带储能单元的多电平变频驱动装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于高压多电平变频技术领域，其特征在于主电路由Ｈ桥串联型变频器和一组储能逆变器装置组成。Ｈ桥串联型变频器由多绕组隔离变压器供电，储能逆变器装置连接有无源的储能电容，储能电容可根据相应系统的功率等级选取。该变频驱动装置三相桥臂的主开关器件根据输出电压等级和通过电流的不同，可选用相应的功率半导体开关器件。控制器以高性能数字信号微处理器为核心生成ＰＷＭ控制信号。该结构在传统Ｈ桥串联型变频器基础上，增加了一组储能逆变器装置，不仅可以实现利用储能电容动态存储能量的目的，同时还可以使得电压谐波含量小，提高了变频驱动装置的效率和性能。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力电子多电平拓扑结构，具体是指一种带储能单元的多电平变频调速 装置的拓扑。
技术介绍
能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪难题。我国能源生产和消费已列世界 前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。而我国工业用的高压大容量交流 电动机目前大部分为直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费，如果能采用变频调速技术实 现变速运行，则节能效果明显。因此，开发高性能高效率的大容量交流电机变频调速系统并 推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。我国现有的交流电动机200kW以下是低压380V， 200kW以上电机电压等级多为6kV和 10kV。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限制，传统两电平逆变器的变换装置难以满足 高压大功率电能变换的要求。相比之下，多电平变换器及其相关技术具有诸多显著优点，包 括(1)、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小；(2)、输出电压dv/dt小，对负载(比如 电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平；(3)、以低耐压水平的单管构成高压系 统，解决高压系统的单管耐压问题。因此，多电平逆变器及其相关技术被业界认为在高压大 容量领域中具有广阔的应用前景。目前，多电平变换器及其相关技术在大容量变频调速领域中已取得了良好的效果和显著 的经济效益，然而事实上，多电平变频调速技术仍然还有进一歩节能和提高效率的潜力，这 就是将生产过程中的制动能量存储再利用。对于一些要求电机快速启动，制动，和频繁正反 转的系统，如高速电梯、矿井提升机、大型龙门刨床等，实现制动能量的高效利用具有十分 重要的现实意义。目前采用多电平技术的中高压变频装置有交一直一交电压型多电平结构的变频装置和电 压型H桥串联的变频装置。已有的交一直一交电压型多电平变频装置结构，前级的交一直部分多采用不可控整流器， 通过电网或恒定的交流电压源来供电，后级的直一交部分采用多电平逆变器，以获得相应的多电平电压输出。对于后级的多电平逆变器结构，目前主要应用的是二极管箝位型结构。附 图1所示的是传统的三电平二极管箝位型交一直一交电压型变频装置。已有的H桥串联型变频器的主电路一般结构如图2所示，图2a中副边多重化移相隔离 变压器为各H桥功率单元提供三相交流输入，每个H桥功率单元为三相不可控整流、两电平 H桥逆变器和直流母线电容结构，如图2b所示，每个H桥使用低压开关器件，多个H桥单 元输出串联实现高压输出，输出电压波形更接近正弦，不用输出滤波器，同时网侧电流谐波小。交一直一交电压型多电平结构的变频装置和电压型H桥串联的变频装置，他们的应用已 经取得了一定的效果，但也存在着一些问题。如上述这两类变频装置，前级输入都采用的是 不可控整流器，由于不可控整流器各桥臂使用的是单向导通的二极管，所以在电机制动时， 制动能量无法反向流动。对于这部分制动能量，传统的做法是在电机处于制动状态时，将一 个制动电阻串联开关再并联接到直流母线上，如图3所示，将制动能量完全转化为制动电阻 上的热能损耗掉。这种结构对于需要电机频繁启动制动的调速系统而言，能量的浪费是巨大 的。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种高效节能的多电平变频调速装置的拓扑结构，本技术 解决了大容量电机变频调速中制动能量的储存及再利用的问题，同时在不增加系统输入电源 的前提下，实现了输出电压电平数的增加，还可以提高系统的可靠性，该变频装置可以应用 于中高压调速领域。本技术的特征在于，其系统结构如图4a所示，包含有多绕组副边移相隔离变压器 1， H桥串联变频装置2， 一组储能逆变器装置3以及全数字控制器4:所述的多绕组副边移相隔离变压器，是指其原边绕组为三相绕组，输入为电网电压，副 边绕组为多组三相绕组，每一组三相绕组输出的线电压相位依次移过相同相位角；所述的H桥串联变频装置，将上述每一组三相绕组连接一个H桥功率变换单元，把不同 相移的三相绕组连接的多级两电平H桥功率变换单元的输出进行串联，如图4a中2所示， 其中所述的每一个两电平H桥功率变换单元，如图2b所示，包括整流部分l，逆变部分2和 直流母线电容及其检测环节3;所述整流部分为三相功率二极管不控整流部分，其三相输入端和多绕组副边移相隔离变 压器副边的输出端相连接，其输出电压母线端与逆变部分连接； 所述逆变部分，是一种两电平H桥结构，逆变部分的单个桥臂由两个功率开关器件串联 而成，逆变部分的桥臂与整流部分的输出相并联，各功率开关器件根据输出电压等级的不同 而采用相应等级的功率半导体开关元件；所述直流母线电容及其检测环节，是指在两电平H功率变换单元的母线上并联电容，并 且由电压传感器接在电容上，检测母线电容电压；将上述的H桥串联变频装置的三相的一端接电机(负载)三相的输入端，将上述的H桥 串联变频装置的三相的另一端接储能逆变器装置的输出端；所述的储能逆变器装置，如图4b所示，分为储能电容部分l、逆变器部分2和储能电容 电压检测环节3，该装置的特点是直流母线侧不需要电源供电，而只是在母线上并联具有较 大容量值的储能电容，并且在每个储能电容上接有电压检测环节，所述逆变器部分可以采用 二极管箝位型多电平结构，如图5a所示，也可采用一级H桥功率单元结构，如图5b所示， 各相桥臂上串联的各功率开关器件根据输出电压等级的不同而采用相应等级的功率半导体开 关元件，所述储能逆变器装置的输出端ax， bx， cx接上述的H桥串联变频装置的三相的一端；其中，上述储能逆变装置的储能电容电压检测环节，由电压传感器并接在储能电容上， 采样检测储能电容电压，将其作为反馈信号输入全数字控制器，由全数字控制器计算并发出 相应的PWM脉宽调制信号，来控制变频调速装置的工作状态。所述的全数字控制器，如图6所示，包括数字信号微处理器、脉宽调制信号扩展电路及 脉宽调制信号的驱动电路所述数字信号微处理器，其模拟输入为N,路储能逆变器装置母线电容电压值和3XN2 路H桥功率单元的母线电容电压值，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到数字信号 微处理器的模数转换接口；数字信号微处理器包括6路脉宽调制输出口和作为辅助控制线的1条I/O 口 ；所述脉宽调制信号扩展电路，是一个现场可编程门列阵器件，数字信号微处理器的6路 脉宽调制输出口和作为辅助控制线的1条1/0 口连接到脉宽调制信号扩展电路，所述脉宽调 制信号扩展电路输出6XN!路脉宽调制脉冲信号，控制上述储能逆变器装置，同时，所述脉 宽调制信号扩展电路还输出12XN2路脉宽调制脉冲信号，控制上述H桥串联变频装置，所 述1条I/O 口作为故障时控制封锁PWM脉冲输出；所述脉宽调制信号的驱动电路，输入所述脉宽调制信号扩展电路输出的6XN,以及12X N2路脉宽调制脉冲信号，输出相应的脉宽调制功率驱动信号，所述的脉宽调制功率驱动信号分别连接到所述储能逆变器装置和H桥串联变频装置各相桥臂上对应的功率开关器件；其中，所述的N,为储能逆变器装置的储能电容的数目，取值在1 4之间，所述的N2 为每三相串联两电平H桥功率变换单元的级数，取值在2 10之间。本技术具有的优点和创新之处1、 相对于传统的H桥变频装置，本技术通过增加一组储能逆变器装置，解决了大 容量电机变频调速过程中制动能量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
带储能单元的多电平变频驱动装置，其特征在于，所述多电平变频驱动装置含有：多绕组副边移相隔离变压器，Ｈ桥串联变频器，储能逆变器以及全数字控制器，其中：多绕组副边移相隔离变压器，原边为三相绕组，输入电网电压，副边为多组三相绕组，每一组三 相绕组输出的线电压相位依次移过相同相位角；Ｈ桥串联变频器，是一个控制电机用的三相变频器，该变频器的每一相由多级Ｈ桥功率变换单元串联而成，所述每一相中的Ｈ桥功率变换单元的个数与所述变压器副边的三相绕组的组数相等，每一组三相绕组连接一个 Ｈ桥功率变换单元，其中，所述的每一个Ｈ桥功率变换单元包括：整流部分，逆变部分和直流母线电容及其检测环节，其中：整流部分，是三相功率二极管不可控整流器，其三相输入端和所述多绕组副边移相隔离变压器副边的输出端相连，而输出端并联到所述直流 母线电容及其检测环节内的直流母线电容上，直流母线电容及其检测环节，含有：直流母线电容以及电压传感器，电压传感器并联在该直流母线电容上，检测母线电容的电压并输出到所述全数字控制器的相应模块输入端，逆变部分，是一种多电平Ｈ桥结构 ，其桥臂与所述整流部分的输出端相并联，各相桥臂上串联的各功率开关器件根据输出电压的等级的不同采用相应等级的功率半导体开关元件；储能逆变器，含有：储能电容部分，储能用逆变器部分和储能电容的电压检测环节，其中，电压检测环节是一个 电压传感器，并联在所述储能电容上检测储能电容的电压，并输出到所述全数字控制器的相应模块的输入端，储能用逆变器部分，采用二极管箝位型多电平结构，或者一级Ｈ桥功率单元结构，各相桥臂上串联的各功率开关器件根据输出电压等级的不同而采用相应等 级的功率半导体开关元件，所述储能用逆变器部分的三个输出端分别接到所述Ｈ桥串联变频器的三相中的一端；全数字控制器，含有：数字信号微处理器ＤＳＰ，脉宽调制信号扩展电路，以及分别驱动储能逆变器中各半导体功率开关器件和Ｈ桥串联变频器中各半导 体功率开关器件的两个脉宽信号ＰＷＭ驱动电路，其中：数字信号微处理器ＤＳＰ，设有两组模拟输入端，分别输入所述储能电容电压的反馈信号以及Ｈ桥串联变频器中母线电容电压的反馈信号，脉宽调制信号扩展电路，采用ＦＰＧＡ或者ＣＰＬＤ，输入 端与所述数字信号微处理器ＤＳＰ的ＰＷＭ信号输出端相连，第一ＰＷＭ信号驱动电路，输入端与所述脉宽调制信号扩展电路的相应输出端相连...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永东，饶建业，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]