專利名稱：變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐返闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆?路，它屬于一種主要用于大功率、高電壓交流電機(jī)的變頻調(diào)壓設(shè)備的主體部 分。
背景技術(shù)：
隨著電力電子元器件和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如可關(guān)斷門的可控硅整流器(GTO)，絕緣柵型雙極三極管(IGBT)，加強(qiáng)型的絕緣柵型雙極三極管 (IGET)，加強(qiáng)型的可關(guān)斷門的可控硅整流器(IGCT)的開發(fā)以及變頻技術(shù) 結(jié)構(gòu)形式和控制技術(shù)的發(fā)展，使得高電壓大容量變頻調(diào)壓設(shè)備得以迅速應(yīng)用 在電力系統(tǒng)及工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中。變頻設(shè)備首先經(jīng)歷的是原有兩電平輸出的控制單元。如圖1所示。但由 于兩電平的輸出無論采用何種控制方式，甚至優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制(PWM) 控制方式都難以使輸出波形接近正弦波以達(dá)到完美無諧波。當(dāng)變頻器運(yùn)行在 低頻時則輸出波形畸變顯著。所以，從事此領(lǐng)域研究的人們自然想到增加兩 電平模塊的串并聯(lián)數(shù)量以求達(dá)到多電平輸出，從而使輸出波形接近正弦波， 這樣的技術(shù)被稱為多重化技術(shù)。如圖2所示。從圖2 A相中的每個模塊可輸 出由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制的波形(圖3中(a) Al-A5)。將圖3中(a) Al-A5的波形疊加即可得到A相的最終的多重化技術(shù)輸出的波形(圖3中 (b))。多重化技術(shù)是在原有的兩電平控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，串并聯(lián)多個元器件而 形成的。當(dāng)元器件并聯(lián)連接時，輸出電壓要滿足元器件承受電壓的要求，這 種連接方式所引起的問題與復(fù)雜的均流裝置結(jié)合在一起，電路的復(fù)雜程度常 常易造成元件的損壞。對于串聯(lián)元器件的連接方式，輸出電流同樣要滿足元 器件的承受能力要求，更要確保其分布在元器件上的電壓在任何情況下都要 均衡，故也常常容易發(fā)生系統(tǒng)的故障。因此，從系統(tǒng)可靠性的角度來說，它 們都很難保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，輸出波形也較差， 常常造成較嚴(yán)重的各次諧波。另外，串并聯(lián)器件的動態(tài)電阻和極電容不同也 會使控制電路復(fù)雜，損耗增加。同時器件的串聯(lián)對觸發(fā)電路的要求也大大的 提高。要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通或斷開，否則，由于各器件開斷時間不 一，承受電壓不均，會導(dǎo)致器件損壞，甚至整個裝置崩潰。另外，基于多重化方法設(shè)計(jì)制造的大功率高電壓變頻調(diào)壓設(shè)備不易解決 均流均壓的問題，故在設(shè)備及系統(tǒng)中會產(chǎn)生較顯著的各次諧波。諧波會污染 電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上其它用電設(shè)備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。諧波 還會干擾通訊和控制系統(tǒng)，嚴(yán)重時會使通訊中斷，系統(tǒng)癱瘓。諧波電流也會 使電動機(jī)損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數(shù)下降。最后，由于多重化技術(shù)每模擬單元至少需要4個開關(guān)元件，而每模擬單 元又需要獨(dú)立的移相變壓器供電，故若追求多電平輸出波形，自然需增加開 關(guān)數(shù)量及模擬單元的數(shù)量，進(jìn)而使控制系統(tǒng)軟硬件更加復(fù)雜，從而造成整個 系統(tǒng)龐大，造價高，經(jīng)濟(jì)效益低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)難點(diǎn)并提供一種結(jié)構(gòu)簡單、絕緣柵型雙極 三極管數(shù)量少、易于控制的變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓 撲電路。本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平 完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，它至少由三個單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐方M成，每相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?8個二極管Dl 18、 10個絕緣柵雙極三極管 IGBT1 10、電阻R1、 R2和電容C1、 C2構(gòu)成；絕緣柵雙極三極管IGBT1、 2、 3和4串聯(lián)連接，絕緣柵雙極三極管IGBT5、 6、 7和8串聯(lián)連接，上述兩個 串聯(lián)電路中的絕緣柵雙極三極管IGBT1的集電極與絕緣柵雙極三極管IGBT5 的集電極并聯(lián)連接后與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，絕緣柵雙極 三極管IGBT4的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT8的發(fā)射極并聯(lián)連接后與絕 緣柵雙極三極管IGBT10的集電極連接，二極管D17、 D18串聯(lián)后其二極管 D17的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT6的集電極連接，二極管D18的正極與 絕緣柵雙極三極管IGBT8的集電極連接，二極管D15、 D16串聯(lián)后其二極管 D15的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT2的集電極連接，二極管D16的正極與 絕緣柵雙極三極管IGBT4的集電極連接；電容Cl、 C2串聯(lián)后電容Cl的正 極與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，電容C2的負(fù)極與絕緣柵雙極 三極管IGBT10的集電極連接，電阻R1、 R2串聯(lián)后電阻R1的一端與絕緣柵 雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，電阻R2的另一端與絕緣柵雙極三極管 IGBT10的集電極連接，二極管D13與二極管D14串聯(lián)后二極管D13的負(fù)極 與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，二極管D14的正極與絕緣柵雙極 三極管IGBTIO的集電極連接；由二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6組成 三相整流橋，二極管Dl和D4串聯(lián)連接，二極管D2和D5串聯(lián)連接，二極 管D3和D6串聯(lián)連接，然后，二極管D1的負(fù)極、二極管D2的負(fù)極和二極 管D3的負(fù)極并聯(lián)后與絕緣柵雙極三極管IGBT9的集電極連接，二極管Dl 的正極、二極管D2的正極和二極管D3的正極并聯(lián)后與中線連接；由二極管 D7、 D8、 D9、 DIO、 Dll和D12組成另一個三相整流橋，二極管D7和D10 串聯(lián)連接，二極管D8和D11串聯(lián)連接，二極管D9和D12串聯(lián)連接，然后， 二極管D10的正極、二極管Dll的正極和二極管D12的正極并聯(lián)后與絕緣柵 雙極三極管IGBT10的發(fā)射極連接，二極管D7的負(fù)極、二極管D8的負(fù)極和 二極管D9的負(fù)極并聯(lián)后與中線連接；二極管D13的正極與二極管D14的負(fù) 極的連接點(diǎn)與中線連接，電容C1的負(fù)極和電容C2的正極的連接點(diǎn)與中線連 接，電阻Rl和電阻R2的連接點(diǎn)與中線連接，二極管D15的正極與二極管 D16的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接，二極管D17的正極與二極管D18的負(fù)極的 連接點(diǎn)與中線連接；絕緣柵雙極三極管IGBT2的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管 IGBT3的集電極的連接點(diǎn)與三相的公共中線連接，絕緣柵雙極三極管IGBT6 的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT7的集電極的連接點(diǎn)與電動機(jī)的U相連 接；二極管D1的負(fù)極、二極管D2的負(fù)極、二極管D3的負(fù)極和絕緣柵雙極 三極管IGBT9的集電極與直流電源的正極+E相連，二極管D10的正極、二極管Dll的正極、二極管D12的正極和絕緣柵雙極三極管IGBTIO的發(fā)射極 與直流電源的負(fù)極-E相連。由于本發(fā)明采用了上述結(jié)構(gòu)的形式的技術(shù)方案，因此，與背景技術(shù)相比， 具有以下有益效果。(1) 本發(fā)明利用低電壓、小功率的絕緣柵雙極三極管IGBT開關(guān)的組合 實(shí)現(xiàn)了大功率高電壓變頻調(diào)壓設(shè)備的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐贰?2) 本發(fā)明的輸出電壓波形為五電平完美無諧波，其總體諧波畸變率 (THD)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足IEEE 519-1992的要求。(3) 本發(fā)明電路易于控制，可用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式去完 成系統(tǒng)的無功功率分布，進(jìn)而達(dá)到使系統(tǒng)功率因數(shù)趨于l的目的。(4) 同理，控制本發(fā)明開關(guān)的組合，進(jìn)而控制向電動機(jī)輸入的電流電壓， 使其呈現(xiàn)各種各樣的波形，以滿足啟動負(fù)荷的需要，從而達(dá)到在各種負(fù)荷狀 態(tài)下的電動機(jī)軟啟動功能。(5) 與系統(tǒng)的多重化結(jié)構(gòu)比較，多重化方法若要輸出五電平波形，需要 4個兩電平模塊，而每模塊至少需4個開關(guān)，故每相至少需要4*4=16個絕緣 柵雙極三極管IGBT開關(guān)。而本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚捎诓捎昧睡B加技術(shù)， 每相只需8個開關(guān)。為保證在低頻低壓運(yùn)行時仍可輸出五電平電壓波形，需 再加2個IGBT開關(guān)作為直流斬波器，這樣，加在一起有10個開關(guān)。能節(jié)約 大量的費(fèi)用。(6) 多重化技術(shù)不僅需開關(guān)數(shù)量多，且每模塊還需單獨(dú)的移相變壓器供 電，故本發(fā)明與其相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價費(fèi)用低，且便于控制。


圖1是用于多重化的可輸出兩電平波形的4開關(guān)模塊；圖2是五個模塊串聯(lián)組成的可輸出六電平波形的多重化技術(shù)連接示意圖；圖3是多重化技術(shù)每一項(xiàng)模塊輸出波形和最終疊加波形示意圖；圖4是本發(fā)明的開關(guān)拓?fù)潆娐吩韴D；圖5是本發(fā)明輸出五電平開關(guān)操作示意圖6是本發(fā)明輸出五電平向四電平降落時波形示意圖； 圖7是本發(fā)明輸出四電平向三電平降落時波形示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖4所示，本實(shí)施例中的變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)潆娐罚扇齻€單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐方M成，U相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆?路由18個二極管D1 18、 10個絕緣柵雙極三極管IGBT1 10、電阻R1、 R2 和電容C1、 C2構(gòu)成；絕緣柵雙極三極管IGBT1、 2、 3和4串聯(lián)連接，絕緣 柵雙極三極管IGBT5、 6、 7和8串聯(lián)連接，上述兩個串聯(lián)電路中的絕緣柵雙 極三極管IGBT1的集電極與絕緣柵雙極三極管IGBT5的集電極并聯(lián)連接后與 絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，絕緣柵雙極三極管IGBT4的發(fā)射極 與絕緣柵雙極三極管IGBT8的發(fā)射極并聯(lián)連接后與絕緣柵雙極三極管 IGBT10的集電極連接，二極管D17、 D18串聯(lián)后其二極管D17的負(fù)極與絕 緣柵雙極三極管IGBT6的集電極連接，二極管D18的正極與絕緣柵雙極三極 管IGBT8的集電極連接，二極管D15、 D16串聯(lián)后其二極管D15的負(fù)極與絕 緣柵雙極三極管IGBT2的集電極連接，二極管D16的正極與絕緣柵雙極三極 管IGBT4的集電極連接；電容Cl、 C2串聯(lián)后電容Cl的正極與絕緣柵雙極 三極管IGBT9的發(fā)射極連接，電容C2的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT10 的集電極連接，電阻R1、R2串聯(lián)后電阻R1的一端與絕緣柵雙極三極管IGBT9 的發(fā)射極連接，電阻R2的另一端與絕緣柵雙極三極管IGBTIO的集電極連接， 二極管D13與二極管D14串聯(lián)后二極管D13的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管 IGBT9的發(fā)射極連接，二極管D14的正極與絕緣柵雙極三極管IGBT10的集 電極連接；由二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6組成三相整流橋，二極管 Dl和D4串聯(lián)連接，二極管D2和D5串聯(lián)連接，二極管D3和D6串聯(lián)連接， 然后，二極管D1的負(fù)極、二極管D2的負(fù)極和二極管D3的負(fù)極并聯(lián)后與絕 緣柵雙極三極管IGBT9的集電極連接，二極管Dl的正極、二極管D2的正 極和二極管D3的正極并聯(lián)后與中線連接；由二極管D7、 D8、 D9、 DIO、 Dll 和D12組成另一個三相整流橋，二極管D7和D10串聯(lián)連接，二極管D8和 Dll串聯(lián)連接，二極管D9和D12串聯(lián)連接，然后，二極管D10的正極、二 極管Dll的正極和二極管D12的正極并聯(lián)后與絕緣柵雙極三極管IGBT10的 發(fā)射極連接，二極管D7的負(fù)極、二極管D8的負(fù)極和二極管D9的負(fù)極并聯(lián) 后與中線連接;二極管D13的正極與二極管D14的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接， 電容Cl的負(fù)極和電容C2的正極的連接點(diǎn)與中線連接，電阻Rl和電阻R2 的連接點(diǎn)與中線連接，二極管D15的正極與二極管D16的負(fù)極的連接點(diǎn)與中 線連接，二極管D17的正極與二極管D18的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接；絕緣 柵雙極三極管IGBT2的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT3的集電極的連接點(diǎn) 與三相的公共中線連接，絕緣柵雙極三極管IGBT6的發(fā)射極與絕緣柵雙極三 極管IGBT7的集電極的連接點(diǎn)與電動機(jī)的U相連接；二極管D1的負(fù)極、二 極管D2的負(fù)極、二極管D3的負(fù)極和絕緣柵雙極三極管IGBT9的集電極與 直流電源的正極+E相連，二極管D10的正極、二極管D11的正極、二極管 D12的正極和絕緣柵雙極三極管IGBTIO的發(fā)射極與直流電源的負(fù)極-E相連。 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐返腣相和W相的所有元器件以及連接方式與U相的開關(guān) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐吠耆嗤?。圖中Tl、 T2是隔離變壓器的二次線圈，其作用為 向相應(yīng)的二極管整流橋供電。上述電路中的絕緣柵雙極三極管IGBT1、 5、 4、 8用作脈沖寬度調(diào)制 (PWM)控制作用，絕緣柵雙極三極管IGBT2、 3、 6、 7用作電平疊加作用， 與其相對應(yīng)連接的二極管D15、 D16、 D17、 D18均為箝位二極管。本發(fā)明的開關(guān)工作原理是如圖5所示，當(dāng)U相的開關(guān)(絕緣柵雙極三 極管IGBT) 3、 4禾卩5、 6以及V相的開關(guān)(絕緣柵雙極三極管IGBT) 2、 7、 8導(dǎo)通時，在V相的開關(guān)(絕緣柵雙極三極管IGBT) l上施加脈沖寬度調(diào)制 (PWM)信號時，就會產(chǎn)生如圖6所示的五電平信號。如圖5所示，當(dāng)U相的開關(guān)(絕緣柵雙極三極管IGBT) 3、 4和5、 6以 及V相的開關(guān)(絕緣柵雙極三極管IGBT) 2、 7導(dǎo)通時，在V相的開關(guān)(絕 緣柵雙極三極管IGBT) 1上施加脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號時，就會產(chǎn)生
如圖7所示的四電平信號。根據(jù)上述原理，配合不同的開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生出0， E， 2E， 3E， 4E 五個電平信號。在每一個電平臺階上，又可以根據(jù)不同脈寬的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)信號，模擬出本段的波形，從而能夠形成比較完美的正弦波。當(dāng)需要對輸出電壓的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)時?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)各相的斬波開關(guān)(絕 緣柵雙極三極管IGBT9、 10)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 當(dāng)進(jìn)行斬波操作時，二極管D13、 D14和電阻R1、 R2起續(xù)流作用，電容C1、 C2起濾波和穩(wěn)壓作用。
權(quán)利要求
1、一種變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐罚涮卣魇撬辽儆扇齻€單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐方M成，每相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?8個二極管D1～18、10個絕緣柵雙極三極管IGBT1～10、電阻R1、R2和電容C1、C2構(gòu)成；絕緣柵雙極三極管IGBT1、2、3和4串聯(lián)連接，絕緣柵雙極三極管IGBT5、6、7和8串聯(lián)連接，上述兩個串聯(lián)電路中的絕緣柵雙極三極管IGBT1的集電極與絕緣柵雙極三極管IGBT5的集電極并聯(lián)連接后與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，絕緣柵雙極三極管IGBT4的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT8的發(fā)射極并聯(lián)連接后與絕緣柵雙極三極管IGBT10的集電極連接，二極管D17、D18串聯(lián)后其二極管D17的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT6的集電極連接，二極管D18的正極與絕緣柵雙極三極管IGBT8的集電極連接，二極管D15、D16串聯(lián)后其二極管D15的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT2的集電極連接，二極管D16的正極與絕緣柵雙極三極管IGBT4的集電極連接；電容C1、C2串聯(lián)后電容C1的正極與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，電容C2的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT10的集電極連接，電阻R1、R2串聯(lián)后電阻R1的一端與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，電阻R2的另一端與絕緣柵雙極三極管IGBT10的集電極連接，二極管D13與二極管D14串聯(lián)后二極管D13的負(fù)極與絕緣柵雙極三極管IGBT9的發(fā)射極連接，二極管D14的正極與絕緣柵雙極三極管IGBT10的集電極連接；由二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6組成三相整流橋，二極管D1和D4串聯(lián)連接，二極管D2和D5串聯(lián)連接，二極管D3和D6串聯(lián)連接，然后，二極管D1的負(fù)極、二極管D2的負(fù)極和二極管D3的負(fù)極并聯(lián)后與絕緣柵雙極三極管IGBT9的集電極連接，二極管D1的正極、二極管D2的正極和二極管D3的正極并聯(lián)后與中線連接；由二極管D7、D8、D9、D10、D11和D12組成另一個三相整流橋，二極管D7和D10串聯(lián)連接，二極管D8和D11串聯(lián)連接，二極管D9和D12串聯(lián)連接，然后，二極管D10的正極、二極管D11的正極和二極管D12的正極并聯(lián)后與絕緣柵雙極三極管IGBT10的發(fā)射極連接，二極管D7的負(fù)極、二極管D8的負(fù)極和二極管D9的負(fù)極并聯(lián)后與中線連接；二極管D13的正極與二極管D14的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接，電容C1的負(fù)極和電容C2的正極的連接點(diǎn)與中線連接，電阻R1和電阻R2的連接點(diǎn)與中線連接，二極管D15的正極與二極管D16的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接，二極管D17的正極與二極管D18的負(fù)極的連接點(diǎn)與中線連接；絕緣柵雙極三極管IGBT2的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT3的集電極的連接點(diǎn)與三相的公共中線連接，絕緣柵雙極三極管IGBT6的發(fā)射極與絕緣柵雙極三極管IGBT7的集電極的連接點(diǎn)與電動機(jī)的U相連接；二極管D1的負(fù)極、二極管D2的負(fù)極、二極管D3的負(fù)極和絕緣柵雙極三極管IGBT9的集電極與直流電源的正極+E相連，二極管D10的正極、二極管D11的正極、二極管D12的正極和絕緣柵雙極三極管IGBT10的發(fā)射極與直流電源的負(fù)極-E相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，它屬于一種主要用于大功率、高電壓交流電機(jī)的變頻調(diào)壓設(shè)備的主體部分。本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有的多重化技術(shù)存在的系統(tǒng)龐大、造價高、經(jīng)濟(jì)效益低的技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平完美無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐?，它至少由三個單相的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐方M成，每相開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐酚?8個二極管D1～18、10個絕緣柵雙極三極管IGBT1～10、電阻R1、R2和電容C1、C2構(gòu)成。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、造價費(fèi)用低、且便于控制等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02M7/539GK101154895SQ20071013931
公開日2008年4月2日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者張曉巍, 李剛菊, 李彥昌, 楊文元, 趙春生, 鄭德化 申請人:山西合創(chuàng)電力科技有限公司