專利名稱：功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓變頻器，特別涉及一種功率器件基本段交錯(cuò)連接的多電平輸出高壓變頻器。
背景技術(shù)：
目前，使用絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT，Insulation Gate Bipolar Transistor)作為功率器件的高壓變頻器均采用復(fù)雜的H橋型接線，其根本目的是解決絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)器件耐受電壓低的問(wèn)題。H橋型接線的高壓變頻器輸出電壓在3.0kV～10.0kV范圍內(nèi)，輸出功率可達(dá)數(shù)千kW。H橋型接線的高壓變頻器以羅賓康線路和富士線路為代表。它們均是將多個(gè)二電平輸出或具有中性點(diǎn)箝位的三電平輸出的單相逆變器首尾串聯(lián)成為變頻器的一相。圖1所示，將輸出電壓的相位互相錯(cuò)開(kāi)120°電角度的三相組成一臺(tái)三相變頻器。圖1(a)是H橋型接線高壓變頻器主回路的基本結(jié)構(gòu)，圖中示出的是四單元串聯(lián)。圖1(b)是二電平輸出的單相逆變單元。圖1(c)是具有中性點(diǎn)箝位的三電平輸出的單相逆變單元。圖1中標(biāo)號(hào)21是高壓電源，22是單元，23是變壓器，24是電機(jī)。
H橋型接線的高壓變頻器存在著下列主要缺陷1.H橋型接線的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。它必須要有一臺(tái)二次側(cè)是多個(gè)繞組，且各個(gè)繞組之間互相錯(cuò)開(kāi)一定相位的特殊干式變壓器。變壓器一定要放在電氣柜內(nèi)，由此占據(jù)了較多的空間。變壓器二次繞組的組數(shù)和整流器的個(gè)數(shù)均同時(shí)要與串聯(lián)的單相逆變器的個(gè)數(shù)相同，或當(dāng)使用三電平單相逆變器時(shí)為二倍。這樣，變頻器的整體結(jié)構(gòu)就十分龐大、復(fù)雜，且耗費(fèi)大量的金屬材料。變頻器的電子線路結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜，造價(jià)又高。
2.H橋型接線的高壓變頻器不能回饋機(jī)械的動(dòng)能。
3.H橋型接線的高壓變頻器的功率器件開(kāi)關(guān)頻度高，即對(duì)于同一個(gè)調(diào)制節(jié)拍而言，每一個(gè)功率器件都有一次開(kāi)(on)和關(guān)(off)動(dòng)作，因此功率器件關(guān)斷時(shí)總的損耗大，控制復(fù)雜。
4.H橋型接線的高壓變頻器在非最高輸出電壓或頻率時(shí)，所有單相逆變器的調(diào)制率低，即占/空比小。也就是說(shuō)，變頻器輸出為額定電壓或額定頻率時(shí)，其輸出調(diào)制脈沖的占/空比能做到略小于1，例如0.9。隨著輸出電壓或頻率的逐漸降低，其輸出脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)制脈沖占/空比就急劇減小。例如，當(dāng)輸出電壓或頻率降低到額定值的40％時(shí)，其占/空之比將降到約36％左右。占/空比的減小就意味著輸出諧波分量的增加。
5.在H橋型接線的高壓變頻器中，為了防止發(fā)生上橋臂和下橋臂的器件同時(shí)導(dǎo)通而造成的短路，通常在其單相逆變器中必須設(shè)置一個(gè)數(shù)微秒的功率器件關(guān)斷時(shí)的延時(shí)死區(qū)，由于這是一個(gè)不可控的因素，因此影響了變頻器輸出電壓變化的線性度。
6.H橋型接線的高壓變頻器由于三相輸出電壓是各自獨(dú)立調(diào)制的，因此很難實(shí)現(xiàn)各相的波形絕對(duì)對(duì)稱，相位差難以絕對(duì)保持120°。
7.H橋型接線的高壓變頻器是由多個(gè)正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電壓串聯(lián)相加，故不可避免產(chǎn)生輸出脈沖尖峰。最大過(guò)電壓是各段直流電壓總和的二倍。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種新的功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，它解決了目前采用復(fù)雜的H橋型接線的高壓變頻器其結(jié)構(gòu)龐大、線路復(fù)雜、耗費(fèi)材料、控制繁瑣、造價(jià)高、損耗大的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，它主要由功率器件絕緣柵型雙極型晶體管IGBT、橋型連接的箝位二極管箝位電路、續(xù)流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數(shù)個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理優(yōu)化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出電壓三相同步調(diào)制和變頻過(guò)程中的從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的變換。
本發(fā)明是一種主回路結(jié)構(gòu)和脈寬調(diào)制方式均新穎的功率器件基本段交錯(cuò)連接的多電平輸出高壓變頻器，其主回路是由功率器件絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)等組成的功率器件基本段按特殊方式交錯(cuò)連接而成。利用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制，完成變頻過(guò)程中的三相輸出電壓同步SPWM調(diào)制，完成從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。變頻器采用雙PWM接線，不設(shè)特殊的整流變壓器，變頻器整機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的高壓變頻器。
本發(fā)明的高壓變頻器的輸出電壓按V2SPWM(電壓+矢量+正弦+脈寬調(diào)制)原則調(diào)制。即根據(jù)要求高壓變頻器瞬時(shí)輸出電壓矢量模的大小和空間位置，再利用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理，在具有正六邊形特征的空間電壓矢量圖上，優(yōu)化選擇圖中相關(guān)的空間電壓矢量所對(duì)應(yīng)的最佳輸出電壓狀態(tài)，對(duì)高壓變頻器的輸出電壓進(jìn)行控制，完成對(duì)變頻器的三相輸出電壓同步調(diào)制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻過(guò)程中從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，一舉兩得。
本發(fā)明的高壓變頻器整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須另設(shè)二次側(cè)為多繞組的特殊整流變壓器；變頻器輸出電壓瞬時(shí)跳變只有一個(gè)電平，故du/dt??；不設(shè)功率器件關(guān)斷時(shí)的延時(shí)死區(qū)，杜絕了上、下橋臂直通的短路問(wèn)題，輸出電壓線性度高；功率器件開(kāi)關(guān)頻度低，當(dāng)每一個(gè)狀態(tài)改變時(shí)，每一相上最多只有兩個(gè)功率器件改變一次狀態(tài)，器件關(guān)斷時(shí)的熱損耗小，可靠性高；調(diào)制率高，即SPWM調(diào)制時(shí)的占/空比高；輸出電壓諧波及導(dǎo)致的網(wǎng)側(cè)電壓諧波均低；能夠回饋機(jī)械的動(dòng)能；最大過(guò)電壓只有一個(gè)功率器件基本段直流電壓的二倍。


圖1(a)是現(xiàn)有技術(shù)的H橋型接線高壓變頻器主回路的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1(b)是二電平輸出的單相逆變單元線路圖。
圖1(c)是具有中性點(diǎn)箝位的三電平輸出的單相逆變單元線路圖。
圖2是本發(fā)明高壓變頻器的功率器件基本段的示意圖。
圖3(a)是將3個(gè)圖2所示功率器件基本段交錯(cuò)連接的3段4電平SPWM主回路線路圖。
圖3(b)是將12個(gè)圖2所示功率器件基本段交錯(cuò)連接的12段13電平PWM主回路線路圖。
圖4(a)是將3個(gè)圖2所示功率器件基本段交錯(cuò)連接的3段4電平雙PWM主回路線路圖。
圖4(b)是將12個(gè)圖2所示功率器件基本段交錯(cuò)連接的12段13電平雙PWM主回路線路圖。
圖5是本發(fā)明中的4段5電平SPWM主回路線路圖。
圖6是本發(fā)明中的5電平輸出高壓變頻器的輸出空間電壓矢量圖。
圖7是本發(fā)明優(yōu)化后的5電平輸出相電壓狀態(tài)圖。
圖8是本發(fā)明優(yōu)化后的5電平輸出線電壓狀態(tài)圖。
圖9是5電平SPWM變頻器的輸出狀態(tài)表。
具體實(shí)施例方式
參看圖2，本發(fā)明是一種功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，它主要由功率器件絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)、橋型連接的箝位二極管箝位電路、續(xù)流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，其核心是橋型連接的箝位二極管箝位電路。
參看圖3，由三個(gè)以上功率器件基本段按特殊方式交錯(cuò)連接，構(gòu)成變頻器的主回路，其核心是功率器件基本段。圖3(a)示出3個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接，圖3(b)示出12個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接。
根據(jù)所要求高壓變頻器的輸出電壓值以及所選用的功率器件IGBT能夠耐受電壓值的不同而確定功率器件基本段的段數(shù)。本發(fā)明高壓變頻器包含3～12個(gè)功率器件基本段，圖3和圖4中僅表示3個(gè)功率器件基本段和12個(gè)功率器件基本段兩種。當(dāng)選用耐壓值為1.7kV的功率器件IGBT時(shí)，分別選擇4、8、12個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接，高壓變頻器能輸出3.0kV(5電平)、6.0kV(9電平)、10.0kV(13電平)，輸出功率可達(dá)數(shù)千kW。
參看圖4，高壓變頻器的主回路采用雙PWM形式接線。圖4(a)示出3個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接，圖4(a)中標(biāo)號(hào)41是電動(dòng)機(jī)，42是三相電源。圖4(b)示出12個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接，圖4(b)中標(biāo)號(hào)41是電動(dòng)機(jī)，43是工頻電源。
參看圖5，同時(shí)結(jié)合參看圖2，功率器件基本段的連接方式為變形連接和標(biāo)準(zhǔn)連接兩種，以N個(gè)功率器件基本段連接為例，第1段和第N段是變形連接，其余各段是標(biāo)準(zhǔn)連接。N個(gè)功率器件基本段的電容是按E1、E2…Ei…En的順序連接。
功率器件基本段的變形連接方式為取消第1段的鉗位二極管-Dzi和+Dzi，將功率器件IGBT元件-Ti的漏極直接與電容器Ei的負(fù)極相接，將功率器件IGBT元件+Ti的漏極直接與變頻器相應(yīng)相的交流輸出線相接。取消第N段的鉗位二極管-Dyn和+Dyn，將功率器件IGBT元件+Tn的源極直接與電容器En的正極相連接，將+Tn的源極與變頻器相應(yīng)相的交流輸出線相接。
功率器件基本段的標(biāo)準(zhǔn)連接方式為將第i個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管-Dyi與第i+1個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管-Dy(i+1)合并為一個(gè)鉗位二極管。將第i個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管+Dyi與第i+1個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管+Dz(i+1)合并為一個(gè)鉗位二極管。
下面結(jié)合圖5，以4段5電平輸出變頻器為例，說(shuō)明本發(fā)明高壓變頻器輸出脈沖電壓的SPWM脈寬調(diào)制方式。
同時(shí)參看圖6的5電平輸出高壓變頻器的輸出空間電壓矢量圖，表示在箭首的數(shù)組組成的圖形視為變頻器輸出空間電壓狀態(tài)圖。根據(jù)空間電壓矢量的概念以及空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)變頻器的三相輸出脈沖電壓進(jìn)行三相同步SPWM調(diào)制，即稱為V2SPWM調(diào)制。
本發(fā)明用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理優(yōu)化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出電壓三相同步調(diào)制和變頻過(guò)程中的從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的變換。
附后的表1列出了5電平SPWM變頻器的輸出狀態(tài)。結(jié)合參看圖5，在功率器件取不同的on/off狀態(tài)時(shí)，變頻器的每一相輸出電位可以是“0”、“1”、“2”、“3”、“4”五種，即五個(gè)狀態(tài)。把變頻器三相的輸出狀態(tài)綜合起來(lái)，則變頻器的輸出共有53＝125個(gè)狀態(tài)，如表1所示。
利用每一個(gè)狀態(tài)，可以在平面三坐標(biāo)中畫(huà)出一個(gè)空間電壓矢量。5電平輸出變頻器共有125個(gè)空間電壓矢量。由于存在著若干個(gè)空間電壓相等的情況，綜合起來(lái)共有61個(gè)空間電壓矢量，如圖6所示。圖6也可以稱為菱形空間電壓矢量圖。各矢量終點(diǎn)的數(shù)組示出了該矢量對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)，去掉表示矢量的箭線，所剩下的即成為變頻器的輸出電壓狀態(tài)圖。
當(dāng)高壓變頻器的輸出電壓在0％～100％之間的不同值時(shí)，變頻器分別工作在二電平、三電平、四電平、五電平。因此，變頻器始終工作在調(diào)制率高的狀態(tài)。
在調(diào)制過(guò)程中，利用空間電壓矢量圖來(lái)適時(shí)優(yōu)化、選擇最合適的空間電壓矢量，相對(duì)應(yīng)的、最佳的電壓輸出狀態(tài)是V2SPWM調(diào)制的基本的、獨(dú)特的調(diào)制方法。
參看圖7和圖8的優(yōu)化后的5電平輸出相電壓和線電壓狀態(tài)，二者均是61個(gè)狀態(tài)，即每一個(gè)空間電壓矢量對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出狀態(tài)。
本發(fā)明的高壓變頻器的SPWM調(diào)制與H橋型接線的高壓變頻器的SPWM調(diào)制完全不同H橋型接線的高壓變頻器的SPWM調(diào)制是每一個(gè)單元獨(dú)立進(jìn)行逆變后再串聯(lián)疊加，其調(diào)制率低。而本發(fā)明的高壓變頻器實(shí)行三相同步調(diào)制，當(dāng)需要變頻器輸出三相電壓的合成空間電壓矢量γ∠時(shí)，它按其相對(duì)應(yīng)的頻率或速率在空間電壓矢量圖中沿著順時(shí)針?lè)较蚧蚰鏁r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；在某一時(shí)刻，當(dāng)γ∠的端點(diǎn)落在空間電壓矢量圖中的某一小三角形上，如圖7中所示的300、400、410所圍成的小三角形，則按一定的時(shí)間比值反復(fù)執(zhí)行在這三個(gè)頂點(diǎn)上的三個(gè)優(yōu)化電壓輸出狀態(tài)與此同時(shí)，根據(jù)預(yù)定的規(guī)律沿著順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛑饾u推移，隨后更換到鄰近的小三角形。本發(fā)明的高壓變頻二器主回路結(jié)構(gòu)和SPWM調(diào)制都十分簡(jiǎn)潔。
本發(fā)明的高壓變頻器具有下列諸多有益效果1.本發(fā)明的高壓變頻器省去了H橋型高壓變頻器中必須有的特殊的、二次為多個(gè)繞組、體積龐大的整流變壓器，節(jié)約了大量的金屬材料。主回路的結(jié)構(gòu)以及SPWM調(diào)制都顯得十分簡(jiǎn)潔；摒棄了H橋型變頻器使用的單相逆變、串聯(lián)疊加的方式，代之以新型的三相輸出同步調(diào)制方式及變頻過(guò)程中從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單化。變頻器的功率器件在關(guān)斷過(guò)程中，不需設(shè)置延時(shí)死區(qū)，因而SPWM調(diào)制的占、空比高，使其輸出電壓控制性能更優(yōu)。變頻器利用空間電壓矢量圖對(duì)輸出的狀態(tài)、空間電壓矢量進(jìn)行優(yōu)化選擇，能夠使功率器件的開(kāi)關(guān)頻度達(dá)到很低的程度，脈沖驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單化，大幅度地降低了功率器件關(guān)斷時(shí)的熱損耗。
2.本發(fā)明的高壓變頻器是根據(jù)不同的輸出電壓幅值，實(shí)行與之相適應(yīng)的輸出電平數(shù)進(jìn)行調(diào)制。故調(diào)制率即占、空比始終很高；輸出諧波分量低且穩(wěn)定。
3.本發(fā)明的高壓變頻器在調(diào)制過(guò)程中，任何兩個(gè)電壓矢量或狀態(tài)之間的切換時(shí)只有一個(gè)電平之差。所以，輸出電壓的 始終很小，直流過(guò)電壓僅為一個(gè)電平的二倍。
4.本發(fā)明的高壓變頻器很好地解決了當(dāng)前的功率器件IGBT承受耐壓低的問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，其特征在于，它主要由功率器件絕緣柵型雙極型晶體管IGBT、橋型連接的箝位二極管箝位電路、續(xù)流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數(shù)個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理優(yōu)化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出電壓三相同步調(diào)制和變頻過(guò)程中的從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，其特征在于，所述功率器件基本段的連接方式為變形連接和標(biāo)準(zhǔn)連接兩種，第1段和第N段是變形連接，其余各段是標(biāo)準(zhǔn)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，其特征在于，所述功率器件基本段的變形連接方式為取消第1段的鉗位二極管-Dzi和+Dzi，將功率器件絕緣柵型雙極型晶體管IGBT-Ti的漏極直接與電容器Ei的負(fù)極相接，將功率器件絕緣柵型雙極型晶體管IGBT+Ti的漏極直接與變頻器相應(yīng)相的交流輸出線相接，取消第N段的鉗位二極管-Dyn和+Dyn，將功率器件絕緣柵型雙極型晶體管IGBT+Tn的源極直接與電容器En的正極相連接，將+Tn的源極與變頻器相應(yīng)相的交流輸出線相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，其特征在于，所述功率器件基本段的標(biāo)準(zhǔn)連接方式為將第i個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管-Dyi與第i+1個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管-Dy(i+1)合并為一個(gè)鉗位二極管，將第i個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管+Dyi與第i+1個(gè)功率器件基本段的鉗位二極管+Dz(i+1)合并為一個(gè)鉗位二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種功率器件基本段交錯(cuò)連接的高壓變頻器，它主要由功率器件絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)、橋型連接的箝位二極管筘位電路、續(xù)流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數(shù)個(gè)功率器件基本段交錯(cuò)連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內(nèi)在機(jī)理優(yōu)化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出電壓三相同步調(diào)制和變頻過(guò)程中的從旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)到靜止的平面三坐標(biāo)的變換。變頻器采用雙脈寬調(diào)制接線，不設(shè)特殊的整流變壓器，變頻器整機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的高壓變頻器。變頻器輸出電壓瞬時(shí)跳變只有一個(gè)電平，功率器件開(kāi)關(guān)頻度低，器件關(guān)斷時(shí)的熱損耗小，可靠性高。
文檔編號(hào)H02M5/00GK1625036SQ20041006711
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者鐘述文 申請(qǐng)人:鐘述文