本發(fā)明涉及變頻器領(lǐng)域，具體涉及混合多電平高壓變頻器。

背景技術(shù)：

隨著人們對交流變頻調(diào)速技術(shù)研究的不斷深入，電力電子器件在高壓大功率領(lǐng)域應用取得突破性進展，以多電平為技術(shù)特征的高壓變頻器異軍突起，使得長期以來在大功率傳動領(lǐng)域積蓄的巨大節(jié)能潛力得以充分釋放，高壓變頻調(diào)速技術(shù)逐漸成為專家學者們研究和關(guān)注的熱點。

目前，比較有代表性的多電平拓撲結(jié)構(gòu)有二極管箝位型三電平變流器和單元串聯(lián)型多電平變流器，而又以后者應用最為廣泛。但是，由于單元串聯(lián)型多電平變流器要用到多路獨立的直流電源和大量的功率開關(guān)，所以成本較高，體積龐大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明提供了一種混合十一電平高壓變頻器，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)存在的成本高、體積大的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種混合十一電平高壓變頻器。該混合十一電平高壓變頻器包括移相變壓器、功率單元、主控單元、信號檢測單元和驅(qū)動單元；所述移相變壓器和所述功率單元構(gòu)成系統(tǒng)主電路；所述信號檢測單元用于采樣永磁同步電機轉(zhuǎn)子的位置和定子電流；所述主控單元用于實現(xiàn)電流坐標變換、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制；所述驅(qū)動單元用于將DSP輸出的PWM信號進行隔離放大、驅(qū)動功率開關(guān)管。

進一步地，混合十一電平高壓變頻器的每一相由一個低壓功率單元與一個高壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成，采用星形連接，三相輸出端接高壓電機；其中，所述低壓功率單元由四個IGBT和1個儲能電容C組成全橋；所述高壓功率單元由4個IGCT構(gòu)成全橋，1個IGCT和四個二極管組成雙向開關(guān)，其中，將方向相同的二極管倆倆串聯(lián)，再與IGCT并聯(lián)，串聯(lián)二極管的連接點作為雙向開關(guān)的輸入輸出端口，雙向開關(guān)的一端和全橋的一個輸出端相連并與低壓功率單元的一個輸出端相連，雙向開關(guān)的另一端與兩個電容串聯(lián)構(gòu)成的直流側(cè)的電容連接點相連。

進一步地，每一相為n個全橋單元和一個帶雙向開關(guān)的全橋單元，其中，n為正整數(shù)；其中，每個所述全橋單元僅包括一個電容；各個全橋單元電容電壓值之比為1:2:4:8……:2^n-1；所述帶雙向開關(guān)的全橋單元包括電壓值相等的兩個電容，且該兩個電容的電壓值等于所述帶雙向開關(guān)的全橋單元中的電容電壓最高值的2倍；每一相輸出的電平數(shù)為12×2^n-1-1。

進一步地，n＝1。

進一步地，所述高壓功率單元中的兩個電容電壓相等，并且是低壓功率單元電容電壓的兩倍。

進一步地，采用永磁同步電機零直軸電流(id＝0)矢量控制策略；將永磁同步電機的三相定子電流經(jīng)過坐標變換，得到交直軸電流；通過設(shè)定勵磁電流為零和給定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)。

進一步地，采用載波層疊調(diào)制技術(shù)，共使用十路載波；與雙向開關(guān)相連的半橋中上下兩個IGCT不能和雙向開關(guān)中的IGCT同時導通；所述十路載波的幅制相同、頻率不同；各載波與調(diào)制波進行比較，得到一系列PWM信號；經(jīng)過邏輯運算得到各功率單元的驅(qū)動波形，將開關(guān)頻率低的驅(qū)動波形分配給高壓功率單元，將開關(guān)頻率高的驅(qū)動波形分配給低壓功率單元。

進一步地，所述混合十一電平高壓變頻器的的輸出相電壓為十一電平。

本發(fā)明的混合十一電平高壓變頻器采用新型主電路拓撲，針對這種拓撲采用了載波層疊調(diào)制技術(shù)，不但可以驅(qū)動高壓電機，還可以輸出十一電平的相電壓，諧波含量少。具體具有如下優(yōu)點：1)采用新型主電路拓撲，相對于傳統(tǒng)混合多電平拓撲，每相多使用1個開關(guān)管，能夠使傳統(tǒng)拓撲輸出的七電平，達到十一電平，大大降低了設(shè)備成本，諧波含量少；2)針對新型電路拓撲，采用基于目標波形與邏輯組合的載波層疊調(diào)制技術(shù)，避免發(fā)生功率倒灌的現(xiàn)象，提高變頻器的可靠性；3)采用永磁同步電機零直軸電流(i_d＝0)矢量控制策略，可以提高變頻器的效率；4)采用IGBT與IGCT混合多電平拓撲，充分利用了IGCT高耐壓特性和IGBT高開關(guān)頻率特性，能夠驅(qū)動高壓電機；5)采用DSP與FPGA的聯(lián)合控制，DSP為主，F(xiàn)PGA為輔，提高運算速度，減少相應時間。

附圖說明

本發(fā)明可以通過參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進一步舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的一種混合十一電平高壓變頻器的一個示例的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是主電路拓撲圖；

圖3是載波層疊示意圖；

圖4是比較得到的PWM波形圖；

圖5是理論輸出十一電平電壓波形圖；

圖6是系統(tǒng)控制框圖；

圖7是電流檢測電路圖；

圖8是驅(qū)動電路圖；

圖9是系統(tǒng)軟件主程序流程圖；

圖10是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束子程序流程圖；

圖11是T1周期中斷子程序流程圖；

圖12是示出永磁同步電機三相定子電流波形圖；

圖13是示出變頻器輸出十一電平相電壓波形圖；

圖14是示出電機實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速波形圖；

圖15是示出電機輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩波形圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對于其他元件放大了，以便有助于提高對本發(fā)明實施例的理解。

具體實施方式

在下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示范性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應該了解，在開發(fā)任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細節(jié)。

本發(fā)明提供了一種混合十一電平高壓變頻器，如圖1所示，該混合十一電平高壓變頻器包括移相變壓器1、功率單元2、主控單元3、信號檢測單元4和驅(qū)動單元5。所述移相變壓器和所述功率單元構(gòu)成系統(tǒng)主電路；所述信號檢測單元用于采樣永磁同步電機轉(zhuǎn)子的位置和定子電流；所述主控單元用于實現(xiàn)電流坐標變換、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制；所述驅(qū)動單元用于將DSP輸出的PWM信號進行隔離放大、驅(qū)動功率開關(guān)管。

控制電路(即主控單元)以TI公司的TMS320F28335和FPGA為核心，實現(xiàn)電流坐標變換、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，可采用新型主電路拓撲。如圖2所示，所述混合十一電平高壓變頻器的每一相由一個低壓功率單元與一個高壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成，采用星形連接，三相輸出端接高壓電機；其中，所述低壓功率單元由四個IGBT和1個儲能電容C組成全橋；所述高壓功率單元由4個IGCT構(gòu)成全橋，1個IGCT和四個二極管組成雙向開關(guān)，其中，將方向相同的二極管倆倆串聯(lián)，再與IGCT并聯(lián)，串聯(lián)二極管的連接點作為雙向開關(guān)的輸入輸出端口，雙向開關(guān)的一端和全橋的一個輸出端相連并與低壓功率單元的一個輸出端相連，雙向開關(guān)的另一端與兩個電容串聯(lián)構(gòu)成的直流側(cè)的電容連接點相連。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，所述高壓功率單元中的兩個電容電壓相等，并且是低壓功率單元電容電壓的兩倍，采用移相變壓器為儲能電容充電，能夠減少輸入電流諧波，提高功率因數(shù)。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，所述混合十一電平高壓變頻器的的每一相為一個全橋單元和一個帶雙向開關(guān)的全橋單元，其可以拓展為每一相為n個全橋單元和一個帶雙向開關(guān)的全橋單元。其中全橋單元只有一個電容，各個全橋單元電容電壓值之比為1:2:4:8……:2^n-1，帶雙向開關(guān)的全橋單元具有兩個電容，其中兩個電容電壓值相等，且等于全橋單元中的電容電壓最高值的2倍。其輸出的電平數(shù)可以達到(12×2^n-1-1)。其中，n為正整數(shù)。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，采用永磁同步電機零直軸電流(id＝0)矢量控制策略，電機效率更高；將永磁同步電機的三相定子電流經(jīng)過坐標變換，得到交直軸電流；通過設(shè)定勵磁電流為零和給定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，如圖3所示，針對新型拓撲采用了載波層疊調(diào)制技術(shù)，共使用十路載波；考慮到這種拓撲的特殊性，與雙向開關(guān)相連的半橋中上下兩個IGCT不能和雙向開關(guān)中的IGCT同時導通，否則會燒毀功率開關(guān)管；所述十路載波的幅制相同、頻率不同；各載波與調(diào)制波進行比較，得到一系列PWM信號；經(jīng)過邏輯運算得到各功率單元的驅(qū)動波形，將開關(guān)頻率低的驅(qū)動波形分配給高壓功率單元，將開關(guān)頻率高的驅(qū)動波形分配給低壓功率單元；由于高壓單元與低壓單元不存在輸出電壓極性相反的情況，不會出現(xiàn)功率倒灌使電容電壓升高的現(xiàn)象。

本發(fā)明“一種新型混合十一電平高壓變頻器”中，載波層疊調(diào)制算法如下：

如圖4所示，U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆、U₇、U₈、U₉、U₁₀為調(diào)制波與各載波比較生成的PWM信號。以A相為例，A相九個功率開關(guān)管中具有獨立的驅(qū)動波形有六個：高壓功率單元VT₁驅(qū)動波形S₁、高壓功率單元VT₂驅(qū)動波形S₂、高壓功率單元VT₃驅(qū)動波形S₃、高壓功率單元雙向開關(guān)管VT₅驅(qū)動波形S₅、低壓功率單元VT₇驅(qū)動波形S₇、低壓功率單元VT₈驅(qū)動波形S₈。剩余三個開關(guān)管中，高壓功率單元VT₄驅(qū)動波形S₄與VT₃驅(qū)動波形S₃互補并帶有死區(qū)，高壓功率單元VT₆驅(qū)動波形S₆與VT₇驅(qū)動波形S₇互補并帶有死區(qū)，高壓功率單元VT₉驅(qū)動波形S₉與VT₈驅(qū)動波形S₈互補并帶有死區(qū)。其中高壓功率單元雙向開關(guān)管VT₅導通時，高壓功率單元VT₁和VT₂不能導通，否則會燒毀功率開關(guān)管。

如圖5所示，為目標十一電平電壓波形。將目標電壓波形按時間劃分為十八個區(qū)間(t1～t18)，通過對每一區(qū)間輸出的電壓進行分析，得出每個開關(guān)管的驅(qū)動波形，各驅(qū)動波形可由圖4所示的PWM信號經(jīng)邏輯運算得到：

S₃＝U₄ (3)

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，所述混合十一電平高壓變頻器的的輸出相電壓為十一電平，電壓中所含諧波少，波形趨近于正弦，比具有兩個單元的傳統(tǒng)混合多電平的電平數(shù)要多。

本發(fā)明能夠提供一種安全、可靠、高性能的高壓大功率電機驅(qū)動裝置，優(yōu)點是主電路中每一相使用九個開關(guān)管，輸出相電壓能夠達到十一電平，接近正弦波，比傳統(tǒng)混合多電平的電平數(shù)要多；無功率倒灌現(xiàn)象，可靠性更高；容量大，可以工作在高壓情況。因此，本發(fā)明的高壓大功率電機驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)在高壓下，對大功率永磁同步電機的變頻控制。

優(yōu)選實施例

該優(yōu)選實施例采用軟硬件結(jié)合的方法，首先由信號檢測電路通過傳感器將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置和三相定子電流幅值等信息檢測出來并加以處理，發(fā)送給控制單元(即上文所述主控單元)DSP和FPGA，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和定子電流進行運算，得到PWM波，經(jīng)過驅(qū)動單元的隔離驅(qū)動、放大后，驅(qū)動功率單元使電機運行。其中圖6為系統(tǒng)控制框圖。

(一)硬件部分

1、電流檢測電路

該優(yōu)選實施例采用高速的閉環(huán)霍爾電流變送器CHB-25NP對電機定子電流進行實時監(jiān)測，如圖7所示，以A相電流采樣為例，霍爾傳感器副邊電流由電阻RM采樣得到UM，經(jīng)過隔離、偏置、低通濾波和嵌位處理后輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口進行處理。

2、驅(qū)動電路

如圖8所示，該優(yōu)選實施例采用2SD315A驅(qū)動模塊，設(shè)有短路和過流保護功能。該模塊可直接驅(qū)動1200V/1700V的IGBT，2SD315A的工作模式設(shè)置為直接工作模式，這樣可在INA和INB兩個引腳中輸入2個控制信號，并能同時驅(qū)動2個功率管

3、控制電路

根據(jù)權(quán)利要求1所述一種新型混合十一電平高壓變頻器，其特征在于該系統(tǒng)的控制單元由DSP和FPGA共同完成，DSP選擇TI公司的TMS320F28335作為主控制器，與以往的DSP相比，該器件的精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。FPGA選用ALTER的EP3C10E144C8FPGA作為輔控制器。

(二)軟件部分

該優(yōu)選實施例的高壓變頻器軟件部分由主程序、A/D轉(zhuǎn)換、捕獲中斷子程序、T1周期中斷子程序構(gòu)成。

1、主程序

主程序流程圖如圖9所示，系統(tǒng)的整體設(shè)計規(guī)劃是首先對DSP和FPGA內(nèi)部進行初始化，包括I/O口的初始化、中斷初始化、事件管理器初始化、A/D初始化，對工作環(huán)境配置完成后等待中斷。

2、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束子程序

如圖10所示為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束子程序流程圖，通過控制寄存器ADCON1，設(shè)置引腳功能為模擬輸入通道，如果需要A/D中斷功能，開放相應的中斷功能位，將采樣電壓、電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，若轉(zhuǎn)速、電流超過標準值，則進行PI調(diào)節(jié)，重新判斷是否超標。

3、T1周期中斷子程序

T1中斷子程序的作用是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流的檢測、對電流進行坐標變換、PI調(diào)節(jié)、坐標反變換、與各載波進行比較、邏輯運算得到驅(qū)動波形，流程圖如圖11所示，系統(tǒng)需要完成的算法都在該子程序中實現(xiàn)。

為了對該優(yōu)選實施例的可行性和控制效果的驗證，進行了MATLAB/simulink仿真。圖12是永磁同步電機三相定子電流，各相電流具有相同的頻率和幅值。圖13變頻器輸出的相電壓波形，相電壓波形具有十一電平，所含諧波量更少，控制效果更好。

如圖14所示是電機轉(zhuǎn)速，在0.015s之后就能穩(wěn)定，穩(wěn)定在3500r/min，上下不超過17r/min。圖15是電機輸出轉(zhuǎn)矩，在0.015s之后就能穩(wěn)定，穩(wěn)定在200N·m，上下不超過0.2N·m。

通過以上描述可知，本發(fā)明的一種混合十一電平高壓變頻器，采用新型主電路拓撲，針對這種拓撲采用了載波層疊調(diào)制技術(shù)，不但可以驅(qū)動高壓電機，還可以輸出十一電平的相電壓，諧波含量少。本發(fā)明通過推導載波層疊的混合多電平調(diào)制技術(shù)，永磁同步電機的數(shù)學模型，控制技術(shù)，仿真波形驗證了該裝置的可行性與可靠性。

本發(fā)明采用新型主電路拓撲，每相使用9個開關(guān)管，能夠輸出十一電平，諧波含量少。

針對新型電路拓撲，本發(fā)明采用基于目標波形與邏輯組合的載波層疊調(diào)制技術(shù)，避免發(fā)生功率倒灌的現(xiàn)象，提高變頻器的可靠性。

本發(fā)明采用永磁同步電機零直軸電流(id＝0)矢量控制策略，可以提高變頻器的效率。

本發(fā)明采用IGBT與IGCT混合多電平拓撲，充分利用了IGCT高耐壓特性和IGBT高開關(guān)頻率特性，能夠驅(qū)動高壓電機。

本發(fā)明采用DSP與FPGA的聯(lián)合控制，DSP為主，F(xiàn)PGA為輔，提高運算速度，減少相應時間。

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實施例。此外，應當注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對于本發(fā)明的范圍，對本發(fā)明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。