CN107659193A - 一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法，所述的九电平变频器功率电路由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、称为悬浮电容、端电压均为E，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7，通过适当的开通和开关相关的开关获得12种工作模态，并使得负载上获得4E、3E、2E、E、0、E、2E、3E、4E九种电压，本发明以较少的开关器件实现了九电平变频器，并通过工作模态的合理切换能够实现悬浮电容电压的平衡控制。

Description

一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法

技术领域

本发明涉及多电平变频器设计技术，尤其涉及一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法。

背景技术

变频器是一种通过改变电机供电电源的电源频率实现电机调速控制的设备，广泛地应用于各种工业生产现场中。变频器的主要核心部件是功率电路，主要由直流母线、逆变桥和滤波器组成。传统的变频器采用将直流母线电压直接进行逆变，输出方波PWM信号，驱动电机运行，并节约电能。但这类变频器存在许多问题，且在高压大容量的场合暴露的更加明显。这些问题主要包括：变频器产生的电动机冲击电压引起的电动机绝缘劣化、漏泄电流和轴电流带来的电动机轴承的损坏、传导噪声和辐射噪声过大，等等。

为了解决上述问题，多电平变频器技术得到了高度地重视和充分地肯定。和两电平变频器相比，多电平变频器主要有以下优点：

1、降低对功率开关器件的耐压要求。

2、变频器输出的多级电压阶梯波形，减少了dV/dt对电机绝缘、变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的冲击，因而在使用时可以省去或减小外围滤波器。

3、逆变电路的单桥能输出多种电平的相电压，从而使输出电压波形更接近于正弦波，电压的失真度减小，谐波小。

4、降低了EMI辐射水平，对现场的其他设备干扰减小。

当然，多电平变频器也同样存在一些缺点：

1、开关器件多，控制复杂。

2、存在中点电压和悬浮电容电压不平衡的问题。

因此，目前成熟的技术方案和产品主要有三电平和五电平变频器。由于其开关器件过多，难以设计和制造，更多电平数的变频器在世界上尚未被推向市场。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供一种开关器件少、悬浮电容电压平衡易控制的九电平变频器，本发明提供以下技术方案：

一种九电平变频器功率电路，由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、为悬浮电容、端电压均为E，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7；S1串联于C1的正极与C3的正极之间、S4串联于C2的负极与C4的负极之间、S5串联于C3的正极与负载之间、S6串联于C4的负极与负载之间、S7串联于C3的负极与负载之间，C3的正极通过S2接地、C4的负极通过S3接地。

上述的功率电路存在12种工作模态，分别为：

模态P4：开关S1和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为4E；

模态P3：开关S1和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为3E；

模态P2P：开关S1和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P2N：开关S3和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P1：开关S3和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为E；

模态ON：开关S3和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为0；

模态OP：开关S2和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为0；

模态N1：开关S2和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为-E；

模态N2P：开关S2和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为-2E；

模态N2N：开关S4和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为-2E；

模态N3：开关S4和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为-3E；

模态N4：开关S4和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为-4E。

其中，模态P2P和P2N为互为冗余模态，输出2E电平；模态N2P和N2N互为冗余模态，输出-2E电平。

上述的一种九电平变频器功率电路的悬浮电容平衡控制方法为：

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E。

本发明的有益效果在于：

(1)、以较少的开关器件实现了九电平变频器，制造简单、控制方便；

(2)、通过冗余模态的选择能够简单高效的控制悬浮电容电压达到平衡状态。

附图说明

图1、本发明的九电平变频器功率电路。

图2-13、本发明的九电平变频器功率电路的12种工作模态。

具体实施方式

如图1所示的一种九电平变频器功率电路，由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、为悬浮电容、端电压均为E，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7；S1串联于C1的正极与C3的正极之间、S4串联于C2的负极与C4的负极之间、S5串联于C3的正极与负载之间、S6串联于C4的负极与负载之间、S7串联于C3的负极与负载之间，C3的正极通过S2接地、C4的负极通过S3接地。悬浮电容电压的平衡控制是多电平电路中必须解决的问题，在本发明的电路拓扑中，悬浮电容由C3和C4串联构成，因此，本发明电路拓扑的悬浮电容电压平衡问题包括两个方面：1、C3和C4电压代数和要稳定为2E；2、C3和C4的端电压各自稳定为E。

上述的功率电路存在12种工作模态，分别为：

模态P4：如图2所示，开关S1和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为4E；

模态P3：如图3所示，开关S1和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为3E；

模态P2P：如图4所示，开关S1和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P2N：如图5所示，开关S3和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P1：如图6所示，开关S3和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为E；

模态ON：如图7所示，开关S3和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为0；

模态OP：如图8所示，开关S2和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为0；

模态N1：如图9所示，开关S2和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为-E；

模态N2P：如图10所示，开关S2和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为-2E；

模态N2N：如图11所示，开关S4和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为-2E；

模态N3：如图12所示，开关S4和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为-3E；

模态N4：如图13所示，开关S4和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为-4E。

其中，模态P2P和P2N为互为冗余模态，输出2E电平；模态N2P和N2N互为冗余模态，输出-2E电平。

根据本发明电路的工作原理，为了防止短路的发生，在任意时刻，S1、S2、S3和S4均只能有一个开关处于开通状态，S5、S6和S7均只有一个开关处于导通状态。同时，为了减少开关器件动作的次数，应该优先选择模态切换开关次数最少的开关状态。因此，在各个模态切换过程中，开关管的开关次序应该遵循以下规则：

P4向P3切换：S1状态保持不变，先关断S5，再接通S7；

P3向P4切换：先断开S7，再接通S5；

P3向P2P切换：先断开S7，再接通S6；

P3向P2N切换：先关断S1，然后接通S3，再关断S7，最后接通S5；

P2P向P3切换：先关断S6，再接通S7；

P2N向P3切换：先关断S5，然后接通S7，再关断S3，最后接通S1；

P2P向P1切换：先关断S1，然后接通S3，再关断S6，最后接通S7；

P2N向P1切换：先关断S5，然后接通S7；

P1向P2P切换：先关断S7，然后接通S6，再关断S3，最后接通S1；

P1向P2N切换：先关断S7，然后接通S5；

P1向OP切换：不允许切换；

P1向ON切换：先关断S7，然后接通S6；

OP向P1切换：先关断S2，然后接通S3，再关断S5，最后接通S7；

OP向N1切换：先关断S5，再接通S7；

ON向P1切换：先关断S6，再接通S7；

ON向N1切换：先关断S3，然后接通S2，再关断S6，最后接通S7；

N1向OP切换：先关断S7，再接通S5；

N1向ON切换：不允许切换；

N1向N2N切换：先关断S2，然后接通S4，再关断S7，最后接通S5；

N1向N2P切换：先关断S7，再接通S6；

N2P向N1切换：先关断S6，再接通S7；

N2P向N3切换：先关断S6，然后接通S7，再关断S2，最后接通S4；

N2N向N1切换：先关断S5，然后接通S7，再关断S4，最后接通S2；

N2N向N3切换：先关断S5，再接通S7；

N3向N2N切换：先关断S7，再接通S5；

N3向N2P切换：先关断S4，然后接通S2，再关断S7，最后接通S6；

N3向N4切换：先关断S7，再接通S6；

N4向N3切换：先关断S6，再接通S7；

根据本发明电路拓扑的工作原理可以推出悬浮电容电压和各个模态之间的关系如表1所示。

表1：悬浮电容电压和模态之间的关系

在一个正弦波周期内，影响C3电容两端电压的模态有模态P3、模态P2P、模态P2N、模态N1、模态N2P、模态N2N；影响C4端电压的模态有模态P2P、模态P2N、模态P1、模态N2P、模态N2N、模态N3；根据脉宽调制的原理，可以推出C3两端电压的变化量和开关状态之间的关系如下表所示：

其中，Ipx为正弦波正半周各个电平状态下的负载电流，ΔTx为各个电平状态下总的作用时间。

同理，可以推出C4端电压的变化量和开关状态之间的关系，如下表所示：

其中，Inx为正弦波负半周各个电平状态下的负载电流，ΔTx为各个电平状态下总的作用时间。

因此可以根据电容两端电压的大小来选择下一个正弦波周期的开关模态，以调节悬浮电容端电压，最终实现C3和C4的电压稳定为E。

因此，上述的一种九电平变频器功率电路的悬浮电容平衡控制方法为：

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E。

以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种九电平变频器功率电路，其特征在于：由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、为悬浮电容、端电压均为E，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7；S1串联于C1的正极与C3的正极之间、S4串联于C2的负极与C4的负极之间、S5串联于C3的正极与负载之间、S6串联于C4的负极与负载之间、S7串联于C3的负极与负载之间，C3的正极通过S2接地、C4的负极通过S3接地。

2.如权利要求1所述的一种九电平变频器功率电路的悬浮电容平衡控制方法，其特征在于：

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和大于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为正方向时，选择模态P2P输出电平2E,选择模态N2P输出电平-2E；

当悬浮电容电压之和小于等于2E、负载电流为负方向时，选择模态P2N输出电平2E,选择模态N2N输出电平-2E。