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    • 专利摘要:
    本發明揭露一種中壓變頻驅動系統，中壓變頻驅動系統與三相電網耦接并用以驅動感應電動機，中壓變頻驅動系統包含三相切換式整流模組、多電平逆變器以及高容量電容模組。三相切換式整流模組與該三相電網耦接，用以將該三相電網上具有固定工作頻率之一交流電壓輸入轉換為一直流電壓。多電平逆變器用以將該直流電壓轉化成所需的一可變頻率之一交流電壓，該交流電壓用以驅動該感應電動機。高容量電容模組耦接於該三相切換式整流模組與該多電平逆變器之間，用以暫存該直流電壓。
    公开号:TW201312925A
    申请号:TW100139238
    申请日:2011-10-28
    公开日:2013-03-16
    发明作者:Yi Zhang；Wei Chen；Bo-Yu Pu
    申请人:Delta Electronics Shanghai Co；
    IPC主号:H02P27-00
    专利说明:
    中壓變頻驅動系統
    本揭示內容是有關於一種變頻驅動系統，且特別是有關於一種三相中壓變頻驅動系統。
    在電動機械或感應馬達的控制當中，馬達的速度調節是一個重要的課題，習知的電動機械中採用之傳統直流調速技術，因硬體體積大且故障率高而使其應用受限。變頻器(Variable-frequency Drive, VFD)，是應用變頻技術與電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器的作用是改變感應馬達之交流供電的頻率和振幅，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制感應馬達轉速的目的。變頻器的出現，使得複雜的調速控制簡單化，用變頻器配合交流式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，使得電路系統得以縮小體積幷降低維修率。其中，中壓變頻調速系統，目前應用廣泛，在大型風機、水泵、牽引、傳動等方面都具有廣闊的前景。中壓變頻調速系統需要具備以下幾個主要功能：安全、快速、寬範圍地變頻調速；良好的網側功率因數；良好的輸入輸出電流諧波等。同時，由於中壓(係指介於1kV~35kV的電壓，常見應用以6kV爲例)系統中，對於開關元件耐壓的要求很高，此目前最常見的中壓變頻調速系統主要採採用多層級的級聯型(cascade)方案，請參照第1圖與第2圖，第1圖繪示習知技術中採用多層級架構之中壓變頻調速系統300的示意圖，第2圖繪示第1圖之習知中壓變頻調速系統300的功率單元320內部電路示意圖。如第1圖所示之中壓變頻調速系統300中，多級變壓器可將電網側高電壓變換為副邊多個低電壓，每個副邊繞組接單獨的功率單元320，如第2圖所示，各功率單元320完成整流到逆變的工作，實現變頻調速功能。變壓器的引入即可解決功率器件耐壓問題，又可解決網側電流諧波問題。但這種多級變壓器體積和重量龐大，所需成本高，且設計複雜。因此如何採用其他調速系統結構，在獲得同樣性能的同時省掉變壓器成爲業內研究的重點方向。因此如何採用其他調速系統結構，在獲得同樣性能的同時可省略變壓器的設置，成爲重點的研究方向。第3圖繪示習知的一種中壓變頻調速系統結構400，第3圖中繪示的為業界內稱為背靠背(back-to-back)變頻調速的系統結構，其爲無變壓器型中壓調速系統的一種重要結構。這種背靠背變頻調速的中壓變頻調速系統結構400基於二極管箝位型三電平拓撲，多電平的設計可使開關管耐壓降低一半，且整流側與逆變側採用對稱結構，可有效控制網側功率因數與諧波，幷可調節電機四象限運行，實現能量回饋。這種能量回饋的特性在升降機類負載應用中具有重大意義。然而，上述習知的無變壓器型中壓變頻調速系統所設置仍設置有大量的開關元件，結構相對複雜，成本亦居高不下。
    因此，爲瞭解决上述問題，本揭示內容揭露一種中壓變頻驅動系統與其三相切換式整流模組，其中在整流前端採用三相切換式維也納整流技術，在逆變後端則配合二極管箝位型三電平逆變器，共同實現完整的中壓變頻調速系統。這種變頻調速結構基於二極體箝位型三電平拓撲，開關元件耐壓與背靠背變頻結構一致，而開關元件數量大幅减少，對於風機水泵類無需能量回饋的負載，則可以採用單象限結構，犧牲能量回饋功能，節約開關元件，降低成本。相較傳統的三電平脈寬調變(pulse-width modulation, PWM)整流器，本揭露文件實施例中所提出的三相維也納式整流模組的電路結構，其開關元件可减少至少一半，以功率二極體取而代之。且在本揭露文件提出的三相維也納式整流模組的電路結構中，部分的二極體不需要與開關元件在較高的開關頻率(如1200Hz左右)下換流，對其反向恢復特性要求大大降低，成本可進一步降低。此外，本案部分實施例中提出的三相切換式整流模組中，因為換流二極體的存在限制了電流的方向性，即使同相有兩個開關元件且兩個開關元件同時開啓或同時關閉亦不會發生直通現象，即不會影響有效開關元件的正常工作，在控制上簡單可靠。本揭示內容之一態樣在於提供一種中壓變頻驅動系統，其與一三相電網耦接並用以驅動一感應電動機，該中壓變頻驅動系統包含一三相切換式整流模組、一多電平逆變器以及一高容量電容模組。三相切換式整流模組與該三相電網耦接，用以將該三相電網上具有固定工作頻率之一交流電壓輸入轉換為一直流電壓。多電平逆變器用以將該直流電壓轉化成所需的一可變頻率之一交流電壓，該交流電壓用以驅動該感應電動機。高容量電容模組耦接於該三相切換式整流模組與該多電平逆變器之間，用以暫存該直流電壓。根據本揭示內容之一實施例，其中該三相切換式整流模組包含三組單相整流電路，該三組單相整流電路為三電平整流電路分別由該三相電網接收一單相電壓輸入，該三組單相整流電路彼此並聯，且該三組單相整流電路均耦接至一第一輸出端、一中點以及一第二輸出端，該三相切換式整流模組用以調節該三相電網之功率因數以及消除該三相電網之電流總諧波畸變率。根據本揭示內容之一實施例，其中該三組單相整流電路的一電壓輸入端與該三相電網之間分別接有一電感。根據本揭示內容之一實施例，其中該三組單相整流電路中，每一組單相整流電路上包含至少兩個二極體，其中一個二極體爲換流二極體，導致電流的單向性，另一二極體為非換流二極體，可選用慢速恢復二極體。根據本揭示內容之一實施例，其中該三組單相整流電路中，所述換流二極體工作於開關頻率，需採用快速恢復二極體。根據本揭示內容之一實施例，其中該三相切換式整流模組爲三相維也納整流模組。根據本揭示內容之一實施例，其中該多電平逆變器中透過該第一輸出端、該中點和該第二輸出端與該高容量電容模組耦接，該三相電網之輸入經由該多電平逆變器轉換爲所需的一三相輸出交流電以驅動該感應電動機。根據本揭示內容之一實施例，其中該多電平逆變器為三電平逆變器，每一單相三電平逆變器上至少包含兩個開關與一箝位二極體，該箝位二極體一端與該中點耦接，該箝位二極體另一端與兩開關元件耦接。根據本揭示內容之一實施例，其中該交流電壓為一脈寬調變方波交流訊號，其中該中壓變頻驅動系統更包含至少一個控制器，該至少一個控制器與該多電平逆變器以及該三相切換式整流模組耦接，該至少一個控制器用以控制該交流電壓，於此實施例中，交流電壓可為一脈寬調變方波交流訊號。控制器用以控制脈寬調變方波交流訊號之該可變頻率、一脈寬或一幅度，藉此，該控制器用以使該脈寬調變方波交流訊號疊加為近似正弦波之一交流電輸出，進而驅動該感應電動機。根據本揭示內容之一實施例，其中該中壓變頻驅動系統的控制器用以控制整流模組交流側之該脉寬調變方波交流訊號之該可變頻率、該脈寬或該幅度，藉此，對該三相切換式整流模組的功率因數和總諧波畸變率進行控制，進而使功率因數和總諧波畸變率各達到一個合適值。根據本揭示內容之一實施例，其中該中壓變頻驅動系統的控制器爲數字化微處理器。根據本揭示內容之一實施例，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一開關以及一第二開關。該第一二極體之陽極耦接至該單相電壓輸入。第二二極體之陽極耦接至該第一二極體之陰極，該第二二極體之陰極耦接至該第一輸出端。第三二極體之陰極耦接至該單相電壓輸入。第四二極體之陰極耦接至該第三二極體之陽極，該第四二極體之陽極耦接至該第二輸出端。第一開關之第一端耦接至該第一二極體與該第二二極體之間，該第一開關之一第二端耦接至該中點。該第二開關之第一端耦接至該中點，該第二開關之第二端耦接至該第三二極體與該第四二極體之間。於上述實施例中，該第二二極體與該第四二極體為換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用快速恢復二極體，該第一二極體和該第三二極體為非換流二極體，該第一二極體和該第三二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。根據本揭示內容之另一實施例，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一開關以及一第二開關。該第一二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入，該第一二極體之一陰極耦接至該第一輸出端。該第二二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入。該第三二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入，該第三二極體之一陽極耦接至該第二輸出端。該第四二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入。該第一開關之一第一端耦接至該第二二極體之一陰極，該第一開關之一第二端耦接至該中點。該第二開關之一第一端耦接至該中點，該第二開關之一第二端耦接至該第四二極體之一陽極。於上述實施例中，其中該第一二極體與該第三二極體為換流二極體，該第一二極體與該第三二極體採用快速恢復二極體，該第二二極體與該第四二極體為非換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。根據本揭示內容之另一實施例，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體以及一開關。該第一二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入。該第二二極體之一陽極耦接至該中點。該第三二極體之一陰極耦接至該第一輸出端。該第四二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入。該第五二極體之一陰極耦接至該中點。該第六二極體之一陽極耦接至該第二輸出端。該開關之一第一端耦接至該第一二極體之一陰極、該第二二極體之一陰極以及該第三二極體之一陽極之間，該開關之一第二端耦接至該第四二極體之一陽極、該第五、二極體之一陽極以及該第六二極體之一陰極之間。於上述實施例中，其中該第三二極體和該第六二極體為換流二極體，該第三二極體和該第六二極體採用快速恢復二極體，該第一二極體、該第二二極體、該第四二極體以及該第五二極體為非換流二極體，該第一二極體、該第二二極體、該第四二極體以及該第五二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。根據本揭示內容之另一實施例，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一開關以及一第二開關。第一開關之一第二端耦接至該單相電壓輸入。第二開關之一第一端耦接至該單相電壓輸入。第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接至該第一開關之一第一端，該第一二極體之一陰極耦接至該第一輸出端。第二二極體之一陽極耦接至該中點，該第二二極體之一陰極耦接至該第一開關之該第一端。第三二極體之一陰極耦接至該第二開關之一第二端，該第三二極體之一陽極耦接至該第二輸出端。第四二極體之一陽極耦接至該第二開關之該第二端，該第四二極體之一陰極耦接至該中點。於上述實施例中，該第一二極體與該第三二極體爲換流二極體，該第一二極體與該第三二極體採用快速恢復二極體，該第二二極體與該第四二極體爲非換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。
    請參閱第4圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種中壓變頻驅動系統100的功能方塊示意圖。於此實施例中，中壓變頻驅動系統100與三相電網200耦接並用以驅動感應電動機202。如第4圖所示，中壓變頻驅動系統100包含三相切換式整流模組120、多電平逆變器140以及高容量電容模組160。請一併參閱第5圖，其繪示第4圖之中壓變頻驅動系統100其中的三相切換式整流模組120、多電平逆變器140以及高容量電容模組160的電路示意圖。如第4圖與第5圖所示，三相切換式整流模組120與三相電網200耦接，並用以將三相電網200上具有固定工作頻率之交流電輸入轉換為直流電訊號。多電平逆變器140用以將直流電訊號轉化成具有可變頻率之方波訊號，方波訊號可用以驅動感應電動機202。高容量電容模組160耦接於三相切換式整流模組120與多電平逆變器140之間，並用以暫存該直流電訊號。該三相切換式整流模組120用以調節該三相電網200之功率因數以及消除該三相電網之電流總諧波畸變率。於此實施例中，多電平逆變器140為三電平逆變器，每一單相三電平逆變器至少包含兩個開關元件與一箝位二極體，上述兩個開關元件與箝位二極體可設置於單相三電平逆變器的橋臂上，該箝位二極體一端與該中點耦接，該箝位二極體之另一端與兩開關元件耦接。此外，如第4圖所示，於部分實施例中，中壓變頻驅動系統100可更進一步包含控制器180，控制器180可與多電平逆變器140以及三相切換式整流模組120耦接，控制器180用以控制交流電壓之可變頻率、脈寬或幅度。於此實施例中，其中該交流電壓為一脈寬調變(pulse-width modulation, PWM)方波交流訊號。控制器180用以控制PWM 方波交流訊號之可變頻率、脈寬或幅度，藉此，控制器180用以使PWM 方波交流訊號疊加為近似正弦波之交流電輸出，進而驅動感應電動機202。控制器180用以控制PWM方波交流訊號之可變頻率、脈寬或幅度，藉此，控制器180用以使PWM方波交流訊號疊加為近似正弦波之交流電輸出，進而控制電網側功率因數和電流總諧波畸變率。實際應用中，控制器用以控制整流模組交流側之該脉寬調變方波交流訊號之該可變頻率、該脈寬或該幅度，藉此，對該三相切換式整流模組的功率因數和總諧波畸變率進行控制，進而使功率因數和總諧波畸變率各達到一個合適值。實際應用中，中壓變頻驅動系統100中的控制器可以為一數字化微處理器，但本領域的技術人員也可以選用其它適合的處理器，並不以此為限。於本實施例中，本揭示文件中所提及之三相切換式整流模組120，本身可採用三相維也納式(Vienna)整流模組之結構。以下段落將對本案所採用之三相切換式整流模組120其內部結構做進一步說明。請進一步參閱第6圖，其繪示中壓變頻驅動系統100中的三相切換式整流模組120及其周邊電路的局部示意圖。如第6圖所示，三相切換式整流模組120中包含了三組單相整流電路(單相整流電路122a、單相整流電路124a以及單相整流電路126a)，三組單相整流電路122a~126a分別由三相電網200各自接收一組單相電壓輸入，三組單相整流電路122a~126a彼此並聯，且三組單相整流電路122a~126a均耦接至第一輸出端N1、中點Nc以及第二輸出端N2(如第6圖所示)。此外，於此實施例中，高容量電容模組160可包含第一電容C1以及第二電容C2。第一電容C1耦接於第一輸出端N1與中點Nc之間。第二電容C2耦接於中點Nc與該第二輸出端N2之間。由於三相切換式整流模組120中的三組單相整流電路122a~126a皆具有相類似的架構，因此，以下為說明上的簡潔，以其中一個單相整流電路122a作舉例。其他單相整流電路124a, 126a因具有相對應之結構，則不再贅述。如第6圖所示，根據本揭示內容之一實施例，其中單相整流電路122a包含第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第一開關S1以及第二開關S2。第一二極體D1之陽極耦接至單相電壓輸入。第二二極體D2之陽極耦接至第一二極體D1之陰極，第二二極體D2之陰極耦接至第一輸出端N1。第三二極體D3之陰極耦接至單相電壓輸入。第四二極體D4之陰極耦接至第三二極體D3之陽極，第四二極體D4之陽極耦接至第二輸出端N2。第一開關S1之一端耦接至第一二極體D1與第二二極體D2之間，第一開關S1之另一端耦接至中點Nc。第二開關S2之一端耦接至中點Nc，第二開關S2之另一端耦接至第三二極體D3與第四二極體D4之間。於此實施例中，其中第一二極體D1與第三二極體D3可工作於較低的工作頻率(例如可大致介於50赫茲至60赫茲)，第二二極體D2及第四二極體D4則與第一開關S1及第二開關S2工作於較高的開關頻率(例如可大致爲1200赫茲)，於此實施例中，第二二極體D2及第四二極體D4為換流二極體須採用較高轉換速率(slew rate)的快恢復特性二極體元件。須補充說明的是，於本發明內容中所提到的換流二極體係指，在開關頻率下，若開關元件關斷之後，負載電流全部轉移流入之二極體，即為換流二極體。另一方面，若開關元件關斷之後，負載電流幷未全部轉移流入之二極體，即爲非換流二極體。於此實施例中，第二二極體D2及第四二極體D4為換流二極體，須採用具有快恢復特性的二極體元件。另一方面，第一二極體D1及第三二極體D3則非換流二極體，可採用具有快恢復特性的二極體元件，或亦可採用慢速恢復的二極體元件。也就是說，每一組單相整流電路122a, 124a或126a包含至少兩個二極體，上述兩個二極體可設置於每一組單相整流電路的橋臂上，其中一個二極體為換流二極體，該換流二極體用以確保電流的單向性，該另一二極體為非換流二極體。其中該三組單相整流電路中，該換流二極體工作於開關頻率，該換流二極體採用快速恢復二極體。為方便理解本案中三相切換式整流模組120 (單相整流電路122a、單相整流電路124a以及單相整流電路126a)的作動方式，以下段落利用單相整流電路122a的等效單相電路來示意說明。相較傳統的三電平脈寬調變(pulse-width modulation, PWM)整流器，本揭露文件所提出的三相切換式整流模組120的內部電路結構，即三組單相整流電路122a~126a，其開關元件可减少至少一半，以二極體取而代之。此外，本實施例中提出的三相切換式整流模組120中，因為單相整流電路122a~126a中的換流二極體限制了電流的方向性，即使同相電路中有兩個開關元件(如開關S1與開關S2)同時開啓或同時關閉亦不會發生直通現象，即不會影響其他元件的正常工作，在控制上簡單可靠。這種變頻調速結構基於二極體箝位型三電平拓撲，多電平的設計可使耐壓降低一半，且該三相切換式整流模組使開關元件减少至少一半，對於風機水泵類無需能量回饋的負載，則可以採用單象限結構，犧牲能量回饋功能，節約開關器件，降低成本。本揭露文件所提出的三相切換式整流模組120並不僅限於上述實施例及第6圖中單相整流電路122a~126a架構，本揭露文件另提出不同的三相切換式整流模組120之內部電路架構方式，亦可達到相類似效果。請參閱第7圖，其繪示於另一實施例中三相切換式整流模組120之單相整流電路122b~126b及其周邊電路的局部示意圖。如第7圖所示，本揭露文件所提出的另一種實施例之三相切換式整流模組120中，每一單相整流電路122b~126b不同於先前實施例之單相整流電路122a~126a。由於三相切換式整流模組120中的三組單相整流電路122b~126b皆具有相類似的架構，因此，以下為說明上的簡潔，以其中一個單相整流電路122b作舉例。如第7圖所示，單相整流電路122b包含第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第一開關S1以及第二開關S2。第一二極體D1之陽極耦接至單相電壓輸入，第一二極體D1之陰極耦接至第一輸出端N1。第二二極體D2之陽極耦接至單相電壓輸入。第三二極體D3之陰極耦接至單相電壓輸入，第三二極體D3之陽極耦接至第二輸出端N2。第四二極體D4之陰極耦接至單相電壓輸入。第一開關S1之一端耦接至第二二極體D2之陰極，第一開關S1之另一端耦接至中點Nc。第二開關S2之一端耦接至中點Nc，第二開關S2之另一端至第四二極體D4之陽極。於此實施例中，其中第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4可與第一開關S1及第二開關S2工作於相同之開關頻率(例如可大致爲1200赫茲)。於此實施例中，第一二極體D1、第三二極體D3皆爲換流二極體須採用較高轉換速率(slew rate)的快恢復特性二極體元件。而第二二極體D2和第四二極體D4則無此快恢復特性需求。請參閱第8圖，其繪示於再一實施例中三相切換式整流模組120之單相整流電路122c~126c及其周邊電路的局部示意圖。如第8圖所示，由於三相切換式整流模組120中的三組單相整流電路122c~126c皆具有相類似的架構，因此，以下為說明上的簡潔，以其中一個單相整流電路122c作舉例。如第8圖所示，其中單相整流電路122c包含第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6以及開關S0。第一二極體D1之陽極耦接至單相電壓輸入。第二二極體D2之陽極耦接至該中點Nc。第三二極體D3之陰極耦接至第一輸出端N1。第四二極體D4之陰極耦接至單相電壓輸入。第五二極體D5之陰極耦接至中點Nc。第六二極體D6之陽極耦接至第二輸出端N2。開關S0之一端耦接至第一二極體D1之陰極、第二二極體D2之陰極以及第三二極體D3之陽極之間，開關S0之另一端耦接至第四二極體D4之陽極、第五二極體D5之陽極以及第六二極體D6之陰極之間。於此實施例中，第一二極體D1與第四二極體D4可工作於較低的工作頻率，該第一頻率大致介於50赫茲至60赫茲，第二二極體D2、第三二極體D3、第五二極體D5、第六二極體D6則與開關S0工作於開關頻率(例如大致爲1200赫茲)。於此實施例中，第三二極體D3第六二極體D6皆爲換流二極體須採用較高轉換速率(slew rate)的快恢復特性二極體元件。而該第一二極體D1、該第二二極體D2、該第四二極體D4、該第五二極體D5則無此快恢復特性需求。若三相切換式整流模組120採用第8圖的單相整流電路122c~126c，可將開關元件的數目更進一步降低(相較第6圖與第7圖之實施例，本實施例僅需一半的開關元件)。然而，相對應的二極體數量則大幅增加。請參閱第9圖，其繪示於再一實施例中三相切換式整流模組120之單相整流電路122d~126d及其周邊電路的局部示意圖。如第9圖所示，由於三相切換式整流模組120中的三組單相整流電路122d~126d皆具有相類似的架構，因此，以下為說明上的簡潔，以其中一個單相整流電路122d作舉例。如第9圖所示，其中單相整流電路122d包含第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第一開關S1以及第二開關S2。第一開關S1一第二端耦接至該單相電壓輸入。第二開關S2之一第一端耦接至該單相電壓輸入。第一二極體D1之陽極耦接至該第一開關S1之一第一端，第一二極體D1之陰極耦接至該第一輸出端N1。第二二極體D2之陽極耦接至中點Nc，第二二極體D2之陰極耦接至第一開關S1之第一端。第三二極體D3之陰極耦接至第二開關S2之第二端，第三二極體D3之陽極耦接至該第二輸出端N2。第四二極體D4之陽極耦接至第二開關S2之第二端，第四二極體D4之陰極耦接至中點Nc。其中該第一二極體D1與第三二極體D3為換流二極體，該第一二極體D1與第三二極體D3採用快速恢復二極體，第二二極體D2與第四二極體D4為非換流二極體，該第二二極體D2與第四二極體D4採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。於上述實施例中，本案提出多種(如第6圖至第9圖)不同的三相切換式整流模組120內部實際電路架構。在上述三相切換式(維也納式)整流模組的具體綫路的選擇上應結合實際製程情况與元件特性、成本等，作綜合上的考量。綜上所述，本揭示內容揭露一種中壓變頻驅動系統與其三相切換式整流模組，其中在整流前端採用三相切換式整流技術，例如三相維也納式(Vienna)整流模組，在逆變後端則配合二極管箝位型三電平逆變器，共同實現完整的中壓變頻調速系統。相較傳統的三電平脈寬調變(pulse-width modulation, PWM)整流器，本揭露文件實施例中所提出的三相維也納式整流模組的電路結構，其開關元件可减少至少一半，以功率二極體取而代之。且在本揭露文件提出的三相維也納式整流模組的電路結構中，部分的二極體不需要與開關元件採用較高的開關頻率(如1200Hz)進行換流，無反向快恢復特性需求，成本可進一步降低。此外，本案部分實施例中提出的三相切換式整流模組中，因爲二極體限制了電流的方向性，即使兩個開關元件同時開啓或同時關閉亦不會發生直通現象，即不會影響有效開關元件的正常工作，在控制上簡單可靠。雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    100．．．中壓變頻驅動系統
    120．．．三相切換式整流模組
    140．．．多電平逆變器
    160．．．高容量電容模組
    122a~126a．．．單相整流電路
    122b~126b．．．單相整流電路
    122c~126c．．．單相整流電路
    122d~126d．．．單相整流電路
    200．．．三相電網
    180．．．控制器
    300．．．中壓變頻驅動系統
    202．．．感應電動機
    400．．．中壓變頻驅動系統
    320．．．功率單元
    為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示習知技術中採用多層級架構之中壓變頻調速系統的示意圖；第2圖繪示第1圖之習知中壓變頻調速系統的功率單元內部電路示意圖；第3圖繪示習知的一種中壓變頻調速系統結構；第4圖繪示根據本發明之一實施例中一種中壓變頻驅動系統的功能方塊示意圖；第5圖繪示第4圖之中壓變頻驅動系統其中的三相切換式整流模組、多電平逆變器以及高容量電容模組的電路示意圖；第6圖繪示中壓變頻驅動系統中的三相切換式整流模組及其周邊電路的局部示意圖；第7圖繪示於另一實施例中三相切換式整流模組之單相整流電路及其周邊電路的局部示意圖。第8圖繪示於另一實施例中三相切換式整流模組之單相整流電路及其周邊電路的局部示意圖；以及第9圖繪示於另一實施例中三相切換式整流模組之單相整流電路及其周邊電路的局部示意圖。
    100．．．中壓變頻驅動系統
    120．．．三相切換式整流模組
    140．．．多電平逆變器
    160．．．高容量電容模組
    200．．．三相電網
    202．．．感應電動機
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種中壓變頻驅動系統，其與一三相電網耦接幷用以驅動一感應電動機，該中壓變頻驅動系統包含：一三相切換式整流模組，與該三相電網耦接，用以將該三相電網上具有固定工作頻率之一交流電壓輸入轉換為一直流電壓；一多電平逆變器，用以將該直流電壓轉化成所需的一可變頻率之一交流電壓，該交流電壓用以驅動該感應電動機；以及一高容量電容模組，耦接於該三相切換式整流模組與該多電平逆變器之間，用以暫存該直流電壓。
    [2] 如請求項第1項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三相切換式整流模組包含：三組單相整流電路，該三組單相整流電路為三電平整流電路分別由該三相電網接收一單相電壓輸入，該三組單相整流電路彼此並聯，且該三組單相整流電路均耦接至一第一輸出端、一中點以及一第二輸出端，該三相切換式整流模組用以調節該三相電網之功率因數以及消除該三相電網之電流總諧波畸變率。
    [3] 如請求項第2項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路的一電壓輸入端與該三相電網之間分別耦接有一電感。
    [4] 如請求項第3項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中，每一組單相整流電路上包含至少兩個二極體，其中一個二極體為換流二極體，該換流二極體用以確保電流的單向性，該另一二極體為非換流二極體。
    [5] 如請求項第4項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中，該換流二極體工作於開關頻率，該換流二極體採用快速恢復二極體。
    [6] 如請求項第1項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三相切換式整流模組爲三相維也納整流模組。
    [7] 如請求項第2項所述之中壓變頻驅動系統，其中該多電平逆變器中透過該第一輸出端、該中點和該第二輸出端與該高容量電容模組耦接，該三相電網之輸入經由該多電平逆變器轉換為所需的一三相輸出交流電以驅動該感應電動機。
    [8] 如請求項第7項所述之中壓變頻驅動系統，其中該多電平逆變器為三電平逆變器，每一單相三電平逆變器上至少包含兩個開關與一個箝位二極體，所述箝位二極體的一端與前述整流電路中點輸出連接，另一端與兩開關連接。
    [9] 如請求項第1項所述之中壓變頻驅動系統，其中該交流電壓為一脈寬調變方波交流訊號，其中該中壓變頻驅動系統更包含至少一個控制器，該至少一個控制器與該多電平逆變器以及該三相切換式整流模組耦接，該至少一個控制器用以控制該脈寬調變方波交流訊號之該可變頻率、一脈寬或一幅度，藉此，該控制器用以使該脈寬調變方波交流訊號疊加為近似正弦波之一交流電輸出，進而驅動該感應電動機。
    [10] 如請求項第9項所述之中壓變頻驅動系統，其中該中壓變頻驅動系統的控制器用以控制整流模組交流側之該脈寬調變方波交流訊號之該可變頻率、該脈寬或該幅度，藉此，對該三相切換式整流模組的功率因數和總諧波畸變率進行控制，進而使功率因數和總諧波畸變率各達到一個合適值。
    [11] 如請求項第10項所述之中壓變頻驅動系統，其中該中壓變頻驅動系統的控制器爲數字化微處理器。
    [12] 如請求項第2項所述之中壓變頻驅動系統，其中該高容量電容模組包含：一第一電容，耦接於該第一輸出端與該中點之間；以及一第二電容，耦接於該中點與該第二輸出端之間。
    [13] 如請求項第4項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含：一第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入；一第二二極體，該第二二極體之一陽極耦接至該第一二極體之一陰極，該第二二極體之一陰極耦接至該第一輸出端；一第三二極體，該第三二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入；一第四二極體，該第四二極體之一陰極耦接至該第三二極體之一陽極，該第四二極體之一陽極耦接至該第二輸出端；一第一開關，該第一開關之一第一端耦接至該第一二極體與該第二二極體之間，該第一開關之一第二端耦接至該中點；以及一第二開關，該第二開關之一第一端耦接至該中點，該第二開關之一第二端耦接至該第三二極體與該第四二極體之間。
    [14] 如請求項第13項所述之中壓變頻驅動系統，其中該第二二極體與該第四二極體為換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用快速恢復二極體，該第一二極體和該第三二極體為非換流二極體，該第一二極體和該第三二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。
    [15] 如請求項第4項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含：一第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入，該第一二極體之一陰極耦接至該第一輸出端；一第二二極體，該第二二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入；一第三二極體，該第三二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入，該第三二極體之一陽極耦接至該第二輸出端；一第四二極體，該第四二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入；一第一開關，該第一開關之一第一端耦接至該第二二極體之一陰極，該第一開關之一第二端耦接至該中點；以及一第二開關，該第二開關之一第一端耦接至該中點，該第二開關之一第二端耦接至該第四二極體之一陽極。
    [16] 如請求項第15項所述之中壓變頻驅動系統，其中該第一二極體與該第三二極體為換流二極體，該第一二極體與該第三二極體採用快速恢復二極體，該第二二極體與該第四二極體為非換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。
    [17] 如請求項第4項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含：一第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接至該單相電壓輸入；一第二二極體，該第二二極體之一陽極耦接至該中點；一第三二極體，該第三二極體之一陰極耦接至該第一輸出端；一第四二極體，該第四二極體之一陰極耦接至該單相電壓輸入；一第五二極體，該第五二極體之一陰極耦接至該中點；一第六二極體，該第六二極體之一陽極耦接至該第二輸出端；一開關，該開關之一第一端耦接至該第一二極體之一陰極、該第二二極體之一陰極以及該第三二極體之一陽極之間，該開關之一第二端耦接至該第四二極體之一陽極、該第五二極體之一陽極以及該第六二極體之一陰極之間。
    [18] 如請求項第17項所述之中壓變頻驅動系統，其中該第三二極體和該第六二極體為換流二極體，該第三二極體和該第六二極體採用快速恢復二極體，該第一二極體、該第二二極體、該第四二極體以及該第五二極體為非換流二極體，該第一二極體、該第二二極體、該第四二極體以及該第五二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。
    [19] 如請求項第4項所述之中壓變頻驅動系統，其中該三組單相整流電路中每一組單相整流電路各自包含：一第一開關，該第一開關之一第二端耦接至該單相電壓輸入；一第二開關，該第二開關之一第一端耦接至該單相電壓輸入；一第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接至該第一開關之一第一端，該第一二極體之一陰極耦接至該第一輸出端；一第二二極體，該第二二極體之一陽極耦接至該中點，該第二二極體之一陰極耦接至該第一開關之該第一端；一第三二極體，該第三二極體之一陰極耦接至該第二開關之一第二端，該第三二極體之一陽極耦接至該第二輸出端；以及一第四二極體，該第四二極體之一陽極耦接至該第二開關之該第二端，該第四二極體之一陰極耦接至該中點。
    [20] 如請求項第19項所述之中壓變頻驅動系統，其中該第一二極體與該第三二極體為換流二極體，該第一二極體與該第三二極體採用快速恢復二極體，該第二二極體與該第四二極體為非換流二極體，該第二二極體與該第四二極體採用慢速恢復二極體或快速恢復二極體。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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