CN100596008C - 一种七电平高压变频器 - Google Patents

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何洪臣
李瑞来
胡顺全
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    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Abstract

本发明涉及多电平高压变频器技术领域，特别涉及一种于混联器件组成的七电平高压变频器，及其控制方法。本发明的七电平高压变频器，是由高压整流电路、高压电容滤波电路、均压电路和逆变电路依次连接，其特别之处在于：所述的逆变电路采用IGBT和IGCT的一种或两种器件组成逆变器，采用二极管钳位七电平结构，三个桥臂相同的逆变器。本发明的变频器，对信号的低电压区，可提供较高的分辨率，获得更好的谐波特性；对信号的高电压区，既可以获得良好的输出特性，又能获得高压大功率输出；同时具有控制简单，安全可靠。

Description

一种七电平高压变频器
(一)技术领域
本发明涉及多电平高压变频器技术领域，特别涉及一种于混联器件组成的七电平高压变频器，及其控制方法。
(二)背景技术
随着现代电力电子器件的发展，其电压等级不断提高，但是直接用高电压等级的功率模块做高压变频器还是存在很多的缺陷：1、器件的耐压等级越高，其du/dt就越大，对电机的绝缘不利；2、器件受到耐压材料的限制，不可能无限制的提高。目前，高压变频器一般都采用输入端加移相变压器的方法解决器件耐压不足的问题，但是，由于输入端有移相变压器，使得整机损耗高体积大，不利于产品向小型化、低成本、高效率方向发展。
(三)发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于混联器件组成的七电平高压变频器，对信号的低电压区，可提供较高的分辨率，获得更好的谐波特性；对信号的高电压区，即可以获得良好的输出特性，又能获得高压大功率输出；同时具有控制简单，安全可靠。
本发明是通过以下措施来实现的：
本发明的七电平高压变频器，是由高压整流电路、高压电容滤波电路、均压电路和逆变电路依次连接组成，其特征在于：所述的逆变电路的主控器件采用IGBT和IGCT的一种或两种，其中，在同时采用IGBT和IGCT的情况下，在输入信号的低电压区采用IGBT，在输入信号的高电压区采用IGCT；所述的逆变电路采用二极管钳位七电平结构、且具有三个桥臂相同的逆变器；所述的均压电路为五组，分别依次连接在滤波电路的相邻电容之间，每组均压电路采用两个功率器件和一个电感，其中两个功率器件串联连接后并联在相邻电容的两端，电感的一端连接在相邻电容的串联连接点，另一端连接在两个功率器件的串联连接点。
本发明的七电平高压变频器，所述的整流电路是由电源变压器和二极管整流电路组成，变压器具有6个副边绕组，其中三个绕组为星形接法，另三个绕组为三角形接法，6组三相桥式整流电路提供6个合适的电压，作为逆变器的供电电源及钳位电源。
本发明的七电平高压变频器，所述的变频电路为PWM整流电路。
本发明的七电平高压变频器，所述的整流电路(1)的辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接和星接，两组副边绕组分别接三相桥式整流电路，每个辅助电源电压等于所述高压变频器的主电源电压的1/6。
本发明逆变器电路的优点在于：逆变器主电路结构采用两种组合器件标准的二极管钳位七电平电路，主功率器件采用IGBT和IGCT，可实现10KV电压等级的高压变频器。
本发明整流电路的优点在于：变频器的高压整流电路，可以采用下列结构形式中的一种来实现其AC/DC功能：
(1)高压变频器输入端通过三相电源变压器，变压器具有6个副边绕组，其中三个绕组为星形接法，三个绕组为三角形接法，用6组三相桥式不控整流得到6组相等的电压，作为逆变器工作电源及钳位电源，如图2所示。
(2)变频器的前端为七电平PWM整流电路，采用二极管钳位七电平结构，三个桥臂相同的整流电路，其中一个桥臂的电路如图3所示。并设置强制均压电路，提供逆变器工作电源，强制均压电路可以使给电平电容电压保持基本恒定不变，强制均压电路如图4所示。
(3)变频器的前端为七电平PWM整流电路，并设置强制简化均压电路，同时设置一对辅助电源，简化强制均压电路，简化强制均压电路如图5所示。辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接或星接。两组副边绕组分别接一三相桥式整流，得到一对辅助电源。每个辅助电源电压等于主电源电压的1/10。
本发明逆变器采用混合结构电路的优点在于：高压逆变电路采用IGBT与IGCT两种器件共同组成逆变器，采用二极管钳位七电平结构，三个桥臂相同的逆变器，其中一个桥臂的电路如图6所示。
其中，当IGBT采用3300V电压等级器件，IGCT采用4500V电压等级器件时，可实现10KV输出。IGBT与IGCT的工作电压不同，因此，钳位电压亦不同，VC1＝VC2＝VC5＝VC6＝2VC3＝2VC4，(它们的比值亦可为其他合适的数值)。
IGBT与IGCT采用不同的调制频率，此发明中的调制波为下述形式的六个三角波，如图7所示。其中，中间两个三角波幅度为其他三角波幅度的1/2，而频率高于其他三角波频率。
本发明频率调制的优点在于：对信号的低电压区，即信号过零附近，电压变化率大，这时采用较高频率调制，可提供较高的分辨率，获得更好的谐波特性。这一区间，如果开关器件为IGBT，可以工作在较高频率。对于信号的高电压区，信号的电压变化率小，可以用较低的频率调制。这一区间，如果开关器件为IGCT，它的工作电压比较高，这样，两种器件配合工作，可以即获得良好的输出特性，又能获得高压大功率输出。
(四)附图说明
图1是本发明的七电平高压变频器的结构框图
图中：1、整流电路  2、滤波电路  3、均压电路  4、逆变电路。
图2是本发明的带输入变压器的整流电路图。
图3是本发明的PWM整流单相电路图。
图4是本发明的强制均压电路图。
图5是本发明的简化均压电路图
图6是本发明的逆变电路中的一个桥臂电路图。
图7是本发明的混合载波波形图。
上述附图中的高压整流电路，高压强制均压电路，高压逆变电路等各由相同的三部分组成，附图中只画出各相同部分中的一相电路，以说明各相同部分的电路原理。
(五)具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作具体说明。
如图1所示，三相高压6KV-10KV交流电直接送入整流单元1进行整流，通过电容电路2和强制均压电路3，然后送入高压逆变单元电路，高压逆变单元直接输出三相高压6KVAC-10KVAC。
如图2所示，高压变频器带输入变压器的整流电路结构为：电源变压器的六个副边绕组T2、T3、T4、T5、T6、T7、的接法为：T2、T4、T6为三角形接法，T3、T5、T7为星形接法。T2组的三相整流滤波器件由二极管接成三相桥式不控整流，电容C1进行滤波。其他T3、T4、T5、T6、T7五组与T2结构相同，六组以串联的形式接于正负电源母线之间，并以A、B、C、D、E点为电压输出端。
如图3所示，高压变频器PWM整流单元的单相电路结构为：整流器件在正负母线之间以串联的形式连接，以点R为中心分为上下桥臂。其中，V1、V2、V3、V4、V5、V6为快恢复二极管；S11、S16为可控器件IGBT；S12、S13、S14、S15为可控器件IGCT。钳位二极管的接法为：快恢复二极管V7、V12串联后，其负端接于V1、V2之间，其正端接于S15的阴极与S16的集电极之间，V7、V12之间为钳位点A；快恢复二极管V8、V13串联后，其负端接于V2、V3之间，其正端接于S15阴极与S16的集电极之间，V8、V13之间为钳位点B；快恢复二极管V9、V14串联后，其负端接于V3与S11集电极之间，其正端接于V9、V14之间为钳位点C；快恢复二极管V10、V15串联后，其负端接于S11发射极与S12的阳极之间，其正端接于V4、V5之间为钳位点D；快恢复二极管V11、V16串联后，其负端接于S12阴极与S13的阳极之间，其正端接于V5、V6之间为钳位点E；
如图4所示，电容强制均压电路结构为：滤波电容C1、C2、C3、C4、C5、C6以及可控器件S1、S2、S3、S4、S5、S6都以串联的形式接于正、负母线之间。其中，可控器件S1的发射极与S2的集电极之间通过接一滤波电感L1与电容C1、C2之间相接，钳位点A与整流电路钳位点A相接。可控器件S2的发射极与S3的集电极之间与滤波电感L5的一端及电容C2、C3之间B点相接，钳位点B与整流电路钳位点B相接。可控器件S3的发射极与S4的集电极之间通过接一滤波电感L2与电容C3、C4之间相接，钳位点C与整流电路钳位点C相接。可控器件S4的发射极与S5的集电极之间与滤波电感L4的一端及电容C4、C5之间D点相接，钳位点D与整流电路钳位点D相接。可控器件S7的发射极与S8的集电极之间通过接一滤波电感L5与可控器件S2的发射极与S3的集电极之间及B点相接。S7的集电极接于A点，S8的发射极接于C点。可控器件S8的发射极与S9的集电极之间与B点相接。可控器件S9的发射极与S10的集电极之间通过接一滤波电感L4与S4的发射极与S5的集电极之间，电容C4、C5之间相接E，S10的发射极接钳位点E。
如图5所示，高压变频器简化均压电路的结构为：辅助电源变压器的两个副边绕组T4、T5的接法为，T4为三角形接法，T5为星形接法。T4组的三相整流滤波器件由二极管接成三相桥式整流，T5组的三相整流滤波器件同样由二极管接成三相桥式整流，同时电容C1、C2、C3、C4、C5、C6以串联的形式接于正负母线之间，组成滤波电路。两组整流电压以串联的形式连接后，其点分别连接于：B点接于C2、C3之间；C点接于C3、C4之间；D点接于C4、C5之间。可控器件S1集电极接于正母线P+，其发射极与S2的集电极相接，同时通过一电感L1接于A点，S2的发射极接于钳位点B。可控器件S3集电极接于钳位点D，其发射极与S4的集电极相接，同时通过一电感L2接于E点，S4的发射极接于负母线P-。
如图6所示，可控器件混合式逆变单元的单相电路结构为：可控器件在正负母线之间以串联的形式连接，以点U为中心分为上下桥臂。其中，SA1、SA2、SA5、SA6、SA7、SA8、SA11、SA12为可控器件IGCT；SA3、SSA4、SA9、SA10为可控器件IGBT；钳位二极管的接法为：快恢复二极管V1、V6串联后，其负端接于SA1的阴极与SA2阳极之间，其正端接于SA7的阴极与SA8的阳极之间，V1、V6之间为钳位点A，并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点A连接在一起；快恢复二极管V2、V7串联后，其负端接于SA2的阴极与SA3的集电极之间，其正端接于SA8的阴极与SA9的集电极之间，V2、V7之间为钳位点B，并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点B连接在一起；快恢复二极管V3、V8联后，其负端接于S19的发射极与SA4集电极之间，其正端接于SA9的发射极与SA10集电极之间，V3、V8之间为钳位点C。并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点C连接。快恢复二极管V4、V9联后，其负端接于SA4的发射极与SA5阳极之间，其正端接于SA10的发射极与SA11阳极间，V4、V9之间为钳位点D。并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点D连接。快恢复二极管V5、V10联后，其负端接于SA5的阴极与SA6阳极之间，其正端接于SA11的阴极与SA12阳极间，V5、V10之间为钳位点E。并与其余两桥臂的同一点及整流桥、强制均压电路中的钳位点E连接。
本发明的混联式七电平高压变频器，其逆变器采用混联式电路特征在于：高压逆变电路采用IGBT与IGCT两种器件共同组成逆变器，采用二极管钳位七电平结构，三个桥臂相同的逆变器。
其中，当IGBT采用3300V电压等级器件，IGCT采用4500V电压等级器件时，可实现10KV输出。IGBT与IGCT的工作电压不同，因此，钳位电压亦不同，VC1＝VC2＝VC5＝VC6＝2VC3＝2VC4，(它们的比值亦可为其他合适的数值)。
IGBT与IGCT采用不同的调制频率，此发明中的调制波为下述形式的六个三角波。其中，中间两个三角波幅度为其他三角波幅度的1/2，而频率高于其他三角波频率。
本发明的七电平高压变频器其频率调制特征在于：对信号的低电压区，即信号过零附近，电压变化率大，这时采用较高频率调制，可提供较高的分辨率，获得更好的谐波特性。这一区间，如果开关器件为IGBT，可以工作在较高频率。对于信号的高电压区，信号的电压变化率小，可以用较低的频率调制。这一区间，如果开关器件为IGCT，它的工作电压比较高，这样，两种器件配合工作，可以即获得良好的输出特性，又能获得高压大功率输出。

Claims (4)

1、一种七电平高压变频器，是由高压整流电路(1)、高压电容滤波电路(2)、均压电路(3)和逆变电路(4)依次连接组成，其特征在于：所述的逆变电路的主控器件采用IGBT和IGCT的一种或两种，其中，在同时采用IGBT和IGCT的情况下，在输入信号的低电压区采用IGBT，在输入信号的高电压区采用IGCT；所述的逆变电路采用二极管钳位七电平结构、且具有三个相同桥臂的逆变器；所述的均压电路为五组，依次分别连接在滤波电路(2)的相邻电容之间，每组均压电路采用两个功率器件和一个电感，其中两个功率器件串联连接后并联在相邻电容的两端，电感的一端连接在相邻电容的串联连接点，另一端连接在两个功率器件的串联连接点。
2、根据权利要求1所述的七电平高压变频器，其特征在于：所述的高压整流电路(1)是由电源变压器和二极管整流电路组成；该电源变压器具有6个副边绕组，其中三个绕组为星形接法，另三个绕组为三角形接法，6组三相桥式整流电路提供6个合适的电压，作为所述的逆变电路(4)的供电电源及钳位电源。
3、根据权利要求1所述的七电平高压变频器，其特征在于：所述的高压整流电路(1)为PWM整流电路。
4.根据权利要求1所述的七电平高压变频器，其特征在于：所述的高压整流电路(1)的辅助电源由一辅助变压器提供，辅助变压器的两个副边绕组分别为角接和星接，两组副边绕组分别接三相桥式整流电路，每个副边绕组的电压等于所述高压变频器的主电源电压的1/6。
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