CN104283450A - 多电平中压逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多电平中压逆变器，接收三相电力且向三相电动机输出三相电压，所述多电平中压逆变器包括：多个串联连接的单位功率单元，用于输出单相电压，单个单位功率单元各自具有形成单个电平的相位电压，用于配置多个电平；以及模块式移相变压器，配置为变换三相电力，并且将变换后的电力施加于构成一个电平的三个单位功率单元；其中，所述模块式移相变压器包括多个模块。

Description

多电平中压逆变器
技术领域
本公开涉及多电平中压逆变器。
背景技术
多电平中压逆变器是这样一种逆变器：其中输入线间电压的有效值具有600V或者更高的输入电力，并且其输出相位电压具有多个阶段(或多个电平)。中压逆变器通常用于驱动具有范围从数百千瓦到数十兆瓦的大容量的电动机，主要用在例如风扇、泵、压缩机、牵引机、升降机、传送机等类似的领域。
常规电压类型的中压逆变器使用级联H桥逆变器或者使用级联中性点箝位型(neutral point clamped，NPC)逆变器作为该级联H桥逆变器的改进的逆变器。与现有的级联H桥逆变器相比具有小体积的级联NPC逆变器已经出现。
应用于不同领域的多电平中压逆变器需要包括更小的元件，以及具有更高的效率。
发明内容
因此，详细描述的一方面是提供了多电平中压逆变器，其中单位功率单元被配置成级联T型中性点箝位(NPC)逆变器，用于减少导通损耗，从而能够有益地被设计以利于热耗散，而需要较少数量的功率半导体元件。
为了获得这些和其他优点，并且按照本说明书的目的，如在这里体现和广泛描述的，接收三相电力以及向三相电动机输出三相电压的多电平中压逆变器可以包括：串联连接的多个单位功率单元，输出单相电压，单个单位功率单元各自具有形成单个电平的相位电压，用于配置多个电平；以及模块式移相变压器(module-type phase shift transformer)，其配置成变换三相电力，以及将变换后的电力施加于构成一个电平的三个单位功率单元，其中，所述模块式移相变压器包括多个模块。
所述移相变压器的模块的数量可以对应于多个电平的数量。
在所述模块式移相变压器中，可以使用模块式移相变压器的数量、模块式移相变压器的次级侧的输出的数量，以及单位功率单元的整流单元的脉冲数量来确定初级绕组的相移角。
单位功率单元可包括：整流单元，其配置为接收来自所述模块式移相变压器的输出，并且对来自所述模块式移相变压器的输出整流；平滑单元，其配置为平滑由所述整流单元整流过的DC电压；以及逆变器单元，其中以级联T型中性点箝位(NPC)的方式配置包括有并联连接的二极管和功率半导体的多个开关单元。
为了获得这些和其他优点，并且按照本说明书的目的，如在这里体现和广泛描述的，接收三相电力并且向三相电动机输出三相电压的中压逆变器，可以包括：三相单位功率单元，其配置为输出单相电压；以及模块式移相变压器，其配置为变换三相电力，并且将变换后的三相电力施加于所述三相单位功率单元其中之一，其中所述模块式移相变压器被配置为对应于单位功率单元的数量。
在所述模块式移相变压器中，可以使用模块式移相变压器的数量、模块式移相变压器的次级侧的输出的数量，以及单位功率单元的整流单元的脉冲数量来确定初级绕组的相移角。
单位功率单元可以包括：整流单元，其被配置为接收来自模块式移相变压器的输出，并且对来自模块式移相变压器的输出进行整流；平滑单元，其配置为平滑由整流单元整流过的DC电压；以及逆变器单元，其中以级联T型中性点箝位(NPC)的方式配置包括有并联连接的二极管和功率半导体的多个开关单元。
根据本公开的示例性实施例中，在多电平中压逆变器的输入端所使用的移相变压器的结构是模块化的，用于在设计系统中增加自由度，从而减少整个系统的体积和重量，因此，可以增加整个系统的冗余度。
根据本公开的示例性实施例，因为逆变器单元被配置为具有级联T型NPC结构，用于平均地减少导通的功率半导体的数量，因此可以降低导通损耗，便于热耗散的设计，并且因此，整个系统的体积减小，成本也降低。
从此后详细描述中，本应用的实用性的进一步范围将变得更明显。然而，也应该理解的是，当指明本发明的优先实施例时，详细描述和具体例子仅仅是作为说明的方式给出，因为对于那些本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内，从该详细描述所做出的不同改变和修改将会变得明显。
附图说明
附图被包括进来以提供本发明的进一步理解，并且被引入以及构成本说明书的一部分，其示出了示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1的方框图示出相关技术中的多电平中压逆变器的配置。
图2是示出图1的每个单位功率单元的配置的图。
图3A至图3F是示出图2的逆变器单元的操作的示例的图。
图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。
图5是示出图4的单位功率单元的详细配置的图。
图6是示出根据本发明的第二示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。
图7是示出了图6的单位功率单元的详细配置的图。
图8是示出根据本发明的第三示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。
图9是示出根据本发明的第四示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。
图10A至10F是示出了当输出极电压被确定为E、0、和-E时，根据电流方向的功率半导体的导通的图。
具体实施方式
现在参考附图，详细地给出了示例性实施例的描述。为了便于参照附图简要描述，相同或等同的部件将设置有相同的附图标记，并且其描述将不被重复。
相关技术的多电平中压逆变器将被描述，并且参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述。
图1的方框图示出相关技术的多电平中压逆变器的配置，以及图2是示出图1的各个单位功率单元的配置的图。
如示于图1和图2中，相关技术的中压逆变器包括：输入三相电源102、三相电动机103、移相变压器104和单位功率单元105a至105f。
输入三相电源102提供线间电压，均方根等于或高于600V。三相电动机103是逆变器系统的负载。移相变压器104的初级绕组具有三相Y型连接，以及总共十二个次级绕组，其包括相对于初级绕组具有-15度相位差的三个绕组、相对于初级绕组具有0度相位差的三个绕组、相对于初级绕组具有15度相位差的三个绕组，以及相对于初级绕组具有30度相位差的三个绕组。次级绕组的结构可以根据单位功率单元105a至105f的数量来确定。
单位功率单元105a至105f中每个的输出电压的量值具有五个电平。在作为负载来运行的电动机103的每个相位上设置两个单位功率单元，并可以根据需要增加单位功率单元的数量。单位功率单元105a和150b被串联连接以将a相位电压输出到作为负载的三相电动机，单位功率单元105c和105d输出b相位电压，并且单位功率单元105e和105f输出c相位电压。单位功率单元105a、105c和105e接收在移相变压器104的输出中具有-15度相位和0度相位的输出，单位功率单元105b、105d和105f接收在移相变压器104的输出中具有15度相位和30度相位的输出。
参照图2，单位功率单元包括二极管整流单元201、平滑单元202，和合成输出电压的逆变器单元203。二极管整流单元201接收两三相电力，并且输入电力从图1所示的移相变压器104输出。二极管整流单元201的输出被传送到串联连接的两个DC链路电容器(DC-link capacitor)，并且两个DC链路电容器具有相同的电容。逆变器单元203用于合成二极管整流单元201的输出，以及输出线间电压具有5个电平。
四个开关单元203a，203b，203c和204d被串联连接到逆变器单元203的引线上，并且根据开关单元的操作来定义输出电压。
开关单元203a和203c的操作是互补的，并且是开关单元203b和203d的开关操作也是互补的。因此，在串联连接的平滑单元202的电容器电压被定义为E(伏特)的情况下，当开关单元203a和203b分别被接通的时候，开关单元203c和204d被关断，此时输出极电压E。
此外，当开关单元203a和203c被接通时，开关单元203b和203d被关断，并且此时，输出极电压为0。类似地，在开关单元203a和203b被关断的状态下，开关单元203c和203d被接通，并且在这种情况下，输出极电压-E。
使用以这种方式定义的输出极电压，输出线间电压可具有2E，E，0，-E和-2E这五级(或电平)。由于每个单元的输出线间电压被定义为具有5个电平，因此，通过图1中的单位功率单元105a和105b合成的电压就可以具有九个电平：4E，3E，2E，E，0，-E，-2E，-3E和-4E，并且，输出到负载电动机103的线间电压可具有17个电平：8E，7E，6E，5E，4E，3E，2E，E，0，-E，-2E，-3E，-4E，-5E，-6E，-7E和-8E。
图3A到3F是示出图2的逆变器单元的操作的示例的图，其中示出了当输出极电压确定为E，0，-E时，根据电流方向的功率半导体的导通。
在图3A中，二极管和开关单元203b被导通，输出电流在正方向上流过，输出极电压0。这里，一个二极管和一个开关单元被导通。在图3B中，开关单元203a和203b被导通，输出电流在正方向上流动，并且输出极电压E。这里，两个开关单元被导通。在图3C中，两个二极管被导通，输出电流在正方向上流动，输出极电压-E。这里，两个二极管被导通。
在图3D中，二极管和开关单元203c被导通，输出电流在负方向上流动，并且输出极电压0。在图3E中，两个二极管被导通，输出电流在负方向上流动，并且输出极电压E。在图3F中，两个开关单元203c和203d被导通，输出电流在负方向上流动，并且输出极电压-E。
图1的移相变压器104的操作将要被描述。
移相变压器104将具有电绝缘性的三相电力从输入三相电源102施加于每个单位功率单元。在这种情况下，移相变压器104的初级绕组是一个Y型连接或三角形连接(delta connection)，并且次级绕组输出相对于所述初级绕组移相的电力。在这种情况下，次级绕组输出满足每个单位功率单元的需求的适当量值的电压。
移相变压器104的次级侧输出等于各个单位功率单元的二极管整流单元的数量，并具有以下的关系。
[等式1]
Nsec＝3NunitNdiode
这里，Nsec是移相变压器104的次级侧输出的数量，Nunit是连接到负载电动机103各个相位的单位功率单元的数量，并且Ndiode是安装在单个单位功率单元中的二极管整流单元201的数量。
例如，在图1的结构中，Nunit是2，因此，Ndiode和Nsec是12。
移相变压器104的次级绕组的相移角可从下列关系获得。
[等式2]
这里，αsec是次级绕组之间的相移角。例如，如图1中所示，当Nsec是12时，次级绕组之间的相移角是15度。基于所述次级绕组之间的所确定的相移角，各次级绕组的输出电压的相位是通过相对于初级侧输入源电压的相移角而改变的。
相关技术的多电平中压逆变器的输入端的移相变压器被配置成具有如下结构的单个单元，在此结构中，初级绕组仅包括单个三相电源，以及连接到单位功率单元的次级绕组从一个变压器输出。
在具有单个单元结构的移相变压器中，由于应在单个变压器中满足所请求的输出，因此增加了变压器本身的体积和重量，并且在设计中就没有自由度，并且由此增加了整个系统的体积。此外，当在变压器的初级绕组或次级绕组中发生问题的时候，整个系统都不能运行。
此外，在相关技术的单位功率单元中，逆变器单元包括四个二极管和八个有源开关，并且，由于当合成电压时，两个功率半导体器件都被不断地导通，因此造成了逆变器单元的比较大的损耗。
在本示例性实施例中，配置为单个单元中的多电平中压逆变器的移相变压器的结构是模块化的，以提供设计上的自由度，并且减小整个系统的体积和重量。此外，由于使用了模块化的移相变压器，因此，尽管有一个变压器模块出错，负载电动机依然可以在减少输出的状态下连续地运行。
此外，本示例性实施例提出了一种级联T型NPC逆变器，其相比于现有技术的单位功率单元，能够降低导通损耗。
图4是示出根据本公开的多电平中压逆变器的配置的图，其中，从三相电源42接收具有均方根为600V或更高的线间电压，以及将三相电压输出到三相电动机43。
如图所示，根据本示例性实施例的多电平中压逆变器41包括多个单位功率单元45和移相变压器44。在本示例性实施例中，将要描述一个例子，其中在每个相位布置2电平的单位功率单元，但是，单位功率单元的数量不限于此。
在本示例性实施例中，移相变压器44包括两个模块44a和44b。然而，由于单位功率单元有2个电平，因此移相变压器44包括了两个模块，并且，模块的数量是由单位功率单元的电平来确定的。
在第一模块44a中，初级绕组包括3相Y型连接，以及次级绕组包括Y型连接和三角形(Δ)连接，因此，相位以0度和30度偏移。在第二模块44b中，初级绕组包括一个移相Z型连接，以及次级绕组具有与第一模块44a相同的结构。在移相变压器44中，初级绕组和次级绕组的相位可以根据次级绕组的数量而改变。
单位功率单元45的输出电压可以有5个电平。在本公开的第一示例性实施例中，负载电动机43的每个相位配置两个单位功率单元，并且如果需要，如上文所述，单位功率单元的数量可以增加。
第一单位功率单元45a和第二单位功率单元45b的输出被串联连接，以输出负载三相电动机43的a相位电压。第三单位功率单元45c和第四单位功率单元45d可输出b相位电压，并且第五单位功率单元45e和第六单位功率单元45f可以输出c相位电压。
第一单位功率单元45a、第三单位功率单元45c和第五单位功率单元45e可以连接到第一模块44a的输出，并且第二单位功率单元45b、第四单位功率单元45d和第六单位功率单元45f可以连接到第二模块44b的输出。
图5是表示图4中的单位功率单元的详细配置的图，由于第一至第六单位功率单元具有相同的配置，因此，将在下文中通常使用“单位功率单元45”。
如图所示，本公开的单位功率单元45包括：整流单元51、平滑单元52，以及逆变器单元53。
整流单元51包括两个三相二极管整流器，并且从移相变压器44的第一模块44a的次级绕组接收三相电压。
平滑单元52包括两个电容器C1和C2，两个电容器C1和C2可以以串联/并联的方式连接到两个三相二极管整流器。
逆变器单元53可以是一个级联T型NPC逆变器。逆变器单元53可包括第一至第八开关单元53a至53h，并且每个开关单元可以包括并联连接的二极管和功率半导体。
第一至第四开关单元53a至53d可配置一条引线，以及第五到第八开关单元块53e至53h可配置另一条引线，并且可以通过两条引线之间的电位差来合成输出电压。
图6是示出根据本公开的第二示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。
如该图6所示，根据本公开的第二示例性实施例的多电平中压逆变器61包括移相变压器64和单位功率单元65。
在本公开的第二示例性实施例中，移相变压器64包括三个模块64a到64c。第一模块64a的初级绕组包括有具有-5度相位的Z型连接，并且第一模块64a的次级绕组被配置为具有-15度、0度、15度和30度相位的绕组。
第二模块64b的初级绕组包括具有0度相位的Y型连接，并且，第二模块64b的次级绕组被配置为与第一个模块64a那些相同。此外，第三模块64c的初级绕组包括具有5度相位的Z型连接，以及第三模块64c的次级绕组被配置与第一个模块64a的那些相同。
每个单位功率单元65可合成5个电平的输出电压。图7是表示图6的单位功率单元的详细配置的图。图7的单位功率单元73的配置与图5的单位功率单元45配置相比，仅仅是整流单元71和平滑单元73的器件数量上的不同，因此其详细描述将被省略。
图8是示出根据本发明的第三示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。图9是示出根据本公开的第四示例性实施例的多电平中压逆变器的配置的图。图8示出在其中输出的每个相位都包括三个单位功率单元的示例，而图9示出了其中输出的每个相位都包括五个单位功率单元的示例。
在图8中，移相变压器84包括第一模块84a至第三模块84c，并且第一模块84a的初级绕组包括三相Z型连接，其具有-3.3度的相位，并且，第一模块84a的次级绕组包括有具有0度和30度的相位差的绕组。
第二模块84b的初级绕组包括具有0度相位的三相Y型连接，第二模块84b的次级绕组被配置为与第一个模块84a的那些相同。此外，第三模块84c的初级绕组包括具有-3.3度相位的三相Z型连接，以及第三模块84c的次级绕组被配置为与第一个模块84a的那些相同。
图8中的第三示例性实施例的单位功率单元84可以被配置为与图6相同，所以其详细描述将被省略。
同时，参照图9，在本公开的第四示例性实施例的中压逆变器中，一个移相变压器94包括五个模块。
第一模块94a的初级绕组包括具有为-4度相位的三相Z型连接，以及第一模块94a的次级绕组包括具有0度和30度的相位差的Y型连接和Δ型连接。第二模块94b至第四模块94e的次级绕组与第一个模块94a的那些相同。
第二模块94b的初级绕组可以包括具有-2度相位的Z型连接。第三模块94c的初级绕组可被配置为具有0度相位的Y型连接。第四模块94d的初级绕组可以包括具有-2度相位的Z型连接。第五模块94e的初级绕组可以包括具有-4度相位的Z型连接。
图9中的第四示例性实施例的单位功率单元95可以以与图5中的相同方式被配置，因此其详细描述将被省略。
以这种方式，本公开将相关技术中的单个单元的移相变压器模块化。单个模块化的移相变压器可以提供三相电压到单位功率单元(即，三个单位功率单元)(图4、图8和图9的示例性实施例)，或者提供三相电压到单个的单位功率单元(图6的示例性实施例)。
根据本示例性实施例的模块式移相变压器的次级绕组的相移角由上文的等式1和等式2来确定。此外，根据本示例性实施例的模块式移相变压器的初级绕组的相移角由如下确定。
[等式3]
α prim = 360 N m _ T 1 N sec _ out 1 N diode _ pulse
这里，Nm_T是移相变压器的模块的数量，Nsec_out是单个移相变压器模块的次级侧输出的数量，并且，Ndiode_pulse是整流单元的脉冲数量。例如，在图4的第一示例性实施例中，Nm_T是2，Nsec_out是6，和Ndiode_pulse是6，因此，αprim是5度。移相变压器的初级绕组可通过基于0度、以±αprim的倍数的方式进行移相来配置。
模块式的移相变压器的容量与相关技术的单个单元型移相变压器的容量具有以下的关系。
[等式4]
S m _ T = S conv N m _ T
这里，Sm_T是根据本示例性实施例的模块式移相变压器的每个模块的视在功率，以及Sconv是单个单元型的移相变压器的视在功率。
由于模块式移相变压器具有小容量，因此，相对于现有的单个单元型移相变压器，减小了由变压器绕组(绕组窗口(winding window))所占的面积，从而减小整体的体积和重量，并且由于减小了移相变压器的体积和重量，整个系统的尺寸和体积可以减小。
此外，根据本示例性实施例的模块式移相变压器具有依据Nm_T的变压器模块，因而提供了整体系统的设计自由度，提供了设计的灵活性。
另外，在现有的单个单元型移相变压器中，当初级绕组出错时，整个系统就不能运行。相反，在根据本示例性实施例中使用了模块式移相变压器的情况下，当一个模块的初级绕组出现错误时，连接到出错模块的功率变换电路可以被旁路连接，并且可以减少输出，在这种状态下，可以实施连续的操作。由于这种结构特征，在根据本示例性实施例中使用了模块式移相变压器的情况下，整个系统的冗余度可以增加。会在输入端发生电流畸变。
在下文中，将描述根据本示例性实施例的单位功率单元的逆变器单元。
如图5和图7所示，根据本示例性实施例的单位功率单元包括级联T型NPC逆变器单元。根据本示例性实施例的逆变器单元的操作将参照图进行描述。
逆变器单元53的一条引线包括四个开关单元，根据所述的第一开关单元53a至第四开关单元53d的操作来定义输出极电压。
第一开关单元53a和第三开关单元53c不能同时接通，并且第二开关单元53b和第四开关单元53d也不能同时接通。而且，对于第一开关单元53a和第二开关单元53b的操作，在独立请求的输出极电压为正的情况下，操作所述第一开关单元53a和第三开关单元53c，并且在输出极电压参考为负的情况下，操作所述第二开关单元53b和第四开关单元53d。
在串联连接的DC链路电容器C1和C2的电压分别都被定义为E的情况下，如果输出极电压参考为正，则当第一开关单元53a接通以及第三开关单元53c关断时，输出极电压为0。
当使用以这种方式定义的输出极电压时，每个单位功率单元的输出线间电压具有5个电平：2E，E，0，-E，-2E。
图10A至10F是示出了当输出极电压被确定为E、0和-E的时候，根据电流方向的功率半导体的导通的图。
图10A示出了当输出极电压为0且输出电流为正时导通的开关单元。图10B示出了当输出极电压为E且输出电流为正时导通的开关单元。图10C示出了当输出极电压为-E且输出电流为正时导通的开关单元。
在图10A中，第三开关单元53c的二极管和第四开关单元53d的功率半导体被导通。在图10B中，第一开关单元53a的功率半导体被导通。并且，在图10C中，第二开关单元53b的二极管被导通。
图10D示出了当输出极电压为0且输出电流为负时导通的开关单元。图10E示出了当输出极电压为E且输出电流为负时导通的开关单元。图10F示出了当输出极电压为-E且输出电流为负时导通的开关单元。
在图10D中，第三开关单元53c的功率半导体和第四开关单元53d中的二极管被导通。在图10E中，第一开关单元53a的一个二极管被导通。在图10F中，第二开关单元53b的功率半导体被导通。
也即，根据本公开的示例性实施例，在图10A和10D的情况中，开关和二极管被导通，但在其它情况下，只有一种元件被导通。因此，相比于图3A到3F的相关技术，可以看出，导通的功率半导体元件的数量被减少了。
因此，根据本公开的示例性实施例，由于降低了功率半导体所产生的损耗(热)，提高了整个系统的效率，并且相应地，由于减小了散热器的尺寸，可减小系统的尺寸。
根据本公开示例性实施例，在多电平中压逆变器的输入端所使用的移相变压器的结构是模块化的，从而增加了在设计系统中的自由度，因此减小了整个系统的体积和重量，相应地，可以增加整个系统的冗余度。
此外，根据本公开的示例性实施例，由于逆变器单元被配置为具有级联T型NPC结构以平均地减少导通的功率半导体器件的数量，可以降低导通的损耗，便于热耗散的设计，因此，可以减小整个系统的体积和成本。
前述实施例和优点仅仅是示例性的，不应被认为是限制本发明。本教导可以容易地应用于其它类型的装置。本说明书旨在是说明性的，而不是限制权利要求的范围。对于那些本领域的技术人员，许多替代、修改和变化将是显而易见的。在此描述的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以以各种方式组合以获得其他的和/或替代的示例性实施例。
由于呈现的特征可以以几种形式体现而不脱离其特征，所以还应当理解的是，上述实施例不受任何前述说明的细节所限制，除非另有说明，而是应被视为在如所附权利要求所限定的范围内被广泛地考虑，因此所有落入权利要求书的边界和界限、或与这些边界和界限的等效的边界和范围内的所有变化和修改都旨在由所附权利要求书涵盖。

Claims (4)

1.一种多电平中压逆变器，其接收三相电力且向三相电动机输出三相电压，所述多电平中压逆变器包括：
多个串联连接的单位功率单元，用于输出单相电压，单个单位功率单元各自具有形成单个电平的相位电压，用于配置多个电平；以及
模块式移相变压器，其配置为变换三相电力，并且将变换后的电力施加于构成一个电平的三个单位功率单元；
其中，所述模块式移相变压器包括多个模块。
2.根据权利要求1所述的多电平中压逆变器，其中所述移相变压器的模块的数量对应于多个电平的数量或者单位功率单元的数量。
3.根据权利要求1或2所述的多电平中压逆变器，其中，在所述模块式移相变压器中，使用所述模块式移相变压器的数量、所述模块式移相变压器的次级侧的输出数量，以及单位功率单元的整流单元的脉冲数量来确定初级绕组的相移角。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平中压逆变器，其中所述单位功率单元包括：
所述整流单元，其配置为接收来自所述模块式移相变压器的输出，并且对来自所述模块式移相变压器的输出整流；
平滑单元，其配置为平滑由所述整流单元整流过的DC电压；以及
逆变器单元，其中以级联T型中性点箝位(NPC)的方式配置包括有并联连接的二极管和功率半导体的多个开关单元。
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