一种高功率密度模块和模块化中压变频器

1.本发明属于电力电子电能变换技术领域，涉及一种高功率密度模块、模块化中压变频器。


背景技术：

2.随着经济和社会的发展，三相中压变频器在工业生产中得到了广泛应用，例如水泵、风机、铁路牵引机械以及轧机等。串联h桥型变换器(简称chb)已有二十余年的发展历程，其成为当今的中压变频器的主流拓扑之一。但是功率密度问题是其主要的缺点，chb功率密度低的原因在于其需要笨重的移相变压器以及庞大的直流侧电容。连接电动机的串联h桥需要由工频变压器以及整流器提供大量的隔离直流供电电源，这种工频变压器体积笨重、运输困难以及成本高昂。此外由于电机侧的二倍频波动功率由模块中的直流侧电容缓冲，因此需要大容量的直流侧电容。这两方面的因素导致chb拓扑的功率密度低，这是chb作为三相中压变频器的主要缺点。
3.相比于chb拓扑，模块化多电平变流器(简称mmc)取消了笨重昂贵的移相变压器，直接采用公共直流母线供电，简化了系统整体结构。但是mmc各子模块电容电压波动大小与交流侧输出频率成反比关系，若利用mmc直接驱动大功率低速电机将造成较大的子模块电容电压波动，从而影响交流侧输出波形质量，严重时甚至会影响mmc以及电机的正常运行。为抑制子模块电容电压波动，通常采取增大电容容量的方式，但同时造成了电容体积和重量占比过大、系统建造维护成本过高的问题。除此之外，mmc的开关器件和电容器数量分别增加至chb的2倍和4倍，以增加开关器件和电容器数量为代价换取的省去工频多绕组变压器的技术思路并不能从根本上解决中压变频系统成本和功率密度问题，上述缺点限制了mmc在三相中压变频器中的应用。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高功率密度模块和模块化中压变频器，具体是一种高功率密度模块以及由多个高功率密度模块组成的模块化中压变频器，相比现有的三相中压变频器，本发明能有效提高功率密度、容量和冗余容错能力。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种高功率密度模块，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、单相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是单相全桥电路或者单相半桥电路；
7.网侧单相h桥的直流侧通过并联电容与原边高频电路的直流侧相连，机侧单相h桥的直流侧与副边高频电路的直流侧相连；原边高频电路与副边高频电路的交流侧分别通过一条lc谐振支路与高频变压器的两个绕组相连，构成网侧电路与机侧电路；高频变压器的第三个绕组串联lc谐振支路构成高频交流端口，或者高频变压器的第三个绕组直接构成高
频交流端口。
8.一种高功率密度模块，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、三相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是三相半桥电路；
9.网侧单相h桥的直流侧通过并联电容与原边高频电路的直流侧相连，机侧单相h桥的直流侧与副边高频电路的直流侧相连；原边高频电路与副边高频电路的交流侧分别通过三条lc谐振支路与高频变压器的两对三相绕组相连，构成网侧电路与机侧电路；高频变压器的第三对三相绕组串联lc谐振支路构成三相高频交流端口，或者高频变压器的第三对三相绕组直接构成三相高频交流端口。
10.作为本发明的进一步改进，所述的网侧单相h桥、机侧单相h桥均是单相两电平、三电平或多电平电路，开关频率是几百赫兹至几千赫兹范围内的任一频率；所述高频变压器的频率是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率。
11.作为本发明的进一步改进，所述lc谐振支路为一个电感和一个电容组成的串联谐振电路，谐振电感为高频变压器绕组漏感或者外接电感。
12.作为本发明的进一步改进，所述原边高频电路以及副边高频电路的控制信号一致且开关频率均等于谐振频率。
13.作为本发明的进一步改进，网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路发生故障时，单相h桥电路交流端口处并联的开关闭合，发生故障的单相h桥电路闭锁；
14.原边高频电路或者副边高频电路发生故障时，对应的网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路交流端口处并联的开关闭合，故障的原边高频电路或者副边高频电路对应的lc谐振支路上串联的开关断开，故障高频电路以及对应的网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路闭锁。
15.一种模块化中压变频器，由3n个基于单相三绕组变压器或者基于三相三绕组变压器的高功率密度模块构成；所述模块化中压变频器为n层结构，每一层由三个高功率密度模块构成。
16.作为本发明的进一步改进，每层中的第一个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口，第二个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口，第三个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口；然后输入侧/输出侧的三个单相之间分别y型连接形成网侧三相交流端口和机侧三相交流端口。
17.作为本发明的进一步改进，所述网侧三相交流端口通过滤波电感连接至三相交流电网，机侧三相交流端口直接连接至电动机。
18.作为本发明的进一步改进，每层的三个高功率密度模块的高频交流端口或者三相高频交流端口并联形成高频交流母线；各层之间的高频交流母线均并联连接。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明用于电机拖动的模块化中压变频器具有高功率密度的特征，通过提升变压器频率减小了变压器体积，提供高频波动通路减小了直流侧支撑电容器的体积，有效的解决了现有的三相中压变频器拓扑结构中chb以及mmc中存在的功率密度低的问题。虽然变压器频率提升但由于串联谐振技术的采用，使得高频电路的电压电流过零点保持重合，实现
软开关特性。
21.本发明用于电机拖动的模块化中压变频器，模块化中压变频器为n层结构，每一层由三个高功率密度模块构成，且具有高容量的特点，在现有三绕组高频变压器制作能力的限制下能够以极高功率密度的模块化方式实现10kv 10mw以上电压功率等级的变频器，减少电机拖动系统的建造成本。
22.本发明的模块化中压变频器具备冗余容错能力，当高功率密度模块中开关管发生故障时及时屏蔽，变频器的高频波动通路依旧存在，变频器的整体运行不受任何影响。
附图说明
23.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
24.图1为本发明提供一种高功率密度模块拓扑结构示意图；
25.图2为本发明提供另一种高功率密度模块拓扑结构示意图；
26.图3为本发明模块化中压变频器拓扑结构示意图；
27.图4为本发明优选实施例的电机运行频率从0hz到工频60hz情况下的变流器动态过程电机侧仿真波形图，(a)～(e)分别为电机启动过程中的机侧三相电压、机侧三相电流、电机的转速、转矩以及机侧所有直流侧电容电压的仿真波形图；
28.图5为本发明优选实施例的电机运行频率从0hz到工频60hz情况下的变流器动态过程电网侧仿真波形图，(a)～(c)分别为电机启动过程中网侧三相电压、网侧三相电流以及网侧所有直流侧电容电压的仿真波形图；
29.图6为本发明优选实施例的一种模块化中压变频器中高频电路交流端口电压与谐振电流的波形图。
30.具体实施
31.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.为了解决背景技术中存在的问题，三相中压变频器迫切需要开发具有较小电容容
值和变压器尺寸的高功率密度变换器。
34.本发明主要涉及一种用于电机拖动的高功率密度模块、一种模块化中压变频器，下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.如图1所示，本发明实施例提供一种用于电机拖动的高功率密度模块，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、单相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是单相全桥电路或者单相半桥电路；
36.网侧单相h桥、机侧单相h桥的直流侧分别与原边高频电路以及副边高频电路的直流侧相连，网侧单相h桥、机侧单相h桥的交流侧分别通过一条lc(l1c1、l2c2)谐振支路与高频变压器的两个绕组相连，构成网侧电路与机侧电路。高频变压器的第三个绕组串联lc(l3c3)谐振支路构成高频交流端口(h
+
h-)，或者高频变流器的第三绕组直接构成高频交流端口。
37.如图2所示，本发明还提供另一种高功率密度模块，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、三相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是三相半桥电路；
38.网侧单相h桥、机侧单相h桥的直流侧分别与原边高频电路以及副边高频电路的直流侧相连，两个高频电路的交流侧分别通过三条lc谐振支路与原边高频电路以及副边高频电路的两对三相绕组(u1v1w1、u2v2w2)相连，构成网侧电路与机侧电路。高频变压器的第三对三相绕组(u3v3w3)串联lc谐振支路构成三相高频交流端口(h
uhvhw
)，或者高频变流器的第三对三相绕组直接构成三相高频交流端口。
39.具体地，网侧单相h桥、机侧单相h桥均是单相两电平、三电平或多电平电路，开关频率是几百赫兹至几千赫兹范围内的任一频率；所述高频变压器的频率是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率；所述高频变压器的匝数比由实际的应用场景设计；所述高频变压器为单相或者三相三绕组变压器。
40.具体地，lc谐振支路为一个电感和一个电容组成的串联谐振电路，lc谐振支路中的电感为高频变压器绕组漏感或者外接电感。
41.具体地，原边高频电路以及副边高频电路的控制信号一致且开关频率均等于谐振频率。
42.具体地，采用本发明提供的两种高功率密度模块，模块中网侧单相h桥发生故障时，开关s1闭合，切除网侧单相h桥与电网侧的连接，同时该模块中网侧单相h桥闭锁；当模块中机侧单相h桥发生故障时，开关s4闭合，切除机侧单相h桥与电机侧的连接，同时该模块中机侧单相h桥闭锁；模块中原边高频电路发生故障时，开关s1闭合，s2断开，切除网侧电路与电网侧的连接以及原边高频电路与变压器的连接，同时故障高频电路以及网侧单相h桥电路闭锁；当模块中副边高频电路发生故障时，开关s4闭合，s3断开，切除模块中机侧电路与电机侧的连接以及副边高频电路与变压器的连接，同时故障高频电路以及机侧单相h桥电路闭锁。
43.如图3所示，本发明还提供一种用于电机拖动的模块化中压变频器，以单相三绕组变压器形成的三绕组高功率密度模块为例，三相三绕组变压器形成的模块化中压变频器同理。其由3n(n＝1,2,3
…
)个图1所示的高功率密度模块构成；所述模块化中压变频器为n层结构，每一层由三个高功率密度模块构成。
44.其中，高功率密度模块采用图1或图2的结构。
45.具体地，结合图3，每层的第一个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口，第二个高功率密度模块和第三个高功率密度模块同理；然后三个单相之间y型连接形成网侧三相交流端口(a端口、b端口、c端口)和机侧三相交流端口(u端口、v端口、w端口)；网侧三相交流端口通过滤波电感连接至三相交流电网，机侧三相交流端口直接连接至电动机。
46.具体地，所述每层内的三个高功率密度模块的高频交流端口并联形成高频交流母线端口(h
+
、h
_
)；所述模块化中压变频器中各层之间的高频交流母线均并联连接。
47.以下结合具体实施例对本发明的方案进行详细说明。
48.结合图3，本发明实施例具体结构为：每个高功率密度模块由一个网侧单相h桥，一个原边高频电路，三条lc谐振支路，一个三绕组高频变压器，一个副边高频电路和一个机侧单相h桥组成。原边高频电路、副边高频电路由单相半桥电路构成。设计模块化中压变频器共计4层12个高功率密度模块，每相的四个高功率密度模块的网侧电路输出端口及机侧电路输出端口分别串联连接，三个单相之间y型连接形成网侧三相交流端口和机侧三相交流端口；网侧三相交流端口通过滤波电感连接至三相交流电网，机侧三相交流端口直接连接至电动机；每层的三个高功率密度模块的高频交流端口或者三相高频交流端口并联连接形成高频交流母线，各层之间的高频交流母线并联连接。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
49.以上述思路设计的模块化中压变频器的参数汇集在表1中，据此构建的matlab/simulink仿真模型完全达到了预期设计目标并实现了控制功能。
50.表1模块化中压变频器具体参数
[0051][0052]
图4所示为电机运行频率从0hz到工频60hz情况下的变流器动态过程电机侧的仿真波形。其中，(a)为电机的转速ωr波形；(b)为电机的电磁转矩te波形，(c)为电机侧三相电压v
out
波形，(d)为电机侧三相电流ia、ib、ic波形,(e)为机侧所有直流电容电压v
cg
波形。。
[0053]
由图4可得，仿真起始阶段，变流器给异步电机通入直流电建立磁场；在t＝0.5s时，电机空载启动，转速从0增加到1189rpm。在整个启动过程中，电磁转矩一直保持在最大值，因此输出电流的幅值一直保持在峰值，变频器输出电平数随着转速的增加从三电平逐渐变为九电平,三相波动功率分量通过变压器磁路抵消，电机侧的直流侧电容器几乎不需要缓冲波动功率，在低速到满速整个速度范围内，直流侧电容电压波动幅值始终控制在
±
5％以内。
[0054]
图5所示为电机运行频率从0hz到工频60hz情况下的变流器动态过程电机侧的仿真波形。其中，(a)为三相电网电压v
in
波形；(b)为三相电网电流i
in
波形，(c)为网侧所有直流电容电压v
cm
波形。
[0055]
由图5可得，在整个启动过程中，网侧的输入电流的峰值线性增大。网侧的三相波动功率分量也通过变压器磁路抵消，在整个速度范围内，直流侧电容电压的波动幅值也在
±
5％以内。
[0056]
由此可见，本发明所提出的模块化中压变频器中直流侧电容器不再需要缓冲二倍频波动功率，从而实现直流电容器容值的减小；此外，本方案采用高频变压器提供磁路抵消通道，整体上减小了核心磁电元件的体积和重量。这两方面共同验证了所提方案的高功率密度优势。
[0057]
图6所示为模块化中压变流器中a相第一个模块中的谐振电流与高频变流器交流端口电压的波形。(a)为高频电路方波电压vr的波形，(b)为谐振支路上流过的电流ir的波形。从图中可以看出高频电路的方波电压和谐振腔中流通的电流同时过零，高频电路中的开关管开关损耗极小，验证了本发明所提方案中高频电路的软开关特性。
[0058]
以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
[0059]
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。
[0060]
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

技术特征：
1.一种高功率密度模块，其特征在于，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、单相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是单相全桥电路或者单相半桥电路；网侧单相h桥的直流侧通过并联电容与原边高频电路的直流侧相连，机侧单相h桥的直流侧与副边高频电路的直流侧相连；原边高频电路与副边高频电路的交流侧分别通过一条lc谐振支路与高频变压器的两个绕组相连，构成网侧电路与机侧电路；高频变压器的第三个绕组串联lc谐振支路构成高频交流端口，或者高频变压器的第三个绕组直接构成高频交流端口。2.一种高功率密度模块，其特征在于，包括网侧单相h桥、原边高频电路、lc谐振支路、三相三绕组高频变压器、副边高频电路和机侧单相h桥；原边高频电路、副边高频电路是三相半桥电路；网侧单相h桥的直流侧通过并联电容与原边高频电路的直流侧相连，机侧单相h桥的直流侧与副边高频电路的直流侧相连；原边高频电路与副边高频电路的交流侧分别通过三条lc谐振支路与高频变压器的两对三相绕组相连，构成网侧电路与机侧电路；高频变压器的第三对三相绕组串联lc谐振支路构成三相高频交流端口，或者高频变压器的第三对三相绕组直接构成三相高频交流端口。3.根据权利要求1或2所述的高功率密度模块，其特征在于，所述的网侧单相h桥、机侧单相h桥均为单相两电平、三电平或多电平电路，开关频率是几百赫兹至几千赫兹范围内的任一频率；所述高频变压器的频率是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率。4.根据权利要求1或2所述的高功率密度模块，其特征在于，所述lc谐振支路为一个电感和一个电容组成的串联谐振电路，谐振电感为高频变压器绕组漏感或者外接电感。5.根据权利要求1或2所述的高功率密度模块，其特征在于，所述原边高频电路以及副边高频电路的控制信号一致且开关频率均等于谐振频率。6.根据权利要求1或2所述的高功率密度模块，其特征在于，网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路发生故障时，单相h桥电路交流端口处并联的开关闭合，发生故障的单相h桥电路闭锁；原边高频电路或者副边高频电路发生故障时，对应的网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路交流端口处并联的开关闭合，故障的原边高频电路或者副边高频电路对应的lc谐振支路上串联的开关断开，故障高频电路以及对应的网侧单相h桥电路或机侧单相h桥电路闭锁。7.一种模块化中压变频器，其特征在于：由3n个如权利要求1或2所述的高功率密度模块构成；所述模块化中压变频器为n层结构，每一层由三个高功率密度模块构成。8.根据权利要求7所述的模块化中压变频器，其特征在于，每层中的第一个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口，第二个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口，第三个高功率密度模块的网侧电路交流端口以及机侧电路交流端口分别进行串联或并联连接构成单相输入端口/输出端口；然后输入侧/输出侧的三个单相之间分别y型连接形成网侧三相交流端口和机侧三相交流端口。
9.根据权利要求8所述的模块化中压变频器，其特征在于，所述网侧三相交流端口通过滤波电感连接至三相交流电网，机侧三相交流端口直接连接至电动机。10.根据权利要求7所述的模块化中压变频器，其特征在于，每层的三个高功率密度模块的高频交流端口或者三相高频交流端口并联形成高频交流母线；各层之间的高频交流母线均并联连接。

技术总结
本发明公开一种高功率密度模块和模块化中压变频器，属于电力电子电能变换技术领域。高功率密度模块由网侧电路、机侧电路以及高频交流端口构成；网侧、机侧单相H桥的直流侧分别与原边、副边高频电路的直流侧相连，两个高频电路的交流侧分别通过LC谐振支路与高频变压器的两个绕组相连，构成网侧电路与机侧电路。高频交流端口是由高频变压器第三个绕组通过LC谐振支路或直接由高频变压器第三个绕组构成。模块化中压变频器为n层结构，每层由三个高功率密度模块组成，所有层的三个模块的网侧与机侧分别进行串联或并联形成三个单相交流端口，三个单相之间Y型连接形成网侧、机侧三相交流端口。本发明具有高功率密度，高容量和冗余容错的特性。容错的特性。容错的特性。


技术研发人员：杜思行 宋群胜 刘进军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/28