本發(fā)明涉及變流器，尤其涉及永磁同步發(fā)電機的九電平變流器。

背景技術(shù)：

隨著人們對電能變換技術(shù)研究的不斷深入，電力電子器件在電能變換領(lǐng)域應(yīng)用取得突破性進展，以多電平為技術(shù)特征的高壓變流器異軍突起，使得長期以來在電能變換領(lǐng)域積蓄的巨大節(jié)能潛力得以充分釋放，電能變換技術(shù)逐漸成為專家學(xué)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(yīng)用最為廣泛。傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，無法使變流器輸出達到九電平，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，現(xiàn)有技術(shù)中懸浮電容電壓容易失控，輸出電壓不穩(wěn)定，裝置可靠性不強，通用性不強，不易于移植到別的平臺或別的裝置，裝置一旦負載發(fā)生故障，就不能保障變流器的安全。

綜上，現(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)無法使變流器輸出達到九電平，現(xiàn)有實現(xiàn)方法成本貴，諧波含量高，無法保證輸出電壓穩(wěn)定，發(fā)生故障時，無法保證變流器的安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種永磁同步發(fā)電機的九電平變流器，對主電路拓撲進行改進，達到九電平輸出，輸出穩(wěn)定電壓。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種永磁同步發(fā)電機的九電平變流器，包括：

永磁同步發(fā)電機：用于提供電能；

九電平變流器：用于將提供的三相交流電變換成九電平交流電；

信號檢測模塊：用于采樣永磁同步發(fā)電機輸出的三相電壓、電流、九電平變流器中直流電壓信號、永磁同步電動機的定子電流和轉(zhuǎn)速信號；

控制器模塊：用于對信號檢測模塊輸出的信號進行運算，再根據(jù)信號與標(biāo)準(zhǔn)信號進行比較，判斷是否啟動保護，并發(fā)出控制信號；

驅(qū)動摸塊：用于將控制器模塊輸出的PWM信號進行隔離放大，驅(qū)動功率開關(guān)管；

永磁同步電動機：由九電平變流器輸出九電平交流電驅(qū)動；

所述九電平變流器由PWM整流器和逆變器構(gòu)成，所述PWM整流器將永磁同步發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，所述逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為九電平交流電，所述永磁同步電動機通過升壓變壓器驅(qū)動，所述逆變器采用八路載波，所述八路載波的幅制相同、頻率相同；

所述九電平變流器(2)采用九電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)，所述九電平拓撲結(jié)構(gòu)從永磁同步發(fā)電機(1)引出三線分別通過電感連接在PWM整流器，所述PWM整流器采用三相半橋拓撲，由帶反并聯(lián)二極管的IGBT組合構(gòu)成，PWM整流器的直流輸出經(jīng)支撐電容C1作為九電平逆變器的輸入，九電平逆變器采用三相全橋拓撲，通過懸浮電容的引入，使輸出達到九電平，通過升壓變壓器驅(qū)動永磁同步電動機。

進一步地，所述逆變器A相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、C3和VT12串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT7、C4和VT10串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT7和VT9串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT8、C4和VT9串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT12和VT14串聯(lián)組成，輸出0，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT10、C4、VT7、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-Udc，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT10、VT8、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT9、C4、VT8、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT11、C2、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-4Udc；

所述逆變器B相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、C6和VT20串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT15、C7和VT18串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT15和VT17串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT16、C7和VT17串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT20和VT22串聯(lián)組成，輸出0，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT18、C7、VT15、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-Udc，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT18、VT16、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT17、C7、VT16、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT19、C5、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-4Udc；

所述逆變器C相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、C9和VT28串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT23、C10和VT26串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT23和VT25串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT24、C10和VT25串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT28和VT30串聯(lián)組成，輸出0，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT26、C10、VT23、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-Udc的，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT26、VT24、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT25、C10、VT24、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT27、C8、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-4Udc。

進一步地，所述信號檢測模塊從電流霍爾m端通過電阻R1接地，通過電容C11接地，通過二極管D1的正極接+15V電源，通過二極管D2的負極接-15V電源，通過電阻R1接于第一運算放大器的反相輸入端，所述第一運算放大器的反相輸入端通過二極管D3的正極接地，通過二極管D4的負極接地，通過電阻R4接輸出端，第一運算放大器的同相輸入端通過電阻R3接地，第一運算放大器的正電源通過電容C13接地，第一運算放大器的負電源通過電容C12接地，第一運算放大器的輸出端通過電阻R5接第二運算放大器的反相輸入端，第二運算放大器的反相輸入端通過電容C14接輸出端，第二運算放大器的同相輸入端通過電阻R6接地，第二運算放大器的輸出端連接電阻R8后，通過電阻R7接第二運算放大器的反相輸入端，通過電容C15接地，通過二極管D5的正極接+3.3V電源，通過二極管D6的負極接地。

進一步地，其特征在于，所述九電平變流器中逆變器采用永磁同步電機零直軸電流矢量控制。

進一步地，其特征在于，所述逆變器A相由C2和C3串聯(lián)，C2上端連接VT11和VT13，C3連接VT12和VT14，VT13連接VT14連接輸出端，C2和C3中部連接VT7和VT8中部，VT7上部連接C4和VT9，VT8連接C4和VT10，VT9連接VT10連接輸出端，所述VT11、VT12、VT13和VT14構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C2，C3電容電壓是C4電容電壓的2倍；

所述逆變器B相由C5和C6串聯(lián)，C5上端連接VT19和VT21，C6連接VT20和VT22，VT21連接VT22連接輸出端，C5和C6中部連接VT15和VT16中部，VT15上部連接C7和VT17，VT16連接C7和VT18，VT17連接VT18連接輸出端，所述VT19、VT20、VT21和VT22構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C5，C6電容電壓是C7電容電壓的2倍；

所述逆變器C相由C8和C9串聯(lián)，C8上端連接VT27和VT29，C9連接VT28和VT30，VT29連接VT30連接輸出端，C8和C9中部連接VT23和VT24中部，VT23上部連接C10和VT25，VT24連接C10和VT26，VT25連接VT26連接輸出端，所述VT27、VT28、VT29和VT30構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C8，C9電容電壓是C10電容電壓的2倍。

有益效果：

一、由于采用新型主電路拓撲，在傳統(tǒng)拓撲的基礎(chǔ)上加以改造，因此使變流器輸出達到九電平，諧波含量少。

二、由于主電路采用不同耐壓類型的IGBT，充分利用不同耐壓類型IGBT各自優(yōu)勢，如導(dǎo)通電阻低，增大器件的電流容量，利用柵極關(guān)斷很大的漏極電流，因此使成本大大下降。

三、九電平變流器由于采用了升壓變壓器，一旦負載發(fā)生故障，因此能夠保障變流器的安全。

附圖說明

圖1為永磁同步發(fā)電機的九電平變流器整體框圖；

圖2為主電路拓撲原理圖；

圖3為九電平開關(guān)狀態(tài)示意圖；

圖4是系統(tǒng)控制框圖；

圖5是電流檢測電路圖；

圖6是驅(qū)動電路圖；

圖7是系統(tǒng)軟件主程序流程圖；

圖8是T1周期中斷子程序流程圖；

圖9逆變器輸出九電平相電壓。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明公開的一種永磁同步發(fā)電機的九電平變流器，其特征在于，包括：

結(jié)合圖1、圖2、圖4和圖5說明：

永磁同步發(fā)電機1：用于提供電能；

九電平變流器2：用于將1提供的三相交流電變換成九電平交流電；

信號檢測模塊3：用于采樣永磁同步發(fā)電機1輸出的三相電壓、電流、九電平變流器2中直流電壓信號、永磁同步電動機6的定子電流和轉(zhuǎn)速信號；

控制器模塊4：用于對信號檢測模塊3輸出的信號進行運算，再根據(jù)信號與標(biāo)準(zhǔn)信號進行比較，判斷是否啟動保護，并發(fā)出控制信號；

驅(qū)動摸塊5：用于將控制器模塊4輸出的PWM信號進行隔離放大，驅(qū)動功率開關(guān)管；

永磁同步電動機6：由九電平變流器2輸出九電平交流電驅(qū)動；

所述九電平變流器2由PWM整流器和逆變器構(gòu)成，所述PWM整流器將永磁同步發(fā)電機1發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，所述逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為九電平交流電，所述永磁同步電動機6通過升壓變壓器驅(qū)動，所述逆變器采用八路載波，所述八路載波的幅制相同、頻率相同；

所述九電平變流器(2)采用九電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)，所述九電平拓撲結(jié)構(gòu)從永磁同步發(fā)電機(1)引出三線分別通過電感連接在PWM整流器，所述PWM整流器采用三相半橋拓撲，由帶反并聯(lián)二極管的IGBT組合構(gòu)成，PWM整流器的直流輸出經(jīng)支撐電容C1作為九電平逆變器的輸入，九電平逆變器采用三相全橋拓撲，通過懸浮電容的引入，使輸出達到九電平，通過升壓變壓器驅(qū)動永磁同步電動機。

結(jié)合圖3說明：

所述逆變器A相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、C3和VT12串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT7、C4和VT10串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT7和VT9串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT13、C2、VT8、C4和VT9串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT12和VT14串聯(lián)組成，輸出0電平，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT10、C4、VT7、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-Udc，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT10、VT8、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT9、C4、VT8、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT11、C2、C3和VT14串聯(lián)組成，輸出-4Udc；

所述逆變器B相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、C6和VT20串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT15、C7和VT18串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT15和VT17串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT21、C5、VT16、C7和VT17串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT20和VT22串聯(lián)組成，輸出0，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT18、C7、VT15、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-Udc，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT18、VT16、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT17、C7、VT16、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT19、C5、C6和VT22串聯(lián)組成，輸出-4Udc；

所述逆變器C相的九電平輸出為：

第一電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、C9和VT28串聯(lián)組成，輸出+4Udc，所述第二電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT23、C10和VT26串聯(lián)組成，輸出+3Udc，所述第三電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT23和VT25串聯(lián)組成，輸出+2Udc，所述第四電平開關(guān)狀態(tài)由VT29、C8、VT24、C10和VT25串聯(lián)組成，輸出+Udc，所述第五電平開關(guān)狀態(tài)由VT28和VT30串聯(lián)組成，輸出0，所述第六電平開關(guān)狀態(tài)由VT26、C10、VT23、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-Udc，所述第七電平開關(guān)狀態(tài)由VT26、VT24、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-2Udc，所述第八電平開關(guān)狀態(tài)由VT25、C10、VT24、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-3Udc，所述第九電平開關(guān)狀態(tài)由VT27、C8、C9和VT30串聯(lián)組成，輸出-4Udc。

所述信號檢測模塊3從電流霍爾m端通過電阻R1接地，通過電容C11接地，通過二極管D1的正極接+15V電源，通過二極管D2的負極接-15V電源，通過電阻R1接于第一運算放大器的反相輸入端，所述第一運算放大器的反相輸入端通過二極管D3的正極接地，通過二極管D4的負極接地，通過電阻R4接輸出端，第一運算放大器的同相輸入端通過電阻R3接地，第一運算放大器的正電源通過電容C13接地，第一運算放大器的負電源通過電容C12接地，第一運算放大器的輸出端通過電阻R5接第二運算放大器的反相輸入端，第二運算放大器的反相輸入端通過電容C14接輸出端，第二運算放大器的同相輸入端通過電阻R6接地，第二運算放大器的輸出端連接電阻R8后，通過電阻R7接第二運算放大器的反相輸入端，通過電容C15接地，通過二極管D5的正極接+3.3V電源，通過二極管D6的負極接地。

所述九電平變流器2中逆變器采用永磁同步電機零直軸電流矢量控制。

所述逆變器A相由C2和C3串聯(lián)，C2上端連接VT11和VT13，C3連接VT12和VT14，VT13連接VT14連接輸出端，C2和C3中部連接VT7和VT8中部，VT7上部連接C4和VT9，VT8連接C4和VT10，VT9連接VT10連接輸出端，所述VT11、VT12、VT13和VT14構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C2，C3電容電壓是C4電容電壓的2倍；

所述逆變器B相由C5和C6串聯(lián)，C5上端連接VT19和VT21，C6連接VT20和VT22，VT21連接VT22連接輸出端，C5和C6中部連接VT15和VT16中部，VT15上部連接C7和VT17，VT16連接C7和VT18，VT17連接VT18連接輸出端，所述VT19、VT20、VT21和VT22構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C5，C6電容電壓是C7電容電壓的2倍；

所述逆變器C相由C8和C9串聯(lián)，C8上端連接VT27和VT29，C9連接VT28和VT30，VT29連接VT30連接輸出端，C8和C9中部連接VT23和VT24中部，VT23上部連接C10和VT25，VT24連接C10和VT26，VT25連接VT26連接輸出端，所述VT27、VT28、VT29和VT30構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)，C8，C9電容電壓是C10電容電壓的2倍。

優(yōu)選地，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發(fā)電機的三相電壓、電流幅值等信息檢測出來并加以處理，發(fā)送給控制單元DSP和FPGA，控制單元進行運算，得到PWM波，經(jīng)過驅(qū)動單元的隔離驅(qū)動、放大后，輸出九電平交流電，通過升壓變壓器驅(qū)動永磁同步電動機。其中圖6為變流器中逆變器系統(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萊姆霍爾電流傳感器LF 510-S將電流進行變換并發(fā)送到處理電路。其中處理電路如圖7所示，以A相電流采樣為例，霍爾傳感器副邊電流由電阻采樣得到電壓信號，經(jīng)過按一定比例和一系列變換過程，得到不大于3.3V的電壓信號，送入DSP中進行A/D轉(zhuǎn)換和運算處理。

2、驅(qū)動電路

如圖8所示，該優(yōu)選實施例采用光耦LP550芯片作為IGBT驅(qū)動電路。在傳統(tǒng)驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上，增大IGBT的關(guān)斷負電壓，并且驅(qū)動IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷采用不同驅(qū)動電阻，使關(guān)斷更加快速。在G-S端并聯(lián)兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，對其兩端電壓進行限制，起到對IGBT的保護作用。

3、控制電路

根據(jù)權(quán)利要求1所述用于永磁同步發(fā)電機的九電平變流器，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7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、A/D初始化，對工作環(huán)境配置完成后等待中斷，一旦進入中斷處理完成后，又返回等待中斷。

2、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(biāo)變換、PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)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8所示，系統(tǒng)需要完成的算法都在該子程序中實現(xiàn)。

為了對本發(fā)明的可行性和控制效果的驗證，進行了MATLAB/simulink仿真。圖9逆變器輸出的相電壓波形，相電壓波形具有九電平，所含諧波量更少，控制效果更好。

以上實施例只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以對其局部進行改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都在本專利的保護范圍內(nèi)。