿足一般電機類負載的要求。圖10是晶閘管高壓逆變器輸出電壓經(jīng)過串聯(lián)補償器VSC恒幅間歇補償后輸出的三相相電壓波形圖，圖9A是高壓晶閘管逆變器輸出未經(jīng)補償?shù)娜嘞嚯妷翰ㄐ螆D，圖9B是經(jīng)過串聯(lián)補償器VSC恒幅間歇補償后輸出的三相相電壓波形圖，圖中可以看出，波形已經(jīng)趨于正弦波了。圖10C是串聯(lián)補償器輸出的三相線電壓波形圖。以上的三種補償方法其硬件的電路結構相同，通過軟件編程的方法實現(xiàn)以上各種方式的調(diào)制波。把各種補償調(diào)制波的波形分點采樣，制表存儲固化在ROM波形存儲器里，運行時實時調(diào)用。三種方式可以分別不同裝置要求單獨使用，也可以三種或兩種同時用在同一個裝置里，變結構使用，如逆變頻率在10Hz以下完全補償，10～30Hz限幅補償，大于30Hz恒幅間歇補償?shù)?，通過軟件編程靈活實現(xiàn)。
串聯(lián)補償器的另一個重要作用是補償相控調(diào)壓電源失調(diào)電壓引起的逆變輸出電壓失調(diào)(補償電壓振蕩)，由于相控調(diào)壓的L、C濾波單元是一個大慣性環(huán)節(jié)，在寬調(diào)節(jié)范圍，和負載變動的條件下會引起電壓振蕩。本發(fā)明的特征是直流電源電壓振蕩引起的逆變器輸出交流電壓振蕩，在逆變器輸出端由串聯(lián)補償變流器來補償，其工作原理是檢測電路檢測直流電壓Ud2，直流反饋電壓Ud2輸入到串聯(lián)補償控制器KA，KA經(jīng)運算控制串聯(lián)補償器的調(diào)制深度，即補償量，控制串聯(lián)變流器實時補償直流電壓Ud引起的逆變器交流輸出電壓的偏差。
串聯(lián)變流器補償器的控制器KA，是基于DSP TMS320F240為核心的串聯(lián)補償器控制電路，它接收來自指令控制器ZK的逆變頻率信號f，和晶閘管逆變器的邏輯控制器LG的逆變器相位信號Uf，該相位信號即是高壓逆變器輸出電壓的相位信號，由該相位信號作為地址指針讀取固化在EPROM里的補償調(diào)制波形，該調(diào)制波與三角波載波比較產(chǎn)生串聯(lián)補償變流器的PWM開關角，同時，串聯(lián)補償器控制電路接收移相調(diào)壓整流器輸出的直流電壓反饋信號Ud1，控制串聯(lián)補償器的調(diào)制深度，即達到補償直流電壓偏離指令電壓的波動。
并聯(lián)補償器VSI并聯(lián)連接在負載輸入連接的端口上，補償負載過度的無功功率，保證逆變器輸出端口的負載電流的電流滯后角Φ＜60°滿足晶閘管逆變器的可靠換流。由于本發(fā)明續(xù)流通道選控型換流的可靠換流條件是，逆變器的系統(tǒng)負載的功率因素角Φ＜60°，(考慮到器件的關斷時間影響無功電流的滯后角應控制在Φ≤58°)，但由負載本身受運行工況的影響，在啟動、輕載、空載的條件下都有可能使Φ＞60°，本發(fā)明采用在負載回路設置并聯(lián)補償器的方法，在上述的負載狀態(tài)下保證功率因素角Φ＜60°，由于輕載、空載時負載電流已經(jīng)很小，況且補償?shù)臒o功電流只是補償過度部分，即只需將Φ＞60°部分補償至Φ＜60°，所需補償?shù)臒o功電流很小，所以補償單元的容量較小，占裝置的總投資比例是很小的。
并聯(lián)補償器VSI包括雙向變流器B，電壓匹配變壓器Tb，由電感Lb、濾波電容Cb、構成交流濾波器LC組成。雙向變流器B是由電力電子器件(IGBT)構成的標準三相六個開關點基本結構的變流器，變流器A按控制電路KB給定的、與逆變頻率相同，相位相同，按正弦波調(diào)制規(guī)律做高頻PWM開關調(diào)制。雙向變流器的輸出經(jīng)過升壓變壓器Tb與晶閘管高壓逆變器的輸出實現(xiàn)電壓匹配。雙向變流器的高頻開關調(diào)制波經(jīng)過LC交流濾波器濾波，濾除高次諧波即獲得補償電流，并聯(lián)補償器VSI的輸出與負載并聯(lián)連接，補償負載過度的無功電流。
并聯(lián)補償器控制器KB是基于DSP TMS320F240為核心的并聯(lián)補償器控制電路，它接收來自指令控制器ZK的逆變頻率信號f，逆變器邏輯控制器LG輸出的電壓相位信號Uf(即逆變器輸出電壓Un的相位信號)，由該相位信號為地址指針讀取固化在EPROM里的補償電流調(diào)制波形，采樣電流反饋信號In，比較運算，控制該調(diào)制波與三角波載波比較的調(diào)制幅度，生成并聯(lián)變流器的PWM調(diào)制信號。
本發(fā)明晶閘管高壓變頻器的以上各項功能是由系統(tǒng)控制單元的控制來實現(xiàn)的。指令控制單元ZK，基于CPU 80C 196MC為核心的控制器，控制器基于頻率F指令f設定、采樣電機的轉(zhuǎn)速反饋信號Uc，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，調(diào)節(jié)逆變頻率，并生成晶閘管逆變器的開關時序信號，時序信號由P6口輸入至斬波器逆變器開關邏輯控制器LG，控制斬波器、逆變器的觸發(fā)；壓頻比V/F指令電壓U的設定，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，運算生成調(diào)壓控制指令Uk，輸入移相調(diào)壓控制器KD，控制移相調(diào)壓輸出；指令控制單元的頻率信號f同時輸入串聯(lián)補償控制器KA、并聯(lián)補償控制器KB作為補償器的頻率同步信號。
指令控制子單元ZK，通過測速反饋信號Uc控制逆變頻率與電機對應的轉(zhuǎn)速恒定差值，恒轉(zhuǎn)差控制使負載電機無功功率控制在比較穩(wěn)定的范圍，保證晶閘管高壓逆變器的可靠換流。
負載本發(fā)明所指的負載是高壓電動機，其拖動對象是風機、水泵等負載較為穩(wěn)定的拖動設備。
本發(fā)明也很適用于獨立系統(tǒng)的高壓直流輸電的逆變變流站，目前高壓直流輸電都是指兩個交流電網(wǎng)之間通過高壓直流輸電的方式饋送電能，其變流站是采用有源逆變的方式，有源逆變方式其首要條件是受電端電網(wǎng)的容量很大于饋送的容量，而在一些獨立的用電系統(tǒng)由于用電端沒有一個大容量的交流電網(wǎng)存在也就無法采用有源逆變方式。但是城市規(guī)模日益擴大，電網(wǎng)向城市中心區(qū)輸電采用架空線的電力走廊已很難適合城市發(fā)展的需要，而采用地下電纜交流輸電則損耗大，很不經(jīng)濟。理想的辦法是通過地下電纜的方式的高壓直流輸電，但是亟需一種可靠、經(jīng)濟的高壓無源逆變器，以實現(xiàn)獨立系統(tǒng)的高壓直流輸電，因此采用本發(fā)明方法的高壓逆變器是這一用途的首選方案之一。
權利要求
1.一種關斷晶閘管的方法和采用這種方法的晶閘管逆變器其特征在于在直流電源COV與晶閘管逆變器INV之間設置有斷流斬波器GOV，用于晶閘管換流時刻關斷直流電源與晶閘管逆變器之間的主回路電流；在晶閘管逆變器的三相橋臂每個臂上設置有晶閘管T構成的供流支路，流過正向電流，設置由二極管D串聯(lián)基極(柵機、門極)可控的電子開關元件DG構成可控的續(xù)流支路，用于換流時，選擇控制可控續(xù)流支路的開通，關斷斬波器，控制滯后的負載電流的流動路徑，使之形成相對于供流支路反向的電流，使要換流所在臂供流支路上晶閘管呈反向偏置而關斷。由此該方法稱之為續(xù)流通道選擇型換流方法。
2.根據(jù)權和要求1所述的晶閘管逆變器，其特征在于晶閘管逆變器為三相、六臂結構，每個臂由晶閘管T構成供流支路，由二極管D串聯(lián)門(基)極可控型功率電子元件DG構成可控型續(xù)流支路；由此構成可控續(xù)流通道型晶閘管逆變器，所述續(xù)流通道的開關元件DG包括IGBT、MOSFET、GTR、等柵極(基極、門極)可以控制關斷的功率電子器件。
3.一種晶閘管高壓變頻器，其特征在于，所述變頻器是采用PAM調(diào)制的交—直—交電壓型逆變、變頻器結構，包括高壓移相調(diào)壓整流器HCOV，高壓斷流斬波器HGOV，高壓晶閘管逆變器HINV，和低壓電力電子元件構成的電能質(zhì)量綜合補償器UPQC；高壓移相調(diào)壓整流器移相調(diào)壓，與高壓晶閘管逆變器逆變變頻協(xié)調(diào)保持V/F常數(shù)的頻壓比關系，高壓斷流斬波器斷流，為晶閘管高壓逆變器換流提供條件，晶閘管高壓逆變器逆變、變頻，輸出階梯波的三相交流電，電能質(zhì)量綜合補償器抑制高壓晶閘管逆變器輸出階梯波所含的高次諧波，補償負載過度的無功功率。
4.根據(jù)權利要求3所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于，在高壓移相調(diào)壓整流器的輸出與高壓晶閘管逆變器之間設置有高壓斷流斬波器，高壓斷流斬波器是由多個高耐壓的IGCT串聯(lián)構成的高壓斬波閥，高壓斬波閥也可以選用GTO、HIGBT、IEGT等其它高壓門極可控關斷的電力電子器件，高壓斬波閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。
5.根據(jù)權利要求3所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于所述逆變器是三相六臂結構，每個臂都由多個高壓晶閘管T串聯(lián)和二極管D反并串聯(lián)構成的高壓逆變閥，由晶閘管串聯(lián)構成的是閥的供流支路，與晶閘管供流支路反并串聯(lián)二極管D和一只門極可控關斷的電力電子元件DG構成的是閥的可控續(xù)流支路，門極可控關斷的電力電子元件DG該元件包括IGBT、IGCT、GTR、MOSFET等，也可以是SCR。高壓逆變閥還包括由RC構成的動態(tài)均壓保護，和由R分壓構成的靜態(tài)保護電路。
6.如權利要求3所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于，在所述的晶閘管高壓逆變器輸出與負載之間連接一個采用低壓變流器構成的電能質(zhì)量綜合補償器，所述電能質(zhì)量綜合補償器包括串聯(lián)補償器VSC和并聯(lián)補償器VSI，串聯(lián)補償器主要功能是抑制晶閘管高壓逆變器輸出電壓含有的諧波，和補償因移相調(diào)壓整流器輸出偏離指令導致的電壓波動，并聯(lián)補償器的主要功能是補償負載的過度無功，使逆變器輸出端的功率因素角不大于φ＜60°，保證晶閘管高壓逆變器可靠換流。串聯(lián)補償器VSC包括低壓變流器A，交流濾波器LC，串聯(lián)變壓器Ta；低壓變流器A的輸出經(jīng)過濾波電感La與串聯(lián)變壓器Ta次級連接，串聯(lián)變壓器初級的進線端與晶閘管高壓逆變器的輸出端口連接，出線端與負載和并聯(lián)變流器的交流濾波器的輸出端連接。并聯(lián)補償器VSI包括低壓變流器B，交流濾波器LC，電壓匹配變壓器Tb，低壓變流器的輸出經(jīng)過與電壓匹配變壓器升壓與晶閘管高壓逆變器的高壓輸出電壓匹配，高壓輸出經(jīng)過濾波電感Lb、電容Cb交流濾波器濾除低壓變流器高頻開關調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波，并聯(lián)連接在負載的三相端口。
7.根據(jù)權利要求6所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于，所述串聯(lián)補償器VSC補償晶閘管高壓逆變器輸出電壓所含諧波的方法有a、等幅完全補償，b、限幅欠壓補償，c、恒幅間歇補償三種方式，a、等幅完全補償完全補償方式是串聯(lián)補償器產(chǎn)生與晶閘管高壓逆變器輸出電壓所含諧波相位相同，幅值相反，絕對值相等的補償電壓，逆變器輸出電壓所含諧波電壓與補償器輸出的補償電壓兩者完全抵消，經(jīng)過串聯(lián)補償器輸出的是沒有波形失真的正弦波；b、 限幅欠壓補償 限幅欠壓補償是一種降低補償器容量的補償方式，限幅欠壓補償限定最大的補償幅值，在限定幅值內(nèi)的諧波都予以補償，大于限定部分的幅值不予補償?shù)难a償方式，當補償限幅在最大諧波幅值的1/2時，整個周波的大于70％以上的時域都可以得到完全補償，經(jīng)過串聯(lián)補償器輸出的是波形失真較小的正弦波；c、恒幅間歇補償 恒幅間歇補償是一種恒定補償幅值，分時域補償?shù)囊环N方式，其補償特征是根據(jù)負載要求確定補償幅值，補償幅值一般選擇在最大諧波幅值的1/2左右，選擇波形失真最大的時區(qū)予以補償?shù)模ㄐ问д嫘〉臅r區(qū)放棄補償，經(jīng)過串聯(lián)補償器輸出的波形是多臺階的階梯波，波形已接近正弦，可以滿足電機類負載的要求。
8.根據(jù)權利要求7所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于，所述串聯(lián)補償器VSC的等幅完全補償、限幅欠壓補償、恒幅間歇補償三種補償調(diào)制波形，分別是一種或二種或三種，根據(jù)補償調(diào)制波形，采樣、制表、存儲固化在ROM里，運行時實時調(diào)用讀取。
9.根據(jù)權利要求3所述的晶閘管高壓變頻器，其特征在于所述指令控制單元ZK，基于CPU 80C 196MC為核心的控制器，控制器基于頻率指令f設定、采樣電機的轉(zhuǎn)速反饋信號Uc，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，調(diào)節(jié)逆變頻率，并生成晶閘管逆變器的開關時序信號，時序信號由P6口輸入至斬波器逆變器開關邏輯控制器LG，控制斬波器、逆變器的觸發(fā)；控制器壓頻比V/F指令設定，根據(jù)恒轉(zhuǎn)差控制，運算生成調(diào)壓控制指令Uk，輸入移相調(diào)壓控制器KD控制移相調(diào)壓輸出；指令控制器ZK的頻率信號f同時輸入串聯(lián)補償控制器KA、并聯(lián)補償控制器KB作為補償器的頻率同步信號。
全文摘要
本發(fā)明是通過控制負載電流的續(xù)流通道，使需要關斷所在臂的晶閘管承受反向流動的負載電流(即負載的續(xù)流電流的作用)，使晶閘管呈反向偏置而關斷的一種晶閘管換流新方法。采用本方法的晶閘管高壓逆變器構成的晶閘管高壓變頻器是采用PAM調(diào)制，在高壓逆變器的輸出串聯(lián)專用電能綜合補償器，其中的串聯(lián)補償器用于產(chǎn)生與高壓逆變器輸出電壓所含諧波相位相同幅值相反的補償電壓，抑制高壓逆變器輸出的諧波電壓，并聯(lián)補償器用于補償負載的過度無功，保證晶閘管逆變器的可靠換流。本發(fā)明構成的高壓變頻器的主功率電路采用的是國內(nèi)大量生產(chǎn)的晶閘管，構成裝置造價便宜。在逆變器的輸出設置了專用電能綜合補償器，提高了裝置的性能，以達到造價便宜，性能優(yōu)良的效果。
文檔編號H02M5/00GK1841904SQ20051006367
公開日2006年10月4日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權日2005年4月1日
發(fā)明者吳炎喜 申請人:吳炎喜