专利名称：单相分压多电平单元串联高压变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高压电源频率变换的高压变频器，属于高压大功率电力 电子应用4页域。
背景技术：
据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》才艮告中，中国发电量总
量的66%消耗在电动机上，而中国目前电动机总装机容量已超过40万兆瓦，高压 电机约占一半。高压电动机由于设计余量、工况要求、负荷变化等因素，很多高 压电动机存在着大马拉小车的现象，浪费了大量的电能，因此利用高压变频器进 行调速节能已经是国家工业发展的方向。
高压变频器属于高技术、高复杂、高难度的电力电子产品，在国内成熟应用 的高压变频器都是多电平单元串联结构，每个功率单元都是三相变单相的小型变 频器，其结构复杂，体积庞大。目前，对于多电压单元串联电压源型原理的高压 变频器中，对其拓朴结构都是从用三相变单相的功率单元组合而成，没有用单相 换流功率单元所组合而成的多电平单元串联电压源型原理的高压变频器。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种能实现大容量、小体积的单相 分压多电平单元串联高压变频器，其所采取的技术方案为
该变频器包括单向分压输入隔离变压器、单向换流功率单元和集中控制单 元，单向分压输入隔离变压器的输入侧接入三相高压电源，其输出側连接单向换 流功率单元，单向换流功率单元通过光纤连接集中控制单元，单向分压输入隔离 变压器将三相高压电源变换为单相输入电源，单向换流功率单元在集中控制单元 的控制下把单相输入电源进行逆变，输出频率可调的三相高压输出电压。单向分压输入隔离变压器采用三相心式铁芯变压器结构，输入側为星形三相 高压绕组，输出侧为多个相同且相互隔离的单相绕组，每个单相绕组连接与其相 对应的单向换流功率单元，每个单向换流功率单元按单元串联结构连接后接入用 户端。
单向换流功率单元包括整流桥、扼流环、电容阵列、主控板、IGBT模块和旁 路接触器，单向分压输入隔离变压器的单相绕组连接整流桥，经整流桥输出的直 流电压通过扼流环平波后，输入至电容阵列，主控板控制IGBT模块输出相控制输 出波形的电压，由主控板控制的旁膝接触器与扼流环并联。
集中控制单元包括光纤端口、中央控制板、信号接口板、相控制输出板、电 源板和总线板，电源板通过总线板对光纤端口、中央控制板、信号接口板和相控 制输出板进行供电，中央控制板、信号接口板和相控制输出板间的信号通过总线 板传输。
该变频器将三相输入高压电源转化为多个单相输入电源，采用标准单相换流 功率单元进行逆变为单相相控制输出波，多个单相相控制输出波输出叠加为三相 正弦高压输出电压，能够实现小体积、大容量的高压变频器结构。
本发明所具有的优点为该变频器采用独创的三相心式铁芯输入变压器结 构；利用单相变流功率单元组成多电平单元串联电压源型高压变频器的拓朴结构 形式；单相变流功率单元为单相工频电压输出和单相相控制输出波电压输出；在
多电平单元串联电压源型的高压变频器拓朴原理制作的高压变频器中，具有容量
大、体积小、结构简单的优点。
图l是本发明的结构框图2是本发明中单相分压输入隔离变压器绕组的分置图； 图3是本发明中单相换流功率单元的电路原理图； 图4是本发明中集中控制单元的结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述
如图l所示，单向分压输入隔离变压器l的输入侧接入三相高压电源，其输 出侧连接单向换流功率单元2，单向换流功率单元2通过光纤4连接集中控制单 元3,单向换流功率单元2按单元串联结构连接后接入用户端(高压电动机)。
如图2所示，单相分压输入隔离变压器l采用三相心式铁芯变压器结构，输 入高压側为星形三相高压绕组，该高压绕组位于靠近芯柱的内侧，输出低压侧为 电压、功率均相同且相互完全隔离的单相绕组，在A相芯柱上是 ai， a2, a3， a4, a5, a6六个单相绕组，在B相芯柱上是bl， b2， b3, b4， b5， b6六个单 相绕组，在C相芯柱上是cl， c2， c3， c4， c5， c6六个单相绕组。al, a2， a3, a4， a5， a6 六个单相绕组接到如图1所示的Al， A2, A3， A4, A5， A6这六个标准单相换流功率单 元，bl， b2, b3, b4, b5， b6六个单相绕组接到Bl， B2， B3, B4， B5， B6这六个标准单相 换流功率单元，ci, c2, c3, c4, c5， c6六个单相绕组接到Cl， C2， C3， C4， C5， C6这六 个标准单相换流功率单元。
如图l所示，A1，A2，A3,A4，A5,A6这六个标准单相换流功率单元的输出串联 起来形成单相分压多电平单元串联高压变频系统的A相输出，B1， B2， B3， B4， B5, B6 i六个标准单相换流功率单元的输出串联起来形成单相分压多电平单元串联高 压变频系统的B相输出，C1，C2,C3,C4，C5,C6这六个标准单相换流功率单元的输 出串联起来形成单相分压多电平单元串联高压变频系统的C相输出。
如图3所示，单向换流功率单元2包括整流桥5、扼流环6、电容阵列7、主 控板8、 IGBT模块9和旁路接触器10，单向分压输入隔离变压器l的单相绕组连 接整流桥5，经整流桥5输出的直流电压通过扼流环6平波后，输入至电容阵列 7，主控板8控制IGBT模块9输出相控制输出波形的电压，在输出相控制输出电 压回路上，通过扼流环6并联一个由主控板8控制的旁路接触器13，实现单相变流功率单元的旁路功能。其中整流桥5为单相整流桥，是由四个二极管按单相全 桥整流回路结构封装的才莫块；扼流环6采用国产C型铁氧体的二块并列，在上绕 制有二圏线缆制成；电容阵列11是采用6个400V/4700uF铝电解电容，三串两 并，用支架固定。
如图4所示，集中控制单元3包括光纤端口 11、中央控制板12、信号接口 板13、相控制输出板14、电源板15和总线板16。电源板15通过总线板16对光 纤端口 11、中央控制板12、信号接口板13和相控制输出板14进行供电，中央 控制板12、信号接口板13和相控制输出板14间的信号通过总线板16传输。其 中中央控制板12是由TMS320系列两块DSP芯片、内存芯片、相应的外围驱动芯 片组成；相控制输出板14是由cyclon系列FPGA芯片、ATtiny系列的AVR芯片、 89系列的AD芯片组成。
该高压变频器处于备用状态后，用户下达运行指令，集中控制单元3接受用 户的指令后，直接传入中央控制板12的DSP中，DSP的逻辑运算将高压变频器的 信息与控制方案通过信号接口板13送到用户界面。DSP的矢量控制运行将三相输 出电压的角度、幅值、方向等分解为单独的A相调制、B相调制、C相调制信号， 发送到A相相控制输出板、B相相控制输出板、C相相控制输出板。每个相控制 输出板中的FPGA的相控制输出调制程序均一致，当相控制输出板14接收到中央 控制板12发过的总调制信号后，根据每相的标准单相换流功率单元数量进行多 电平移相调制成多个不同的相控制输出分调制信号。在相控制输出板14的AVR 单片机接收到相控制输出分调制信号后，将其调制为相控制输出控制信号，通过 光纤端口 11发送到相应的单相换流功率单元2，功率单元接收到控制信号后，接 照PMW控制信号的要求，输出相应的相控制输出波形。当所有的单相换流功率单 元2输出相应的相控制输出波后，通过三相叠加成所需的频率可调的高压电源。
权利要求
1、一种单相分压多电平单元串联高压变频器，包括单向分压输入隔离变压器(1)、单向换流功率单元(2)和集中控制单元(3)，其特征在于单向分压输入隔离变压器(1)的输入侧接入三相高压电源，其输出侧连接单向换流功率单元(2)，单向换流功率单元(2)通过光纤(4)连接集中控制单元(3)，单向分压输入隔离变压器(1)将三相高压电源变换为单相输入电源，单向换流功率单元(2)在集中控制单元(3)的控制下把单相输入电源进行逆变，输出频率可调的三相高压输出电压。
2、 根据权利要求l所述的单相分压多电平单元串联高压变频器，其特征 在于单向分压输入隔离变压器(1)采用三相心式铁芯变压器结构，输入侧 为星形三相高压绕组，输出侧为多个相同且相互隔离的单相绕组，每个单相 绕组连接与其相对应的单向换流功率单元(2)，每个单向换流功率单元(2) 按单元串联结构连接后接入用户端。
3、 根据权利要求1或2所迷的单相分压多电平单元串联高压变频器，其 特征在于单向换流功率单元(2)包括整流桥(5)、扼流环(6)、电容阵列(7)、主控板(8)、 IGBT模块(9)和旁路接触器(10),单向分压输入隔离 变压^ (1)的单相绕组连接整流桥(5 )，经整流桥(5 )输出的直流电压通 过扼流环(6 )平波后，输入至电容阵列(7 ),主控板(8 )控制IGBT模块(9 ) 输出相控制输出波形的电压，由主控板(8)控制的旁,触器(10)与扼流 环(6 )并联。
4、 根据权利要求l所述的单相分压多电平单元串联高压变频器，其特征 在于集中控制单元(3)包括光纤端口 (11)、中央控制板(12)、信号接口 板(13)、相控制输出板(14)、电源板(15)和总线板(16),电源板(15) 通过总线板(16)对光纤端口 (11)、中央控制板(12)、信号接口板(13) 和相控制输出板(14)进行供电，中央控制板(12)、信号接口板(13)和相 控制输出板(14 )间的信号通过总线板(16 )传输。
全文摘要
本发明公开了一种单相分压多电平单元串联高压变频器，包括单向分压输入隔离变压器(1)、单向换流功率单元(2)和集中控制单元(3)，单向分压输入隔离变压器(1)的输入侧接入三相高压电源，其输出侧连接单向换流功率单元(2)，单向换流功率单元(2)通过光纤(4)连接集中控制单元(3)，单向分压输入隔离变压器(1)将三相高压电源变换为单相输入电源，单向换流功率单元(2)在集中控制单元(3)的控制下把单相输入电源进行逆变，输出频率可调的三相高压输出电压。该高压变频器中具有容量大、体积小、结构简单的优点。
文档编号H02M7/44GK101447742SQ20081014020
公开日2009年6月3日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者吴士洪, 姚继滨, 凯 李, 郭兆静 申请人:山东泰开自动化有限公司