專利名稱：功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及高壓變頻器，特別涉及一種功率器件基本段交錯連接的多電平輸出高壓變頻器。
背景技術：
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題。H橋型接線的高壓變頻器輸出電壓在3.0kV～10.0kV范圍內，輸出功率可達數千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。它們均是將多個二電平輸出或具有中性點箝位的三電平輸出的單相逆變器首尾串聯成為變頻器的一相。圖1所示，將輸出電壓的相位互相錯開120°電角度的三相組成一臺三相變頻器。圖1(a)是H橋型接線高壓變頻器主回路的基本結構，圖中示出的是四單元串聯。圖1(b)是二電平輸出的單相逆變單元。圖1(c)是具有中性點箝位的三電平輸出的單相逆變單元。圖1中標號21是高壓電源，22是單元，23是變壓器，24是電機。
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構復雜。它必須要有一臺二次側是多個繞組，且各個繞組之間互相錯開一定相位的特殊干式變壓器。變壓器一定要放在電氣柜內，由此占據了較多的空間。變壓器二次繞組的組數和整流器的個數均同時要與串聯的單相逆變器的個數相同，或當使用三電平單相逆變器時為二倍。這樣，變頻器的整體結構就十分龐大、復雜，且耗費大量的金屬材料。變頻器的電子線路結構也相當復雜，造價又高。
2.H橋型接線的高壓變頻器不能回饋機械的動能。
3.H橋型接線的高壓變頻器的功率器件開關頻度高，即對于同一個調制節拍而言，每一個功率器件都有一次開(on)和關(off)動作，因此功率器件關斷時總的損耗大，控制復雜。
4.H橋型接線的高壓變頻器在非最高輸出電壓或頻率時，所有單相逆變器的調制率低，即占/空比小。也就是說，變頻器輸出為額定電壓或額定頻率時，其輸出調制脈沖的占/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，其輸出脈寬調制(PWM)調制脈沖占/空比就急劇減小。例如，當輸出電壓或頻率降低到額定值的40％時，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，為了防止發生上橋臂和下橋臂的器件同時導通而造成的短路，通常在其單相逆變器中必須設置一個數微秒的功率器件關斷時的延時死區，由于這是一個不可控的因素，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立調制的，因此很難實現各相的波形絕對對稱，相位差難以絕對保持120°。
7.H橋型接線的高壓變頻器是由多個正弦脈寬調制(SPWM)電壓串聯相加，故不可避免產生輸出脈沖尖峰。最大過電壓是各段直流電壓總和的二倍。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點和不足，本發明的任務是提供一種新的功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，它解決了目前采用復雜的H橋型接線的高壓變頻器其結構龐大、線路復雜、耗費材料、控制繁瑣、造價高、損耗大的問題。
本發明的技術方案如下一種功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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、續流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數個功率器件基本段交錯連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內在機理優化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態，實現對變頻器的輸出電壓三相同步調制和變頻過程中的從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的變換。
本發明是一種主回路結構和脈寬調制方式均新穎的功率器件基本段交錯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連接而成。利用空間電壓矢量圖的內在機理實現SPWM調制，完成變頻過程中的三相輸出電壓同步SPWM調制，完成從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的轉換。變頻器采用雙PWM接線，不設特殊的整流變壓器，變頻器整機結構大為簡化，性能優于傳統的高壓變頻器。
本發明的高壓變頻器的輸出電壓按V2SPWM(電壓+矢量+正弦+脈寬調制)原則調制。即根據要求高壓變頻器瞬時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在機理，在具有正六邊形特征的空間電壓矢量圖上，優化選擇圖中相關的空間電壓矢量所對應的最佳輸出電壓狀態，對高壓變頻器的輸出電壓進行控制，完成對變頻器的三相輸出電壓同步調制，同時實現變頻過程中從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的轉換，一舉兩得。
本發明的高壓變頻器整機結構簡單，無須另設二次側為多繞組的特殊整流變壓器；變頻器輸出電壓瞬時跳變只有一個電平，故du/dt小；不設功率器件關斷時的延時死區，杜絕了上、下橋臂直通的短路問題，輸出電壓線性度高；功率器件開關頻度低，當每一個狀態改變時，每一相上最多只有兩個功率器件改變一次狀態，器件關斷時的熱損耗小，可靠性高；調制率高，即SPWM調制時的占/空比高；輸出電壓諧波及導致的網側電壓諧波均低；能夠回饋機械的動能；最大過電壓只有一個功率器件基本段直流電壓的二倍。
圖1(a)是現有技術的H橋型接線高壓變頻器主回路的基本結構示意圖。
圖1(b)是二電平輸出的單相逆變單元線路圖。
圖1(c)是具有中性點箝位的三電平輸出的單相逆變單元線路圖。
圖2是本發明高壓變頻器的功率器件基本段的示意圖。
圖3(a)是將3個圖2所示功率器件基本段交錯連接的3段4電平SPWM主回路線路圖。
圖3(b)是將12個圖2所示功率器件基本段交錯連接的12段13電平PWM主回路線路圖。
圖4(a)是將3個圖2所示功率器件基本段交錯連接的3段4電平雙PWM主回路線路圖。
圖4(b)是將12個圖2所示功率器件基本段交錯連接的12段13電平雙PWM主回路線路圖。
圖5是本發明中的4段5電平SPWM主回路線路圖。
圖6是本發明中的5電平輸出高壓變頻器的輸出空間電壓矢量圖。
圖7是本發明優化后的5電平輸出相電壓狀態圖。
圖8是本發明優化后的5電平輸出線電壓狀態圖。
圖9是5電平SPWM變頻器的輸出狀態表。
具體實施例方式
參看圖2，本發明是一種功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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，由三個以上功率器件基本段按特殊方式交錯連接，構成變頻器的主回路，其核心是功率器件基本段。圖3(a)示出3個功率器件基本段交錯連接，圖3(b)示出12個功率器件基本段交錯連接。
根據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。本發明高壓變頻器包含3～12個功率器件基本段，圖3和圖4中僅表示3個功率器件基本段和12個功率器件基本段兩種。當選用耐壓值為1.7kV的功率器件IGBT時，分別選擇4、8、12個功率器件基本段交錯連接，高壓變頻器能輸出3.0kV(5電平)、6.0kV(9電平)、10.0kV(13電平)，輸出功率可達數千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個功率器件基本段交錯連接，圖4(a)中標號41是電動機，42是三相電源。圖4(b)示出12個功率器件基本段交錯連接，圖4(b)中標號41是電動機，43是工頻電源。
參看圖5，同時結合參看圖2，功率器件基本段的連接方式為變形連接和標準連接兩種，以N個功率器件基本段連接為例，第1段和第N段是變形連接，其余各段是標準連接。N個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的負極相接，將功率器件IGBT元件+Ti的漏極直接與變頻器相應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相的交流輸出線相接。
功率器件基本段的標準連接方式為將第i個功率器件基本段的鉗位二極管-Dyi與第i+1個功率器件基本段的鉗位二極管-Dy(i+1)合并為一個鉗位二極管。將第i個功率器件基本段的鉗位二極管+Dyi與第i+1個功率器件基本段的鉗位二極管+Dz(i+1)合并為一個鉗位二極管。
下面結合圖5，以4段5電平輸出變頻器為例，說明本發明高壓變頻器輸出脈沖電壓的SPWM脈寬調制方式。
同時參看圖6的5電平輸出高壓變頻器的輸出空間電壓矢量圖，表示在箭首的數組組成的圖形視為變頻器輸出空間電壓狀態圖。根據空間電壓矢量的概念以及空間電壓矢量圖的內在機理，對變頻器的三相輸出脈沖電壓進行三相同步SPWM調制，即稱為V2SPWM調制。
本發明用空間電壓矢量圖的內在機理優化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態，實現對變頻器的輸出電壓三相同步調制和變頻過程中的從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的變換。
附后的表1列出了5電平SPWM變頻器的輸出狀態。結合參看圖5，在功率器件取不同的on/off狀態時，變頻器的每一相輸出電位可以是“0”、“1”、“2”、“3”、“4”五種，即五個狀態。把變頻器三相的輸出狀態綜合起來，則變頻器的輸出共有53＝125個狀態，如表1所示。
利用每一個狀態，可以在平面三坐標中畫出一個空間電壓矢量。5電平輸出變頻器共有125個空間電壓矢量。由于存在著若干個空間電壓相等的情況，綜合起來共有61個空間電壓矢量，如圖6所示。圖6也可以稱為菱形空間電壓矢量圖。各矢量終點的數組示出了該矢量對應的輸出狀態，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圖。
當高壓變頻器的輸出電壓在0％～100％之間的不同值時，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制率高的狀態。
在調制過程中，利用空間電壓矢量圖來適時優化、選擇最合適的空間電壓矢量，相對應的、最佳的電壓輸出狀態是V2SPWM調制的基本的、獨特的調制方法。
參看圖7和圖8的優化后的5電平輸出相電壓和線電壓狀態，二者均是61個狀態，即每一個空間電壓矢量對應一個輸出狀態。
本發明的高壓變頻器的SPWM調制與H橋型接線的高壓變頻器的SPWM調制完全不同H橋型接線的高壓變頻器的SPWM調制是每一個單元獨立進行逆變后再串聯疊加，其調制率低。而本發明的高壓變頻器實行三相同步調制，當需要變頻器輸出三相電壓的合成空間電壓矢量γ∠時，它按其相對應的頻率或速率在空間電壓矢量圖中沿著順時針方向或逆時針方向旋轉；在某一時刻，當γ∠的端點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，則按一定的時間比值反復執行在這三個頂點上的三個優化電壓輸出狀態與此同時，根據預定的規律沿著順時針或逆時針方向逐漸推移，隨后更換到鄰近的小三角形。本發明的高壓變頻二器主回路結構和SPWM調制都十分簡潔。
本發明的高壓變頻器具有下列諸多有益效果1.本發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、二次為多個繞組、體積龐大的整流變壓器，節約了大量的金屬材料。主回路的結構以及SPWM調制都顯得十分簡潔；摒棄了H橋型變頻器使用的單相逆變、串聯疊加的方式，代之以新型的三相輸出同步調制方式及變頻過程中從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的轉換，使系統控制簡單化。變頻器的功率器件在關斷過程中，不需設置延時死區，因而SPWM調制的占、空比高，使其輸出電壓控制性能更優。變頻器利用空間電壓矢量圖對輸出的狀態、空間電壓矢量進行優化選擇，能夠使功率器件的開關頻度達到很低的程度，脈沖驅動控制簡單化，大幅度地降低了功率器件關斷時的熱損耗。
2.本發明的高壓變頻器是根據不同的輸出電壓幅值，實行與之相適應的輸出電平數進行調制。故調制率即占、空比始終很高；輸出諧波分量低且穩定。
3.本發明的高壓變頻器在調制過程中，任何兩個電壓矢量或狀態之間的切換時只有一個電平之差。所以，輸出電壓的 始終很小，直流過電壓僅為一個電平的二倍。
4.本發明的高壓變頻器很好地解決了當前的功率器件IGBT承受耐壓低的問題。
權利要求
1.一種功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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、續流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數個功率器件基本段交錯連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內在機理優化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態，實現對變頻器的輸出電壓三相同步調制和變頻過程中的從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的變換。
2.根據權利要求1所述的功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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準連接兩種，第1段和第N段是變形連接，其余各段是標準連接。
3.根據權利要求2所述的功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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相的交流輸出線相接。
4.根據權利要求2所述的功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，其特征在于，所述功率器件基本段的標準連接方式為將第i個功率器件基本段的鉗位二極管-Dyi與第i+1個功率器件基本段的鉗位二極管-Dy(i+1)合并為一個鉗位二極管，將第i個功率器件基本段的鉗位二極管+Dyi與第i+1個功率器件基本段的鉗位二極管+Dz(i+1)合并為一個鉗位二極管。
全文摘要
本發明涉及一種功率器件基本段交錯連接的高壓變頻器，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、續流二極管以及直流電容器組成功率器件基本段，以數個功率器件基本段交錯連接組成變頻器主回路，用空間電壓矢量圖的內在機理優化選擇電壓空間矢量及其電壓輸出狀態，實現對變頻器的輸出電壓三相同步調制和變頻過程中的從旋轉的極坐標到靜止的平面三坐標的變換。變頻器采用雙脈寬調制接線，不設特殊的整流變壓器，變頻器整機結構大為簡化，性能優于傳統的高壓變頻器。變頻器輸出電壓瞬時跳變只有一個電平，功率器件開關頻度低，器件關斷時的熱損耗小，可靠性高。
文檔編號H02M5/00GK1625036SQ20041006711
公開日2005年6月8日 申請日期2004年10月13日 優先權日2004年10月13日
發明者鐘述文 申請人:鐘述文