用于确定中压逆变器的移相变压器中的相位角的方法

摘要

本发明公开了一种用于确定中压逆变器的移相变压器中的相位角的方法，该方法包括：相对于第一级的单位功率单元选择任意的移相角和相位角；考虑移相角和连接至电动机的各相的单位功率单元的数量来确定相位角位移；使用在第一级的单位功率单元的相位角来确定在第二级的单位功率单元的相位角；并且当所确定的在第二级的单位功率单元的相位角超过预定相位角时，修正相位角。

说明书

技术领域

根据本公开的示例性实施例的教导主要涉及一种用于确定中压逆变器的 移相变压器中的相位角的方法。

背景技术

通常，多电平中压逆变器是具有线间电压的rms(均方根)值超过600 V 的输入电力的逆变器，并且在输出相电压上具有数个级。多电平中压逆变器 通常用于驱动风扇、泵、压缩机、牵引机、升降机和输送机(作为非限制性 的示例)的范围从几kW到几MW负载量的大惯性的工业负载。

多电平中压逆变器使用移相变压器来减少谐波，其中，移相变压器的移 相角由单位功率单元的数量决定，并且，增加了数量的单位功率单元能改善 输入端的THD(Total Harmonic Distortion，总谐波畸变)。但是，单位功率单元 的数量会不利地在输入相电流中引起THD。

图1是示出常规多电平中压逆变器的结构的电路图，其是示出串联级联 的H桥多电平逆变器的示意图，而图2是示出图1的单位功率单元的详细结 构的示意图。

通用的多电平中压逆变器100中的移相变压器110根据单位功率单元 120的要求而改变高输入电力中的电压的相位和大小。移相变压器110的输 出电压是各个单位功率单元120的输入电力，并通过三相二极管整流器121 被转换为DC。

图3a和图3b示出了移相变压器110的结构和相位图，其中，当以N₁匝的Y绕组形成移相变压器110的一次侧，以N₂匝的三角形(Δ)绕组形成 二次侧，并且以N₃匝的绕组形成三次侧时，二次侧的移相角相对于一次侧的 移相角是正的(Y/Z-1)。

另外，图4a和图4b示出移相变压器110的结构和相位图，其中，当以 N₁匝的Y绕组形成移相变压器110的一次侧，以N₂匝的三角形(Δ)绕组形 成二次侧，并且以N₃匝的绕组形成三次侧时，二次侧的相移角相对于一次侧 的移相角是负的(Y/Z-2)。

如前述所提到的，移相变压器110的移相角由单位功率单元120的数量 决定，其中，单位功率单元120的Ax、Bx、Cx分别具有相同的移相角。移 相变压器的二次侧的输出对应于单位功率单元120处的二极管整流器121的 数量，并且可以通过下面的等式来确定移相变压器110的移相角。

【等式1】

${\alpha }_{\sec }=\frac{360}{{2N}_{\sec }}$

其中α_sec的单位是[度]，而N_sec是在移相变压器110的二次侧的输出的数 量，或者是单位功率单元120的总数。例如，在图1中N_sec是9，而α_sec是20°。 因而，整个移相角可以基于0°而被选择为0°、20°、-20°。

当两个单位功率单元被用于电动机的各相时，N_sec是6并且α_sec是30°。 这时，移相角可以基于0°而被选择为0°、30°。

如此描述的常规移相变压器能够输出具有相同移相角的三对二次绕组， 使得当用于电动机的各相的单位功率单元的数量小于3时，在电源侧的输入 相电流中减少的THD会出现上升的问题。

引起这个问题的原因是，不能在移相变压器110中选择足够小的移相角， 使得常规的移相变压器110的结构不利地产生了如下问题：只有在对于电动 机的各相连接超过三个的单位功率单元时，才能满足系统中输入相电流处的 THD谐波控制。

发明内容

本公开提供一种用于确定中压逆变器的移相变压器中的相位角的方法， 其被配置为即使在连接至多电平中压逆变器的电动机的各相的单位功率单元 的数量少于3时，也能够减轻在移相变压器的一次侧的输入相电流的THD。

在本公开的一个总的方案中，提供了一种用于确定中压逆变器的移相变 压器中的相位角的方法，逆变器包括以第一级和第二级形成的多个单位功率 单元，其中每一级形成有三相单位功率单元，并且多个单位功率单元分别连 接到移相变压器，所述方法包括：

相对于第一级的单位功率单元选择任意的移相角和相位角；

考虑移相角和连接至电动机的各相的单位功率单元的数量来确定相位角 位移；

使用在第一级的单位功率单元的相位角来确定在第二级的单位功率单元 的相位角；并且

当所确定的在第二级的单位功率单元的相位角超过预定相位角时，修正 相位角。

优选地，但不是必要地，预定相位角可以最大为30°。

优选地，但不是必要地，可以通过使用下面的等式对相位角执行修正：

$X^{\prime }n=\mathrm{sgn}\left(\mathrm{Xn}\right)\frac{6\left|\mathrm{Xn}\right|-360}{6},$

其中X'n是单位功率单元的经修正的相位角，Xn是单位功率单元的相位 角(n是正整数)，而sgn(Xn)是确定符号的函数，其中当为正的时，'1' 被输出，当为负的时，'-1'被输出。

优选地，但不是必要地，所述相位角位移可以是，在第一级中的单位功 率单元的移相角除以连接至电动机的各相的单位功率单元的数量所得到的 值。

优选地，但不是必要地，，所述多个单位功率单元的相位角可以相对于各 个单位功率单元单独地确定。

优选地，但不是必要地，在第二级的单位功率单元的相位角可以是，在 第一级的单位功率单元的相位角加上所述相位角位移而得到的值。

优选地，但不是必要地，第三级的单位功率单元可以进一步连接至所述 移相变压器，并且在第三级的单位功率单元的相位角可以是，在第一级的单 位功率单元的相位角加上两倍的相位角位移而得到的值。

本公开的有益效果

本公开所具有的有益效果在于，即使在多电平中压逆变器中连接至电动 机的各相的单位功率单元的数量较少时，也能够减轻在移相变压器的一次侧 的输入相电流的THD。

附图说明

图1是示出常规的多电平中压逆变器的结构的电路图。

图2是示出图1的单位功率单元的详细结构的示意图。

图3a是示出图1的移相变压器的结构视图。

图3b是示出图1的移相变压器的相位图。

图4a是示出图1的移相变压器的结构视图。

图4b是示出图1的移相变压器的相位图。

图5是示出根据本公开的多电平中压逆变器的结构的电路图。

图6和图7分别是示出图5的单位功率单元的详细结构的示意图。

图8是示出根据本公开的示例性实施例的用于相位角的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述各个示例性实施例，其中示出了一些示例 性实施例。然而，本发明的创造性构思可以体现多个不同形式中，而且不应 被解释为限于这里所提出的示例性实施例。而是，所描述的方案旨在包括落 在本公开的范围和新颖概念内的所有这种更改、修改和变形。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

图5是示出根据本公开的多电平中压逆变器的结构的电路图，其中，图 5示出的逆变器形成有用于电动机30的各相的两级的单位功率单元。

参考图5，多电平中压逆变器10包括一个移相变压器11和多个单位功 率单元12。

根据本公开的多电平中压逆变器10将来自输入电源20的三相电源提供 至电动机30。电动机30是高压三相电动机并且可以是感应电动机或同步电 动机，但不限于此。

移相变压器11在输入电源20和多电平中压逆变器10之间提供电隔离， 减轻输入端的谐波，并提供近似的三相电源给各个单位功率单元12。移相变 压器11的移相角由单位功率单元12的数量确定，并且连接到各个单位功率 单元12的移相变压器11的移相角具有彼此不同的值。

单位功率单元12接收来自移相变压器11的电力，以输出电动机30的相 电压，其中，各个单位功率单元12由三组组成。如图5的示例所示，A1和 A2串联地连接以合成电动机30的‘a’相电压，并且B1和B2串联地连接以合 成电动机的‘b’相电压。此外，C1和C2串联地连接以合成‘c’相电压。

合成的‘b’相电压和‘a’相电压互相间隔有120°的相位差，合成的‘c’相电 压和‘b’相电压也互相间隔有120°的相位差。

图6和图7分别是示出图5的单位功率单元的详细结构的示意图，其中 图6是呈全桥逆变器结构的逆变器单元63的示例，图7是呈单相NPC(Neutral  Point Clamped，中性点钳位)结构的逆变器单元73的示例。

参考图6和图7，整流器61，71对从移相变压器11输入的三相电力进 行整流，并且DC端电容器62，72对经整流的三相电力进行平滑。全桥逆变 器单元63可以配置有5电平的单位功率单元,而单相NPC逆变器单元73也 可以配置有5电平的单位功率单元。但是，对本技术领域的技术人员而言应 该显而易见的是，结构并不限于本公开，因此由此省略详细说明。

根据本公开的移相变压器11的相位角的确定根据设计时本发明的方法 执行。现在，将参考附图描述移相变压器的相位角的确定。

图8是示出根据本公开的示例性实施例的用于相位角的方法的流程图。

参照图8，本公开的方法为，任意地选择作为第一级的单位功率单元12 的A1、B1和C1的相位角(S1)。这时，移相角可以被选为20°，并且A1、 B1和C1的相位角可以被选为0°、20°和-20°。但是，所给出的移相角只是作 为示例而提供，并且不限于此，而且A1、B1和C1的相位角的顺序也可改 变。

接下来，确定相位角的位移(S2)。相位角的位移可以通过考虑连接到 电动机的各相的单位功率单元的数量的下面的等式来确定。

【等式2】

${\mathrm{\Delta \alpha }}_{\sec }=\frac{20}{N_{\sec \_\mathrm{phase}}}$

其中，N_{sec_phase}是连接到电动机30的各相的单位功率单元12的数量。再 次参考图5，N_{sec_phase}是2，所以Δα_sec是10°，由此，其余的单位功率单元 An、Bn和Cn(n为正整数)的相位角可以使用位移通过下面的等式来确定 (S3)。为了方便的目的，单位功率单元An的相位角称为An，并且可以将 这一相同原理应用至Bn和Cn。

【等式3】

An＝A1+(n-1)Δα_sec

Bn＝B1+(n-1)Δα_sec

Cn＝C1+(n-1)Δα_sec

此时，例如，当An、Bn和Cn的相位角的各个绝对值超过30°时(S4)， 例如，修正相位角(S5)。即，相位角可以如下面的等式那样进行修正。

【等式4】

$X^{\prime }n=\mathrm{sgn}\left(\mathrm{Xn}\right)\frac{6\left|\mathrm{Xn}\right|-360}{6}$

此时，X为A、B和C的其中之一。进一步地，sgn(Xn)是确定符号的函 数，其中，当为正的时，'1'被输出，而当为负的时，'-1'被输出。

即，当An、Bn和Cn的相位角的绝对值在最大值处超过30°时(S4)，修 正相位角(S5)，并且经修正的相位角作为最终相位角输出，而当An、Bn和 Cn的相位角的绝对值在最大值处不超过30°时，在S3中被确定的相位角可 以作为最终相位角输出(S6)。

在如图5中的中压逆变器中通过本公开所确定的相位角可以是，A1为 0°,A2为10°,B1为20°,B2为30°,C1为-20°以及C2为-10°。

此外，如图1所示，当对于各相连接的单位功率单元的数量是3时，A1 可以是0°,A2可以是6.7°,A3可以是13.4°,B1可以是20°,B2可以是26.7°,B3 可以是-26.7°,C1可以是-20°,C2可以是-13.4°,以及C3可以是-6.7°。

总输入相电流的THD可以通过应用根据本公开的方法所确定的相位角 而得到改善，其被讨论如下：

再次参考图1，从移相变压器110到功率单元A1、B1和C1(120a、120d、 120g)的输出电压具有相同的相位，到功率单元A2、B2和C2(120b、120e、 120h)的输出电压具有相同的相位，并且到功率单元A3、B3和C3(120c、 120f、120i)的输出电压也具有相同的相位。

在这种情况下，在移相变压器110的一次侧的‘a’相电流在第17次谐波 时是最大的，并且‘b’电流和‘c’电流在第17次谐波时也是最大的。现在将解 释本公开所应用的中压逆变器。

例如，在图5中的功率单元A1、A2、B1、B2、C1、C2中的每一个中 流动的‘a’相电流可以通过下面的等式5～10来定义。

【等式5】

$i_{\mathrm{aa}1}=\underset{n=1,5,\mathrm{7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin \left(\mathrm{n\omega t}\right)$

【等式6】

$i_{\mathrm{aa}2}=\underset{n=1,5,\mathrm{7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin \left(n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_1)\right)$

【等式7】

$i_{\mathrm{ab}1}=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_2)-\frac{2}{3}\pi )$

【等式8】

$i_{\mathrm{ab}2}=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_3)-\frac{2}{3}\pi )$

【等式9】

$i_{\mathrm{ac}1}=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_4)+\frac{2}{3}\pi )$

【等式10】

$i_{\mathrm{ac}2}=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_5)+\frac{2}{3}\pi )$

如果一次侧与二次侧之间的匝数比假设是1：m，那么流向移相变压器 11的一次侧的电流可以由下面的等式11～16进行定义。

【等式11】

${i_{\mathrm{aa}1}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin \left(\mathrm{n\omega t}\right)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin \left(\mathrm{n\omega t}\right))$

【等式12】

${i_{\mathrm{aa}2}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_1)-{\delta }_1)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_1)+{\delta }_1))$

$=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n-1){\delta }_1)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n+1){\delta }_1))$

【等式13】

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ab}1}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_2)-{\delta }_2)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_2)+{\delta }_2))\\ =\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n-1){\delta }_2)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n+1){\delta }_2))\end{array}\right)$

【等式14】

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ab}2}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_3)-{\delta }_3)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_3)+{\delta }_3))\\ =\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n-1){\delta }_3)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n+1){\delta }_3))\end{array}\right)$

【等式15】

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ac}1}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_4)-{\delta }_4)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_4)+{\delta }_4))\\ =\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n-1){\delta }_4)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n+1){\delta }_4))\end{array}\right)$

【等式16】

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ac}2}}^{\prime }=\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_5)-{\delta }_5)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (n(\mathrm{\omega t}+{\delta }_5)+{\delta }_5))\\ =\frac{1}{m}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n-1){\delta }_5)+\underset{n=\mathrm{5,11,17}...}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+(n+1){\delta }_5))\end{array}\right)$

由此‘a’电流可以通过下面的等式17定义，其中第35次谐波是除了基波 以外最大的。

【等式17】

i_a＝i_aa1′+i_aa2′+i_ab1′+i_ab2′+i_ac1′+i_ac2′

通常，随着谐波的次数的增加，谐波的大小会减小，使得虽然在常规逆 变器中第17次谐波是最大的谐波，但是在本公开中第35次谐波是最大的， 由此可以发现THD得到了改善。

如由前述内容显而易见的是，由于考虑了单位功率单元的总数来设计中 压逆变器中的移相变压器的相位角，所以根据本公开能够减轻输入相电流的 THD。

虽然本公开已参考前述实施例和优点进行了详细描述，但是本权利要求 书范围内的许多选择、改进和变形对本领域的技术人员来说将是显而易见的。 所以，应当理解，前文所描述的实施例并不限于前面描述的任何细节，除非 另外指明，而是应当在所附权利要求书所定义的范围内进行宽泛地解释。