[发明专利]一种波形发生方法及电力变换装置

说明书

发明领域

本发明涉及可变电压的电力变换方法和电力变换装置，尤其涉及脉宽调制电压控制系统的电力变换方法与装置，特别是高电压电力变换装置。

技术背景

大功率交流电动机的变频调速器和高压大功率工业电源的应用越来越广泛，需要大量的可靠的电力变换装置。

目前，多电平方式的、以电位独立的H桥变流单元组成的电力变换装置以美国5625545号专利所述的为代表。

图1示出了一种有多个电位独立H桥变流单元组成的电力变换装置主电路。

该装置由多次级绕组移相变压器1和多个变流单元2组成，分别串联后，再按星形接法联在一起，形成三相输出接负载5，如三相电动机。初级绕组3可以是星形接法，也可以是角形接法。次级绕组4之间要相差一定的电角度，方法可以是逐个等差的，也可以是分组等差的，但差的总和是60度。变流单元2全部是三相交流输入，单相交流输出。

图2示出了采用三台移相整流变压器的一个例子。

其中，分立变压器8、9和10取代图1中变压器1的作用。三个过流保护装置7的作用是在较大功率的三相工频电源6上保护分立变压器8、9和10。变压器8、9和10的初级绕组和次级绕组采取相应的移相措施，保证各个变流单元均衡取电，使进线谐波最小。

图3示出了变流单元2的一个例子。

变流单元2由进线端11、进线保护12、整流器13、滤波电容14、单相逆变桥15、出线端16和17、出线保护18和变流单元控制器19组成。变流单元控制器19通过光纤20与整机控制器21进行信息传递。

传统上，进线保护12采用快速熔断器。

整流器13的形式有很多种选择。图4示出了采用全控整流方式的整流器，全控整流桥13可以控制整流电路的启闭。图5和图6示出了可以进行直流母线电压控制和能量回馈的两种形式，其中的整流控制器22根据滤波电容14上的电压决定电能由进线端11流向滤波电容14还是由滤波电容14流向进线端11。图6中的整流器13由两部分组成，正向桥23负责整流功能，反向桥24负责能量回馈。

逆变桥15是可以采用任何可控关断开关器件和反向并联的续流二极管组成的单相桥式电路，不一定非要采用图3所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。图7示出了采用门极关断晶闸管(GTO)和反向并联的续流二极管组成的H型逆变桥。

出线保护18的作用是在变流单元2出现故障时，关闭逆变桥15的驱动信号，将出线端16和17之间短路，保证回路畅通，使整机可以继续运行。图8示出了应用电子开关实现出线保护的各种形式，其中通过电子开关器件25的动作实现出线端16和17之间的短路。图9示出了应用机械开关实现出线保护的各种形式，其中通过驱动器件26使机械开关27动作而实现出线端16和17之间的短路，在图9的(c)和(d)中，实现出线端16和17之间短路的同时还使逆变桥15的输出端断路，防止逆变桥15失控时造成更大的损失。在出线保护18的这些形式中，采用电子开关的，虽然动作时间短，但损耗比较大，有散热和整机效率问题；采用机械开关的，虽然没有效率和散热问题，但是其动作时间太长，不能保证变流单元发生故障时将其切离而不停止整机运行的要求，如采用带常开常闭触点的机械开关，动作过程必然是先断开常闭触点，后合上常开触点，在这个过程中电路会被切断而激出高压，所以不适合连续运行时切换。

滤波电容14一般采用电解电容通过串联和并联组成，也可以采用普通滤波电容。由于滤波电容14的电容量一般很大，需要充电电路将电容电压抬升到一定值后才能进入工作状态。图10示出一种充电电路的例子。其中，28是充电电路。上电之初，充电开关29打开，主电源通过充电电阻30给滤波电容14充电。滤波电容14上的电压达到一定值后，充电开关29合上，将充电电阻30切除，进入正常工作状态。图11示出另外一种充电电路的例子。上电之初，晶闸管31全部截止，充电开关32合上，主电源通过充电副桥33和充电电阻34给滤波电容14充电。滤波电容14上的电压达到一定值后，充电开关32断开，将充电电路切除，同时使晶闸管31导通，进入正常工作状态。充电开关32可以不使用。上述使用电阻进行充电限流的缺点是充电电阻会出现过热问题，造成寿命和可靠性过分降低，尤其是第一种充电方式，问题尤为严重。

传统上，采用图1和图2所示的拓扑结构的三相高压电源和三相高压交流电动机用变频调速器的波形发生方式有两种，一种是堆波方式，另一种是多重脉宽调制方式。