无电网污染高压大功率变频器

摘要

无电网污染高压大功率变频器由多段移相主变压器、三相感应电机、IGBT交直交单元桥,光纤波形驱动与保护电路、主控计算机、辅助计算机、可编程控制与裁决故障的PLC及控制接口电路等组成。采用IGBT元件制造的大功率变频器代表了今后新型高压大功率变频器的发展方向,IGBT的驱动功率小,开关安全区域大,易实现短路保护,对器件的要求低。在这种变频器中,采用了软件发生优化PWM波形多电平叠加技术,具有可靠性高,控制容易、损耗小,波形好、无电网污染等特点。

说明书

本发明涉及一种直接高压变频装置，涉及一种无电网污染高压大功率变频器。

世界性的能源危机，引起了各国对节能技术越来越多的关注。我国的能源消费已列世界前矛，其中最主要的原因就是单位产值能耗太大。如：占工业用电一半以上的各类风机、泵类，由于长期采用恒速驱动，造成了大量能源的浪费。根据物理学中这一公式，如果用调速技术实现变速运行，即可实现节能。因此，开发研制大、中、小功率的调速变频装置就显得尤为重要。就目前的技术水平而言，普通中，小功率的变频器已形成产业化，而高压大功率变频器的生产研制还存在很多问题，就目前现有的几种类型的变频调速器，其问题及其缺陷如下：

1、采用可控硅直流电机调速。这种装置多用于钢铁工业，其制造技术虽趋于成熟，但电机维护过程中的工作量很大，可控硅对电网污染严重。

2、可控硅交-交变频调速，这种变频装置价格贵、装置复杂，模拟控制方式可靠性低，对电网污染极大，因此需要附加昂贵且庞大的电网滤波装置。

3、使用降压-普通变频-升压的可控硅变频装置。这种装置同样是体积宠大、成本高、损耗大、对电网污染大，也需要加装滤波装置。

4、采用GTO变频器。这种变频器由于价格昂贵，维护复杂，因此只能用在极少数重点工程上，做节能推广因价高而无法普及。

5、采用GTO或SCR器件。这种变频装置是利用传统高压器件，再通过串联动态均压技术，从而得到高电压输出。这种变频装置由于采用了多电平高压串联，均衡十分困难，对电容及箝位二极管的要求很高。同时这种装置对电网污染非常大，必须使用昂贵的电网滤波器，因此造成系统过庞大，维护困难、易出故障、造价高昂等问题。

本发明的目的是设计一种对电网及对电机均无污染的大功率变频器。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：无电网污染高压大功率变频器由多段移相主变压器、三相感应电机、IGBT交直交单元桥，光纤波形驱动与保护电路、主控计算机、辅助计算机、可编程控制与裁决故障的PLC及控制接口电路等组成。所述主变压器为移相、分段、均压型变压器，它采用了Y-△曲折绕法，使主变压器的副边输出绕组相位分别为0°、±12°、±24°，具有此相位的输出绕组分别连接每一IGBT交直交单元桥；采用3、5、7、9级串连相接方式的IGBT单元桥连接感应电机A、B、C三相接线端子；同时，每一组IGBT单元桥输出采用上、下行光纤驱动控制与保护；所述主控计算机、PLC及辅助计算机双向连接并通过软件及接口电路控制IGBT输出信号，从而实现IGBT低压小功率变频器分相串接成为高压大功率变频器的目的。

采用IGBT元件制造的大功率变频器代表了今后新型高压大功率变频器的发展方向，IGBT的驱动功率小，开关安全区域大，易实现短路保护，对器件的要求低。在这种变频器中，采用了软件发生优化PWM波形多电平叠加技术，IGBT具有可靠性高、控制容易、损耗小、波形好的特点，因此十分适合用IBGT制成大功率变频器。同时这种低压变频器组串联方式可消除器件直接串联时难以动态均压的问题。另外，在本变频器中变压器采用了特殊设计和制造工艺，使带有整流负载的变压器具有高功率因数，低谐波特性，既有降压隔离作用，又有取代昂贵的电网滤波器的功能。本发明中采用高耐压的光纤驱动，使数字控制部分能安全工作。本发明的另一特点是硬件部分模块化、标准化，可规范地批量投产。而系统中的工作分配、检测、切换、保护多由专用软件控制。在电路设计中，由于在每个IGBT单元电路中均装有旁路电桥，万一发生故障，电路可自动切换，不用停机、停产。多电平PWM实现了对电相纯正弦输出电流波形，谐波总量低于1.2％，(电压、电流)，对电机无附加谐波发热及绕组过电压等，电路中的IGBT功率单元，每相均有冗余备份，不需停机，可连续安全运行。采用了主计算机及备用冗余辅助计算机，均增加了系统的可靠性。

图1为本发明的电气联接图

图2为本发明中IGBT-相的主波与谐波含量图

图3为为本发明中IGBT三相合成后谐波含量图

图4为为本发明中IGBT一单元PWM波形图

图5为为本发明中IGBT二单元PWM波形图

图6为为本发明中IGBT三单元PWM波形图

图7为为本发明中IGBT四单元PWM波形图

图8为为本发明中IGBT五单元PWM波形图

图9为为本发明中IGBT五单元合成后的电压波形图

图10为本发明中IGBT单元电路的保护电路图

下面结合附图并以五级单元方式的多电平PWM(脉宽调制)叠加为例，具体说明如下：

由图1可知，无电网污染高压大功率变频器由主变压器1、三相感应电机2、IGBT交直交单元桥A1-A5、B1-B5、C1-C5、光纤波形驱动与保护电路3、主控计算机4、辅助计算机5、可编程控制与裁决故障的PLC6及控制接口电路7等组成。所述主变压器1为三相错相、均压多重移相变压器。它采用Y-△曲折绕法，使变压器副边的十五个输出绕组相互错相，相位分别为：0°、±12°、±24°各三组，这种带整流器负载的变压器，具有高功率因数(＞0.95)，低谐波特性，不但具有降压隔离的作用，还可消除对电网谐波污染(低于1％)，可取代昂贵的电网滤波器。

上述十五个绕组输出端，均连接一个IGBT交直交单相桥，它们分别为A1-A5、B1-B5、C1-C5。IGBT可采用三、五、七、九级串接方式。在本实施例中，IGBT采用五级串联方式。A单元的五个IGBT即：A1-A5，相互串接后连接感应电机2的A相接线端子；B单元的五个IGBT即：B1-B5，相互串接后连接感应电机2的B相接线端子；C单元的五个IGBT即：C1-C5，相互串接后连接感应电机2的C相接线端子；而A、B、C单元的另一端相互连接在一起。

每一组IGBT的单元输出由光纤3(上、下行)驱动控制与保护，光纤3的另一端与控制接接口电路7相连接。主控制计算机4、辅助计算机5、可编程控制与裁决故障的PLC6相互双向串接，其控制信号由主控计算机4输出至控制接口电路7。

图2-图3提供了IGBT一相、及三相合成后的主波、谐波含量图，图4-图9提供了1单元-5单元及5单元合成后的PWM(脉宽调制)波形图。由上述波形可知，本发明所述的变频器采用软件发生多电平PWM叠加，实现了高压下连续变频变压(0-60赫兹，0-额定电压3300-6600V)调速，而且不需要配用专用电机。从上述图形还可知，多电平PWM实现了对电相纯正弦输出电流波形，使谐波总量低于1.2％(电压、电流)。

在图10中，8为一个IGBT交、直、交单元桥电路，在桥的输出端连接有一旁路桥，该旁路桥为保护电路，是由整流二极管9-12及可控硅13组成。其中二极管9-12为桥电路，桥电路两端并联有可控硅13。

在本发明中IGBT功率单元每相均有冗余备份，且每一组IGBT均装有上述保护电路，一旦IGBT发生损坏，保护电路工作，不需停机仍可安全运行。