專利名稱：無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子高壓大容量多相多電平拓撲結(jié)構(gòu)，具體是指一種級聯(lián)式背靠背雙 PWM控制的功率變換器拓撲。
背景技術(shù)：
變頻調(diào)速技術(shù)以其節(jié)能的優(yōu)勢在建材、冶金、船舶、機車牽引、水泥等高壓大容量調(diào) 速領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著電力電子器件、拓撲以及相關(guān)控制技術(shù)的進歩，大型電氣 傳動系統(tǒng)正朝著單機容量大、功率密度高的方向發(fā)展。但是，受現(xiàn)有功率器件耐壓水平和 載流能力的限制，傳統(tǒng)兩電平三相逆變器的變換裝置難以滿足高壓大功率如IOKV，幾十 MW的電能變換要求。因此，以"并聯(lián)均流"和"串聯(lián)均壓"思想構(gòu)成的多相多電平技 術(shù)，是解決當前功率器件制約系統(tǒng)容量提升的一個很好的方法，在高壓大容量領(lǐng)域中具有 極大發(fā)展?jié)摿?。因此，研究高壓大容量功率變換器拓撲、設計與控制技術(shù)，對于進一步提 高電氣傳動系統(tǒng)容量與性能，降低單產(chǎn)能耗和成本，提高生產(chǎn)效率和效益，增強市場競爭 力有著戰(zhàn)略性的意義。
多相多電平變流器同時具有多相和多電平的優(yōu)點，如U)、輸出電壓更加接近正弦， 電壓諧波含量小。(2)、輸出電壓dv/dt小，對負載(比如電機)的絕緣影響小，同時大 大降低電磁干擾的水平。(3)、以低耐壓水平的單管構(gòu)成高壓系統(tǒng)，解決高壓系統(tǒng)的單管 耐壓問題。(4)變流器能量雙向流動，電機多余能量能回饋到電網(wǎng)側(cè)，提高了整機的工況 效率；(5)系統(tǒng)具有較強的容錯運行能力，可靠性高。在逆變器或多相電機發(fā)生單相甚至 多相故障時，只要采取正確的控制措施，系統(tǒng)仍然能夠在降額的條件下繼續(xù)運行。
目前采用多相多電平技術(shù)的中高壓變頻裝置主要拓撲有交一直一交電壓型多電平結(jié) 構(gòu)的變頻裝置，這種變頻裝置的應用已經(jīng)取得了一定效果，但也存在一些問題。
傳統(tǒng)交直交電壓型多相多電平變頻器的主電路一般結(jié)構(gòu)為圖1所示，移相變壓器與三 相電網(wǎng)連接，移相變壓器多個副邊繞組為各H橋功率單元提供三相交流輸入，每個H橋 功率單元為三相不控整流和多相多電平逆變器結(jié)構(gòu)。在這種拓撲中，移相變壓器的作用除 了實現(xiàn)電網(wǎng)與逆變器之間的電氣隔離外，主要是采用多重化技術(shù)減小由整流負載產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)電流諧波；三相不控整流電路為后面的逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓；多相多電平 逆變器則實現(xiàn)變頻變壓功能，為多相電機提供幅值、頻率可變的電能。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu) 點是網(wǎng)側(cè)電流諧波小，輸出電壓波形比較接近正弦，可實現(xiàn)高性能的大容量調(diào)速系統(tǒng)。但 這種結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯功率單元采用不控整流電路，電能只能從電網(wǎng)流向負載，無法
實現(xiàn)電機系統(tǒng)的四象限運行；同時，在功率很大，電機相數(shù)很多的情況下，需要容量極大 的移相隔離變壓器。該變壓器工作在工頻范圍(50Hz)，體積龐大，連線復雜，且價格昂 貴， 一般移相隔離變壓器的成本占到了系統(tǒng)成本的三分之一多。這使得該種拓撲在應用上 受到制約。
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運行，對上述拓撲進行改進，采用三相PWM整流電路取代原 有的不控整流電路，其它部分不變。改進的變流器雖然在控制上稍微復雜，但在系統(tǒng)的控 制性能上有了提高，因此在實際中得到應用。但是，改進電路仍然需要移相變壓器，體積、 重量大，成本高等缺點并沒有改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設計一種無變壓器的多相多電平功率變換器。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)多相 多電平變流器由于移相變壓器帶來的體積、重量、成本問題，在保持傳統(tǒng)多相多電平變流 器網(wǎng)側(cè)諧波小、輸出電壓波形好、易于實現(xiàn)大容量、能量雙向流動等優(yōu)點的基礎上，大大 降低了體積、重量和成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。該變頻裝置適用于中高壓多相調(diào)速領(lǐng)域。
本發(fā)明的特征在于:是一個單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率
變換器，由多個基本功率變換單元的輸入側(cè)經(jīng)過級聯(lián)后再與電網(wǎng)一相相連接而成；
所述各基本功率變換單元由H型PWM整流橋、直流母線電容、逆變器各自的輸出 端依次并聯(lián)而成，其中所述H型PWM整流橋的一個輸入端與所述電網(wǎng)的一相相連，而 所述逆變器的輸出端與電機的輸入端相連，
所述的電網(wǎng)電源的相數(shù)q、電機相數(shù)ml、功率變換單元相數(shù)m2、相互級聯(lián)的基本功 率變換單元數(shù)k存在以下關(guān)系
ml=qm2k。
所述的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器其特征在于，三個同樣的所述 的單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器以三角形連接方式連 接到三相交流電網(wǎng)。所述的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器其特征在于，三個同樣的所述 的單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器以星形連接方式連接
到三相交流電網(wǎng)。 本發(fā)明具有的優(yōu)點和創(chuàng)新之處
這種拓撲電路的最大特點在于采用PWM整流電路與電網(wǎng)直接連接，取消了傳統(tǒng)電路 中的移相變壓器。該拓撲電路具有如下特點
1省去傳統(tǒng)拓撲中的變壓器，整機重量、體積大大減小，成本顯著降低。在大容量 交流傳動系統(tǒng)中，變壓器的重量體積占整個系統(tǒng)的三分之一強。因此，無變壓器的大容量 多相變流器對提高整機功率體積比、降低成本起到根本性的作用，經(jīng)濟效益顯著。
2系統(tǒng)輸入功率因數(shù)可接近1，電流諧波少，對交流電網(wǎng)電能品質(zhì)的不利影響??；
3系統(tǒng)可四象限運行，實現(xiàn)能量的雙向流動。對于大型拖動系統(tǒng)而言，可以節(jié)約電 能，并省去制動電路，減少硬件設備。
3該系統(tǒng)單元電路、機械結(jié)構(gòu)完全相同，具有模塊化的特點。各個基本單元在控制 算法上類似，易于實現(xiàn)，移植性、拓展性好。
4該拓撲配置靈活，適用性廣。可用于不同電壓容量等級的各種高壓大容量多相逆
變系統(tǒng)。


圖l 傳統(tǒng)十二相三電平交-直-交多相多電平變頻器結(jié)構(gòu)；
圖2 基本功率變換單元；2a兩電平單相功率變換單元；2b兩電平三相功率變換單 元；2c兩電平五相功率變換單元；2d三電平單相功率變換單元；2e三電平三相功率變換 單元；2f三電平五相功率變換單元；
圖3 單相電源供電的九相功率變換器；
圖4 三相電源供電的兩級六相逆變器；
圖5 三相電源供電的三角形連接九相電機調(diào)速系統(tǒng)； 圖6 三相電源供電的星形連接十五相電機調(diào)速系統(tǒng)；
圖7 三相電源供電的三角形連接十五相電機調(diào)速系統(tǒng)；
圖8 P麵整流控制原理框圖9 多相電機運行控制原理框具體實施例方式
新型多相變流器電路結(jié)構(gòu)如下H型PWM整流橋與逆變器通過直流母線電容背靠背
5連接，構(gòu)成一個基本功率變換單元(圖2)。多個基本功率變換單元的輸入側(cè)通過級聯(lián)的 形式與電網(wǎng)一相連接(見圖3)。三個同樣的電路即可連接三相交流電網(wǎng)的三相，連接方 式可以是三角形或星形(圖4~7)。
基本功率變換單元的輸出電平可以為兩電平或三電平，這取決于系統(tǒng)整體設計的需 要。功率變換單元的橋臂數(shù)量可以是2， 3， 5，或其它，構(gòu)成單相、三相、五相或其它相 數(shù)的逆變器。因此，基于該拓撲結(jié)構(gòu)的大容量拖動系統(tǒng)，電源相數(shù)《、電機相數(shù)m,、功
率變換單元相數(shù)附2、級聯(lián)單元數(shù)A:存在如下關(guān)系
對系統(tǒng)的控制可以采用以數(shù)字信號處理芯片(如德儀公司的TSM320F240系列電機 控制的專用芯片)為核心，可編程邏輯控制芯片CPLD或FPGA進行IO 口擴展的全數(shù)字 控制器。這種控制器的配置已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中得到了應用。
基于本發(fā)明基本思想的大容量多相多電平功率變換器，根據(jù)系統(tǒng)相數(shù)、功率單元電路 中逆變器的電平數(shù)、相數(shù)、以及多電平拓撲類型的組合，可以拓展為數(shù)量可觀的不同拓撲。 這些拓撲可根據(jù)如下規(guī)則進行命名
A相電源供電，B級C型，D電平，E相變流器，
由若干個功率單元組成，可以得到數(shù)量眾多的多相多電平功率變換器拓撲，見圖2 所示。
類型A、 B、 C、 D， E代表的含義以及常用的參數(shù)如下
A電源相數(shù)單相，三相；(通常使用三相電源，因此可以省略)
B單相功率單元的級聯(lián)數(shù)；
C多電平逆變器種類二極管鉗位、電容鉗位、級聯(lián)式，以及在他們基礎上的一些 變化、拓展得到的其他拓撲；
D逆變器電平數(shù)兩電平、三電平；
E逆變器相數(shù)(定義為電機的相數(shù))3， 6， 9， 12, 15， 18等等；
這些不同的拓撲應用于不同的場合，拓撲的選擇主要依賴于電機相數(shù)、電網(wǎng)電壓等級、
采用的功率器件標稱值等等。圖4~7是由基本功率變換單元構(gòu)成的多相電機調(diào)速系統(tǒng)舉例。
所述全數(shù)字控制器的電路邏輯原理框圖見附圖8， 9。以高性能數(shù)字信號微處理器 (Digital Signal Processor)如TI公司的TMS320LF2812為核心，以三路PWM輸出口和1條I/O 口作為輔助控制線，通過現(xiàn)場可編程門列陣器件(Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device)如EPM7128S擴展為24路PWM輸出，然后
經(jīng)驅(qū)動電路生成24路驅(qū)動PWM脈沖信號，去觸發(fā)24個功率半導體開關(guān)，其中1條I/O 口作為故障時控制封鎖PWM脈沖輸出。模擬輸入接口電路完成信號調(diào)理和隔離的功能。 在PWM整流控制板中，將檢測到的交流電網(wǎng)電壓、電流信號、整流器輸出電流進行變換 后輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換口。軟件實現(xiàn)d-q坐標變換、電流反饋信號的PI調(diào)節(jié)，實時計 算出用于控制功率開關(guān)器件的實時PWM控制脈沖，以此動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓的波形與幅 值。在多相電機控制板中，將檢測到的逆變器輸出電流、電壓信號進行變換后輸入到DSP 模數(shù)轉(zhuǎn)換口。用軟件進行d-q坐標變換、磁場觀測、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速觀測與調(diào)節(jié)等一系列運算， 得到用于實時控制的PWM脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路送往逆變器主電路的開關(guān)器件，實現(xiàn)高性能 的多相電機運行控制和整個變頻調(diào)速裝置的穩(wěn)定運行，同時由軟件生成的PWM信號也控 制變頻裝置的交流電壓輸出。人機接口和通信單元通過串行通信接口完成鍵盤顯示以及和 PC機通信和監(jiān)控的功能；開關(guān)量輸入輸出單元完成系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、功率器件過流、 過熱等故障保護功能，其他外圍控制功能，視具體實現(xiàn)要求而定。
權(quán)利要求
1. 無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器，其特征在于，是一個單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器，由多個基本功率變換單元的輸入側(cè)經(jīng)過級聯(lián)后再與電網(wǎng)一相相連接而成；所述各基本功率變換單元由H型PWM整流橋、直流母線電容、逆變器各自的輸出端依次并聯(lián)而成，其中所述H型PWM整流橋的一個輸入端與所述電網(wǎng)的一相相連，而所述逆變器的輸出端與電機的輸入端相連，所述的電網(wǎng)電源的相數(shù)q、電機相數(shù)m1、功率變換單元相數(shù)m2、相互級聯(lián)的基本功率變換單元數(shù)k存在以下關(guān)系m1＝qm2k。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器其特征在 于，三個同樣的所述的單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器以 三角形連接方式連接到三相交流電網(wǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器其特征在 于，三個同樣的所述的單相電源供電的無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器以 星形連接方式連接到三相交流電網(wǎng)。
全文摘要
無變壓器的大容量級聯(lián)型多相多電平功率變換器，屬于高壓大容量多相多電平變頻技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于單相主電路由相同的基本功率變換單元通過級聯(lián)的形式組成，三個單相主電路通過星形或三角形可連接到三相電網(wǎng)。基本功率變換單元由H型整流橋通過直流母線電容與多相逆變器構(gòu)成“背靠背”的AC-DC-AC逆變器電路拓撲。基本功率變換單元的不同電平、類型、相數(shù)以及連接關(guān)系等可以引伸出多種不同的多相變流器實用拓撲電路，省去了原先必不可少但體積重量占系統(tǒng)1/3多的移相變壓器，大大降低了整機體積和成本。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)在四象限范圍內(nèi)高性能運行，可以在電機制動時把能量從電機回饋到電網(wǎng)中，提高了調(diào)速系統(tǒng)的工況運行效率；且交流電網(wǎng)側(cè)電流諧波小，功率因數(shù)接近于1。
文檔編號H02M5/42GK101483392SQ20091007785
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者李永東, 柴建云, 陶興華 申請人:清華大學