一种级联型多电平变换器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种级联型多电平变换器，它包括：一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，该脉宽调制整流器的输出端连接直流母线，直流母线连接一逆变器的输入端，逆变器给交流电机供电；一控制单元与脉宽调制整流器之间进行信息交互，使脉宽调制整流器两端的电压与直流母线之间的若干电容电压平衡及电网侧输入功率因数为１，并控制逆变器输出频率可变的交流电。本实用新型专利技术不需要移相变压器，体积小，重量轻，成本低，还能四象限运行，具有明显的经济效益，适合于推广应用。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种电力电子高压大容量多电平变换器拓扑结构，特别是指 一种级联型多电平变换器。
技术介绍
高压大容量的交流电机广泛应用在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路以及船舶 等工业领域中。多电平技术对交流电机进行变频调速，不仅可以达到节能的目的， 还可以改善工艺条件，提高生产效率和产品质量。目前，大功率交流电机变频调速用的多电平变换器主要包括有两种 一种是 采用二极管箝位式的中压三电平变换器，另外一种是H桥级联型高压多电平变换 器。三电平变换器控制电压为3kV及3kV以下等级的交流电机，而H桥级联型多 电平变换器主要控制电压为6kV 10kV等级的大容量高压交流电机。三电平变换器中的变压器虽然比较简单，输出电压谐波也较低，但三电平变 换器存在上高压(一般高压指的是6kV 10kV)困难的问题，即便上了高压，三电 平变换器的电容电压也难以达到平衡。而H桥级联型变换器容易上高压，且输入侧采用了特殊制造的移相变压器， 通过这种移相变压器的叠加效应，可以产生正弦的网侧电流，使其功率因数接近l， 同时避免了对电网的谐波污染。但是，H桥级联型多电平变换器也存在一些问题， 比如由于H桥级联型多电平变换器中的每个功率单元前端采用了二极管不控整 流，因此在交流电机制动时，变换器不能实现四象限运行，即能量回馈电网；另 外移相变压器的抽头多，重量和体积大，而且成本高。
技术实现思路
针对上述问题，本技术的目的是提供一种不需要变压器，且能实现四象 限运行的智能化级联型多电平变换器。为实现上述目的，本技术采取以下技术方案 一种级联型多电平变换器， 其特征在于包括 一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，所述脉宽调制整流器 的输出端连接直流母线，所述直流母线连接一逆变器的输入端，所述逆变器给交 流电机供电； 一控制单元与所述脉宽调制整流器进行信息交互，控制所述脉宽调 制整流器两端的电压与所述直流母线 间的电容电压达到平衡，控制电网侧输入 功率因数为1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。所述脉宽调制整流器中，所述电网将交流电通过电感输送给与所述电感连接 的多电平桥臂； 一电压电流检测单元连接所述脉宽调制整流器的输入端，其将所述电网输入所述脉宽调制整流器内的电流、电压信号检测出来，传送给所述控制单元。所述多电平桥臂包括奇数个基本单元，所述基本单元包括多个串联的功率开 关器件，该串联电路同时并联有一箝位电容和一电压传感器，所述电压传感器将 所述箝位电容两端的电压信号检测出来，传送给所述控制单元。所述控制单元包括 一模数采集模块，接收所述脉宽调制整流器中的电压电 流检测单元和电压传感器输送的信号，转化为数字信号； 一开关量釆集模块，采集所述功率开关器件的过流和过热故障信号；一数字信号微处理器，包括一电压平衡模块和一脉宽调制生成模块，所述电压平衡模块接收所述模数采集模块传送 的信号并计算，得出所述脉宽调制整流器两端电压与正常值之间的偏差，之后所 述脉宽调制生成模块根据所述偏差，发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号；所述数字信号微处理器在所述功率开关器件存在故障时，接收所述开关量 采集模块传送的故障信号，及时发出相应的保护指令； 一开关量输出模块，接收 所述数字信号微处理器传送的辅助控制信号和保护指令； 一脉宽调制扩展模块， 接收所述脉宽调制输出模块传送的脉宽调制控制脉冲信号，及所述开关量输出模 块传送的辅助控制信号，并扩展所述脉宽调制控制脉冲信号；至少一个驱动电路， 接收所述脉宽调制扩展模块传送的脉宽调制控制脉冲信号并再次扩展，以驱动所 述脉宽调制整流器和逆变器中相应的功率开关器件导通或关断，使所述脉宽调制 整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压平衡及电网侧输入功率因数为 1，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。所述逆变器包括至少一个所述多电平桥臂，其接收所述脉宽调制整流器输送 的直流电，转化为频率可变的交流电并输出。所述脉宽调制整流器与所述逆变器为背靠背结构。本技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本技术省 掉了移相变压器，因此减小了体积和重量，降低了成本。2、由于本技术采用 的控制单元内预置有一电压平衡模块和一脉宽调制生成模块，其可以对输入脉宽 调制整流器的交流电、逆变器输出的交流电以及功率开关器件两端的电压进行实 时监测和控制，因此提高了电网功率因数和逆变器输出电压波形的质量，保证了 电容电压平衡，易于控制高压大容量和多电平的交流电机。3、由于本技术采 用的脉宽调制整流器和逆变器为背靠背结构，因此在交流电机制动时，变换器能够实现四象限运行，提高了交流电机的使用效率。本技术体积小，重量轻， 成本低，还能四象限运行，具有明显的经济效益，适用于不同中高压交流电机调 速领域。附图说明图1是本技术变换器的方框图图2是本技术脉宽调制整流器的结构图 图3是本技术逆变器的结构图 图4是本技术多电平桥臂的结构图 图5是本技术两电平桥臂中基本单元的结构图之一 图6是本技术两电平桥臂中基本单元的结构图之一 图7是本技术两电平桥臂的中间单元的结构图 图8是本技术控制单元的方框图 图9是本技术数字信号微处理器的组成图具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术进行详细的描述。如图1所示，本技术包括一脉宽调制整流器IO、直流母线20、 一逆变器 30和一控制单元40。脉宽调制整流器lO上的输入端ll、 12和13均与电网相连， 脉宽调制整流器10上的输出端分别连接直流母线20中的一正的直流母线P和一 负的直流母线N，直流母线P和直流母线N之间串联有多个电容21，且电容21的 正极连接直流母线P，直流母线P和直流母线N均同时连接逆变器30的输入端。 电网输出的三相交流电Usa、 Usb和Usc，分别通过输入端ll、 12和13输送至脉 宽调制整流器10，经过脉宽调制整流器IO转化为幅值稳定的直流电，该直流电通 过直流母线20传送至逆变器30，经过逆变器30转化为频率可变的交流电Ua、 Ub 和Uc，再分别通过逆变器30上的输出端31、 32和33输送给三相交流电机(图中 未示出)供电。交流电Ua、 Ub和Uc的输出相位对应于交流电Usa、 Usb和Use的 输入相位。在上述过程中，控制单元40与脉宽调制整流器10之间进行信息交互，使脉 宽调制整流器10两端的电压与直流母线20之间的电容21电压平衡，同时使电网 侧三相交流电Usa、 Usb和Use输入功率因数均为1，并且控制逆变器30输出频率 可变的交流电。上述实施例中，脉宽调制整流器10和逆变器30背靠背设置，因此本实用新 型实现了四象限运动，即能量的双向流动，从而提高了三相交流电机的使用效率。如图2所示，脉宽调制整流器10包括三相级联型的多电平桥臂14、电感15 和电压电流检测单元16。其中，输入端ll、 12和13分别通过三个电感15连接三 个多电平桥臂14，电网输出的三相交流电Usa、 Usb和Use分别通过三个电感15 输送到三个多电平桥臂14内。电压电流检测单元16连接输入端11、 12和13，通 过其中的电压传感器和电流传感器检测电网输入脉宽调制整流器10内的电流、电 压信号17，再将这些信号传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联型多电平变换器，其特征在于包括：一脉宽调制整流器的输入端与电网相连，所述脉宽调制整流器的输出端连接直流母线，所述直流母线连接一逆变器的输入端，所述逆变器给交流电机供电；一控制单元与所述脉宽调制整流器进行信息交互，控制所述脉宽调制整流器两端的电压与所述直流母线之间的电容电压达到平衡，控制电网侧输入功率因数为１，并控制所述逆变器输出频率可变的交流电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永东，王奎，郑泽东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]