一种高压级联变频器的功率单元

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高压级联变频器的功率单元。

背景技术

高压变频器作为一种高效节能设备，广泛应用于电力、冶金、化工等行业，为节能降耗发挥了重要的作用，尤其是一种每一相由多个功率单元串联组成的高压级联变频器，因其出色的性能表现受到了广大用户的喜爱，但是，这种高压级联变频器的功率单元存在较高的故障率，会对生产造成直接的影响，所以在功率单元发生故障时，将故障的功率单元旁路出系统，有助于提高高压级联变频器的稳定性。

传统的机械旁路的响应时间长，通常在110ms左右，会导致变频器的输出波形不连续，从而降低了变频器的可靠性和稳定性，增加现场设备停机的风险，并且，传统的机械旁路需要增加旁路控制板和外部机械接触器，增加了高压变频器的生产成本。

发明内容

本申请提供了一种高压级联变频器的功率单元，目的在于解决因旁路的响应时间长而导致的变频器输出波形不连续的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

所述功率单元包括主电路以及旁路电路，所述主电路包括输入端、整流电路、逆变电路以及输出端；

所述输入端与所述整流电路连接，所述整流电路与所述逆变电路连接，所述逆变电路与所述输出端连接，所述旁路电路与所述输出端连接；

其中，所述输入端用于输入三相交流电，所述整流电路用于将所述三相交流电转化为直流电，所述逆变电路用于将所述直流电转化为单相交流电，所述输出端用于输出所述单相交流电；

当所述功率单元处于正常工作状态时，所述旁路电路断路，当所述功率单元处于故障状态时，所述旁路电路由断路转换为通路，以使得所述功率单元旁路。

可选地，所述旁路电路包括开关元件以及整流桥，所述开关元件与所述整流桥连接；

所述整流桥包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；

所述第一二极管的阳极与所述第三二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述第四二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接；

所述整流桥用于使电流在所述旁路电路中单向流动，所述开关元件处于关断状态时用于使所述旁路电路断路，所述开关元件处于导通状态时用于使所述旁路电路通路。

可选地，所述开关元件为绝缘栅双极晶体管。

可选地，所述开关元件与所述整流桥连接包括：

所述绝缘栅双极晶体管的集电极分别连接所述第二二极管的阴极以及第四二极管的阴极，所述绝缘栅双极晶体管的发射极分别连接所述第一二极管的阳极以及所述第三二极管的阳极。

可选地，其特征在于，所述输出端包括第一输出端子以及第二输出端子，所述旁路电路与所述输出端连接包括：

所述第一输出端子连接于所述旁路电路的第一二极管的阴极以及第二二极管的阳极之间，所述第二输出端子连接于所述旁路电路的第三二极管的阴极以及第四二极管的阳极之间。

可选地，所述开关元件处于导通状态时用于使所述旁路电路通路包括：

所述开关元件处于导通状态时，所述第二二极管以及所述第三二极管导通，或所述第一二极管以及所述第四二极管导通。

本申请的有益效果是：当功率单元处于正常工作状态时，旁路电路断路；当功率单元处于故障状态时，旁路电路由断路转换为通路，以使得功率单元旁路，相较于传统的机械旁路，本申请没有使用到接触器等机械开关，所以有效降低了旁路功率单元的时延，从而使得变频器的输出电压波形在旁路前后保持连续。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请的实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中高压级联变频器功率单元的电路图；

图2为现有技术中旁路功率单元时高压级联变频器的功率单元的输出电压波形图；

图3为本申请实施例中旁路功率单元时高压级联变频器的功率单元的输出电压波形图。

本申请的实施例涉及到的附图标记如下：

输入端11、整流电路12、逆变电路13、输出端14、开关元件21、整流桥22、第一输入端子R、第二输入端子S、第三输入端子T、第一输出端子U、第二输出端子V、绝缘栅双极晶体管Q1至Q11、二极管A1至A4、电阻R、电容C。

具体实施方式

下面将结合本申请的实施例中的附图，对本申请的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例都属于本申请保护的范围。

本申请的实施例涉及的多个，是指大于或等于两个。需要说明的是，在本申请实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

参见图1所示，该图为本申请的实施例中高压级联变频器的功率单元的电路图，功率单元包括主电路以及旁路电路，主电路包括输入端11、整流电路12、逆变电路13以及输出端14。

输入端11与整流电路12连接，整流电路12与逆变电路13连接，逆变电路13与输出端14连接，旁路电路与输出端14连接。

输入端11用于输入三相交流电，整流电路12用于将三相交流电转化为直流电，逆变电路13用于将直流电转化为单相交流电，输出端14用于输出单相交流电。

在本申请的实施例中，该整流电路12包括一个RC并联电路以及一个整流桥，该整流桥包括六个绝缘栅双极晶体管Q1-Q6，该RC并联电路包括一个电阻R以及一个电容C，在该整流桥中，绝缘栅双极晶体管Q1的发射极分别连接绝缘栅双极晶体管Q3的发射极以及绝缘栅双极晶体管Q5的发射极，绝缘栅双极晶体管Q2的集电极分别连接绝缘栅双极晶体管Q4的集电极以及绝缘栅双极晶体管Q6的集电极，绝缘栅双极晶体管Q1的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q2的发射极，绝缘栅双极晶体管Q3的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q4的发射极，绝缘栅双极晶体管Q5的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q6的发射极，该输入端11包括三个输入端子，分别是第一输入端子R、第二输出端子S以及第三输出端子T，各个输入端子分别连接于整流电路12中的两个同向连接的绝缘栅双极晶体管之间，其中，输出端11的三个输入端子分别输入一相交流电，经过输入端11输入的三相交流电经过整流电路12后，转换为直流电，该直流电流向与整流电路12连接的逆变电路13。

在本申请的实施例中，逆变电路13包括一个逆变H桥，该逆变H桥包括四个绝缘栅双极晶体管Q7至Q10，在该逆变H桥中，绝缘栅双极晶体管Q7的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q8的发射极，绝缘栅双极晶体管Q9的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q10的发射极，绝缘栅双极晶体管Q7的发射极连接绝缘栅双极晶体管Q9的发射极，绝缘栅双极晶体管Q8的集电极连接绝缘栅双极晶体管Q10的集电极，该逆变H桥的正负两端分别连接于整流电路12的电容C两侧，逆变电路13用于将通过整流电路12整流后的直流电转化为单相交流电，输出端包括第一输出端子U以及第二输出端子V，分别连接于逆变电路13中两个同向连接的绝缘栅双极晶体管之间，输出端14负责将经逆变电路13逆变得到的单相交流电输出功率单元。

需要说明的是，本申请的实施例所提供的高压级联变频器的功率单元的应用场景，包括但不限于由上述整流电路以及逆变电路组成的主电路。

当功率单元处于正常工作状态时，旁路电路2断路，当功率单元处于故障状态时，旁路电路2由断路转换为通路，以使得功率单元旁路。

在本申请的实施例中，旁路电路2包括一个开关元件21以及一个整流桥22，旁路电路2中的开关元件21用于控制旁路电路2的通路与断路，具体地，当开关元件21处于关断状态时，旁路电路2断路，当开关元件21处于导通状态时，旁路电路2通路，当旁路电路2通路时，可以将旁路电路2所属的功率单元旁路出高压级联变频器的电路系统，从而保证高压级联变频器的稳定运行。整流桥22用于使电流在旁路电路中单向流动，具体地，使第一输出端子U的电流经开关元件21流出第二输出端子V，或者使第二输出端子V的电流经开关元件21流出第一输出端子U。

在本申请的实施例中，整流桥22包括：第一二极管A1、第二二极管A2、第三二极管A3以及第四二极管A4，在该整流桥22中，第一二极管A1的阳极与第三二极管A3的阳极连接，第二二极管A2的阴极与第四二极管A4的阴极连接，第一二极管A1的阴极与第二二极管A2的阳极连接，第三二极管A3的阴极与第四二极管A4的阳极连接。

作为一种可选的实施方式，开关元件21为绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q11，绝缘栅双极晶体管具有两种状态，分别是关断状态以及导通状态，需要说明的是，控制旁路电路2中的绝缘栅双极晶体管Q11在关断状态以及导通状态之间来回切换的方式与控制主电路1中的绝缘栅双极晶体管Q1至Q10的方式相同，本申请的实施例所提供的旁路方法只需要额外增加一条控制通道即可实现对旁路电路2的通路以及断路的控制，需要说明的是，开关元件21也可以是其他可通过控制通道控制其开关状态的开关元件。

作为一种可选的实施方式，当开关元件21为绝缘栅双极晶体管Q11时，旁路电路中的绝缘栅双极晶体管Q11与整流桥22的连接关系是，绝缘栅双极晶体管Q11的集电极分别连接第二二极管A2的阴极以及第四二极管A4的阴极，绝缘栅双极晶体管Q11的发射极分别连接第一二极管A1的阳极以及第三二极管A3的阳极。

在本申请的实施例中，旁路电路2与输出端14的连接关系是，第一输出端子U连接于第一二极管A1的阴极以及第二二极管A2的阳极之间，第二输出端子V连接于第三二极管A3的阴极以及第四二极管A4的阳极之间。

在本申请的实施例中，旁路电路在一次正常的工作过程中，整流桥22中的四个二极管只要两个同时处于导通状态，具体地，当第一输出端子U的电流为正或第二输出端子V的电流为负时，旁路电路的开关元件21、第二二极管A2以及第三二极管A3处于导通状态，当第一输出端子U的电流为负或第二输出端子V的电流为正时，旁路电路2的开关元件21、第一二极管A1以及第四二极管A4处于导通状态，需要说明的是，由于功率单元输出的是单相交流电，不存在第一输出端子U以及第二输出端子V的电流同时为正，或者同时为负的情况。

综上所述，当功率单元处于正常工作状态时，旁路电路2断路，当功率单元处于故障状态时，旁路电路2由断路转换为通路，将故障的功率单元旁路出高压级联变频器的电路系统，参见图2以及图3所示，图2为现有技术中旁路功率单元时高压级联变频器的功率单元的输出电压波形图，图3为本申请实施例中旁路功率单元时高压级联变频器的功率单元的输出电压波形图，其中，图2以及图3中的箭头指示点为旁路发生的时刻，通过比较可以看出，本申请提供的方法可以在旁路功率单元时，保持高压级联变频器的输出电压波形连续，此外，本申请由于无需增加旁路控制板和外部机械接触器等，进一步降低了生产成本。

最后，还需要说明的是，在申请的实施例中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对本申请的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。