專利名稱：中壓變頻功率電路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種基于功率平衡、多級(jí)串聯(lián)
逆變的中壓變頻功率電路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在三相中壓變頻調(diào)速領(lǐng)域，在用的電力電子變換器型式為電壓源逆變器多級(jí)串聯(lián) 的級(jí)聯(lián)變頻器和三電平逆變器。前者為高低高型，最高電壓為10kV，其前級(jí)一般采用不控整 流器，當(dāng)然也可以采用三相可控整流器。后者為高高型，目前最高電壓僅為3.3kV，前級(jí)一 般采用不控整流器，也可以采用三電平可控整流器。高低高型的級(jí)聯(lián)變頻器，通用結(jié)構(gòu)包括 3x級(jí)數(shù)個(gè)三相不控整流器、3x級(jí)數(shù)個(gè)單相電壓源逆變器、一個(gè)高壓輸入低壓輸出的降壓變 壓器，降壓變壓器的特征為初級(jí)為Y接三相繞組、次級(jí)為3x級(jí)數(shù)個(gè)曲折三相繞組，曲折三相 繞組連接組別的基本角度差為(60° /級(jí)數(shù))，每三個(gè)三相繞組連接組別相同，一個(gè)整流器 配套一個(gè)逆變器。為了便于說明，令總級(jí)數(shù)為N，第任意個(gè)級(jí)數(shù)為n。 對(duì)于高低高型的級(jí)聯(lián)變頻器的使用已經(jīng)獲得了巨大的成功，但是并不是說這種功 率結(jié)構(gòu)就沒有問題。理論分析與實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，級(jí)聯(lián)變頻器具有以下問題(l)降壓變壓器 設(shè)計(jì)復(fù)雜，表現(xiàn)為次級(jí)曲折繞組設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)率較低；(2)整流器數(shù)量多；(3)不控整流器 負(fù)載不平衡，需要大容量電解電容，尤其采用可控整流器時(shí)該問題更加嚴(yán)重；(4)不控整流 器輸入電流波形畸變，額外增加了降壓變壓器的容量；(4)整機(jī)體積大、效率低、成本高、控 制復(fù)雜、性能較差；(5)更高電壓輸出需要更多的逆變器串聯(lián)級(jí)數(shù)。為此需要對(duì)此級(jí)聯(lián)變頻 器機(jī)構(gòu)進(jìn)行改變，設(shè)計(jì)新型的變頻器結(jié)構(gòu)，帶來優(yōu)秀變換性能。 經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)?2104140. 7，
公開日2003_4_30，記 載了這一種"無諧波污染高壓大功率變頻器";另外，江友華在《高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速技術(shù)的研究》(上海大學(xué)博士學(xué)位論文.2006年02月)也公開了級(jí)聯(lián)多 重化(即多級(jí)串聯(lián))以及三電平的中壓、高壓變頻器都得到了一定范圍的應(yīng)用，發(fā)揮了變頻 調(diào)壓調(diào)速、節(jié)能降耗的作用。上述技術(shù)中實(shí)現(xiàn)高壓變頻電源的手段主要包括以下四點(diǎn)(l) 傳統(tǒng)的降壓變壓器不控整流器逆變器級(jí)聯(lián)多重化的高低高方案；(2)基于二極管嵌位的三 電平電壓源逆變器高高方案；(3)基于電容嵌位的三電平電壓源逆變器高高方案；(4)傳統(tǒng) 的降壓變壓器矩陣變換器級(jí)聯(lián)多重化的高低高方案；(5)器件直接串聯(lián)的兩電平逆變器。
經(jīng)過分析，現(xiàn)有技術(shù)都存在以下缺陷第一種由于不控整流橋負(fù)載不平衡，使得 直流回路儲(chǔ)能電容尺寸增加，輸入電流波形不對(duì)稱，穩(wěn)定性較差。降壓變壓器的次級(jí)必須設(shè) 計(jì)成多種連接組別，如Y型、曲折型等，設(shè)計(jì)復(fù)雜，效率低下。升壓獲得單純依賴級(jí)數(shù)的增加 來完成，使得系統(tǒng)龐大，控制難度遞增。第二種結(jié)構(gòu)較為簡單，但是控制仍然復(fù)雜，存在直 流電壓不平衡問題，支持功率范圍較窄，支持輸出電壓范圍不寬，降壓變壓器的次級(jí)也必須 設(shè)計(jì)成多Y型和三角型等，設(shè)計(jì)有些復(fù)雜，效率低下。第三種由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可控性復(fù) 雜，沒有得到應(yīng)用。第四種由于矩陣變換器的負(fù)載不平衡，使得輸入電流波形畸變，本來輸 入電流波形就較差，輸入電流波形不對(duì)稱，穩(wěn)定性較差。降壓變壓器的次級(jí)必須設(shè)計(jì)成多種連接組別，如Y型、曲折型等，設(shè)計(jì)復(fù)雜，效率低下。升壓獲得單純依賴級(jí)數(shù)的增加來完成， 使得系統(tǒng)龐大，控制難度遞增。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種中壓變頻功率電路系統(tǒng)，通過簡 化降壓變壓器、三相整流器數(shù)量減少且功率平衡、輸出電壓得以進(jìn)一步提升，具有總體結(jié)構(gòu) 簡單，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)改善、整體整體性能更加完善之優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括依次串聯(lián)的降壓變壓器、變換器 陣列和升壓變壓器，降壓變壓器的輸入端與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連接，升壓變壓 器的輸出端為變頻電壓輸出；
其中 所述的降壓變壓器為降壓變壓器，包括一個(gè)三相初級(jí)繞組和N個(gè)三相次級(jí)繞組， 其中三相初級(jí)繞組分別與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連，三相次級(jí)繞組與變換器陣列 中的變換器子單元的輸入端相連； 所述的變換器陣列包括N個(gè)并聯(lián)的變換器子單元，該變換器子單元的輸入端與 降壓變壓器的對(duì)應(yīng)三相次級(jí)繞組相連接，其輸出端分別與升壓變壓器的對(duì)應(yīng)三相變壓器相 連； 所述的升壓變壓器包括N個(gè)三相變壓器，其中每一個(gè)三相變壓器的交流輸入端 分別與對(duì)應(yīng)變換器子單元的交流輸出端對(duì)應(yīng)連接，每一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸出端依次串 聯(lián)至下一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸入端，最后一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸出端為變頻電壓輸 出。 所述的變換器子單元包括1個(gè)三相可控整流器和3個(gè)單相逆變器，其中三相可 控整流器的交流輸入端與降壓變壓器的三相次級(jí)繞組相連接，三相可控整流器的直流輸出 端分別與3個(gè)單相逆變器的直流輸入端相連，3個(gè)單相逆變器的3對(duì)交流輸出端分別與升壓 變壓器的對(duì)應(yīng)三相變壓器的輸入端相連接。 所述的三相可控整流器為低壓電力電子變換器，輸入低壓工頻交流電壓，輸出低 壓直流電壓。 所述的單相逆變器為低壓電力電子變換器，輸入低壓直流電壓，輸出低壓變頻交 流電壓。 所述的升壓變壓器為低壓電力變壓器，輸入低壓變頻交流電壓，輸出低壓變頻交 流電壓。 綜上所述，降壓變壓器負(fù)責(zé)將一組三相高壓工頻交流電壓變?yōu)?N組低壓工頻交 流電壓，初級(jí)電流為正弦波形，各次級(jí)電流為正弦波形，為Y-Y接，工藝簡化，電力環(huán)保，效 率提高。可控整流器輸入正弦交流電壓，輸出直流電壓，產(chǎn)生輸入正弦交流電流。單相逆變 器輸入直流電壓，輸出變壓變頻電壓。升壓變壓器完成將逆變輸出的變壓變頻電壓進(jìn)行進(jìn) 一步升壓，擴(kuò)大輸出電壓范圍，而且起到電氣隔離作用，當(dāng)然也可以制作成變比為1的變壓 器。 本發(fā)明的目的是以三相可控整流器負(fù)載功率平衡為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了降壓變壓器簡 化、三相可控整流器數(shù)量減少、升壓變壓器進(jìn)一步升壓的多級(jí)串聯(lián)中壓變頻功率電路系統(tǒng)，因而具有構(gòu)思新穎、通用性強(qiáng)等特征，而且總體結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)改善、整體整體性 能等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為降壓變壓器示意圖。
圖3為變換器陣列示意圖。
圖4為升壓變壓器示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 如圖1所示，本實(shí)施例包括依次串聯(lián)的降壓變壓器1、變換器陣列2和升壓變壓 器3，其中 如圖2和圖3所示，所述的降壓變壓器1包括一個(gè)三相初級(jí)繞組PR1和N個(gè)三相 次級(jí)繞組SE1、…、SEN，其中三相初級(jí)繞組PR1分別與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連， 第i個(gè)三相次級(jí)繞組SEi與變換器陣列的第i個(gè)三相可控整流器RECi的三相輸入端相連， 其中其中的i為1到N的自然常數(shù)，N為級(jí)數(shù)且取值為自然常數(shù)； 如圖2-4所示，所述的變換器陣列包括N個(gè)三相整流器REC1、…、RECN和N個(gè)單 相逆變器陣列，每個(gè)單相逆變器陣列包括三個(gè)并聯(lián)的第一單相逆變器INVli、第二單相逆 變器INV2i和第三單相逆變器INV3i ;其中第i個(gè)三相可控整流器RECi的三相交流輸入 端與降壓變壓器中第i個(gè)三相次級(jí)繞組對(duì)應(yīng)相連，該三相可控整流器RECi的直流輸出端 子與第i個(gè)單相逆變器陣列的輸入端相連接，第i個(gè)單相逆變器陣列中的第一單相逆變器 INVli、第二單相逆變器INV2i和第三單相逆變器INV3i分別與升壓變壓器的三相變壓器相 連接； 如圖3和圖4所示，所述的升壓變壓器包括N個(gè)并聯(lián)的三相變壓器TRUP1、…、 TRUPN，其中第i個(gè)三相變壓器TRUPi的三個(gè)輸入端分別對(duì)應(yīng)連接至所述變換器陣列的第 i個(gè)單相逆變器陣列的三個(gè)輸出端，該第i個(gè)三相變壓器TRUPi的三個(gè)并聯(lián)輸出端連接至 第i+l個(gè)三相變壓器TRUPi+l的三個(gè)并聯(lián)輸入端，第N個(gè)三相變壓器TRUPN的輸出端為本 實(shí)施例系統(tǒng)的輸出端。 本實(shí)施例中三相交流輸出電壓為6kV，中壓變頻器期望輸出交流電壓最大范圍 為6kV，降壓變壓器初級(jí)電壓為6kV，降壓變壓器次級(jí)電壓為690V，級(jí)數(shù)N為5，三相可控整 流器可以電壓源整流器、電流源整流器、矩陣整流器、相控整流器等各種采用可控技術(shù)的三 相交流電壓輸入、直流電壓輸出整流器型式，也可以為二極管不控整流器。三相逆變器可以 采用現(xiàn)有的三相電壓源逆變器，升壓變壓器制作成變壓1倍的同壓變壓器，則可以完全滿 足6kV高壓變頻電機(jī)的變頻調(diào)速要求。
權(quán)利要求
一種中壓變頻功率電路系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的降壓變壓器、變換器陣列和升壓變壓器，降壓變壓器的輸入端與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連接，升壓變壓器的輸出端為變頻電壓輸出，其特征在于所述的降壓變壓器為降壓變壓器，包括一個(gè)三相初級(jí)繞組和N個(gè)三相次級(jí)繞組，其中三相初級(jí)繞組分別與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連，三相次級(jí)繞組與變換器陣列中的變換器子單元的輸入端相連；所述的變換器陣列包括N個(gè)并聯(lián)的變換器子單元，該變換器子單元的輸入端與降壓變壓器的對(duì)應(yīng)三相次級(jí)繞組相連接，其輸出端分別與升壓變壓器的對(duì)應(yīng)三相變壓器相連；所述的升壓變壓器包括N個(gè)三相變壓器，其中每一個(gè)三相變壓器的交流輸入端分別與對(duì)應(yīng)變換器子單元的交流輸出端對(duì)應(yīng)連接，每一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸出端依次串聯(lián)至下一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸入端，最后一個(gè)三相變壓器的并聯(lián)輸出端為變頻電壓輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，其特征是，所述的變換器子單元包 括1個(gè)三相可控整流器和3個(gè)單相逆變器，其中三相可控整流器的交流輸入端與降壓變 壓器的三相次級(jí)繞組相連接，三相可控整流器的直流輸出端分別與3個(gè)單相逆變器的直流 輸入端相連，3個(gè)單相逆變器的3對(duì)交流輸出端分別與升壓變壓器的對(duì)應(yīng)三相變壓器的輸 入端相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，其特征是，所述的三相可控整流器 為低壓電力電子變換器，輸入低壓工頻交流電壓，輸出低壓直流電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，其特征是，所述的單相逆變器為低 壓電力電子變換器，輸入低壓直流電壓，輸出低壓變頻交流電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，其特征是，所述的升壓變壓器為低 壓電力變壓器，輸入低壓變頻交流電壓，輸出低壓變頻交流電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，其特征是，所述的降壓變壓器包括一個(gè)三相初級(jí)繞組(PR1)和N個(gè)三相次級(jí)繞組(SE1)、…、(SEN)，其中三相初級(jí)繞組(PR1) 分別與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連，第i個(gè)三相次級(jí)繞組(SEi)與變換器陣列的第i 個(gè)三相可控整流器(RECi)的三相輸入端相連；所述的變換器陣列包括N個(gè)三相整流器(REC1)、…、(RECN)和N個(gè)單相逆變器陣列， 每個(gè)單相逆變器陣列包括三個(gè)并聯(lián)的第一單相逆變器(INVli)、第二單相逆變器(INV2i) 和第三單相逆變器(INV3i);其中第i個(gè)三相可控整流器(RECi)的三相交流輸入端與 降壓變壓器中第i個(gè)三相次級(jí)繞組對(duì)應(yīng)相連，該三相可控整流器(RECi)的直流輸出端子 與第i個(gè)單相逆變器陣列的輸入端相連接，第i個(gè)單相逆變器陣列中的第一單相逆變器 (INVli)、第二單相逆變器(INV2i)和第三單相逆變器(INV3i)分別與升壓變壓器的三相變 壓器相連接；所述的升壓變壓器包括N個(gè)并聯(lián)的三相變壓器(TRUP1)、…、(TRUPN)，其中第i個(gè)三 相變壓器(TRUPi)的三個(gè)輸入端分別對(duì)應(yīng)連接至所述變換器陣列的第i個(gè)單相逆變器陣列 的三個(gè)輸出端，該第i個(gè)三相變壓器(TRUPi)的三個(gè)并聯(lián)輸出端連接至第i+l個(gè)三相變壓 器(TRUPi+l)的三個(gè)并聯(lián)輸入端，第N個(gè)三相變壓器(TRUPN)的輸出端為所述系統(tǒng)的輸出丄山順；其中的i為1到N的自然常數(shù)，N為級(jí)數(shù)且取值為自然常數(shù)。
全文摘要
一種電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的中壓變頻功率電路系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的降壓變壓器、變換器陣列和升壓變壓器，降壓變壓器的輸入端與中壓電網(wǎng)的三相電源輸出端相連接，升壓變壓器的輸出端為變頻電壓輸出；本發(fā)明通過將三相整流器數(shù)量減少且功率平衡、輸出電壓得以進(jìn)一步提升，具有總體結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)改善、整體整體性能更加完善之優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/40GK101777842SQ20101013051
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者張哲民, 楊興華, 楊喜軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)