一种五电平变频器预充电装置及控制装置和控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种五电平变频器预充电装置，所述预充电装置包括三相变压器T，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间；还涉及预充电装置的控制装置，所述控制装置包括电网、高压开关S，预充电装置以及多电平变频器，所述预充电装置设置在输入滤波器和多电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至多电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间。
【专利说明】一种五电平变频器预充电装置及控制装置和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种预充电装置，具体地说是一种多电平变频器预充电装置及控制装置和控制方法，属于高压变频器领域【技术领域】。
【背景技术】
[0002]针对五电平变频器，传统的充电电路是通过在每个功率单元中设置高压型继电器和功率电阻构成，由于高压继电器和功率电阻体积较大，成本较高，且变频器含有多个功率单元，这就造成高压变频器的元器件多，体积大，成本高，功耗大的特点，因此在实际的五电平高压变频器系统中这种充电方法很难被应用和推广。传统的充电电路中含有二极管用于整流，然后对电容器进行充电，如果电容器充电的预设值较高则二极管的体积会较大，成本也会较高，同时由于功率电阻的分压，存在电容器经充电后达不到预设值的问题。传统的充电电路和充电方法一般只针对某一特定电平数特点拓扑结构的变频器，适用范围窄。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
【发明内容】
[0003]本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种五电平变频器预充电装置及设置有该装置的控制装置和控制方法，该装置整体结构设计巧妙、结构紧凑，操作方便，可以减少整个高压变频器的元器件数量，减小其体积，减少成本，降低功耗；此外该技术方案省去整流二极管和功率电阻，使得电容器经充电后达能够达到预设值，适用范围较宽。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种五电平变频器预充电装置，其特征在于，所述预充电装置包括三相变压器T，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间。
[0005]作为本发明的一种改进，所述三相变压器为升压变压器，三相开关K为低压交流开关，三相交流电源为低压电源，工频电380V。所述三相变压器为升压变压器，其二次侧阻抗较大，依靠自身阻抗变压器可起到限制预充电电流幅值的目的，二次侧不需要加装功率电阻。
[0006]一种设置有如权利要求1或2所述预充电装置的控制装置，所述控制装置包括电网、高压开关S，预充电装置以及多电平变频器，所述预充电装置设置在输入滤波器和多电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至多电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间。
[0007]作为本发明的一种改进，所述多电平变频器为两电平变频器或者三电平变频器或者五电平变频器或者其他多电平变频器中的一种。
[0008]一种设置有预充电装置的控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制步骤如下；步骤I，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相交流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对多电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，多电平变频器接入电网，进入待运行状态。该控制装置的工作原理，断开高压开关S，闭合三相开关K，三相交流电源AC通过三相变压器T进行升压，升压后的交流电压值一般取与电网侧电压值相同，进而对多电平变频器内的电容器进行充电，同时对电容器两端的电压进行检测，当各电容器的电压值均达到设定的预充值，则断开开关K，闭合高压开关S，系统则进入待运行状态。
[0009]一种设置有二极管箝位型五电平变频器的控制装置及控制方法，其特征在于，所述控制装置包括预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器，三相二极管箝位型五电平变频器，其中预充电装置，电网，高压开关S，预充电装置包括三相变压器T，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间，所述预充电装置设置在输入滤波器和二极管箝位型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至二极管箝位型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间，所述的二极管箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合开关K，通过电源AC，流过开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相二极管箝位型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
[0010]一种设置有三相飞跨电容型五电平变频器的控制装置及控制方法，其特征在于，所述控制装置包括预充电装置、电网，高压开关S，输入滤波器，三相飞跨电容型五电平变频器，所述预充电装置包括三相变压器T，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间，所述控制装置设置在输入滤波器和三相飞跨电容型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至三相飞跨电容型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端,所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间；所述控制方法分为三个步骤，步骤I，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相飞跨电容型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
[0011]一种有源中点箝位型五电平变频器预充电装置及控制方法，其特征在于，所述预充电装置包括三相有源中点箝位型五电平变频器、电网，高压开关S，输入滤波器，三相有源中点箝位型五电平变频器，所述预充电装置设置在输入滤波器和三相飞跨电容型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至三相飞跨电容型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间；所述的三相有源中点箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相交流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开开关K，三相有源中点箝位型五电平变频器，进入待运行状态。所述步骤I中对三相有源中点箝位型五电平变频器内的电容进行充电的次序如下，先充三相桥臂内的三个电容器，待三个电容器达到预设值，再把直流母线上的两个电容器预充电到预设值。
[0012]在控制装置中，针对不同拓扑结构的五电平变频器，对其内部电容器的充电方法和充电次序也不相同。但是，整个充电方法的主要原则相同，所述预充电装置针对不同拓扑结构的五电平变频器充电方法的主要原则如下，1、当桥臂中不存在电容器，只有直流母线两端连接有电容器时，直接对直流母线两端的电容器进行充电；2，当直流母线两端连接有电容器，每个桥臂中有且仅有一个电容器时，首先要把桥臂中的电容器充电至设定值后在把直流母线两端的电容器充电至设定值；2，当直流母线两端连接有电容器，每个桥臂中有多个电容器时，其充电次序如下，首先充靠近输出端的电容器，待三个电容器达到预设值，再充次靠近输出端的电容器，依次类推，最后把直流母线上的电容器充电到预设值为止。
[0013]相对于现有技术，本发明的优点如下，I)整体结构设计巧妙，大大减少整个高压变频器的元器件数量，减小其体积，减少成本，降低功耗；2)该技术方案省去整流二极管和功率电阻，使得电容器经充电后能够达到预设值，通过合理的设计三相变压器T原边与副边的匝数比实现预设值；3 )该控制装置适用于两电平变频器或者三电平变频器或者五电平变频器或者其他多电平变频器中的一种，应用范围更加广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是包含本发明所述预充电装置电路的通用五电平变频器电路结构图；
图2是包含本发明所述预充电装置电路的二极管箝位型五电平变频器电路结构图；
图3是包含本发明所述预充电装置电路的飞跨电容型五电平变频器电路结构图；
图4是包含本发明所述预充电装置电路的有源中点箝位型五电平变频器电路结构图； 图5是包含本发明所述预充电装置简化后电路的通用五电平变频器电路结构图。
[0015]其中，T为三相变压器，K为三相开关，AC为三相交流电源，S为高压开关。
【具体实施方式】
[0016]为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
[0017]实施例1:参见图1，图1是包含本发明所述预充电装置电路的通用五电平变频器电路结构图。如图1所示，所述预充电装置包括I个三相变压器T，I个三相开关K，以及I路三相交流电源AC ;所述三相变压器T的一端可以连接至五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，也可以连接至高压开关S与输入滤波器之间，三相变压器T的另一端连接三相开关K的一端。所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC。
[0018]该控制装置的控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相甲流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，五电平变频器接入电网，进入待运行状态。所述通用五电平变频器电路结构，也可用通用两电平变频器电路结构或者通用三电平变频器电路结构或者通用多电平变频器电路结构替换。
[0019]实施例2:图2是包含本发明所述预充电装置电路的二极管箝位型五电平变频器电路结构图，如图2所示，所述二极管箝位型五电平变频器电路结构图包含本发明所述预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器，三相二极管箝位型五电平变频器，其中预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器的位置连接关系与实施例1相同。
[0020]针对所述的二极管箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合开关K，通过电源AC，流过开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相二极管箝位型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
[0021]实施例3:参见图3，图3是包含本发明所述预充电装置电路的飞跨电容型五电平变频器电路结构图，如图3所示，所述三相飞跨电容型五电平变频器电路结构图包含本发明所述预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器，三相飞跨电容型五电平变频器，其中预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器的位置连接关系与实施例1相同。
[0022]针对所述的三相飞跨电容型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相飞跨电容型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
[0023]所述步骤I中对三相飞跨电容型五电平变频器内的电容进行充电的次序如下，先充靠近输出端的三个电容器，待三个电容器达到预设值，再充次靠近输出端的三个电容器，依次类推，最后把直流母线上的单个电容器预充电到预设值，具体为，图3所示，首先针对Cal、Cb 1、Ce I 建压，导通器件为 Da3、Da4、Da5、Da6、Da7、Da8、Db3、Db4、Db5、Db6、Db7、Db8、Dc3、Dc4、Dc5、Dc6、Dc7、Dc8 ;通过硬件电路分别检测电容Cal、CbU Ccl上的电压，待三个电容的电压均达到预设值，开始对电容Ca2、Cb2、Cc2建压，导通器件为Da5、Da6、Da7、Da8、Db5、Db6、Db7、Db8、Dc5、Dc6、Dc7、Dc8 ;通过硬件电路分别检测电容Ca2、Cb2、Cc2上的电压，待三个电容的电压均达到预设值，开始对电容Ca3、Cb3、Cc3建压，导通器件为Da7、Da8、Db7、Db8、Dc7、Dc8 ;通过硬件电路分别检测电容Ca3、Cb3、Cc3上的电压，待三个电容的电压均达到预设值，开始对电容Cdc建压，无须导通任何器件。
[0024]实施例4:参见图4，图4是包含本发明所述预充电装置电路的有源中点箝位型五电平变频器电路结构图，如图4所示，所述三相有源中点箝位型五电平变频器电路结构图包含本发明所述预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器，三相有源中点箝位型五电平变频器，其中预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器的位置连接关系与实施例1相同。
[0025]针对所述的三相有源中点箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相交流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开开关K，三相有源中点箝位型五电平变频器，进入待运行状态。所述步骤I中对三相有源中点箝位型五电平变频器内的电容进行充电的次序如下，先充三相桥臂内的三个电容器，待三个电容器达到预设值，再把直流母线上的两个电容器预充电到预设值。所述变频器内电容器的充电方法是通过控制变频器内开关管的导通与关断进行实现，具体过程如下，电容器充电次序是通过控制变频器内开关管的导通与关断进行实现，如图4，分为4个步骤，步骤1，针对Cup与Cdown建压时，无需开通任何开关管，此阶段只对两个电容Cup 与 Cdown
建立一半的电压；步骤2，针对悬浮电容Cfa，Cfb，Cfc建压，导通器件:Sa9、SalO、Sb9、SblO, Sc9、SclO，悬浮电容的电压均达到了所设定的建压值；步骤3，针对Cup的建压，导通器件:Sa5、Sa6、Sb5、Sb6、Sc5、Sc6，建压结束后上母线电容电压达到了所设定的建压值；步骤4，针对Cdown的建压，导通器件:Sa3、Sa4、Sb3、Sb4、Sc3、Sc4，建压结束后下母线电容电压达到了所设定的建压值。
[0026]实施例5:参见图5，所述图5是包含本发明所述预充电装置简化后电路的通用五电平变频器电路结构图，简化方法如下，三相预充电电路简化为单相预充电电路，简化后的电路包括I个单相变压器T，I个开关K，以及I路单相交流电源AC。所述预充电装置简化后电路中开关K可以是两相开关，也可以是单相开关。所述预充电装置简化后电路中单相变压器与五电平变频器的连接可以是A相和B相，也可以是A相和C相，也可以是B相和C相。
[0027]需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
【权利要求】
1.一种五电平变频器预充电装置，其特征在于，所述预充电装置包括三相变压器T，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间。
2.根据权利要求1所述的五电平变频器预充电装置，其特征在于，所述三相变压器为升压变压器，三相开关K为低压交流开关，三相交流电源为低压电源，工频电380V。
3.一种设置有如权利要求1或2所述预充电装置的控制装置，所述控制装置包括电网、高压开关S，预充电装置以及多电平变频器，所述预充电装置设置在输入滤波器和多电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至多电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述多电平变频器为两电平变频器或者三电平变频器或者五电平变频器或者其他多电平变频器中的一种。
5.一种设置有预充电装置的控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制步骤如下；步骤I，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相交流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对多电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，多电平变频器接入电网，进入待运行状态。
6.一种设置有二极管箝位型五电平变频器的控制装置及控制方法，其特征在于，所述控制装置包括预充电装置，电网，高压开关S，输入滤波器，三相二极管箝位型五电平变频器，其中预充电装置，电网，高压开关S，预充电装置包括三相变压器Τ，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间，所述预充电装置设置在输入滤波器和二极管箝位型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至二极管箝位型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间，所述的二极管箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤1，打开高压开关S，闭合开关K，通过电源AC，流过开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相二极管箝位型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
7.一种设置有三相飞跨电容型五电平变频器的控制装置及控制方法，其特征在于，所述控制装置包括预充电装置、电网，高压开关S，输入滤波器，三相飞跨电容型五电平变频器，所述预充电装置包括三相变压器Τ，三相开关K，以及三相交流电源AC，所述三相开关K设置在三相变压器T和三相交流电源AC中间，所述控制装置设置在输入滤波器和三相飞跨电容型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至三相飞跨电容型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端,所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间；所述控制方法分为三个步骤，步骤I，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和三相开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开三相开关K，三相飞跨电容型五电平变频器接入电网，进入待运行状态。
8.一种有源中点箝位型五电平变频器预充电装置及控制方法，其特征在于，所述预充电装置包括三相有源中点箝位型五电平变频器、电网，高压开关S，输入滤波器，三相有源中点箝位型五电平变频器，所述预充电装置设置在输入滤波器和三相飞跨电容型五电平变频器之间，所述三相变压器T的一端连接至三相飞跨电容型五电平变频器的输入端与输入滤波器之间，另一端连接三相开关K的一端，所述三相开关K的一端连接三相变压器，另一端连接三相交流电源AC，所述高压开关S设置在电网与输入滤波器之间；所述的三相有源中点箝位型五电平变频器控制方法分为三个步骤，步骤I，打开高压开关S，闭合三相开关K，通过三相交流电源AC，流过三相开关K，经过变压器对五电平变频器内的电容进行充电；步骤2，打开高压开关S和开关K，切除预充电装置；步骤3，闭合高压开关S，断开开关K，三相有源中点箝位型五电平变频器，进入待运行状态。
9.所述步骤I中对三相有源中点箝位型五电平变频器内的电容进行充电的次序如下，先充三相桥臂内的三个电容器，待三个电容器达到预设值，再把直流母线上的两个电容器预充电到预设值。
【文档编号】H02M1/36GK104242625SQ201410501298
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】谭国俊, 刘战, 李 浩, 何凤有 申请人:徐州中矿大传动与自动化有限公司