CN104283435A - 多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开提出级联H桥逆变器的每一个电力单元组件的输入电力彼此相互绝缘。为此目的，本公开包括移相变压器，其配置为通过接收具有固定频率的AC输入电力来输出预定相的电压；以及多个串联的电力单元组件，其被配置为通过接收由移相变压器提供的电压来输出具有预定相的电压，其中，移相变压器被配置为包括对应于多个电力单元组件的数量的相位移数。

Description

多电平逆变器
技术领域
根据本公开的示例性实施例的教导一般地涉及逆变器，且更特别地，涉及多电平中压逆变器。
背景技术
一般地，多电平中压逆变器是这样一种逆变器：对于线间电压，其输入电力的有效值(均方根)超过600V，并具有若干级输出相电压。对于非限制性的示例，多电平中压逆变器通常用于驱动风机、泵、压缩机、牵引机、起重机和输送机的范围从几千瓦到数兆瓦容量的大惯量的工业负载。
多电平逆变器的一种形式是级联H桥(CHB)逆变器架构，其采用用于驱动电动机各相绕组的多个串联H桥逆变器，或从CHB逆变器转换的级联NCP(中性点钳位)逆变器。最近使用的NCP逆变器由于其较小的尺寸而优于传统的串联CHB逆变器。广泛用于各种领域的多电平逆变器需要更高的效率和更少数量的元件的拓扑结构。
级联H桥(CHB)逆变器是最常见的中压逆变器，其中，多个低电压单相逆变器被组合以输出高电压，且整个配置包括输入端多绕组变压器、电力单元组件和控制器。CHB逆变器通过对电力单元组件进行组合而用作中电压，电力单元组件包括几个低电压单相逆变器，其中，用于每一个相位的电力单元组件都是串联的，每一个电力单元组件的输出被控制以输出高电压3相电压和电力。CHB逆变器的每一个电力单元组件的输入电力必须相互绝缘，但输入电力的高效率的相互绝缘是不容易的。
发明内容
本公开提供一种级联H桥逆变器，其被配置为对每一个电力单元组件的输入电力进行高效率地绝缘。
在本公开的一个总体方案中，提供了一种多电平逆变器，所述多电平逆变器包括：
移相变压器，其被配置为通过接收具有固定频率的AC输入电力来输出预定相的电压；以及
多个串联的电力单元组件，其被配置为通过接收由移相变压器提供的电压来输出具有预定相的电压；其中，移相变压器被配置为包括对应于多个电力单元组件的数量的相位移数。
优选地，但非必须地，电力单元组件可以被配置使得用于每一个相位的3个电力单元组件串联以实现3相输出，移相变压器包括9个相位移，且每一个相位值相差60°/9。
优选地，但非必须地，各相位值可以是-27°、-20°、-13°、-7°、0°、7°、13°、20°和27°。
优选地，但非必须地，电力单元组件的输出电压可以被配置为提供3000V、3300V和4150V中的其中一个。
优选地，但非必须地，电力单元组件可以布置为级联H桥中压多电平逆变器的形式。
本公开的有益效果
如此描述的根据本公开的多电平逆变器系统具有的有益效果在于：多绕组变压器的相位移度从全部电力单元组件的数量改变成用于每一个相位的电力单元组件的数量以允许应用于3000V、3300V和4150V级联H桥中压多电平逆变器，由此常规的3～4％输入电流THD(总谐波失真)特性可以降低至1～2％输入电流THD特性。
附图说明
图1是示出了根据本公开的逆变器系统的结构图；
图2是示出了体现图1的逆变器系统的插件板的示意图；
图3是示出了图1的逆变器系统的电力单元组件的电路图；
图4是示出了图1的变压器的示意图；
图5是示出了根据本公开的示例性实施例的中压逆变器的3相3串联多绕组变压器的示意图。
具体实施方式
本文以下所描述的实施例旨在使用附图来解释实施本公开的已知的方式并易于使本领域的其他技术人员应用本公开。现在，将参照附图详细地描述本发明。
通过对包括几个低电压单相逆变器的电力单元组件进行组合而将CHB逆变器用作中电压，其中，用于每一个相位的电力单元组件都是串联的，每一个电力单元组件的输出被控制以输出高电压3相电压和电力。CHB逆变器的每一个电力单元组件的输入电力必须相互绝缘，且每一个变压器绕组都必须使用。本公开能够通过将相位移类型应用于变压器绕组来降低输入端电流的THD(总谐波失真)。THD涉及在输出电流分量中包括除了基波以外的多少频率分量。
本公开提出一种技术，以当在级联H桥逆变器中每一个相位使用少于3串联多绕组变压器时将常规的3～4％输入电流THD特性降低至1～2％输入电流THD特性。
图1是示出了根据本公开的逆变器系统的结构图，且图2是示出了体现图1的逆变器系统的插件板的示意图。
参照图1，H桥多电平逆变器包括移相变压器10；电力单元组件20；以及主控制器30，其被配置为与电力单元组件交换信息。移相变压器10用来给独立分离的电力单元组件的DC链路单元提供所需相位的电压。
形成每一排的电力单元组件(U1/U2/U3/U4/U5/U6)被配置为输出一个相位的信号，且为串联连接。此外，包括在每一个电力单元组件中的控制器(未显示)经由光缆与主控制器30交换数据。
图2是多电平逆变器的系统结构，其中，该系统的控制器主要包括主控制器，和各个电力单元组件的控制器。主控制器和电力单元组件控制器经由光通信交换数据。
主控制器30执行主加速/减速控制，包括瞬时中断、重新启动、速度搜索、急停、自动节省能源、自我诊断功能、S/L、自动调谐、频率限制，和防止熄火。适用于电力单元组件的操作基本格式包括输出电压命令，同步信号从主控制器30经由光通信发送至电力单元组件，且可替换地，包括过电压、欠电压、臂短路、接地、保险丝熔断、散热器过热、异常H/W、电力单元组件中输出缺相，以及输入缺相的信息从电力单元组件的控制器发送至主控制器30。
图3是图1的逆变器系统的电力单元组件的电路图，且图4是示出了图1的变压器的示意图。
参照图1至图4，主控制器接收来自每一个电力单元组件的电压，且依次提供电压参考信息给电力单元组件。每一个电力单元组件通过接收DC链路电压来产生输出电压，并将输出电压施加给作为负载的电动机。改变由电力单元组件输出的电压的频率以用于控制电动机的转矩和转速。
级联H桥中压逆变器的输入电流THD受在每一层中电力单元组件的数量的影响，且在具有36个脉冲整流特性的6串联多绕组变压器的情况下，输入电流THD具有1～2％THD并可以稳定地使用。然而，3串联多绕组变压器显示出具有4～5％THD的18个脉冲整流特性，且很难用在对输入电流THD的要求较高的发电机中。在常规的级联H桥中压逆变器中使用的多绕组变压器具有对应于用于每一个相位的电力单元组件数量的相位移数。
本公开提出一种具有对应于全部电力单元组件的数量的相位移数的多绕组变压器。例如，尽管适用于3串联多绕组变压器的相位移数是3，其中，它的相位值是60°/3的-20°、0°、20°，但本公开具有相位移数9，其中，为了显示彼此相差60°/9，它的相位值分别为-27°、-20°、-13°、-7°、0°、7°、13°、20°、27°，由此示出了总共54个脉冲的整流特性，从而作为结果允许输入电力的THD特性具有1～2％数值。
图5是示出了根据本公开的示例性实施例的中压逆变器的3相3串联多绕组变压器的示意图。
由级联H桥中压逆变器的多绕组变压器所拥有的相位移度是由用于每一个相位的电力单元组件的数量来确定的。相位移度是由通过变压器可移相的角度-30°～+30°除以用于每一个相位的电力单元组件的数量来确定的，且3串联多绕组变压器的相位是-20°、0°、20°，则相位移度为60°/3，且当应用于级联H桥中压逆变器时，显示出与具有18个脉冲整流特性的整流器的特性相同的特性。3相6串联具有-20°、-10°、0°、10°、20°、30°的相位移以展示出36个脉冲整流特性。常规的多绕组变压器具有对应于用于每一个相位的电力单元组件数量的相位移数。
根据本公开的示例性实施例的在级联H桥中压逆变器中的多绕组变压器具有多绕组变压器的形状以使相位移数对应于全部电力单元组件的数量。尽管在3串联多绕组变压器中的相位移数为3，其为60°/3的-20°、0°、20°，但本公开具有9个相位移，且相位值为-27°、-20°、-13°、-7°、0°、7°、13°、20°、27°以便于彼此具有60°/9的差值，由此，显示出总共54个脉冲的整流特性且输入电流的THD特性为1～2％数值。
级联H桥中压逆变器将每一个电力单元组件中的高电压整流以便于以DC电压形式储存，且操作以通过每一个电力单元组件的IGBT电路将DC电压转换成AC输出，其中，由于受整流电路的影响，输入电流具有脉冲形状。
整流操作采用由输入端变压器移相的AC电压，使得用于每一个相位的输入电流的脉冲数为3(常数)*2(全波整流电路特性)，其为在一个电力单元组件处的3相整流时的脉冲数，且如果相位移数为3，将总共有18个脉冲。尽管如果根据常规方法所有3相都具有相同的相位则在输入电流中的脉冲数为18，但是如果应用了由本公开所提出的方法，在输入电流中的相位移数为9以具有3*2*9的54个脉冲，由此，可以减少整流电路的电流失真现象。
从上述可以显而易见，当级联H桥中压逆变器是3相3串联系统时，本公开采用具有新形状的输入端多绕组变压器用来降低输入电流中的THD。
在级联H桥中压逆变器的输入之前的THD受输入端多绕组变压器的相位移数的影响，且常规的多绕组变压器具有与在用于每一个相位的电力单元组件中的相位移数相同的相位移数。
如果通过改变在级联H桥中压逆变器中的多绕组变压器的形状以从允许具有用于每一个相位的电力单元组件的数量到允许具有全部电力单元组件的数量来应用于具有相对较少数量的电力单元组件的3000V、3300V、4150V级联H桥中压多电平逆变器中，常规的输入电流THD特性可以降低至1～2％水平。
尽管已经参照前述实施例和有益效果详细地描述了本公开，但许多替换例、修改例和变化例对于本领域的技术人员来说在权利要求的界限和范围内都是显而易见的。因此，应该理解地是，除非另有规定，否则上述实施例并不受前述说明的任何细节限制，而是应该在所附权利要求限定的范围内被广泛地解释。

Claims (5)

1.一种多电平逆变器，所述多电平逆变器包括：
移相变压器，其被配置为通过接收具有固定频率的AC输入电力来输出预定相的电压；以及
多个串联的电力单元组件，其被配置为通过接收由所述移相变压器提供的电压来输出具有预定相的电压，其中，所述移相变压器被配置为包括对应于所述多个电力单元组件的数量的相位移数。
2.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其中，所述电力单元组件中用于每一个相位的3个电力单元组件串联以实现3相输出，所述移相变压器包括9个相位移，且每一个相位值相差60°/9。
3.根据权利要求2所述的多电平逆变器，其中，各所述相位值分别为-27°、-20°、-13°、-7°、0°、7°、13°、20°和27°。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的多电平逆变器，其中，所述电力单元组件的输出电压被配置为提供3000V、3300V和4150V中的其中一个。
5.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的多电平逆变器，其中，所述电力单元组件布置为级联H桥中压多电平逆变器的形式。
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