CN201378803Y

CN201378803Y - 一种级联型多电平变换器

Info

Publication number: CN201378803Y
Application number: CN200920105556U
Authority: CN
Inventors: 李永东; 王奎; 郑泽东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2019-02-24

Abstract

本实用新型涉及一种级联型多电平变换器，它包括：一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，该脉宽调制整流器的输出端连接直流母线，直流母线连接一逆变器的输入端，逆变器给交流电机供电；一控制单元与脉宽调制整流器之间进行信息交互，使脉宽调制整流器两端的电压与直流母线之间的若干电容电压平衡及电网侧输入功率因数为1，并控制逆变器输出频率可变的交流电。本实用新型不需要移相变压器，体积小，重量轻，成本低，还能四象限运行，具有明显的经济效益，适合于推广应用。

Description

一种级联型多电平变换器

技术领域

本实用新型涉及一种电力电子高压大容量多电平变换器拓扑结构，特别是指一种级联型多电平变换器。

背景技术

高压大容量的交流电机广泛应用在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路以及船舶等工业领域中。多电平技术对交流电机进行变频调速，不仅可以达到节能的目的，还可以改善工艺条件，提高生产效率和产品质量。

目前，大功率交流电机变频调速用的多电平变换器主要包括有两种：一种是采用二极管箝位式的中压三电平变换器，另外一种是H桥级联型高压多电平变换器。三电平变换器控制电压为3kV及3kV以下等级的交流电机，而H桥级联型多电平变换器主要控制电压为6kV～10kV等级的大容量高压交流电机。

三电平变换器中的变压器虽然比较简单，输出电压谐波也较低，但三电平变换器存在上高压(一般高压指的是6kV～10kV)困难的问题，即便上了高压，三电平变换器的电容电压也难以达到平衡。

而H桥级联型变换器容易上高压，且输入侧采用了特殊制造的移相变压器，通过这种移相变压器的叠加效应，可以产生正弦的网侧电流，使其功率因数接近1，同时避免了对电网的谐波污染。但是，H桥级联型多电平变换器也存在一些问题，比如：由于H桥级联型多电平变换器中的每个功率单元前端采用了二极管不控整流，因此在交流电机制动时，变换器不能实现四象限运行，即能量回馈电网；另外移相变压器的抽头多，重量和体积大，而且成本高。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种不需要变压器，且能实现四象限运行的智能化级联型多电平变换器。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种级联型多电平变换器，其特征在于包括：一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，所述脉宽调制整流器的输出端连接直流母线，所述直流母线连接一逆变器的输入端，所述逆变器给交流电机供电；一控制单元与所述脉宽调制整流器进行信息交互，控制所述脉宽调制整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压达到平衡，控制电网侧输入功率因数为1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。

所述脉宽调制整流器中，所述电网将交流电通过电感输送给与所述电感连接的多电平桥臂；一电压电流检测单元连接所述脉宽调制整流器的输入端，其将所述电网输入所述脉宽调制整流器内的电流、电压信号检测出来，传送给所述控制单元。

所述多电平桥臂包括奇数个基本单元，所述基本单元包括多个串联的功率开关器件，该串联电路同时并联有一箝位电容和一电压传感器，所述电压传感器将所述箝位电容两端的电压信号检测出来，传送给所述控制单元。

所述控制单元包括：一模数采集模块，接收所述脉宽调制整流器中的电压电流检测单元和电压传感器输送的信号，转化为数字信号；一开关量采集模块，采集所述功率开关器件的过流和过热故障信号；一数字信号微处理器，包括一电压平衡模块和一脉宽调制生成模块，所述电压平衡模块接收所述模数采集模块传送的信号并计算，得出所述脉宽调制整流器两端电压与正常值之间的偏差，之后所述脉宽调制生成模块根据所述偏差，发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号；所述数字信号微处理器在所述功率开关器件存在故障时，接收所述开关量采集模块传送的故障信号，及时发出相应的保护指令；一开关量输出模块，接收所述数字信号微处理器传送的辅助控制信号和保护指令；一脉宽调制扩展模块，接收所述脉宽调制输出模块传送的脉宽调制控制脉冲信号，及所述开关量输出模块传送的辅助控制信号，并扩展所述脉宽调制控制脉冲信号；至少一个驱动电路，接收所述脉宽调制扩展模块传送的脉宽调制控制脉冲信号并再次扩展，以驱动所述脉宽调制整流器和逆变器中相应的功率开关器件导通或关断，使所述脉宽调制整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压平衡及电网侧输入功率因数为1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。

所述逆变器包括至少一个所述多电平桥臂，其接收所述脉宽调制整流器输送的直流电，转化为频率可变的交流电并输出。

所述脉宽调制整流器与所述逆变器为背靠背结构。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本实用新型省掉了移相变压器，因此减小了体积和重量，降低了成本。2、由于本实用新型采用的控制单元内预置有一电压平衡模块和一脉宽调制生成模块，其可以对输入脉宽调制整流器的交流电、逆变器输出的交流电以及功率开关器件两端的电压进行实时监测和控制，因此提高了电网功率因数和逆变器输出电压波形的质量，保证了电容电压平衡，易于控制高压大容量和多电平的交流电机。3、由于本实用新型采用的脉宽调制整流器和逆变器为背靠背结构，因此在交流电机制动时，变换器能够实现四象限运行，提高了交流电机的使用效率。本实用新型体积小，重量轻，成本低，还能四象限运行，具有明显的经济效益，适用于不同中高压交流电机调速领域。

附图说明

图1是本实用新型变换器的方框图

图2是本实用新型脉宽调制整流器的结构图

图3是本实用新型逆变器的结构图

图4是本实用新型多电平桥臂的结构图

图5是本实用新型两电平桥臂中基本单元的结构图之一

图6是本实用新型两电平桥臂中基本单元的结构图之一

图7是本实用新型两电平桥臂的中间单元的结构图

图8是本实用新型控制单元的方框图

图9是本实用新型数字信号微处理器的组成图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型包括一脉宽调制整流器10、直流母线20、一逆变器30和一控制单元40。脉宽调制整流器10上的输入端11、12和13均与电网相连，脉宽调制整流器10上的输出端分别连接直流母线20中的一正的直流母线P和一负的直流母线N，直流母线P和直流母线N之间串联有多个电容21，且电容21的正极连接直流母线P，直流母线P和直流母线N均同时连接逆变器30的输入端。电网输出的三相交流电Usa、Usb和Usc，分别通过输入端11、12和13输送至脉宽调制整流器10，经过脉宽调制整流器10转化为幅值稳定的直流电，该直流电通过直流母线20传送至逆变器30，经过逆变器30转化为频率可变的交流电Ua、Ub和Uc，再分别通过逆变器30上的输出端31、32和33输送给三相交流电机(图中未示出)供电。交流电Ua、Ub和Uc的输出相位对应于交流电Usa、Usb和Usc的输入相位。

在上述过程中，控制单元40与脉宽调制整流器10之间进行信息交互，使脉宽调制整流器10两端的电压与直流母线20之间的电容21电压平衡，同时使电网侧三相交流电Usa、Usb和Usc输入功率因数均为1，并且控制逆变器30输出频率可变的交流电。

上述实施例中，脉宽调制整流器10和逆变器30背靠背设置，因此本实用新型实现了四象限运动，即能量的双向流动，从而提高了三相交流电机的使用效率。

如图2所示，脉宽调制整流器10包括三相级联型的多电平桥臂14、电感15和电压电流检测单元16。其中，输入端11、12和13分别通过三个电感15连接三个多电平桥臂14，电网输出的三相交流电Usa、Usb和Usc分别通过三个电感15输送到三个多电平桥臂14内。电压电流检测单元16连接输入端11、12和13，通过其中的电压传感器和电流传感器检测电网输入脉宽调制整流器10内的电流、电压信号17，再将这些信号传送给控制单元40。本实施例中，组成电压电流检测单元16的电压传感器和电流传感器均为现有技术中的检测设备。

如图3所示，逆变器30包括三相级联型的多电平桥臂14，脉宽调制整流器10输出的直流电分别对应地输送到逆变器30的多电平桥臂14内，多电平桥臂14在控制单元40的控制下，将输入的直流电转化为频率可变的交流电，输出给三相交流电机。

如图4所示，上述实施例中，每一相多电平桥臂14包括M(M为奇数)个串联的基本单元141，且将第(M+1)/2个基本单元141定为中间单元。其中，每一基本单元141上设置有一端子X1和一端子X2，中间单元上设置有一端子X1、一端子X2和一端子X3。

如图5、图6所示，上述实施例中，每一基本单元141包括两个串联的功率开关器件1411、一箝位电容1412和一电压传感器1413，箝位电容1412和电压传感器1413分别与串联的功率开关器件1411并联，因此电压传感器1413可以将箝位电容1412两端的电压信号1414检测出来，传送给控制单元40。每一相多电平桥臂14内各箝位电容1412两端的电压和等于脉宽调制整流器10两端的电压。端子X1用于连接另一基本单元141的端子X2或者直流母线P；端子X2用于连接另一基本单元141的端子X1或者直流母线N；中间单元中的端子X3通过电感15连接电网或者三相交流电机。上述实施例中，中间单元以外的基本单元141中的端子X1和端子X2的确定方式如下：由两个功率开关器件1411构成的串联电路的一端设置一端子X1或一端子X2，与此对应，上述串联电路的中点处设置一端子X2或一端子X1。

如图7所示，定为中间单元的基本单元141的端子X1、端子X2和端子X3的确定方式如下：由功率开关器件1411构成的串联电路的两端分别设置一端子X1和一端子X2，上述串联电路的中点处设置一端子X3。

上述实施例中，基本单元141中的功率开关器件1411可以为四个串联连接，也可以为多个串联连接。功率开关器件1411的种类是根据每个基本单元1411输出电压等级的不同，选择相应等级的功率半导体开关器件，比如IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)、IGCT(Intergrated GateCommutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)等。

如图8所示，控制单元40包括一数字信号微处理器41、一模数采集模块42、一开关量采集模块43、若干开关量输出模块44、一脉宽调制输出模块45、一脉宽调制扩展模块46、若干驱动电路47和一人机通信接口48。

如图9所示，数字信号微处理器41采用的是高性能DSP(digital signalprocessor，数字信号处理器)芯片，比如TI公司生产的型号为TMS320F2812的DSP芯片，其内预置有一电压平衡模块411和一脉宽调制生成模块412，数字信号微处理器41通过串行的人机通信接口48完成键盘显示和PC机通信和监控的功能。

模数采集模块42为一模数转换电路，其采集电压电流检测单元16检测到的输入脉宽调制整流器10内的电流、电压信号17(如图2所示)，以及电压传感器1413检测到的基本单元141中各箝位电容1412的电压信号1414(如图5所示)，并将采集的电流、电压信号17和电压信号1414转化为数字信号，输送给数字信号微处理器41。

开关量采集模块43采集当功率开关器件1411存在过流、过热等故障时的故障信号，并发送给数字信号微处理器41，使数字信号微处理器41及时发出保护指令，采取保护措施；当功率开关器件1411不存在有过流、过热等故障时，开关量采集模块43不工作。同时开关量输出模块44为I/O接口，可接收数字信号微处理器41输出的开关量控制信号，辅助脉宽调制扩展模块46进行信号扩展。

数字信号微处理器41内预置的电压平衡模块411对输入的电流、电压信号信号17和电压信号1414进行计算，得出电压信号1414与预置的正常值之间的偏差，之后脉宽调制生成模块412根据该偏差，发送一脉宽调制控制脉冲信号给脉宽调制输出模块45及一辅助控制信号给开关量输出模块44。当数字信号微处理器41接收到开关量采集模块43传送的故障信号时，数字信号微处理器41对输入的故障信号进行判断，发出相应的保护指令，比如：停机或者降低功率运行等指令，给开关量输出模块44，开关量输出模块44通过继电器48来控制相应开关49的开闭，来执行数字信号微处理器41发出的指令。

脉宽调制输出模块45为一6路脉宽调制输出接口，其将数字信号微处理器41输出的脉宽调制控制脉冲信号输送给脉宽调制扩展模块46。脉宽调制扩展模块46在开关量输出模块44的辅助控制下，将脉宽调制输出模块45输出的6×M路脉宽调制控制脉冲信号分为两路3×M路脉宽调制控制脉冲信号，M为每相多电平桥臂14串联的基本单元141的数目。其中每一路脉宽调制控制脉冲信号通过相应的驱动电路47，驱动电路47将该路脉宽调制控制脉冲信号再次扩展为2路互补的脉宽调制控制脉冲信号，以驱动脉宽调制整流器10和逆变器30中相应的功率开关器件1411导通或关断，使脉宽调制整流器10两端的电压与直流母线20之间的电容21电压达到平衡，使网侧输入功率因数为1，并且使逆变器30输出频率可变的交流电。本实施例中的脉宽调制扩展模块46为现场可编程门阵列器件(FPGA，FieldProgrammable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex ProgrammableLogic Device)，比如Altera公司生产的EPM7128S芯片，其将脉宽调制控制脉冲信号扩展为6×M路，再进行输出。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1、一种级联型多电平变换器，其特征在于包括：一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，所述脉宽调制整流器的输出端连接直流母线，所述直流母线连接一逆变器的输入端，所述逆变器给交流电机供电；一控制单元与所述脉宽调制整流器进行信息交互，控制所述脉宽调制整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压达到平衡，控制电网侧输入功率因数为1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。

2、如权利要求1所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述脉宽调制整流器中，所述电网将交流电通过电感输送给与所述电感连接的多电平桥臂；一电压电流检测单元连接所述脉宽调制整流器的输入端，其将所述电网输入所述脉宽调制整流器内的电流、电压信号检测出来，传送给所述控制单元。

3、如权利要求2所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述多电平桥臂包括奇数个基本单元，所述基本单元包括多个串联的功率开关器件，该串联电路同时并联有一箝位电容和一电压传感器，所述电压传感器将所述箝位电容两端的电压信号检测出来，传送给所述控制单元。

4、如权利要求1或2或3所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述控制单元包括：

一模数采集模块，接收所述脉宽调制整流器中的电压电流检测单元和电压传感器输送的信号，转化为数字信号；

一开关量采集模块，采集所述功率开关器件的过流和过热故障信号；

一数字信号微处理器，包括一电压平衡模块和一脉宽调制生成模块，所述电压平衡模块接收所述模数采集模块传送的信号并计算，得出所述脉宽调制整流器两端电压与正常值之间的偏差，之后所述脉宽调制生成模块根据所述偏差，发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号；所述数字信号微处理器在所述功率开关器件存在故障时，接收所述开关量采集模块传送的故障信号，及时发出相应的保护指令；

一开关量输出模块，接收所述数字信号微处理器传送的辅助控制信号和保护指令；

一脉宽调制扩展模块，接收所述脉宽调制输出模块传送的脉宽调制控制脉冲信号，及所述开关量输出模块传送的辅助控制信号，并扩展所述脉宽调制控制脉冲信号；

至少一个驱动电路，接收所述脉宽调制扩展模块传送的脉宽调制控制脉冲信号并再次扩展，以驱动所述脉宽调制整流器和逆变器中相应的功率开关器件导通或关断，使所述脉宽调制整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压平衡及电网侧输入功率因数为1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。

5、如权利要求1或2或3所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述逆变器包括至少一个所述多电平桥臂，其接收所述脉宽调制整流器输送的直流电，转化为频率可变的交流电并输出。

6、如权利要求4所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述逆变器包括至少一个所述多电平桥臂，其接收所述脉宽调制整流器输送的直流电，转化为频率可变的交流电并输出。

7、如权利要求1或2或3或6所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述脉宽调制整流器与所述逆变器为背靠背结构。

8、如权利要求5所述的一种级联型多电平变换器，其特征在于：所述脉宽调制整流器与所述逆变器为背靠背结构。