[發(fā)明專利]一種級(jí)聯(lián)型多電平變換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910078309.1
• 申請(qǐng)日: 2009-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN101505106A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李永東;王奎;鄭澤東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M7/02
• 分類號(hào): H02M7/02;H02M7/42;H02J3/38
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 徐 寧;關(guān) 暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電力電子高壓大容量多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是指一種 級(jí)聯(lián)型多電平變換器。

背景技術(shù)

高壓大容量的交流電機(jī)廣泛應(yīng)用在軋鋼、造紙、水泥、煤炭、鐵路以及船舶 等工業(yè)領(lǐng)域中。多電平技術(shù)對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，不僅可以達(dá)到節(jié)能的目的， 還可以改善工藝條件，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速用的多電平變換器主要包括有兩種：一種是 采用二極管箝位式的中壓三電平變換器，另外一種是H橋級(jí)聯(lián)型高壓多電平變換 器。三電平變換器控制電壓為3kV及3kV以下等級(jí)的交流電機(jī)，而H橋級(jí)聯(lián)型多 電平變換器主要控制電壓為6kV～10kV等級(jí)的大容量高壓交流電機(jī)。

三電平變換器中的變壓器雖然比較簡單，輸出電壓諧波也較低，但三電平變 換器存在上高壓(一般高壓指的是6kV～10kV)困難的問題，即便上了高壓，三電 平變換器的電容電壓也難以達(dá)到平衡。

而H橋級(jí)聯(lián)型變換器容易上高壓，且輸入側(cè)采用了特殊制造的移相變壓器， 通過這種移相變壓器的疊加效應(yīng)，可以產(chǎn)生正弦的網(wǎng)側(cè)電流，使其功率因數(shù)接近1， 同時(shí)避免了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。但是，H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器也存在一些問題， 比如：由于H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器中的每個(gè)功率單元前端采用了二極管不控整 流，因此在交流電機(jī)制動(dòng)時(shí)，變換器不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，即能量回饋電網(wǎng)；另 外移相變壓器的抽頭多，重量和體積大，而且成本高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種不需要變壓器，且能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn) 行的智能化級(jí)聯(lián)型多電平變換器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種級(jí)聯(lián)型多電平變換器，其 特征在于包括：一脈寬調(diào)制整流器的輸入端與電網(wǎng)相連，所述脈寬調(diào)制整流器的 兩輸出端分別連接一直流母線中的P端和N端，所述直流母線的P端和N端之間 串聯(lián)有多個(gè)電容，且所述電容的正極連接所述直流母線的P端，所述直流母線的P 端和N端均同時(shí)連接一逆變器的輸入端，所述逆變器給交流電機(jī)供電；一控制單 元，包括一數(shù)字信號(hào)微處理器、一模數(shù)采集模塊、一開關(guān)量采集模塊、若干開關(guān)量 輸出模塊、一脈寬調(diào)制輸出模塊、一脈寬調(diào)制擴(kuò)展模塊和若干驅(qū)動(dòng)電路，所述控 制單元接收所述電網(wǎng)輸入所述脈寬調(diào)制整流器內(nèi)的電流、電壓信號(hào)，并輸出脈寬 調(diào)制控制脈沖信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述脈寬調(diào)制整流器和逆變器中相應(yīng)的功率開關(guān)器件導(dǎo) 通或關(guān)斷，使所述脈寬調(diào)制整流器的兩輸出端之間的電壓與所述直流母線的P端 和N端之間的電容電壓達(dá)到平衡，使電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)為1，并使所述逆變器輸 出頻率可變的交流電；所述控制單元的：模數(shù)采集模塊，接收所述脈寬調(diào)制整流 器中的電壓電流檢測單元和電壓傳感器輸送的信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；開關(guān)量采 集模塊，采集所述脈寬調(diào)制整流器和逆變器中相應(yīng)的功率開關(guān)器件的過流和過熱 故障信號(hào)；數(shù)字信號(hào)微處理器，包括一電壓平衡模塊和一脈寬調(diào)制生成模塊，所 述電壓平衡模塊接收所述模數(shù)采集模塊傳送的信號(hào)并計(jì)算，得出所述脈寬調(diào)制整 流器兩端電壓與正常值之間的偏差，之后所述脈寬調(diào)制生成模塊根據(jù)所述偏差， 發(fā)出一脈寬調(diào)制控制脈沖信號(hào)和一輔助控制信號(hào)；所述數(shù)字信號(hào)微處理器在所述 功率開關(guān)器件存在故障時(shí)，接收所述開關(guān)量采集模塊傳送的故障信號(hào)，及時(shí)發(fā)出 相應(yīng)的保護(hù)指令；開關(guān)量輸出模塊，接收所述數(shù)字信號(hào)微處理器傳送的輔助控制 信號(hào)和保護(hù)指令；脈寬調(diào)制擴(kuò)展模塊，接收所述脈寬調(diào)制輸出模塊傳送的脈寬調(diào) 制控制脈沖信號(hào)，及所述開關(guān)量輸出模塊傳送的輔助控制信號(hào)，并擴(kuò)展所述脈寬 調(diào)制控制脈沖信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路，接收所述脈寬調(diào)制擴(kuò)展模塊傳送的脈寬調(diào)制控制 脈沖信號(hào)并再次擴(kuò)展，以驅(qū)動(dòng)所述脈寬調(diào)制整流器和逆變器中相應(yīng)的功率開關(guān)器 件導(dǎo)通或關(guān)斷。

所述脈寬調(diào)制整流器中，所述電網(wǎng)將交流電通過電感輸送給與所述電感連接 的多電平橋臂；一電壓電流檢測單元連接所述脈寬調(diào)制整流器的輸入端，其將所 述電網(wǎng)輸入所述脈寬調(diào)制整流器內(nèi)的電流、電壓信號(hào)檢測出來，傳送給所述控制 單元。

所述多電平橋臂包括奇數(shù)個(gè)基本單元，所述基本單元包括多個(gè)串聯(lián)的功率開 關(guān)器件，該串聯(lián)電路同時(shí)并聯(lián)有一箝位電容和一電壓傳感器，所述電壓傳感器將 所述箝位電容兩端的電壓信號(hào)檢測出來，傳送給所述控制單元。

所述逆變器包括至少一個(gè)與所述多電平橋臂結(jié)構(gòu)相同的多電平橋臂，其接收 所述脈寬調(diào)制整流器輸送的直流電，轉(zhuǎn)化為頻率可變的交流電并輸出。

所述脈寬調(diào)制整流器與所述逆變器為背靠背結(jié)構(gòu)。