专利名称：无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有能量回馈功能的高压变频器，具体地说，本发明涉 及一种不需要额外增加网侧电抗器(即无网侧电抗器)的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器，其工作电压范围为1KV至35KV。
技术背景随着电力电子技术的发展，高压变频器作为节能降耗的主要手段，在国 民经济的各个领域，如冶金、石化、供水、电力等行业得到广泛的应用，并 发挥着越来越重要的作用。在诸多拓扑结构的高压变频器中，图1所示的功率单元串联多电平型高 压变频器，由于电压输出能力强，对电网的谐波污染小，对电机输出电压的 dv/dt小，成为高压变频器的最主流和最优的形式之一。在高压变频器的实际应用中，对于需要电气制动的负载，如大惯量风机、 矿井提升机、轧钢机等，在被控电机制动时需要将其制动能量从负载侧反馈 至电网侧，因此需要高压变频器具有能量回馈功能。为了使功率单元串联多电平型高压变频器具有能量回馈功能，首先，构成高压变频器的每个功率单元1的整流桥部分2必须是由可精确控制的可控 开关器件(如IGBT)构成，如图2B所示；而不能是由不可控的开关器件(如 二极管)构成，如图2A所示。其次，每个功率单元的控制芯片必须要能够 精确地检测其网侧电压的相位，控制其网侧电流。因此，在现有技术中，-如 图3所示，通常在每个功率单元1的网侧与三相多副边绕组变压器3的副边 绕组之间增设一个三相低压网侧电抗器4。在每个功率单元1的网侧与三相多副边绕组变压器3的副边绕组之间增 设三相低压网侧电抗器4还可以将高压变频器的网侧电压与功率单元1可控 整流桥部分的输出电压有效地隔离，使每个功率单元的网侧电感值相同且已 知，提高各个功率单元控制程序的一致性，降低其网侧电流的差别。为了抑制功率单元串联多电平型高压变频器能量回馈时网侧电流的脉 动值，有时需要将这些低压网侧电抗器电感量的取值增大。低压网侧电抗器 电感量越大，功率单元整流桥部分输出的电压与电网电压之间形成的电压差 造成的电流的高频脉动量就越小，系统损耗就越小。为了抑制功率单元串联多电平型高压变频器能量回馈时网侧电流的脉动值，如图3所示，还可以在 三相多副边绕组变压器3的原边与三相电网之间另外增设一个三相高压网侧电抗器5。在高压变频器内安装如此多的低压网侧电抗器和高压网侧电抗器将显 著地增加变频器的体积、重量和成本。 发明内容为了显著地降低具有能量回馈功能的高压变频器的体积、重量和制造成本， 本发明的目的是提供一种无网侧电抗器的具有能量回馈功能的功率单元串联 多电平型高压变频器。为实现上述目的，本发明采用以下的设计方案 一种无网侧电抗器的具有 能量回馈功能的高压变频器，其特征在于它由三相多副边绕组变压器、若干 个功率单元、主控制系统构成；三相多副边绕组变压器的原边直接与三相电网的电压输出端相连；三相多 副边绕组变压器副边的每一个绕组与一个功率单元直接相连；同相的功率单元 串联；主控制系统的信号输入端通过导线与三相电网的电压输出端相连，由主控 制系统对变频器高压输入侧电网电压统一进行检测；主控制系统的控制信号输 出端通过光纤分别与每个功率单元控制芯片的控制信号输入端相连，将包含电 网电压相位信息的信号通过光纤传输给每个功率单元的控制芯片。本发明的发明点是取消了传统的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器中的若干个低压网侧电抗器和高压网侧电抗器。由于本发明取消了网侧电抗器，所以，显著地降低了变频器的成本、体积和重量。
图1为功率单元串联多电平型高压变频器的主电路拓扑结构图； 图2A为不可控功率单元的主电路拓扑结构图； 图2B为可控功率单元的主电路拓扑结构图；图3为装有网侧电抗器的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压 变频器的主电路拓扑结构；图4为本发明无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器主电路拓扑结构图；图5为本发明主控制系统采用软件锁相环锁相电网电压相位的原理框图； 图6为本发明主控制系统采用的软件锁相环算法框图；图7为本发明主控制系统采用软件锁相环锁相功率单元解码光纤信号的原 理框图；图8为本发明采用硬件锁相环锁相电网电压相位的原理框图； 图9为本发明变压器原边绕组分段绕制的截面示意图； 图10为本发明变压器副边绕组端部留空的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明，并非对本发明的限定。如图4所示，本发明公开的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频 器由三相多副边绕组变压器6、若干个功率单元7、主控制系统8构成；三相多 副边绕组变压器的原边直接或通过高压开关与三相电网的电压输出端相连；三 相多副边绕组变压器副边的每一个绕组与功率单元的电力电子器件通过导线直 接相连；同相的功率单元串联。主控制系统的信号输入端通过导线与三相电网 的电压输出端相连，由主控制系统对变频器高压输入侧电网电压统一进行检测； 主控制系统的控制信号输出端通过光纤9分别与每个功率单元控制芯片的控制 信号输入端相连，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给每个功率单 元的控制芯片。各个功率单元根据从光纤收到的电网相位信息，对其直流母线 电压和网侧电流进行独立的控制。如图4所示，本发明取消了每个功率单元与变压器副边绕组之间的三相低 压网侧电抗器以及变压器原边与三相电网之间的三相高压网侧电抗器。本发明的发明点是取消了传统的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器中的若干个低压网侧电抗器和高压网侧电抗器。取消了具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器网侧电抗器后，本发明着重解决了以下三个问题1、 对电网电压的相位和幅值的检测。取消了功率单元与变压器副边绕组之间的低压网侧电抗器后，各功率单元 的电网侧即为其可控整流桥部分的输出侧，该处电压为功率单元可控整流桥部 分的输出电压而非电网电压，因此各功率单元控制芯片无法测量电网电压的相 位和幅值，无法进行控制算法的计算。2、 抑制变频器网侧电流的高频脉动。取消功率单元与变il器副边绕组之间的低压网侧电抗器以及变压器原边绕 组与三相电网之间的高压网侧电抗器后，变频器网侧电流的高频脉动值将较大， 影响变频器的正常工作。3、无法用统一的电感值进行控制算法的计算。取消每个功率单元与变压器副边绕组之间的低压网侧电抗器后，由于变频 器各副边绕组与原边绕组间的漏感差别过大，有时差别超过两倍，使得无法用 统一 的电感值进行控制算法计算。本发明针对上述3个技术问题分别提出具体的切实可行的解决方案，从而使取消具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器中的网侧电抗器成为可行。对电网电压相位和幅值的检测，本发明主控制系统采用软件锁相方法对其进行检测与处理，具体方法如下首先，由变频器主控制系统检测并采样变频器高压输入侧电压即电网电压，经过软件锁相环锁相后，得到电网电压的相位；然后，将这个相位的数值转换成串行信号，通过光纤发送至各个功率单元； 各个功率单元收到上述串行信号后，将其转换为并行信号，传送给各功率单 元的控制芯片，进行控制算法计算。由于对于某些控制算法，精确知道电网电压的幅值有助于提高控制的动态性 能，因此可以通过软件算法计算出电网电压的幅值，与相位信号一同进行并行-串行转换，通过光纤发送至各个功率单元。图5为本发明主控制系统采用软件锁相方式检测和处理电网电压相位的原 理框图。如图所示，主控制系统将变频器高压输入侧三相电压(即电网电压) 经过电阻分压后，得到与之相位相同、大小成正比的三相低压信号，经过隔离 运放芯片(例如IS0124芯片)的隔离和放大，得到可供A/D采样器采样的三 相电压信号；A/D采样器对这组信号进行模数转换后，交由主控制系统中的微 处理器进行软件锁相环计算，得到较为平稳的电网电压的幅值和相位，再通过 并行-串行转换器，将电网电压的相位数值转换成为串行信号，通过光纤驱动器 最终转换成为光信号后，通过光纤传输给各个功率单元。图6为本发明软件锁相环的一种实现方式。如图所示，主控制系统微处理 器将A/D采样器模数转换后的三相电网电压的瞬时值经过直角坐标系—极坐标 系的数学变换，得到极坐标系下的电网电压瞬时值，即电网电压的幅值和相位 的瞬时值。将电网电压的幅值瞬时值通过低通滤波器滤波后，得到相对稳定的电网电 压幅值，发送至并行-串行转换器。将电网电压的相位瞬时值与软件锁相环相位输出瞬时值之差，作为锁相环 的相位控制误差，传输给比例-积分调节器(PI调节器)；再将调节器的输出与预先设定的电网频率基准值(在中国为50HZ)相加，得到当前锁相环的频率； 将锁相环频率进行积分即得到锁相后的电网电压相位，然后将此相位的数值发 送至并行-串行转换器，进而与滤波后的电网电压幅值一起通过光纤发送至各个功率单元。图7为本发明各个功率单元对接收到的光纤信号进行解码的原理框图。如 图所示，各个功率单元接收到光纤信号后，通过光电转换器将其进行光电转换 得到串行的电信号，该信号包含电网电压的幅值信息和相位信息；再将该信号 经过串行-并行转换器转换后，得到并行的电网电压幅值信号和相位信号；功率 单元上的微处理器芯片(即功率单元的控制芯片)从串行-并行转换器上取出这 两个信号后，将其带入可控整流器控制算法的计算程序，进行精确的计算。还有一种等效的方法是主控制系统直接将采样到的三相电网电压瞬时值通 过并行-串行转换器，转换成串行信号，再通过光纤发送至每个功率单元上。上 述软件锁相环程序由各个功率单元上的微处理器芯片负责执行。上述软件锁相环的优点在于计算精确，当检测到的电网电压信号受到干扰 时，其输出的电网电压幅值与电网电压相位相对平稳，最终使得各个功率单元 的可控整流桥工作平稳。本发明主控制系统还可以采用硬件锁相方法检测电网电压的相位，具体方法如下首先，由变频器主控制系统将检测到的变频器高压输入侧电压即电网电压，通过模拟比较器进行过零比较，得到一个与电网电压同相的方波；然后，通过锁相环芯片进行锁相，得到一个稳定的方波输出，这个方波与电网电压的相位对应；再将这个方波通过光纤发送至各个功率单元；最后，各个功率单元收到这个光纤信号后，各功率单元的控制芯片通过计 算方波的频率和相位得到电网电压的相位，利用该值对各自的直流母线电压和 网侧电流进行独立的精确控制。图8为本发明主控制系统采用硬件锁相方式检测与处理电网电压相位的原 理框图。如图所示，主控制系统将变频器高压输入侧的某一相电压经过电阻分 压后，得到与之相位相同、大小成正比的低压信号；将该低压信号通过施密特 触发器芯片进行过零比较，得到与之相位相同的方波信号；将此方波信号经光 耦隔离后传输给锁相环芯片，例如CD4046芯片，得到硬件锁相后的方波信号， 该信号与电网电压相位对应，当检测到的电网电压受到干扰时，该信号相对平稳；将该信号通过光纤驱动器转换成光信号后，通过光纤发送至各个功率单元;各功率单元接收到该光纤信号后，先将其转换为电信号，输出给功率单元内微 处理器芯片，功率单元内的微处理器芯片对此电信号的周期进行计时即可得到 电网电压的周期和频率，对此电信号的边沿进行采样即可得到电网电压的相位。 具体方法是各功宇申.元的控制芯片通过在方波信号的整周期内对基准时钟源 信号进行计数得到方波信号的周期和频率，这一频率在数值上等于电网电压的 频率；通过在方波信号的上升沿或者下降沿对基准时钟源计数器的值进行标定 得到方波信号的相位，这一相位与电网电压的相位在数值上相等或相差一个常 数。功率单元控制芯片将检测到的电网电压的频率和相位代入控制算法，对其 直流母线电压和网侧电流进行独立的精确控制。此外，还有一些其他的方法，如主控制系统根据采样到的电网电压数值， 直接计算电网电压相位，通过光纤送至功率单元、主控制系统将采样到的电网 电压数值直接通过光纤发至功率单元，由功率单元自行计算其相位等等，由于 篇幅所限不能枚举。这些方法的共同点是主控制系统对变频器高压侧输入电压(即三相电网 电压)进行检测，然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤发送至各个 功率单元。由于一般高压侧电网电压的波形和稳定性都是比较好的，与功率单 元的可控整流桥部分的输出电压的解耦特性也较好，因此这类方法有效的解决 了取消网侧电抗器后，电网电压相位测量的问题。为了解决高压变频器网侧电流高频脉动过大的问题，本发明增大了变压器 原边、副边间的漏感。对于变压器设计来说， 一般铁芯和铜绕组的用料是互补的设计的铁芯磁 通越小，在磁密度一定的情况下，铁芯的截面积就越小，铁芯材料就越节省； 但同时铜绕组的匝数就越多，铜绕组的用料也就越多。一般在设计中，以铁芯材料和铜绕组材料的总成本最低为条件优化变压器 的铜/铁比。对于取消网侧电抗器的本发明来说，需要其变压器具有较大的漏感， 以抑制网侧电流的脉动量，因此需要偏离上述经济设计点进行设计。为了抑制网侧电流的脉动量，本发明提高了变压器的铜/铁比，即通过降低 变压器的铁芯截面积，同时增加各个绕组的匝数，使变压器的铜/铁比提高。本发明将变压器的铁芯截面积设计为小于等于正常设计值的85%。在本发明的具 体实施例中，本发明将变压器的铁芯截面积设计为正常设计值的85%，使铁芯 截面积降低了 15%,同时，使铜绕组匝数提高了 15%，最终将变压器的铜/铁比 提高了30%左右，这样可以使变压器的漏感有足够的上升。为了抑制网侧电流的脉动量，本发明还通过适当增大原、副边间的气隙宽 度来增大变压器漏感，但由于受变压器的体积限制，以及用铜量的成本限制， 这个优化的范围不是很大， 一般将现有设计中原、副边绕组间的气隙宽度增加30%，即将变压器原、副边间的气隙宽度设计成大于等于正常设计值的130%， 就能带来一定的漏感量的提升。这种方法同时还可以增加变压器的散热效果。采取了上述两种方法后，变压器原、副边间的漏感将有显著的增加，在相 同的开关频率下，变频器的网侧电流脉动值减小至原先的一半以下。虽然，上述两种方法可能导致变压器成本少量的上升，但相对于取消网侧 电抗器所节约的大量成本来说，对变压器结构的改造还是必要的。对于变压器各副边绕组与原边绕组间的漏感差别过大，无法用统一的电感 值进行控制算法计算的问题，本发明对变压器进行了进一步改进。如图9所示，本发明将变压器的原边每相绕组分别分为多段绕制，各段绕 组并联。图中忽略了变压器的副边绕组和辅助绕组，如图所示，在本发明的具 体实施例中，将变压器原边绕组分为三段进行绕制，三段绕组在电气上是并联 的。这种结构可以显著地降低各个副边绕组与原边绕组之间的漏感的差别。在 实际应用中，也可以根据变频器功率大小，综合考虑绕制难度和成本，将原边 绕组绕成两段或者多段。或者，如图10所示，将变压器的副边绕组相对集中地绕在铁芯和原边绕组 的中部，端部留空。如图所示，将变压器副边绕组集中绕制在铁芯的中部，而 在铁芯的端部不放置副边绕组，在铁芯的一端可以放置用于驱动变频器的散热 风机运行的辅助绕组。这种结构设计可以显著地降低端部效应对各个副边绕组 与原边绕组间漏感差别的影响，使其接近靠近铁芯中部的副边绕组漏感。经实验证明，上述对变压器结构的改进，使变压器各副边绕组与原边绕组间漏感的差别将降低为原先的一半以下，有效地保证了控制算法中参数的一致 性和功率单元的可交换性。由于本发明采用了上述方法解决了取消网侧电抗器后产生的技术问题，本 发明无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器在取消了网侧电抗器后， 仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器的成本、体积和重量。
权利要求
1、一种无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器，其特征在于它由三相多副边绕组变压器、若干个功率单元、主控制系统构成；三相多副边绕组变压器的原边直接或通过高压开关与三相电网的电压输出端相连；三相多副边绕组变压器副边的每一个绕组与一个功率单元的电力电子器件通过导线直接相连，同相的功率单元串联；主控制系统的信号输入端通过导线与三相电网的电压输出端相连，由主控制系统对变频器高压输入侧电网电压统一进行检测；主控制系统的控制信号输出端通过光纤分别与每个功率单元控制芯片的控制信号输入端相连，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给每个功率单元的控制芯片。
2、 根据权利要求l所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器， 其特征在于所述主控制系统经分压电路、A/D采样电路、微处理器软件锁相 处理、并行-串行转换器、光纤驱动器，将包含电网电压相位的数值通过光纤传 输至给各功率单元。
3、 根据权利要求l所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器， 其特征在于所述主控制系统经分压电路、模拟比较器、锁相环芯片、光纤驱 动器，将与电网电压相位对应的方波信号通过光纤传输至各功率单元。
4、 根据权利要求1至3之一所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高 压变频器，其特征在于所述三相多副边绕组变压器原边每相绕组分别分为多 段绕制，各段绕组并联。
5、 根据权利要求1至3之一所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器，其特征在于所述三相多副边绕组变压器的副边绕组集中绕在铁芯和原边绕组的中部，端部留空。 -
6、 根据权利要求1至3之一所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器，其特征在于变压器的铁芯截面积小于等于正常设计值的85%。
7、 根据权利要求1至3之一所述的无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器，其特征在于变压器原、副边间的气隙宽度大于等于正常设计值的130%。
全文摘要
本发明公开了一种无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器，它由三相多副边绕组变压器、若干个功率单元、主控制系统构成。三相多副边绕组变压器的原边直接与三相电网的电压输出端相连；三相多副边绕组变压器副边的每一个绕组与功率单元的电力电子器件通过导线直接相连；主控制系统的信号输入端通过导线与三相电网的电压输出端相连，由主控制系统对变频器高压输入侧电网电压统一进行检测；主控制系统的控制信号输出端通过光纤分别与每个功率单元控制芯片的控制信号输入端相连，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给每个功率单元的控制芯片。由于本发明不需要额外增加网侧电抗器，所以，本发明显著地降低了变频器的成本、体积和重量。
文档编号H02M5/10GK101267163SQ20071017955
公开日2008年9月17日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者马永健 申请人:北京利德华福电气技术有限公司