CN104852617A - 一种基于磁场耦合的多电平变频器拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁场耦合的多电平变频器拓扑，其显著不同于其它变频器在于通过控制器的控制算法调节两个变频器单元输出基波和谐波的相位和幅值，通过磁耦合元件进行矢量合成后在两个变频器单元的输出负载上产生比直接输出电平数增加一个电平数、等效高频成分频率增加一倍的电压。其结构由几个部分组成，包括：控制器，变频器单元，逆变单元，磁耦合元件，输出端子。变频器单元不限于两电平变频器，也可以是多电平变频器；变频器单元可以采用多组独立直流电源供电，也可以采用单一直流电源供电。
Description
技术领域
本发明属于电力电子设备领域，本发明涉及一种基于磁场耦合的多电平变频器拓扑，具体是一种利用控制器调节由两个变频器输出电压，通过磁性元件耦合输出后增加每个变频器的输出电压电平数目，减小变频器负载侧谐波含量的变频器拓扑。
背景技术
普通H桥或三相桥变频器输出端为一系列电压幅值为 、、的方波脉冲，其中为变频器直流输入侧电压；通常需采用提高变频器输出频率或者增加变频器输出电平数的方法降低变频器输出谐波。传统的提高变频器输出电平数目的效果采用以下方式达到：
1.采用多电平逆变拓扑电路通过电容或二极管箝位的方式实现多个电平输出，该方式增加箝位了元件并需采用多个电容组提供箝位电平，同时还需通过特殊控制算法避免电容组电位漂移；
2.采用多个逆变模块移相串联实现多电平输出，该方式需要多路独立的直流电源，在一般应用场合难以满足该要求。
发明内容
为了克服现有多电平变频器的不足，本发明提出了一种基于磁场耦合的多电平变频器拓扑，该拓扑通过磁场耦合的方式增加变频器的输出电平数目，提高变频器输出在负载侧的开关频率。
本发明具体是采用如下技术方案实现：
本发明所述的多电平变频器拓扑通过磁性耦合元件使两个独立输出的变频器中的基波和谐波磁通在磁性耦合元件产生的磁通按矢量合成，在变频器输出端感应形成比变频器不经磁耦合元件直接输出的电平数增加一个电平的电压输出。
一种基于磁耦合的多电平变频器拓扑，包含：
一控制器：用于调节变频器的输出基波和谐波的相位；
一磁耦合元件组件：包括至少磁耦合元件，该磁耦合元件的输入端分别接在变频器的输出端，磁耦合元件的输出端接负载；该磁耦合元件组件使变频器在磁性耦合元件中产生的基波磁通及谐波磁通按矢量叠加，并依据磁耦合元件的变比感应出相应的电压作用在负载侧；通过控制器调节两个变频器输出基波和谐波的幅值及相位，并依据两个变频器输出电压的幅值设计磁耦合元件的变比，使奇数次高频谐波在磁耦合元件中相消，偶数次高频谐波在磁耦合元件中增强。
在上述的调节输出基波和谐波的相位，定义PWM变频器的时变开关桥臂电压可以由它的谐波分量表示如下：
其中：是PWM变频器的直流母线电压、是变频器调制比，是参考波的频率，
是参考波的初始位置角，是载波的频率，是载波的初始位置角，是直流分量系数，是基波分量系数，是载波谐波系数，是边带谐波系数；、、、由PWM变频器调制方法决定；
将两个变频器输出分别接在磁耦合元件的两个输入端，两个变频器在磁性耦合元件中产生的基波磁通及谐波磁通按矢量叠加，并依据磁耦合元件的变比感应出相应的电压作用在负载侧。通过控制器调节两个变频器输出基波和谐波的幅值及相位，并依据两个变频器输出电压的幅值设计磁耦合元件的变比，可使奇数次高频谐波在磁耦合元件中相消，偶数次高频谐波在磁耦合元件中增强。因此在两个变频器的负载侧可以形成等效为载波频率为，载波谐波系数为，边带谐波系数为的输出电压，其中、为原变频器输出分量中的偶数倍次分量。两个变频器输出基波不变，而输出频率比原变频器输出频率提高一倍，输出的电平数增加一个电平。
因此，本发明具有如下优点：可以在没有箝位电路和串联电容组的情况下增加变频器的输出电平数目；同时，该拓扑中各个变频器单元供电直流电源可采用独立电源，也可以采用共母线的直流电源。
附图说明
图1为本发明的第一种基本实施方案。
图2为本发明的第二种基本实施方案。
具体实施方式
下面结合附图中实施方案对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，通过控制器1调节变频器2和变频器3间的参考波和载波的相位及幅值，并依据两变频器输入电压设计磁耦合元件的变比，使变频器2和变频器3(9)输出的基波电流和相位差为π的电流产生的磁通在磁耦合元件4中相互抵消，其它次谐波电流产生的磁通相互增强；从而在负载5、6上得到比变频器直接输出电平数增加一个电平的电压输出。
图1中变频器2和变频器3的组成形式具有多种选择，可以为两电平变频器，也可以为3电平或多电平变频器。
实施例2
如图2所示，通过控制器7调节变频器8和变频器9间的参考波和载波的相位及幅值，并依据两变频器输入电压设计磁耦合元件的变比，使变频器8和变频器9输出的基波电流和相位差为π的电流产生的磁通在磁耦合元件10中相互抵消，其它次谐波电流产生的磁通相互增强；从而在负载11、12上得到比变频器直接输出电平数增加一个电平的电压输出。
图2中变频器8和变频器9的组成形式具有多种选择，可以为两电平变频器，也可以为3电平或多电平变频器。
本文中所描述的具体实施方式仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种基于磁耦合的多电平变频器拓扑，其特征在于：包含：
一控制器：用于调节变频器的输出基波和谐波的相位；
一磁耦合元件组件：包括至少磁耦合元件，该磁耦合元件的输入端分别接在变频器的输出端，磁耦合元件的输出端接负载；该磁耦合元件组件使变频器在磁性耦合元件中产生的基波磁通及谐波磁通按矢量叠加，并依据磁耦合元件的变比感应出相应的电压作用在负载侧；通过控制器调节两个变频器输出基波和谐波的幅值及相位，并依据两个变频器输出电压的幅值设计磁耦合元件的变比，使奇数次高频谐波在磁耦合元件中相消，偶数次高频谐波在磁耦合元件中增强。
2.根据权利要求1所述的调节输出基波和谐波的相位，其特征在于：定义PWM变频器的时变开关桥臂电压可以由它的谐波分量表示如下：
其中：是PWM变频器的直流母线电压、是变频器调制比，是参考波的频率，是参考波的初始位置角，是载波的频率，是载波的初始位置角，是直流分量系数，是基波分量系数，是载波谐波系数，是边带谐波系数；、、、由PWM变频器调制方法决定；
通过磁耦合元件组件在变频器的负载侧形成等效为载波频率为，载波谐波系数为，边带谐波系数为的输出电压，其中、为原变频器输出分量中的偶数倍次分量；两个变频器输出基波不变，而输出频率比原变频器输出频率提高一倍，输出的电平数增加一个电平。
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