專利名稱：無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種無輸入變壓器多相電動機高壓變頻
O
背景技術(shù)：
能源短缺與環(huán)境污染是制約人類社會發(fā)展，經(jīng)濟快速增長的主要問題。要解決能 源與環(huán)境問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用綠色可再生能源。 然而，可再生能源往往受地域和天氣的影響，并且難于直接利用。因此，要使可再生能源得 到很好的利用，只有將其轉(zhuǎn)化為易于傳輸、便于使用的能源。電能因其易于生產(chǎn)、便于傳輸、使用方便、利用率高和污染小的特點，廣泛應(yīng)用于 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究及人民生活等各個領(lǐng)域，在人類社會的各個方面起著舉足 輕重的作用。將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能，是使可再生能源得到充分利用的有效途徑。電動機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電氣設(shè)備，其輸出的功率范圍很大，從毫瓦級到 兆瓦級。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足 各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，無環(huán)境污染，噪聲也較小。由于 它的一系列優(yōu)點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面 廣泛應(yīng)用。各種電動機中應(yīng)用最廣的是三相交流異步電動機(又稱感應(yīng)電動機)。它使用方 便、運行可靠、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。20世紀(jì)70年代以后，隨著電力電 子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價格日益降低，已得到廣泛應(yīng)用。然 而，由于電力電子器件的耐壓有限，在高壓大功率電動機調(diào)速系統(tǒng)中，需要將多個電力電子 器件串聯(lián)以承受足夠高的電壓，這不僅增加了成本、體積、降低了系統(tǒng)可靠性，還需要解決 串聯(lián)器件的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題。這些問題導(dǎo)致了高壓大功率電動機調(diào)速系統(tǒng)無法得到良 好的應(yīng)用，在某種程度上制約了工業(yè)的發(fā)展。相對于三相電動機而言，多相電動機具有脈動轉(zhuǎn)矩小；諧波電流?。辉谙嚯妷翰?變的情況下，增大了相電流，提高了電動機功率；降低了直流環(huán)節(jié)電壓等級；可靠性得到提 高等優(yōu)點。由于多相電動機的這些優(yōu)點，使得它在高壓大功率場合得到了良好的應(yīng)用。對于電動機驅(qū)動而言，在輸出功率相同的情況下，多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)相對于三 相電動機驅(qū)動具有更小的相電壓、相電流，單個電力電子器件足以滿足耐壓和通流的需要， 從而無需考慮器件的串聯(lián)均壓或并聯(lián)均流等問題。此外，當(dāng)多相電動機某一相定子失去勵 磁情況時，可以通過調(diào)整多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)的工作方式，來維持電動機輸出功率不變，系 統(tǒng)連續(xù)工作可靠性得到了提高。然而，多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)需要一個多相整流變壓器作為電源輸入，相數(shù)越多，該 整流變壓器設(shè)計越復(fù)雜，體積越大，成本越高。一般情況，多相整流變壓器占多相電動機驅(qū) 動系統(tǒng)總成本的20%以上。此外，由于多相整流變壓器通常使用不控整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波 較大，電動機也無法對電網(wǎng)進行能量回饋，同時，對于某一特定相數(shù)的多相電動機，必須設(shè)
3計對應(yīng)相數(shù)的整流變壓器，這制約了該系統(tǒng)的可移植性，不易于實現(xiàn)冗余設(shè)計。如果能發(fā)明一種無輸入變壓器多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)，不但能減小系統(tǒng)體積，節(jié)約 成本，滿足多相電動機四象限運行的要求，可以在必要時向電網(wǎng)回饋能量，減小電網(wǎng)側(cè)諧 波，還能根據(jù)負(fù)載電動機相數(shù)的不同，做出相應(yīng)的變化，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。同時，還 可以接入備用單元，增強系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余設(shè)計，這將具有重大的創(chuàng)新與實用意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器，該變頻器不但 能對多相電動機工況進行控制，更無需增加多相整流變壓器作為輸入，減小了系統(tǒng)體積，減 少了成本。同時，通過模塊化設(shè)計，可以方便地對多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)進行冗余設(shè)計，提高 系統(tǒng)可靠性。 無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器，所涉及的多相電動機具有N個獨立的定子 繞組，該高壓變頻器包括級聯(lián)可控整流單元、N個直流環(huán)節(jié)、多相逆變單元和控制電路；所述級聯(lián)可控整流單元包括三個單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)，單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)由N/3個單相全橋 整流電路級聯(lián)構(gòu)成，單相全橋整流電路的輸出端接一直流環(huán)節(jié)的輸入端；所述直流環(huán)節(jié)的輸出端接多相逆變單元的輸入端；所述多相逆變單元包括N個單相逆變單元，每一個單相逆變單元的輸入端接一所 述直流環(huán)節(jié)的輸出端，輸出端接多相電動機的一個定子繞組；所述控制電路采集所述直流環(huán)節(jié)及多相逆變單元的輸出電流和電壓，對級聯(lián)可控 整流單元進行斬波控制以保證直流環(huán)節(jié)的輸出電壓穩(wěn)定，對多相逆變單元進行逆變控制以 實現(xiàn)對多相電動機的工況調(diào)控。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明的核心是級聯(lián)可控整流單元和多相逆變單元。 級聯(lián)可控整流單元的結(jié)構(gòu)特點在于多個單相全橋整流電路的輸入端依次級聯(lián)，他們的輸出 端又分別接容量大小相同的直流電容器，在實現(xiàn)均壓輸出的同時，又向負(fù)載提供獨立的電 源。三相級聯(lián)可控整流單元的一個輸入端接電網(wǎng)輸出，另一端按星型連接，每一相級聯(lián)可控 整流單元只承受電網(wǎng)輸入相電壓。在使用級聯(lián)可控整流單元結(jié)構(gòu)后，可以根據(jù)相電壓大小， 使用的電力電子開關(guān)器件的耐壓等級，結(jié)合電力電子開關(guān)器件的市場價格，對級聯(lián)可控整 流單元進行最優(yōu)價格配置，以減少成本。同時，這個結(jié)構(gòu)的采用，無需使用多相整流變壓器 作為電網(wǎng)與變頻器之間的連接，對于整套系統(tǒng)而言，既降低了成本，又減小的體積，還易于 實現(xiàn)冗余設(shè)計，增強系統(tǒng)的可靠性。多相逆變單元的結(jié)構(gòu)特點在于每一個單相逆變單元都 單獨地對獨立定子繞組多相電動機的一個定子繞組供電，易于實現(xiàn)冗余設(shè)計，提高變頻器 的可靠性。本發(fā)明能對多相電動機進行軟啟動、停機、平滑調(diào)速和四象限運行控制。


圖1是無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是級聯(lián)可控整流單元結(jié)構(gòu)圖；圖3是多相逆變單元結(jié)構(gòu)圖；圖4是模塊化設(shè)計無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1所示，無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器包括級聯(lián)可控整流單元1、直流 環(huán)節(jié)2、多相逆變單元3和控制電路5，4表示獨立定子繞組多相電動機。級聯(lián)可控整流單元1的輸入接電網(wǎng)輸出，它的輸出接直流環(huán)節(jié)2。級聯(lián)可控整流單 元1包括三個單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)，單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)由N/3個單相全橋整流電路6級聯(lián)構(gòu)成，單相全 橋整流電路的輸出端接一直流環(huán)節(jié)的輸入端，所需的單相全橋整流電路個數(shù)與多相電動機 相數(shù)相同。如圖2所示，三個單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入端分別接電網(wǎng)A相、B相、C相輸出，每一 相的單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)中第一個單相全橋整流電路的一個輸入端接電網(wǎng)的一相輸出端，另一個 輸入端接第二個單相全橋整流電路的一個輸入端；第二個單相全橋整流電路的另一個輸入 端接第三個單相全橋整流電路的一個輸入端，以此類推；最后一個單相全橋整流電路的另 一個輸入端與另外兩相最后一個單相全橋整流電路的另一個輸入端相連，構(gòu)成一個三相星 型連接。每一個單相全橋整流電路的輸出都并聯(lián)一個容量大小相同的直流電容器，向多相 逆變單元提供平滑、穩(wěn)定、獨立的直流電。通過控制電路5對單相全橋整流電路6進行斬波 控制后輸出穩(wěn)定的直流電。由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此，單相電壓均分在每一個直流電容器 上，從而降低了電力電子開關(guān)器件和直流電容器的耐壓要求。級聯(lián)可控整流單元1輸出的直流電通過直流環(huán)節(jié)2得到穩(wěn)定的直流電以向多相逆 變單元3提供電源。直流環(huán)節(jié)2由容量相同的直流電容器組成。由于每一個直流電容器都 單獨接單相全橋整流電路6作為輸入，因此，可以向多相逆變單元3提供獨立的直流電源輸 入。多相逆變單元3由單相逆變電路7組成，如圖3所示。單相逆變電路7的個數(shù)與 獨立定子繞組多相電動機4的相數(shù)相同。多相逆變單元3的輸入接直流環(huán)節(jié)2的輸出，它 的輸出接獨立定子繞組多相電動機4的定子繞組?？刂齐娐?對每一個單相逆變電路7進 行控制，可以實現(xiàn)對多相電動機的軟啟動、停機、平滑調(diào)速和四象限運行等工況進行調(diào)控。獨立定子繞組多相電動機4相對于普通的籠型多相電動機其特點在于定子繞組 獨立，它的每一個定子繞組都單獨的接于一個單相逆變電路7。單相全橋整流電路6和單相逆變電路7中的電力電子開關(guān)器件都采用帶反并聯(lián)二 極管的逆導(dǎo)型全控器件，以滿足斬波控制、逆變控制和電動機四象限運行的要求。由于級聯(lián)可控整流單元1中的單相全橋整流電路6與多相逆變單元3中的單相逆 變電路7都是通過直流環(huán)節(jié)2中的直流電容器相連接的，因此，可以將單相全橋整流電路6、 直流環(huán)節(jié)2中的直流電容器和單相逆變電路7進行模塊化設(shè)計，如圖4中的模塊8所示。當(dāng) 電力電子器件耐壓等級和電流等級要求不大時，還可以使用IPM模塊來代替單個的電力電 子器件，實現(xiàn)單相全橋整流電路6和單相逆變電路7，以節(jié)約成本、減小體積。下面對本發(fā)明具體實施舉例。以電網(wǎng)額定電壓為6kV，額定功率IMW的九相電動機和無輸入變壓器變頻驅(qū)動系
統(tǒng)設(shè)計為例進行說明。多相電動機功率計算式如式(1)所示，
P = mUNIN COS^
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(1)其中，m為多相電動機相數(shù)，Un為額定相電壓，In為額定相電流，COSCp為功率因素。 取coscp為0. 85，m為9，P為1MW，計算得單相功率為131kW。級聯(lián)可控整流單元1由九個單相 全橋整流電路6組成，多相逆變單元3也由九個單相逆變電路7組成。根據(jù)圖2所示的級聯(lián) 可控整流單元1的結(jié)構(gòu)可以算出每一個單相全橋整流電路6的輸入電壓為1155V。在本例中 選取IGBT作為電力電子開關(guān)器件，結(jié)合目前市場價格和應(yīng)用情況，選取主流的3300V/200A 的IGBT足以滿足設(shè)計需要?？紤]變頻系統(tǒng)工作的安全性與穩(wěn)定性，多相電動機額定相電壓 取1155V，額定相電流為114A。為了滿足相電壓1155V的要求，直流電容器上的直流電壓應(yīng) 不低于1800V。6kV電網(wǎng)電壓通過控制電路5對級聯(lián)可控整流單元1進行斬波控制后，再由直流環(huán) 節(jié)2的直流電容器濾波、穩(wěn)壓得到1800V直流電。控制電路5對多相逆變單元3進行逆變 控制，輸出等效正弦波的脈沖方波，以驅(qū)動九相電動機工作。當(dāng)九相電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，控制電路5對多相逆變單元3進行斬波控制， 通過直流環(huán)節(jié)2的直流電容器濾波、穩(wěn)壓得到1800V直流電?？刂齐娐?對級聯(lián)可控整流 單元1進行逆變控制，得到與6kV電網(wǎng)電壓大小相同的輸出電壓后，就可以進行相位跟蹤， 實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器，所涉及的多相電動機具有N個獨立的定子繞組，該高壓變頻器包括級聯(lián)可控整流單元、N個直流環(huán)節(jié)、多相逆變單元和控制電路；所述級聯(lián)可控整流單元包括三個單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)，單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)由N/3個單相全橋整流電路級聯(lián)構(gòu)成，單相全橋整流電路的輸出端接一直流環(huán)節(jié)的輸入端；所述直流環(huán)節(jié)的輸出端接多相逆變單元的輸入端；所述多相逆變單元包括N個單相逆變單元，每一個單相逆變單元的輸入端接一所述直流環(huán)節(jié)的輸出端，輸出端接多相電動機的一個定子繞組；所述控制電路采集所述直流環(huán)節(jié)及多相逆變單元的輸出電流和電壓，對級聯(lián)可控整流單元進行斬波控制以保證直流環(huán)節(jié)的輸出電壓穩(wěn)定，對多相逆變單元進行逆變控制以實現(xiàn)對多相電動機的工況調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器，其特征在于，所述直 流環(huán)節(jié)為直流電容器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器，包括級聯(lián)可控整流單元、直流環(huán)節(jié)、多相逆變單元和控制電路，級聯(lián)可控整流單元對輸入電壓進行分壓，再經(jīng)過直流環(huán)節(jié)得到獨立穩(wěn)定的直流電壓，最后通過多相逆變單元向多相電動機供電；控制電路用以控制直流環(huán)節(jié)輸出電壓，并對多相逆變單元進行逆變控制以實現(xiàn)對多相電動機的工況調(diào)控。本發(fā)明無需使用多相整流變壓器作為電網(wǎng)與變頻器之間的連接，直接從電網(wǎng)取電經(jīng)過整流、分壓、濾波和逆變向電動機供電，對于整套系統(tǒng)而言，既降低了成本，又減小體積，還易于實現(xiàn)冗余設(shè)計，增強系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H02P27/06GK101977017SQ20101051836
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者方晶, 楊嘉偉, 毛承雄, 王丹, 田杰, 陸繼明, 陳竹 申請人:華中科技大學(xué)