Variable-frequency drive and motor drive system

Abstract

Embodiments of the present disclosure disclose Variable-frequency Drive (VFD) and motor drive system. The VFD comprising a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of direct-current (DC) bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and a H-bridge inverter, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein the H-bridge inverter comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with a first input terminal of a three-phase motor, a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal of the three-phase motor. H-bridge inverter containing two bridge arms is used to drive three-phase motor, reducing the number of power switches and saving component costs..

Description

Variable-frequency Drive and motor drive systemFIELD

[0001] The present disclosure relates to the technical field of motor drive technology, in particular to Variable-frequency Drive and motor drive system.BACKGROUND

[0002] Variable-frequency Drive (VFD) is a kind of power control equipment that uses frequency conversion technology and microelectronics technology to control a motor by changing frequency of the motor working power supply. VFD mainly includes rectifier module (AC / DC) , filter module and inverter module (DC / AC) .

[0003] How to reduce the cost of VFD is a focus of the industry.SUMMARY

[0004] Embodiments of the present disclosure propose VFD and motor drive system.

[0005] In a first aspect, a VFD is provided. The VFD comprising a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of direct-current (DC) bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and a H-bridge inverter, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein the H-bridge inverter comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with a first input terminal of a three-phase motor, a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal of the three-phase motor.

[0006] In a second aspect, a motor drive system is provided. The system comprising: a three-phase motor; a VFD, comprising: a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and a H-bridge inverter, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein the H-bridge inverter comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with a first input terminal of a three-phase motor, a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal of the three-phase motor.

[0007] In a third aspect, a motor drive system is provided. The system comprising: N three-phase motors; a VFD,  comprising: a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and N H-bridge inverters, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, and the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with respective first input terminals of the N three-phase motors, the respective first input terminals of the N three-phase motors have the same phase; wherein each of the N H-bridge inverters comprises a first bridge arm and a second bridge arm, respective midpoints of first bridge arms of the N H-bridge inverters are coupled with respective second input terminals of the N three-phase motors, respective midpoints of second bridge arms of the N H-bridge inverters are coupled with respective third input terminals of the N three-phase motors, the respective second input terminals of the N three-phase motors have the same phase, the respective third input terminals of the N three-phase motors have the same phase; N is a positive integer of at least 2.

[0008] According to the above technical solutions, The VFD comprises a three-level rectifier coupled with a three-phase power supply, an even number of direct-current bus capacitors coupled with the three-level rectifier, and a H-bridge inverter coupled with the even number of DC bus capacitors. The H-bridge inverter comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with a first input terminal of a three-phase motor, a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal of the three-phase motor. Considering that a three-phase motor is a three-phase symmetrical load, if any two phase currents (such as Phase U and Phase V) are appropriately controlled, a balanced third phase current (such as Phase W) can be automatically obtained. Therefore, H-bridge inverter containing two bridge arms is used to drive three-phase motor, reducing the number of power switches and saving component costs. In addition, using Vienna rectifier with DC capacitor voltage balancing function can balance voltages between even number of DC bus capacitors. Furthermore, when applied to multi motor drive scenarios, embodiments of the present disclosure may use one power unit to connect multiple motors, reducing system costs and making the system topology more compact.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0009] To make technical solutions of examples of the present disclosure clearer, accompanying drawings to be used in description of the examples will be simply introduced hereinafter. Obviously, the accompanying drawings to be described hereinafter are only some examples of the present disclosure. Those skilled in the art may obtain other drawings according to these accompanying drawings without creative labor.

[0010] Fig. 1 is a topology diagram of a motor drive based on diode rectifier in the prior art.

[0011] Fig. 2 is an exemplary structural diagram of a VFD according to an embodiment of the present disclosure.

[0012] Fig. 3 is an exemplary topology diagram of a motor drive according to an embodiment of the present disclosure.

[0013] Fig. 4 is a simulation diagram of motor start-up process according to an embodiment of the present disclosure.

[0014] Fig. 5 is a simulation diagram of phase voltages and phase currents during stable operation of motor according to an embodiment of the present disclosure.

[0015] Fig. 6 is an exemplary driving topology diagram of three three-phase motors according to an embodiment of the present disclosure.

[0016] List of reference numbers: DETAILED DESCRIPTION

[0017] To make the purpose, technical scheme, and advantages of the disclosure clearer, the following examples are given to further explain the disclosure in detail. Nouns and pronouns related to people in this patent application are not limited to specific gender.

[0018] To be concise and intuitive in description, the scheme of the disclosure is described below by describing several representative embodiments. Many details in the embodiments are only used to help understand the scheme of the disclosure. However, it is obvious that the technical scheme of the disclosure can be realized without being limited to these details. To avoid unnecessarily blurring the scheme of the disclosure, some embodiments are not described in detail, but only the framework is given. Hereinafter, "including" refers to "including but not limited to" , "according to..." refers to "at least according to..., but not limited to..." . When the number of an element is not specifically indicated below, it means that the element can be one or more, or can be understood as at least one.

[0019] VFD mainly includes rectification (AC to DC) module, filtering module, and inverter (DC to AC) module. The rectifier module is mainly used to convert three-phase AC power into DC power to supply the inverter module. When a motor starts, the rectifier module needs to provide a large current. The filtering module is mainly used to filter the DC power output by the rectification module, making it more stable. The filtering module is usually composed of various components such as capacitors and inductors, and different filtering methods have different component combinations. By processing through the filtering module, the fluctuation of DC bus voltage can be reduced, the operating efficiency of the VFD can be improved, and the motor can be protected. The inverter module is core module of the VFD, mainly used to convert DC power into AC power for output to the motor, so that the motor generates required speed and torque. The output voltage and frequency of the inverter module can be adjusted through control signals to meet operating requirements under different loads.

[0020] VFD used for motor drive typically include: (1) VFD based on diode rectifiers; (2) VFD based on Vienna rectifier.

[0021] Fig. 1 is a topology diagram of a motor drive based on diode rectifier in the prior art. In Figure 1, the rectification module of the VFD is implemented as a three-phase diode rectifier circuit 11. The three-phase diode rectifier circuit 11 is coupled to a three-phase power supply (RST) . The filtering module of the VFD is implemented as a DC link filter capacitor 12. The inverter module of the VFD is implemented as a three-phase half bridge inverter 13. The three-phase half bridge inverter 13 includes 6 IGBT power modules (or thyristors) . The DC link filter capacitor 12  can achieve power decoupling between the three-phase diode rectifier circuit 11 and the three-phase half bridge inverter 13.

[0022] Therefore, due to the large number of power modules included in the three-phase half bridge inverter 13, its cost is relatively high. Embodiments of the present disclosure achieve a cost reducing VFD and motor drive structure by reducing the number of power modules.

[0023] The above disclosure provides a detailed explanation of the technical defects in the relevant technology, the reasons for these defects, and the process of thinking and analyzing how to overcome them. In fact, the understanding of the above-mentioned technical defects is not universal knowledge in this field, but rather a novel discovery made by inventors in their research. In addition, the tracing of the causes of the technical defect and the process of thinking and analyzing how to overcome it are also the gradual analysis results of the inventor in the actual research process, and are not universal knowledge in this field.

[0024] Fig. 2 is an exemplary structural diagram of a VFD according to an embodiment of the present disclosure. As shown in Figure 2, the VFD 20 includes: a three-level rectifier 21, coupled with a three-phase power supply (not shown in Fig. 2) ; an even number of DC bus capacitors 22, coupled with the three-level rectifier 21; and a H-bridge inverter 23, coupled with the even number of DC bus capacitors 22. The H-bridge inverter 23 comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier 21 is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors 22, the midpoint of the even number of DC bus capacitors 22 is coupled with a first input terminal (for example, input terminal of Phase W) of a three-phase motor (not shown in Fig. 2) , a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal (for example, input terminal of Phase U) of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal (for example, input terminal of Phase V) of the three-phase motor.

[0025] Considering that a three-phase motor is a three-phase symmetrical load, if any two phase currents (such as Phase U and Phase V) are appropriately controlled, a balanced third phase current (such as Phase W) can be automatically obtained. Therefore, H-bridge inverter containing two bridge arms is used to drive the three-phase motor, reducing the number of power switches and saving component costs.

[0026] In one embodiment, the three-level rectifier 21 comprises a diode neutral point clamped rectifier or Vienna rectifier, or other power converters using a three-level structure. Vienna rectifier with DC capacitor voltage balancing function is used to balance the voltage between an even number of DC bus capacitors.

[0027] In one embodiment, the number of DC bus capacitors 22 is 2 or 4. In one embodiment, each of the first bridge arm and the second bridge arm comprises two IGBT power modules.

[0028] The above exemplary description includes the number of DC bus capacitors and the number of IGBT power  modules included in the bridge arm. Technicians in this field can realize that this description is only exemplary and is not intended to limit the scope of protection of embodiments of the present disclosure.

[0029] In one embodiment, a three-phase inductance (not shown in Fig. 2) is coupled between the three-phase power supply and the three-level rectifier 21.

[0030] Embodiments of the present disclosure a motor drive system. The system comprising: a three-phase motor; a VFD, comprising: a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and a H-bridge inverter, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein the H-bridge inverter comprises a first bridge arm and a second bridge arm, an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with a first input terminal of a three-phase motor, a midpoint of the first bridge arm is coupled with a second input terminal of the three-phase motor, and a midpoint of the second bridge arm is coupled with a third input terminal of the three-phase motor. In one embodiment, the number of DC bus capacitors is 2 or 4. In one embodiment, each of the first bridge arm and the second bridge arm comprises two IGBT power modules. In one embodiment, a three-phase inductance is coupled between the three-phase power supply and the three-level rectifier.

[0031] Fig. 3 is an exemplary topology diagram of a motor drive according to an embodiment of the present disclosure. In Figure 3, three-level rectifier 21 includes three-phase Vienna rectifier and three-phase inductor 25. The three-phase Vienna rectifier consists of 6 diodes and 6 fully controlled switches. The three-level rectifier 21 is coupled with a three-phase power supply (RST) via the three-phase inductor 25. The number of DC bus capacitors in filtering module 22 is 2, specifically capacitors C1 and C2 with the same capacitance value. Capacitor C1 and capacitor C2 are connected in series between the positive and negative poles of the DC bus. The output midpoint (O4) of the three-phase Vienna rectifier is connected to the midpoint (O1) of capacitors C1 and C2.

[0032] The H-bridge inverter 23 includes a first bridge arm 26 and a second bridge arm 27. The first bridge arm 26 and the second bridge arm 27 each contains two IGBT power modules. Among them, the midpoint (O2) of the first bridge arm 26 is coupled to the input terminal U-phase of the motor 24. The midpoint (O3) of the second bridge arm 27 is coupled to the V-phase input terminal of motor 24. The midpoint (O1) of capacitors C1 and C2 is coupled to the W-phase input terminal of motor 24.

[0033] Fig. 4 is a simulation diagram of motor start-up process according to an embodiment of the present disclosure. In Figure 4, line voltage curve 31 between UV phase, line voltage curve 32 between VW phase, and line voltage curve 33 between WU phase are shown in a first coordinate system (time on the X-axis and voltage on the Y-axis) . In a second coordinate system (with time on the X-axis and current on Y-axis) , phase current curve 41 of phase U,  phase current curve 42 of phase V, and phase current curve 43 of phase W are shown. The motor speed curve 44 is shown in a third coordinate system (with time on the X-axis and speed on the Y-axis) .

[0034] Fig. 5 is a simulation diagram of phase voltages and phase currents during stable operation of motor according to an embodiment of the present disclosure. In Figure 5, phase voltage curve 51 of phase U is shown in a first coordinate system (time on the X-axis and voltage on the Y-axis) . The phase voltage curve 52 of phase V is shown in a second coordinate system (time on the X-axis and voltage on the Y-axis) . The phase voltage curve 53 of phase W is shown in a third coordinate system (time on the X-axis and voltage on the Y-axis) . In a fourth coordinate system (with time on the X-axis and current on the Y-axis) , phase current curve 61 of phase U, phase current curve 62 of phase V and phase current curve 63 of phase W are shown.

[0035] As shown in Figures 4 and Figures 5, although the three-phase voltage is unbalanced, the three-phase current is balanced, so the motor can work normally.

[0036] Embodiments of the present disclosure proposes a multi motor driving system. The system comprising: N three-phase motors; a VFD, comprising: a three-level rectifier, coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors, coupled with the three-level rectifier; and N H-bridge inverters, coupled with the even number of DC bus capacitors; wherein an output midpoint of the three-level rectifier is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors, and the midpoint of the even number of DC bus capacitors is coupled with respective first input terminals of the N three-phase motors, the respective first input terminals of the N three-phase motors have the same phase; wherein each of the N H-bridge inverters comprises a first bridge arm and a second bridge arm, respective midpoints of first bridge arms of the N H-bridge inverters are coupled with respective second input terminals of the N three-phase motors, respective midpoints of second bridge arms of the N H-bridge inverters are coupled with respective third input terminals of the N three-phase motors, the respective second input terminals of the N three-phase motors have the same phase, the respective third input terminals of the N three-phase motors have the same phase; N is a positive integer of at least 2. In one embodiment, the N is 3. In one embodiment, each of the first bridge arm and the second bridge arm comprises two IGBT power modules.

[0037] Fig. 6 is an exemplary driving topology diagram of three three-phase motors according to an embodiment of the present disclosure.

[0038] In Figure 6, three-level rectifier 71 includes three-phase Vienna rectifier and a three-phase inductor. The three-phase Vienna rectifier consists of 6 diodes and 6 fully controlled switches. The three-level rectifier 71 is coupled to a three-phase power supply (RST) via the three-phase inductor. The number of DC bus capacitors in filtering module 72 is 2, specifically capacitors C1 and C2 with the same capacitance value. Capacitor C1 and capacitor C2 are connected in series between the positive and negative poles of the DC bus. The output midpoint (O8) of the three- phase Vienna rectifier is connected to the midpoint (O1) of capacitors C1 and C2.

[0039] Inverter module 73 consists of three H-bridge inverters. The three H-bridges form a power unit which includes 12 IGBT power modules, specifically IGBT power module k1 to IGBT power module k12. Among them, IGBT power module k1 and IGBT power module k2 form a half bridge arm with a midpoint of O2; IGBT power module k3 and IGBT power module k4 form a half bridge arm with a midpoint of O3; IGBT power module k5 and IGBT power module k6 form a half bridge arm with midpoint O4; IGBT power module k7 and IGBT power module k8 form a half bridge arm with a midpoint of O5; IGBT power module k9 and IGBT power module k10 form a half bridge arm with a midpoint of O6; IGBT power module k11 and IGBT power module k12 form a half bridge arm with a midpoint of O7.

[0040] Inverter module 73 is coupled to three three-phase motors, namely 24a-24b and 24c. Among them, W-phase input terminal (Wa) of three-phase motor 24a, W-phase input terminal (Wb) of three-phase motor 14b, and W-phase input terminal (Wc) of three-phase motor 4c are all coupled to the midpoint O1 of capacitor C1 and capacitor C2. The midpoint O2 is coupled to U-phase input terminal (Ua) of the three-phase motor 24a. The midpoint O3 is coupled to V-phase input terminal (Va) of the three-phase motor 24a. The midpoint O4 is coupled to U-phase input terminal (Ub) of the three-phase motor 4b. The midpoint O5 is coupled to the V-phase input terminal (Vb) of the three-phase motor 4c. The midpoint O6 is coupled to the U-phase input terminal (Uc) of the three-phase motor 4c. The midpoint O7 is coupled to the V-phase input terminal (Vc) of the three-phase motor 24c. It can be seen that when applied to multi motor drive applications, the embodiments of the present disclosure can use one power unit to connect multiple motors, thereby reducing system costs and making the system more compact.

[0041] The above explanation is based on three three-phase motors and a power unit containing 12 IGBT power modules. Those skilled in the art will appreciate that this description is only exemplary and not intended to limit the scope of protection of the embodiments of the present disclosure. It should be noted that not all modules in the above structural diagrams are necessary, and certain steps or modules can be ignored according to actual needs. The execution order of each step is not fixed and can be adjusted as needed. The division of each module is only for the convenience of describing the functional division adopted. In actual implementation, a module can be divided into multiple modules, and the functions of multiple modules can also be implemented by the same module. These modules can be located in the same device or in different devices.

[0042] The above description is only the preferred embodiments of the present disclosure and is not intended to limit the scope of protection of the present disclosure. Any modifications, equivalent substitutions, improvements, etc. made within the spirit and principles of the present disclosure shall be included within the scope of protection of the present disclosure.

[0043] Independent of the grammatical term usage, individuals with male, female or other gender identities are included within the term.

Claims

1.A Variable-Frequency Drive (VFD) (20) , comprising:a three-level rectifier (21) , coupled with a three-phase power supply;an even number of DC bus capacitors (22) , coupled with the three-level rectifier (21) ; anda H-bridge inverter (23) , coupled with the even number of DC bus capacitors (22) ;wherein the H-bridge inverter (23) comprises a first bridge arm (26) and a second bridge arm (27) , an output midpoint of the three-level rectifier (21) is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors (22) , the midpoint of the even number of DC bus capacitors (22) is coupled with a first input terminal of a three-phase motor (24) , a midpoint of the first bridge arm (26) is coupled with a second input terminal of the three-phase motor (24) , and a midpoint of the second bridge arm (27) is coupled with a third input terminal of the three-phase motor (24) .2.The VFD (20) of claim 1, wherein the three-level rectifier (21) comprises a diode neutral point clamped rectifier or a Vienna rectifier.3.The VFD (20) of claim 1, wherein the number of DC bus capacitors (22) is 2 or 4.4.The VFD (20) of claim 1, wherein each of the first bridge arm (26) and the second bridge arm (27) comprises two IGBT power modules.5.The VFD (20) of any one of claims 1-4, comprises:a three-phase inductance (25) coupled between the three-phase power supply and the three-level rectifier (21) .6.A motor drive system, comprising:a three-phase motor (24) ;a VFD (20) , comprising: a three-level rectifier (21) , coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors (22) , coupled with the three-level rectifier (21) ; and a H-bridge inverter (23) , coupled with the even number of DC bus capacitors (22) ; wherein the H-bridge inverter (23) comprises a first bridge arm (26) and a second bridge arm (27) , an output midpoint of the three-level rectifier (21) is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors (22) , the midpoint of the even number of DC bus capacitors (22) is coupled with a first input terminal of a three-phase motor (24) , a midpoint of the first bridge arm (26) is coupled with a second input terminal of the three-phase motor (24) , and a midpoint of the second bridge arm (27) is coupled with a third input terminal of the three-phase motor (24) .7.The system of claim 6, wherein the three-level rectifier (21) comprises a diode neutral point clamped rectifier or a Vienna rectifier.8.The system of claim 6, wherein the number of DC bus capacitors (22) is 2 or 4.9.The system of any one of claims 6-8, comprises:a three-phase inductance (25) coupled between the three-phase power supply and the three-level rectifier (21) .10.A motor drive system, comprising:N three-phase motors;a VFD, comprising: a three-level rectifier (71) , coupled with a three-phase power supply; an even number of DC bus capacitors (72) , coupled with the three-level rectifier (71) ; and N H-bridge inverters (73) , coupled with the even number of DC bus capacitors (72) ; wherein an output midpoint of the three-level rectifier (71) is coupled with a midpoint of the even number of DC bus capacitors (72) , and the midpoint of the even number of DC bus capacitors (72) is coupled with respective first input terminals of the N three-phase motors, the respective first input terminals of the N three-phase motors have the same phase;wherein each of the N H-bridge inverters (73) comprises a first bridge arm and a second bridge arm, respective midpoints of first bridge arms of the N H-bridge (73) inverters are coupled with respective second input terminals of the N three-phase motors, respective midpoints of second bridge arms of the N H-bridge inverters (73) are coupled with respective third input terminals of the N three-phase motors, the respective second input terminals of the N three-phase motors have the same phase, the respective third input terminals of the N three-phase motors have the same phase; N is a positive integer of at least 2.11.The system of claim 10, wherein the N is 3, each of the first bridge arm and the second bridge arm comprises two IGBT power modules.

Images