CN111817575A - 七电平变频器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种七电平变频器，该电路结构包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器；第一三电平整流单元、第二三电平整流单元、第三三电平整流单元以及第四三电平整流单元；以及第一三电平逆变单元至第九三电平逆变单元。本申请采用模块化的功率单元实现七电平变频器，但直流母线数量大大减少；利用了二极管箝位，避免了使用高压电容，同时可以消除二极管均压问题，可靠性更强。

Description

七电平变频器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种七电平变频器。
背景技术
在中高压大功率传动领域，多电平拓扑由于其谐波含量低，开关频率低，不需要开关器件直接串联等优势得到广泛应用。然而受开关器件限制，在功率超过20MW的应用场合中，三电平和五电平拓扑已经不适用了，需要电平数更多的七电平拓扑。
目前七电平拓扑主要有三种结构：二极管箝位型，飞跨电容型和单元级联型，这几种拓扑均存在一些缺陷：
二极管箝位型七电平拓扑，由于箝位二极管的存在，可以对各个开关管分别控制，避免了串联均压问题，但却引入了箝位二极管自身承受电压不均匀的问题；
飞跨电容型七电平拓扑，用箝位电容取代了箝位二极管，这使得开关状态的选择更加灵活，电平合成的自由度更高，但由于高压电容体积大，成本高，控制系统复杂等原因，使用风险较大；
单元级联型七电平拓扑，采用模块化的功率单元，便于制造和维护，并且由于直流母线相互隔离，消除了电压不均匀的问题，但它也存在直流母线数量多，整流器设计困难等问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种七电平变频器，以解决现有七电平拓扑结构存在的问题。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本申请的一个方面，提供的一种七电平变频器，所述七电平变频器包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器，前述变压器的原边绕组均与电网连接，
所述第一变压器的副边双绕组依次并联连接有第一三电平整流单元、第一三电平逆变单元、第二三电平逆变单元以及第三三电平逆变单元；所述第二变压器的副边双绕组依次并联连接有第二三电平整流单元、第四三电平逆变单元以及第五三电平逆变单元；所述第三变压器的副边双绕组依次并联连接有第三三电平整流单元、第六三电平逆变单元以及第七三电平逆变单元；所述第四变压器的副边双绕组依次并联连接有第四三电平整流单元、第八三电平逆变单元以及第九三电平逆变单元；
所述第一三电平逆变单元的交流输出端与所述第四三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第二三电平逆变单元的交流输出端与所述第六三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第三三电平逆变单元的交流输出端与所述第八三电平逆变单元的交流输出端连接；
所述第五三电平逆变单元的交流输出端、所述第七三电平逆变单元的交流输出端以及所述第九三电平逆变单元的交流输出端与电机连接。
本申请实施例的七电平变频器，采用模块化的功率单元实现七电平变频器，但直流母线数量大大减少；利用了二极管箝位，避免了使用高压电容，同时可以消除二极管均压问题，可靠性更强。
附图说明
图1为本申请实施例提供的七电平变频器示意图；
图2为本申请实施例提供的三电平整流单元示意图；
图3为本申请实施例提供的I字型三电平逆变单元示意图；
图4为本申请实施例提供的T字型三电平逆变单元示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
如图1-图4所示，本申请实施例提供一种七电平变频器，所述七电平变频器包括变压器1、变压器2、变压器3、变压器4；
所述变压器1、所述变压器2、所述变压器3以及所述变压器4的原边绕组均与电网连接；
所述变压器1的副边双绕组依次并联连接有第一三电平整流单元、第一三电平逆变单元、第二三电平逆变单元以及第三三电平逆变单元；
所述变压器2的副边双绕组依次并联连接有第二三电平整流单元、第四三电平逆变单元以及第五三电平逆变单元；
所述变压器3的副边双绕组依次并联连接有第三三电平整流单元、第六三电平逆变单元以及第七三电平逆变单元；
所述变压器4的副边双绕组依次并联连接有第四三电平整流单元、第八三电平逆变单元以及第九三电平逆变单元；
所述第一三电平逆变单元的交流输出端与所述第四三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第二三电平逆变单元的交流输出端与所述第六三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第三三电平逆变单元的交流输出端与所述第八三电平逆变单元的交流输出端连接；
所述第五三电平逆变单元的交流输出端、所述第七三电平逆变单元的交流输出端以及所述第九三电平逆变单元的交流输出端与电机连接。
在图1的示例中，第一三电平整流单元、第一三电平逆变单元、第二三电平逆变单元以及第三三电平逆变单元组成拓扑11，第二三电平整流单元、第四三电平逆变单元、第五三电平逆变单元、第三三电平整流单元、第六三电平逆变单元以及第七三电平逆变单元、第四三电平整流单元、第八三电平逆变单元以及第九三电平逆变单元组成拓扑12；变压器1、变压器2、变压器3以及变压器4组成拓扑13。变压器1、变压器2、变压器3以及变压器4的副边双绕组额定电压相等，相位差一定角度。需要说明的是，在其他示例中，变压器1、变压器2、变压器3以及变压器4可集成为一个变压器。
以三电平拓扑的母线中点作为输出三相交流的中点，则每相逆变可看成是三个逆变单元串联而成。实际应用中，拓扑11、12、13中直流母线电压值均相等，不妨设为Vdc，对于单个逆变单元，输出电压有Vdc/2，0和-Vdc/2共三种。因此三个逆变单元串联输出的电压值有3Vdc/2，Vdc，Vdc/2，0，-Vdc/2，-Vdc和-3Vdc/2共7种，通过合适的发波，即可达成单相输出七电平。
实施例二
在本示例中，所述第一三电平整流单元、所述第二三电平整流单元、所述第三三电平整流单元以及所述第四三电平整流单元，均包括：
两路隔离的三相交流电输入和三电平直流母线输出。
请参考图2所示，所述第一三电平整流单元、所述第二三电平整流单元、所述第三三电平整流单元以及所述第四三电平整流单元，均包括：
二极管D1～D12，正直流母线P、零直流母线O、负直流母线N；
二极管D1和二极管D2、二极管D5和二极管D6、二极管D9和二极管D10均串联在所述正直流母线P和所述零直流母线O之间，二极管D1和二极管D2的连接点、二极管D5和二极管D6的连接点、二极管D9和二极管D10的连接点依次为第一路三相交流电输入的A相连接端(图中的A1所示)、B相连接端(图中的B1所示)、C相连接端(图中的C1所示)；
二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8、二极管D11和二极管D12均串联在所述零直流母线O和所述负直流母线N之间，二极管D3和二极管D4的连接点、二极管D7和二极管D8的连接点、二极管D11和二极管D12的连接点依次为第二路三相交流电输入的A相连接端(图中的A2所示)、B相连接端(图中的B2所示)、C相连接端(图中的C2所示)。
实施例三
在本示例中，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元均包括三路直流母线输入和一交流电输出。
具体地，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元为I字型三电平逆变单元或者T字型三电平逆变单元。
需要说明的是，图1中，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元均为I字型三电平逆变单元。在其他示例中，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元可以相同，也可以不同。
请参考图3所示，I字型三电平逆变单元包括开关管T21～T24、二极管D21～D26。其中，开关管T21～T24分别并联二极管D21～D24，二极管D25、二极管D26串联后并联在开关管T22的阳极与开关管T23的阴极之间。开关管T22和开关管T23的连接点为交流输出端AC，三条直流母线(正直流母线P、零直流母线O、负直流母线N)分别接在开关管T21的阳极、二极管D25和二极管D26的连接点、开关管T24的阴极。
请参考图4所示，T字型三电平逆变单元包括开关管T31～T34、二极管D31～D34。其中，开关管T31～T34分别与二极管D31～D34并联连接；开关管T31和开关管T34串联连接在正直流母线P与负直流母线N之间，开关管T31和开关管T34的连接点为交流输出端AC；开关管T32和开关管T33串联连接在零直流母线O与交流输出端AC之间。
在本示例中，所述开关管T21～T24、所述开关管T31～T34包括金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、三极管中的一种。
本申请实施例的七电平变频器，采用模块化的功率单元实现七电平变频器，但直流母线数量大大减少；利用了二极管箝位，避免了使用高压电容，同时可以消除二极管均压问题，可靠性更强。
以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种七电平变频器，所述七电平变频器包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器，前述变压器的原边绕组均与电网连接，其特征在于，
所述第一变压器的副边双绕组依次并联连接有第一三电平整流单元、第一三电平逆变单元、第二三电平逆变单元以及第三三电平逆变单元；所述第二变压器的副边双绕组依次并联连接有第二三电平整流单元、第四三电平逆变单元以及第五三电平逆变单元；所述第三变压器的副边双绕组依次并联连接有第三三电平整流单元、第六三电平逆变单元以及第七三电平逆变单元；所述第四变压器的副边双绕组依次并联连接有第四三电平整流单元、第八三电平逆变单元以及第九三电平逆变单元；
所述第一三电平逆变单元的交流输出端与所述第四三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第二三电平逆变单元的交流输出端与所述第六三电平逆变单元的交流输出端连接，所述第三三电平逆变单元的交流输出端与所述第八三电平逆变单元的交流输出端连接；
所述第五三电平逆变单元的交流输出端、所述第七三电平逆变单元的交流输出端以及所述第九三电平逆变单元的交流输出端与电机连接。
2.根据权利要求1所述的七电平变频器，其特征在于，所述第一三电平整流单元、所述第二三电平整流单元、所述第三三电平整流单元以及所述第四三电平整流单元，均包括：
两路隔离的三相交流电输入和三电平直流母线输出。
3.根据权利要求2所述的七电平变频器，其特征在于，所述第一三电平整流单元、所述第二三电平整流单元、所述第三三电平整流单元以及所述第四三电平整流单元，均包括：
二极管D1～D12，正直流母线、零直流母线、负直流母线；
二极管D1和二极管D2、二极管D5和二极管D6、二极管D9和二极管D10均串联在所述正直流母线和所述零直流母线之间，二极管D1和二极管D2的连接点、二极管D5和二极管D6的连接点、二极管D9和二极管D10的连接点依次为第一路三相交流电输入的A相连接端、B相连接端、C相连接端；
二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8、二极管D11和二极管D12均串联在所述零直流母线和所述负直流母线之间，二极管D3和二极管D4的连接点、二极管D7和二极管D8的连接点、二极管D11和二极管D12的连接点依次为第二路三相交流电输入的A相连接端、B相连接端、C相连接端。
4.根据权利要求1所述的七电平变频器，其特征在于，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元均包括：
三路直流母线输入和一交流电输出。
5.根据权利要求4所述的七电平变频器，其特征在于，所述第一三电平逆变单元至所述第九三电平逆变单元为I字型三电平逆变单元或者T字型三电平逆变单元。
6.根据权利要求5所述的七电平变频器，其特征在于，所述I字型三电平逆变单元包括开关管T21～T24、二极管D21～D26；
开关管T21～T24与二极管D21～D24并联连接；
二极管D25、二极管D26串联后并联在开关管T22的阳极与开关管T23的阴极之间；
开关管T22和开关管T23的连接点为交流输出端AC，正直流母线P、零直流母线O、负直流母线N分别接在开关管T21的阳极、二极管D25和二极管D26的连接点、开关管T24的阴极。
7.根据权利要求6所述的七电平变频器，其特征在于，所述开关管T21～T24包括金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、三极管中的一种。
8.根据权利要求5所述的七电平变频器，其特征在于，所述T字型三电平逆变单元包括开关管T31～T34、二极管D31～D34；
开关管T31～T34分别与二极管D31～D34并联连接；
开关管T31和开关管T34串联连接在正直流母线P与负直流母线N之间，开关管T31和开关管T34的连接点为交流输出端AC；
开关管T32和开关管T33串联连接在零直流母线O与交流输出端AC之间。
9.根据权利要求8所述的七电平变频器，其特征在于，所述开关管T31～T34包括金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、三极管中的一种。
10.根据权利要求1-9任一所述的七电平变频器，其特征在于，所述第一变压器、所述第二变压器、所述第三变压器以及所述第四变压器集成为一个变压器。
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