[發明專利]一種級聯型多電平高壓變頻器

在審

• 申請號: 201410213302.7
• 申請日: 2014-05-20
• 公開（公告）號: CN105099217A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 官二勇;張弛;李曉東;武愛萍
• 申請（專利權）人: 北京ABB電氣傳動系統有限公司
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司 11012
• 代理人: 王昭林

技術領域

本發明涉及一種級聯型多電平高壓變頻器，更具體而言，涉及一種級聯H橋多電平高壓變頻器。

背景技術

典型的級聯型多電平高壓變頻器用于將固定的交流輸入電壓轉換成可變電壓和/或可變頻率的輸出。盡管在過去已經有關于用于交流電機的級聯型多電平高壓變頻器的設計，但是這些高壓變頻器仍然存在許多問題，例如：

變頻器啟動時需要對直流母線進行預充電；

功率模塊的交流輸出電壓只能低于直流母線電壓；

每一個橋臂的上下功率器件不能同時導通，否則，會發生直通短路，損壞器件。因此在脈沖調制中需要加入死區，然而這樣就會使輸出的電壓波形質量發生失真；

另外，電磁兼容的脆弱性也是一個問題，由電磁干擾造成的誤觸發導致的直通問題是變頻器可靠性問題的主要來源；

在電網電壓跌落時，高壓變頻器就不能輸出額定電壓。導致了高壓變頻器不得不停機或者轉入低電壓穿越模式，這樣用電設備都不能正常工作；

在功率單元失效時，高壓變頻器需要增加旁通回路。如果直接用基于晶閘管的旁通回路，在直流母線充放電時，容易造成晶閘管的誤觸發。

針對上述一個或多個問題，通常的做法是增加預充電回路、增加功率模塊、提高控制難度或者增加緩沖電路。但這樣不但會增加高壓變頻器系統的成本，而且會大大降低系統的可靠性。

發明內容

本發明的實施方式提供了一種級聯多電平高壓變頻器，其可以有效地克服上述一個或多個問題。節省了系統成本，并且大大增加了高壓變頻器系統的可靠性。

為實現上述目的，本發明提供了一種級聯型多電平高壓變頻器，其中多個功率單元與三相變壓器的多個副邊繞組分別相連，并且同相的功率單元串聯在一起，其特征在于：所述多個功率單元中的至少一部分是帶有阻抗網絡的功率單元。

在一種實施方式中，所述帶有阻抗網絡的功率單元包括二極管整流器、IGBT逆變器和位于它們之間的阻抗網絡。

在一種實施方式中，所述的阻抗網絡中包含電感和電容。

在一種實施方式中，所述多個功率單元還包括不帶有阻抗網絡的功率單元。

在一種實施方式中，所述不帶有阻抗網絡的功率單元包括二極管整流器、IGBT逆變器和位于它們之間的直流母線電容。

在一種實施方式中，每個功率單元的輸入電壓都相同。

在一種實施方式中，所述三相變壓器是移相變壓器，并且副邊繞組的輸出電壓都相同，各個副邊繞組的輸出電壓相互之間錯位一定的相角。

這種帶有阻抗網絡的功率單元電路結構，由于它兼具有電壓源逆變器和電流源逆變器的特點，因此它有如下優點：

·每個功率模塊不需要預充電單元。由于直流側的電抗能夠平滑尖峰電流；

·輸出的交流電壓能夠高于直流輸入電壓。這樣在電網電壓跌落時，交流輸出仍然可以獲得滿電壓；

·不需要設置死區，由于每一個橋臂上、下功率器件可以直接導通通；

·對于EMI噪聲的存在免疫性，沒有誤導通問題；

·更少的諧波注入電網，由于直流電抗器的作用；

·更少的諧波注入負載，由于不需要設置死區；

·此外如果直流電抗采用一個鐵心以變壓器的形式進行耦合的電抗器，它可以減少共模電壓和電壓的dv/dt。

采用上述這種功率單元的級聯多電平高壓變頻器能夠有效地提高系統性能同時降低成本。

附圖說明

圖1是本發明的一種級聯型多電平高壓變頻器的整體示意圖；

圖2是本發明的功率單元的一種電路拓撲結構的實施例；

圖3是本發明的功率單元的另一種電路拓撲結構的實施例；

圖4至圖6是圖2所示功率單元在不同開關頻率下的仿真效果圖。

具體實施方式

以下參考附圖，給出了本發明的可選實施方式的具體描述。

圖1示出本發明的變頻器的示意性結構圖。如圖1所示，三相多副邊繞組變壓器10的原邊直接或通過開關與高壓交流電網連接，變壓器10的副邊的每一個繞組與整流及H橋式逆變單元20(簡稱為功率單元20)相連，并且同相的功率單元串聯在一起。每一相的功率單元的個數與電網電壓、功率器件的性能以及輸出需求等有關。優選地，副邊的繞組都是同樣的結構，從而每個功率單元20的輸入電壓相同。在一種實施方式中，所述三項多副邊繞組變壓器是移相變壓器，并且副邊繞組的輸出電壓都相同，各個副邊繞組的輸出電壓相互之間錯位一定的相角。圖1的右下角示出功率單元20的拓撲結構的一種實施方式，其放大的視圖參見圖2。