專利名稱：采用級聯結構的多電平逆變器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓逆變器，尤其涉及一種采用級聯結構的多電 平逆變器及其控制方法，所述逆變器具有用于等同地控制多個功率單 元的功率因數的裝置。
背景技術：
通常，采用級聯結構的多電平逆變器是高壓、大容量逆變器的多 電平拓撲，其中串聯連接若干個單相逆變器(下面稱為功率單元)用 于三相電流的各相，因此利用功率單元中的低壓功率半導體開關就能 獲得高電壓。這樣，通過將多個單相功率單元串聯連接到各AC(交流電)相位， 采用級聯結構的多電平逆變器能夠利用半導體開關獲得高電壓。并且，采用級聯結構的多電平逆變器具有這樣的脈沖寬度調制/相移特性在相互串聯連接的功率單元之間順序地產生相位差。因此，多電平逆變器可具有低的輸出電壓變化率(dv/dt)。此外，由于輸出電壓 具有多電平(即多級)，所以采用級聯結構的多電平逆變器可獲得更小的 總諧波失真。此外，采用級聯結構的多電平逆變器極少發生電壓反射。因此， 即使采用級聯結構的多電平逆變器與馬達之間的距離較長，也不需要 使用單獨的裝置來防止電壓反射現象。但是，在采用級聯結構的多電平逆變器中，對于AC(交流電)輸入， 各單元相互獨立地包括由整流電路和平滑電路組成的AC-DC轉換器。因此，采用級聯結構的多電平逆變器需要獨立絕緣的功率源以用于各 功率單元，從而增加了次級繞組的必需供應。并且，由于使用對于各 輸出有相位延遲的移相變壓器，所以采用級聯結構的多電平逆變器產 生相位差，由于負載的電感成分等原因，采用級聯結構的多電平逆變 器對于例如關于U、 V、 W三相中各相的8個功率單元中的每一個都改變 相位，這導致功率因數，即各個相的余弦值各不相同。如果忽略這種功率因數的差別，則各功率單元中再生的電壓的電 平在控制馬達減速時改變。特別地，對于小負載，如果功率因數的差 別沒有得到補償，則再生電壓集中到特定的(功率)單元，這會使得相應 的單元出現問題或者被燒毀，從而導致采用級聯結構的多電平逆變器 的驅動變為不可能。發明內容因此，本發明的一個目的是提供一種采用級聯結構的多電平逆變 器，具有等同地控制其中的多個單位單元的功率因數的裝置，利用這種多電平逆變器，通過將各單元控制為具有相同的功率因數，能夠防 止當馬達或小負載減速時再生電壓集中在特定單元。本發明的另一目的是提供一種等同地控制多電平逆變器中多個單 位單元的功率因數的方法，利用這種方法，通過將各單元控制為具有 相同的功率因數，能夠防止當馬達或小負載減速時再生電壓集中在特定單元。為了實現符合本發明目的的上述及其它優點，如在此具體實施并 廣泛描述的，提供一種釆用級聯結構的多電平逆變器，具有等同地控 制各單位單元的功率因數的裝置，所述逆變器包括主令控制器，配 置為根據一組控制指令，從輸出電壓和輸出頻率中提取控制輸出；多 個功率單元，關于每個相位串聯連接，各功率單元包括AC(交流電) 轉換器，用于根據所述主令控制器的所述控制輸出將三相AC輸入電壓6轉換為DC(直流電)輸出電壓；平滑電路，用于平滑所述DC轉換器轉換 得到的DC電壓；以及逆變器，用平滑后的DC電壓作為輸入電壓，產生 AC輸出電壓；移相變壓器，用于提供功率單元輸入電壓，所述變壓器 具有連接三相AC功率源的初級繞組和相應地連接所述多個功率單元的 多個次級繞組；通信網絡，連接在所述主令控制器與各功率單元之間， 以在所述主令控制器與各功率單元之間提供通信路徑；多個單元控制 器，與各個功率單元以及所述主令控制器連接，以根據所述主令控制器的電壓指令和頻率指令來控制各個連接的功率單元的輸出電壓和輸 出頻率，并且各單元控制器具有脈沖寬度調制器，以產生用作脈沖寬 度調制基準的斬波，以便產生可變電壓和可變頻率的脈沖寬度調制控 制信號，由此將產生的脈沖寬度調制控制信號提供給相應連接的功率 單元，其中，各單元控制器根據連接單個相的功率單元的預定總數和 相應功率單元的層號(即串聯連接次序)，計算相應功率單元的相位差 值，以便使所述多個功率單元具有相同的功率因數，以據此將所述斬 波的相位移動通過該計算所得到的相位差值，由此補償各功率單元之 間的相位差。在本發明的另一方案中，提供一種用于等同地控制多電平逆變器 中各單位單元的功率因數的方法，所述多電平逆變器具有主令控制 器，配置為根據一組控制指令，產生并輸出一輸出電壓和輸出頻率的 控制輸出；多個功率單元，關于三個相位中的各相串聯連接，所述功 率單元具有逆變器，所述逆變器根據所述主令控制器的所述控制輸出， 用DC電壓作為輸入電壓，產生AC輸出電壓；移相變壓器，用于提供功 率單元輸入電壓，所述變壓器具有連接三相AC功率源的初級繞組和相 應地連接所述多個功率單元的多個次級繞組；通信網絡，連接在所述 主令控制器與各功率單元之間，以在所述主令控制器與各功率單元之 間提供通信路徑；多個單元控制器，與各個功率單元以及所述主令控 制器連接，以控制各個功率單元的輸出電壓和輸出頻率，各單元控制 器具有脈沖寬度調制器，以產生用作脈沖寬度調制基準的斬波，以便產生可變電壓和可變頻率的脈沖寬度調制控制信號，由此將產生的脈沖寬度調制控制信號提供給相應連接的功率單元，其中，各單元控制 器根據連接單個相的功率單元的預定總數和相應功率單元的層號，計 算相應功率單元的相位差值，以便使所述多個功率單元都具有相同的功率因數，以據此將所述斬波的相位移動通過該計算所得到的相位差 值，由此補償各功率單元之間的相位差，所述方法包括步驟根據與 單個相位相連接的功率單元的預定總數和相應功率單元的層號(即串聯 連接次序)，利用各單元控制器計算各相應功率單元的相位差；以及將 所述單元控制器的脈沖寬度調制器的所述基準斬波的相位移動通過在 計算所述相位差的步驟中計算所得到的所述相應功率單元的所述相位 差值，以使所述多個功率單元都具有相同的功率因數。根據下文對本發明的詳細描述并結合附圖，本發明的上述及其它 目的、特點、方案和優點將變得更加明顯。
所包括的附圖提供對本發明的進一步理解，合并在說明書中構成 說明書的一部分，附圖示出本發明的實施例，并和說明書一起用于解 釋本發明的原理。附圖中圖l為示出輸出頻率、功率單元的層號與功率因數之間的相互關系 的曲線圖，這個相互關系表明功率因數隨著輸出頻率、在采用級聯結 構的多電平逆變器中的功率單元層號的不同而變化；圖2為示出在根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器中主令 控制器、多個功率單元以及連接各個功率單元的單元控制器之間的通信結構的示意性方框圖；圖3為示出包括主令控制器、多個功率單元、連接各個功率單元的 單元控制器以及用于向馬達和功率單元提供輸入電壓的移相變壓器的 示意性方框電路圖；圖4為波形圖，其示出通過將基準斬波相移一個與通過計算公式得到的相應功率單元的相位差值一樣大的值，將多個功率單元控制為 對于各AC電流相位具有相同的功率因數，所述基準斬波用于在安裝在 各單元控制器中的脈沖寬度調制器中產生的脈沖寬度調制信號；以及 圖5為示出在根據本發明的釆用級聯結構的多電平逆變器及其方法步驟中等同地控制各單位單元的功率因數的操作的流程圖。
具體實施方式
通過對本發明優選實施例的以下描述并參照附圖，能夠更清楚地 理解本發明的目的和為了實現這些目的而釆用的結構以及操作效果。首先，圖1示出輸出頻率、功率單元的層號與功率因數之間的相 互關系，這個相互關系表明功率因數隨著輸出頻率、在采用級聯結構 的多電平逆變器中的功率單元層號的不同而變化。如圖1所示，可以看出當輸出頻率變高時，功率單元的功率因數下降。還可以看出對于三相AC(交流電)的各相，根據串聯連接的功率 單元的層號，也就是當層號(即連接次序)離輸入功率源更遠時，功率因 數下降。另一方面，參照圖2進行描述，圖2示出在根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器中的主令控制器、多個功率單元以及連接各功 率單元的單元控制器之間的通信結構，并示出功率單元的一個典型功率單元的具體結構。如圖2所示，在采用級聯結構的多電平逆變器中，主令控制器與 多個功率單元之間以及連接各個功率單元的單元控制器之間的通信結構包括主令控制器l;在主令控制器l的一側示出的CAN(控制器局 域網)驅動器la ，安裝在主令控制器l中或者分離地連接主令控制器l; 多個單元控制器l~n (即3-l~3-n);在各單元控制器l~n (即3-l 3-n)的 —側示出的CAN驅動器3a，安裝在單元控制器l~n (即3-l 3-n)中或者分離地連接單元控制器l-n(即3-l~3-n);光學網絡2，連接在主令控 制器l與單元控制器l~n (即3-l 3-n)之間，具體而言，連接在主令控 制器1 一側的CAN驅動器la與單元控制器l~n (即3-l 3-n)—側的CAN 驅動器3a之間；以及多個功率單元l n(即4-l 4-n)，通過總線分別連 接單元控制器1 n(即3-l~3-n)。在圖2中，主令控制器1可從主控制器(未示出)接收用戶預設的控 制指令、速度指令值和加速/減速時間，然后生成輸出電壓和輸出頻率 控制輸出，將其輸出到各單元控制器1 n(即3-l~3-n)。仍然參照圖2，在根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器中， 如功率單元1(4-1)的示例性詳細結構(在雙短劃線內)所示，各功率單元 l~n (即4-l 4-n)可包括整流電路部分4-la、平滑電路部分4-lb和逆變 器電路部分4-lc。整流電路部分4-la可實施為二極管橋，該二極管橋對圖3所示的 來自移相變壓器5的AC輸入電壓進行整流，從而輸出DC輸入電壓。平滑電路部分4-lb可實施為電容器(多個電容器)，該電容器連接 整流電路部分4-la的輸出端子，對整流電路部分4-la輸出的DC輸入電壓進行平滑。逆變器電路部分4-lc可實施為功率半導體開關，例如每相一對晶 閘管或一對IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，這些功率半導體開關連接平滑 電路部分4-lb的輸出端子，并由單元控制器3-1控制為相互有相位差 地交替導通和斷開。繼續參照圖2,各單元控制器l~n (即3-l 3-n)連接相應的功率單 元1 n (即4-l 4-n),并通過位于單元控制器一側的CAN驅動器3a、 光學網絡2以及位于主令控制器1 一側的CAN驅動器la連接到主令控制器1，以根據從主令控制器1接收的指令電壓和指令頻率控制相應 功率單元1 n(g卩4-l 4-n)的輸出電壓和輸出頻率。仍然參照圖2，采用級聯結構的多電平逆變器可使用CAN(控制器 局域網)作為主令控制器1與多個單元控制器1 n(即3-l 3-n)之間的通 信協議，并使用光纖網絡作為通信介質，從而保證抗噪聲能力和良好 的絕緣特性。下面參照圖3進行描述，圖3為示出包括主令控制器、多個功率 單元、連接各個功率單元的單元控制器以及用于向馬達和功率單元提 供輸入電壓的移相變壓器的示意性方框圖。圖3示出作為負載的AC馬達與三相AC供應的各相的功率單元之 間的連接，還示出在根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器中包 括作為主要部分的移相變壓器結構，移相變壓器用于向各功率單元提 供AC輸入電壓。如圖3所示，移相變壓器5包括初級繞組和多個次級繞組，所述 初級繞組連接三相商用AC功率源，所述多個次級繞組連接各相的功率 單元，以向各相的功率單元提供感應AC電壓作為輸入電壓，各感應 AC電壓從初級繞組感應得到，彼此相位不同。參照圖3，功率單元可包括相互串聯連接的、三相中的U相功 率單元(即U相功率單元l n (4U-l~4U-n));相互串聯連接的、三相中 的V相功率單元(即V相功率單元l~n(4V-l~4V-n));以及相互串聯連 接的、三相中的W相功率單元(即W相功率單元l~n (4W-l~4W-n))。仍然參照圖3， AC馬達6代表負載，通過接收各相的串聯連接的 功率單元的組合輸出電壓驅動該負載，各相的串聯連接的功率單元的 組合輸出電壓即U相功率單元l~n (4U-l 4U-n)的組合U相輸出電壓、V相功率單元l~n (4V-l 4V-n)的組合V相輸出電壓、以及W相功率 單元l~n (4W-l 4W-n)的組合W相輸出電壓。主令控制器1和單元控制器l~n (3-l 3-n)的基本結構和功能與參 照圖2所述的相同，不再重復說明。下面描述本發明的單元控制器l~n (3-l 3-n)的詳細結構和操作。也就是說，下面將更詳細地描述單元控制 器的詳細結構和操作，這些單元控制器是用于等同地控制各單位單元 的功率因數的裝置，由此，通過控制各單位單元具有相同的功率因數， 能夠防止在馬達或者小負載減速時再生電壓集中到特定單元。根據本發明通過單元控制器等同地控制各單位單元的功率因數的 方法大體上包括基于與相應的功率單元有關的信息(即與對于單個相 所連接起來的全部功率單元的預定數目有關的信息以及與相應的功率 單元的層號(串聯連接次序)有關的信息)，計算單位單元(即連接有用 于控制的單元控制器的功率單元)的相位差；將基準斬波(所謂的載波) 的相位移動一個與計算得到的相應功率單元的相位差一樣大的值，所 述基準斬波用于產生在單元控制器中安裝的脈沖寬度調制器的脈沖寬 度調制信號。首先，按照下面的計算公式(l)計算相應功率單元的相位差 = (180。/2") + {(180°/")><(相應功率單元的層數一1)}……公式(l) 其中a表示相位差(即相應功率單元的相位角)，n表示單個相(即相 應的相)的全部功率單元的預定數目，相應功率單元的層號表示相應功 率單元的層的數目(即串聯連接次序)，也就是預定的存儲值。因此，如果假定相應的功率單元是第一 V相功率單元(例如圖3中 離AC馬達最遠的功率單元1 (4V-1))，并且每一相共連接8個功率單 元，因為第一 V相功率單元是相應相的第一個功率單元，所以它的層 號為1。因此，按照公式(l)，相位差為11.25度(即180° /16=11.25° )。作為另一實例，如果相應的功率單元是第三W相功率單元(例如圖3中的4W-3),并且每一相連接8個功率單元，因為第三W相功率 單元(4W-3)是相應相的第三個功率單元，所以它的層號為3。因此，按 照公式(l)，相位差為56.25度(即180° /16+{180° /8X(3-1)}=56,25° )。也就是說在本發明中，單元控制器3-l 3-n按照計算公式(例如公 式(l))計算相應功率單元的相位差"。下面描述的步驟是，將基準斬波(所謂的載波)的相位移動一個與計 算得到的相應功率單元的相位差一樣大的值，所述基準斬波用于在安 裝在各單元控制器中的脈沖寬度調制器中產生脈沖寬度調制信號。各單元控制器3-l 3-n根據主令控制器(在圖3中用附圖標記1表 示)的指令電壓和指令頻率控制功率單元的輸出電壓和輸出頻率，然后 向連接的功率單元提供可變電壓和可變頻率的脈沖寬度調制控制信 號。為此，各單元控制器3-l 3-n可設置脈沖寬度調制器，脈沖寬度調制器產生用作脈沖寬度調制基準的斬波。該斬波在圖4中示出。如圖4 所示，如果相應功率單元的相位差a為250 ，則各單元控制器3-l 3-n 的脈沖寬度調制器將基準斬波的相位移動250 。最終，對于各相的 多個功率單元，COS0的0，即相位角變為相同。因此，對于各功率單元，功率因數，即coW的值變為相同。單元控制器如圖4所示的這種電路和硬件結構可實施為包括斬 波振蕩電路；移相器，用于將斬波的相位移動一個指令角；微處理器， 利用操作控制程序和存儲的信息向移相器指令一個角度，使移相器能 夠將相位移動必要的角度；存儲器(例如ROM(只讀存儲器或閃存))，用 于存儲計算公式，用于計算相位差a，以及存儲程序，用于控制移相器 將相位移動一個計算得到的相位差a ，并存儲相應功率單元的預定相位 和層號。因此，由圖3中的移相變壓器提供的AC輸入電壓被圖2所示的 相應功率單元的整流電路部分4-la和平滑電路部分4-lb整流并平滑， 從而轉換為DC輸入電壓。轉換得到的DC輸入電壓再被逆變器電路部 分4-lc轉換為具有需要的電壓和頻率的AC輸出電壓。這種AC輸出 電壓被U、 V、 W各相組合。最后，將高AC電壓作為驅動電壓提供給 馬達。圖5為示出根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器的操作及 控制方法的流程圖，下面描述該操作及控制方法。根據本發明控制多電平逆變器的方法可包括對于功率單元的相 位差計算步驟(ST1)，其中，利用單元控制器計算與單個相相連接的預 定總數的功率單元的相應功率單元的相位差以及相應功率單元的層號 (例如串聯連接次序)；基準斬波相位移動步驟(ST2)，其中，將單元控 制器中脈沖寬度調制器的斬波的相位移動一個在步驟ST1中獲得的相 應功率單元的相位差值，從而使多個功率單元的功率因數相同。也就是說，在步驟ST1中，單元控制器3-l 3-n通過公式(1)，利 用與單個相相連接的功率單元的總數、已存儲的功率單元的預定總數 以及相應功率單元的層號(即串聯連接次序)來計算功率單元的相位差。在步驟ST2(即移動基準斬波相位的步驟)中，單元控制器3-l 3-n 將單元控制器的脈沖寬度調制器的基準斬波的相位移動一個相應功率 單元的相位差值，也就是在步驟ST1(即計算相位差的步驟)中獲得的 值，使多個功率單元都能具有相同的功率因數。如上所述，在根據本發明的采用級聯結構的多電平逆變器中，各 個單元控制器能夠將在各個功率單元的輸出頻率和串聯連接位置(層) 產生的不同功率因數控制變為相同。因此，當馬達或小負載減速時， 能夠防止再生電壓集中到特定單元，從而避免特定單元出現故障或者被損壞。上述實施例和優點僅僅是示例性的，不應被解釋為限制本發明。 上述教導易于應用到其它類型的設備。說明書是解釋性的，并不限制 權利要求書的范圍。對于本領域技術人員來說許多替代方案、改型和 變型將顯而易見。這里描述的示例性實施例的特點、結構、方法以及 其它特征可以用各種方式結合起來，從而獲得附加的和/或替代的示例 性實施例。由于本發明可實施為多種形式而不脫離其特征，所以應當理解， 除非另有規定，上述實施例不受說明書的任何細節所限制，而是應當在所附權利要求書限定的范圍內作寬泛的解釋，因此所有落入權利要 求書的界限和范圍內或者這樣的界限和范圍的等同物內的變型和改型 都將涵蓋在所附權利要求書中。
權利要求
1.一種采用級聯配置的多電平逆變器，具有用于等同地控制各單位單元的功率因數的裝置，所述逆變器包括主令控制器，配置為根據一組控制指令，從輸出電壓和輸出頻率中提取控制輸出；多個功率單元，關于每個相位串聯連接，各功率單元包括AC(交流電)轉換器，用于根據來自所述主令控制器的所述控制輸出將三相AC輸入電壓轉換為DC(直流電)輸出電壓；平滑電路，用于平滑來自DC轉換器的轉換后的DC電壓；以及逆變器，把平滑后的DC電壓作為輸入電壓，產生AC輸出電壓；移相變壓器，用于提供功率單元輸入電壓，所述變壓器具有用來連接到三相AC功率源的初級繞組和相應地連接到所述功率單元的多個次級繞組；通信網絡，連接在所述主令控制器與每個功率單元之間，以在所述主令控制器與每個功率單元之間提供通信路徑；單元控制器，與所述各個功率單元以及所述主令控制器連接，以根據來自所述主令控制器的電壓指令和頻率指令來控制各個連接的功率單元的輸出電壓和輸出頻率，并且每個單元控制器具有脈沖寬度調制器，以產生用作脈沖寬度調制基準的斬波，以便產生可變電壓和可變頻率的脈沖寬度調制控制信號，由此將產生的脈沖寬度調制控制信號提供給相應連接的功率單元，其中，每個單元控制器根據與單個相位相連接的功率單元的預定總數和相應功率單元的層號(即串聯連接次序)，來計算相應功率單元的相位差值，以便允許所述多個功率單元具有相同的功率因數，據此將所述斬波的相位移動該計算所得到的相位差值，由此補償各功率單元之間的相位差。
2. 如權利要求l所述的多電平逆變器，其中，所述單元控制器配 置為通過計算公式計算所述相位差值，其中，所述相位差值=(180° /2n)+{(180° /n)X(相應功率單元的層號_1)}，其中n表示對于單個相位的功率單元的總數。
3. 如權利要求l所述的多電平逆變器，其中，所述通信網絡使用 CAN(控制器局域網)作為通信協議，并使用光纖網絡作為通信介質。
4. 一種用于等同地控制多電平逆變器中各單位單元的功率因數的 方法，所述多電平逆變器具有主令控制器，配置為根據一組控制指 令，產生并輸出輸出電壓和輸出頻率的控制輸出；多個功率單元，關 于三相中的每個相位串聯連接，所述功率單元具有逆變器，所述逆變 器根據來自所述主令控制器的所述控制輸出，用DC電壓作為輸入電壓 來產生AC輸出電壓；移相變壓器，用于提供功率單元輸入電壓，所述 變壓器具有與三相AC功率源相連接的初級繞組和相應地與所述功率單 元相連接的多個次級繞組；通信網絡，連接在所述主令控制器與每個 功率單元之間，以在所述主令控制器與每個功率單元之間提供通信路 徑；和單元控制器，與各個功率單元以及所述主令控制器連接，以控 制各個功率單元的輸出電壓和輸出頻率，每個單元控制器具有脈沖寬 度調制器，用于產生用作脈沖寬度調制基準的斬波，從而產生可變電 壓和可變頻率的脈沖寬度調制控制信號，由此將產生的脈沖寬度調制 控制信號提供給相應連接的功率單元，其中，每個單元控制器根據與 單個相位相連接的功率單元的預定總數和相應功率單元的層號，來計 算相應功率單元的相位差值，以便使所述多個功率單元都具有相同的功率因數，以據此將所述斬波的相位移動該計算所得到的相位差值，由此補償各功率單元之間的相位差，所述方法包括以下步驟-根據與單個相位相連接的所述功率單元的所述預定總數和所述相應功率單元的所述層號(即串聯連接次序)，利用每個單元控制器來計算每個相應功率單元的所述相位差；以及將所述單元控制器的所述脈沖寬度調制器的所述基準斬波的相位移動如在計算所述相位差的步驟中計算出的所述相應功率單元的所述相位差值，以使所述多個功率單元都具有相同的功率因數。
5.如權利要求4所述的方法，其中通過計算公式計算所述相應功 率單元的所述相位差，其中所述相位差值=(180° /2n)+{(180° /n)X(相應功率單元的層 號-"}，其中n表示對于單個相位的功率單元的總數。
全文摘要
一種采用級聯結構的多電平逆變器，具有用于等同地控制各單位單元的功率因數的裝置，包括主令控制器；多個功率單元，對于三個AC(交流電)相位中的各相位串聯連接；移相變壓器，用于位功率單元提供輸入電壓；通信網絡，在主令控制器與各功率單元之間提供通信路徑；多個單元控制器，根據來自主令控制器的電壓指令和頻率指令來控制各個功率單元的輸出電壓和輸出頻率，各單元控制器具有脈沖寬度調制器，以為所連接的相應功率單元產生可變電壓和可變頻率的脈沖寬度調制控制信號，其中各單元控制器被配置為根據連接的功率單元的預定總數和相應功率單元的層號(即串聯連接次序)來計算相應功率單元的相位差值，據此將斬波的相位移動該計算所得到的相位差值，以補償各功率單元之間的相位差。
文檔編號H02M7/48GK101262178SQ200810082580
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月5日 優先權日2007年3月5日
發明者張漢根 申請人:Ls產電株式會社