CN115967291A - 一种五相四电平混合箝位变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五相四电平混合箝位变换器，包括五个并联的单相四电平混合箝位变换器、第一电容、第二电容、第三电容，每个单相四电平混合箝位变换器包括四个功率端子和一个输出端子，第一个功率端子连接第一电容的第一极，第二个功率端子连接第一电容的第二极以及第二电容的第一极，第三个功率端子连接第二电容的第二极以及第三电容的第一极，第四个功率端子连接第三电容的第二极，并且第一、第二、第三电容串联。本发明可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速。使得转矩脉动得到优化，电机运行的效率也得到提高。具有较强的容错能力。可以提高电压等级，使输出电流波形更接近正弦波，谐波含量少，输出容量大。内置开关冗余允许额外的自由度来实现电容器电压平衡和输出电流调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子多电平变换器拓扑结构，特别是关于一种五相四电平混合箝位变换器。
背景技术
目前，常见的箝位型多电平拓扑主要有二极管箝位型、电容箝位型、有源中点箝位型以及通用箝位式多电平拓扑等。其中，二极管箝位型结构在工业中应用比较广泛，例如五电平桥臂结构的二极管箝位型多电平拓扑。
现有箝位型多电平拓扑市面产品的不足有如下三点：
1、三相永磁同步电机的可控维数少，可控维数等于电机的相数，控制自由度低，基波电流产生的空间谐波磁动势导致转矩脉动较大，控制性能受限。同时，在大功率应用场合下，需要较高的供电电压，需要高功率等级的器件，增加成本。
2、传统两电平变换器输出电压电平数较少，开关损耗较大，电流谐波较高，不利于大功率的电机驱动。
3、在多电平变换器中，传统的拓扑是中性点箝位变换器、飞电容变换器和级联H桥变换器，其中使用中性点箝位变换器、飞电容变换器需要大幅增加箝位二极管和箝位电容器的数量，而使用级联H桥变换器则需要许多隔离电源，这使得多电平变换器结构复杂。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种五相四电平混合箝位变换器，包括五个并联的单相四电平混合箝位变换器、第一电容、第二电容、第三电容，其中，
每个单相四电平混合箝位变换器包括四个功率端子和一个输出端子，第一个功率端子连接第一电容的第一极，第二个功率端子连接第一电容的第二极以及第二电容的第一极，第三个功率端子连接第二电容的第二极以及第三电容的第一极，第四个功率端子连接第三电容的第二极，并且第一、第二、第三电容串联。
进一步地，所述第一个功率端子还连接电源的正极。
进一步地，所述第四个功率端子还连接电源的负极。
进一步地，每个所述单相四电平混合箝位变换器的输出端子与五相永磁同步电机的五个相位端一一对应连接。
进一步地，每个所述单相四电平混合箝位变换器均包括八个开关器件,包括主开关S1,S3,S4,
箝位开关
和S2，以及一个箝位电容。
进一步地，开关器件S1的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S1与开关器件
之间连接开关器件S3的集电极，开关器件S3的发射极连接开关器件S4的集电极；开关器件S2的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S2与开关器件
之间连接开关器件
的发射极，开关器件
的集电极连接开关器件
的发射极；在开关器件S3、S4的公共端与开关器件
的公共端之间并联所述箝位电容C4，开关器件S4的发射极与开关器件
的集电极连接后，引出输出端子。
进一步地，在开关器件S1、S2的集电极分别引出第一个、第三个功率端子，开关器件
的发射极分别引出第二个、四个功率端子。
进一步地，所述开关器件S1和
开关器件S2和
开关器件S3和
开关器件S4和
分别以互补方式操作。
进一步地，所述开关器件S1和S2同相操作，所述开关器件
和
也同相操作。
本发明的优点在于：
1、五相永磁同步电机增加了电机相数，降低了对逆变器每相容量的要求，在大功率应用场合下，可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速。空间谐波磁动势是产生转矩脉动的直接原因，随着相数的增加，多相电机的基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减小，从而使得转矩脉动得到优化，电机运行的效率也得到提高。具有较强的容错能力，可靠性提高。由于多相电机相数的冗余，当多相电机或者多相变频器的一相或者几相出现故障时，可以采用适当的控制策略，使得电机在断相的情况下降功率运行，而无需重新起动或停机。多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。
2.用于中压电机驱动的新型四电平混合箝位变换器，这种四电平混合箝位转换器仅包含八个开关，上下直流链路电容器两端的标称电压与快速电容器相同，因此每个开关承受相同的电压应力。另一方面，为了增加电压电平，在直流链路中插入一个额外的电容器，每一相便可以输出四个电压电平，四电平变换器可以提高电压等级，使输出电流波形更接近正弦波，谐波含量少，输出容量大。
3.在四电平飞电容拓扑基础上进行修改，直流链路附近的高压飞电容器被两个箝位开关取代，因此可以减小尺寸和重量。内置开关冗余允许额外的自由度来实现电容器电压平衡和输出电流调节。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的五相四电平混合箝位变换器结构示意图。
图2示出了根据本发明实施方式的单相四电平混合箝位变换器结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，根据本发明实施方式的五相四电平混合箝位变换器，包括并联的五个单相四电平混合箝位变换器，每个单相四电平混合箝位变换器包括四个功率端子和一个输出端子。从上到下看，每个单相四电平混合箝位变换器中，第一个功率端子连接电容C1的第一极以及电源的正极，第二个功率端子连接电容C1的第二极以及电容C2的第一极，第三个功率端子连接电容C2的第二极以及电容C3的第一极，第四个功率端子连接电容C3的第二极以及电源的负极，电容C1、C2、C3串联。每个单相四电平混合箝位变换器的输出端子与五相永磁同步电机的五个相位端一一对应连接。每个单相四电平混合箝位变换器的详细组成结构在图2中进一步详细描述。
如图2所示，每个单相四电平混合箝位变换器均包括八个开关器件,外部开关S1,S3,S4,
是主开关，
和S2是箝位开关。以及一个箝位电容C4，开关器件S1的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S1与开关器件
之间连接开关器件S3的集电极，开关器件S3的发射极连接开关器件S4的集电极；开关器件S2的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S2与开关器件
之间连接开关器件
的发射极，开关器件
的集电极连接开关器件
的发射极；在开关器件S3、S4的公共端与开关器件
的公共端之间并联箝位电容C4，开关器件S4的发射极与开关器件
的集电极连接后，引出输出端子，输出电流ia。在开关器件S1、S2的集电极分别引出第一个、第三个功率端子，开关器件
的发射极分别引出第二个、四个功率端子。其中，第一个、第二个功率端子分别连接电容C1的两极，第三个、第四个功率端子分别连接电容C3的两极，第二个、第三个功率端子还分别连接电容C2的两极，电容C1、C2、C3串联。
本发明的四电平混合箝位变换器工作原理如下：在图2中，开关S1,S3,S4,
是主开关，
和S2是箝位开关。如果假设直流链路电压恒定且等于3E，其中E是快速电容器C4两端的电压，则三个直流链路电容器(C1、C2和C3)两端的电压均为E。为了输出四个电压电平，应遵守以下操作规则：
1、开关S1和
开关S2和
开关S3和
以及开关S4和
应分别以互补方式操作。
2、开关S1和S2应同相操作，而开关
和
也应同相操作。
将负直流链路电压点作为参考电压，a相输出电压UaN与转换器开关状态之间的关系如表1所示。在表1中，“1”表示电源开关的接通状态，“0”表示断开状态。
表1
| <![CDATA[S<sub>1</sub>]]> | <![CDATA[S<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[S<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[S<sub>4</sub>]]> | <![CDATA[U<sub>aN</sub><!-- 3 -->]]> |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | <![CDATA[U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 0 | 0 | 1 | 0 | <![CDATA[U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 1 | 1 | 0 | 0 | <![CDATA[U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 0 | 0 | 1 | 1 | <![CDATA[2U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 1 | 1 | 0 | 1 | <![CDATA[2U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 1 | 1 | 1 | 0 | <![CDATA[2U<sub>dc</sub>/3]]> |
| 1 | 1 | 1 | 1 | <![CDATA[U<sub>dc</sub>]]> |
本发明中，五相永磁同步电机增加了电机相数，降低了对逆变器每相容量的要求，在大功率应用场合下，可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速。空间谐波磁动势是产生转矩脉动的直接原因，随着相数的增加，多相电机的基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减小，从而使得转矩脉动得到优化，电机运行的效率也得到提高。具有较强的容错能力，可靠性提高。由于多相电机相数的冗余，当多相电机或者多相变频器的一相或者几相出现故障时，可以采用适当的控制策略，使得电机在断相的情况下降功率运行，而无需重新起动或停机。多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。
本发明中，用于中压电机驱动的新型四电平混合箝位变换器，这种四电平混合箝位转换器仅包含八个开关，上下直流链路电容器两端的标称电压与快速电容器相同，因此每个开关承受相同的电压应力。另一方面，为了增加电压电平，在直流链路中插入一个额外的电容器，每一相便可以输出四个电压电平，四电平变换器可以提高电压等级，使输出电流波形更接近正弦波，谐波含量少，输出容量大。
本发明中，在四电平飞电容拓扑基础上进行修改，直流链路附近的高压飞电容器被两个箝位开关取代，因此可以减小尺寸和重量。内置开关冗余允许额外的自由度来实现电容器电压平衡和输出电流调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
包括五个并联的单相四电平混合箝位变换器、第一电容、第二电容、第三电容，其中，
每个单相四电平混合箝位变换器包括四个功率端子和一个输出端子，第一个功率端子连接第一电容的第一极，第二个功率端子连接第一电容的第二极以及第二电容的第一极，第三个功率端子连接第二电容的第二极以及第三电容的第一极，第四个功率端子连接第三电容的第二极，并且第一、第二、第三电容串联。
2.根据权利要求1所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
所述第一个功率端子还连接电源的正极。
3.根据权利要求1所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
所述第四个功率端子还连接电源的负极。
4.根据权利要求1所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
每个所述单相四电平混合箝位变换器的输出端子与五相永磁同步电机的五个相位端一一对应连接。
5.根据权利要求1所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
每个所述单相四电平混合箝位变换器均包括八个开关器件,包括主开关
箝位开关
和S2，以及一个箝位电容。
6.根据权利要求5所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
开关器件S1的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S1与开关器件
之间连接开关器件S3的集电极，开关器件S3的发射极连接开关器件S4的集电极；开关器件S2的发射极连接开关器件
的集电极，并在开关器件S2与开关器件
之间连接开关器件
的发射极，开关器件
的集电极连接开关器件
的发射极；在开关器件S3、S4的公共端与开关器件
的公共端之间并联所述箝位电容C4，开关器件S4的发射极与开关器件
的集电极连接后，引出输出端子。
7.根据权利要求5或6所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
在开关器件S1、S2的集电极分别引出第一个、第三个功率端子，开关器件
的发射极分别引出第二个、四个功率端子。
8.根据权利要求7所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
所述开关器件S1和
开关器件S2和
开关器件S3和
开关器件S4和
分别以互补方式操作。
9.根据权利要求7所述的一种五相四电平混合箝位变换器，其特征在于，
所述开关器件S1和S2同相操作，所述开关器件
和
也同相操作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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