变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路

摘要

本发明涉及一种变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它属于一种主要用于大功率、高电压交流电机的变频调压设备的主体部分。本发明主要是解决现有的多重化技术存在的系统庞大、造价高、经济效益低的技术难点。本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它至少由三个单相的开关网络拓扑电路组成，每相开关网络拓扑电路由18个二极管D1～18、10个绝缘栅双极三极管IGBT1～10、电阻R1、R2和电容C1、C2构成。本发明具有结构简单、造价费用低、且便于控制等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它属于一种主要用于大功率、高电压交流电机的变频调压设备的主体部分。

背景技术

随着电力电子元器件和控制系统结构的发展，如可关断门的可控硅整流器(GTO)，绝缘栅型双极三极管(IGBT)，加强型的绝缘栅型双极三极管(IGET)，加强型的可关断门的可控硅整流器(IGCT)的开发以及变频技术结构形式和控制技术的发展，使得高电压大容量变频调压设备得以迅速应用在电力系统及工业系统当中。

变频设备首先经历的是原有两电平输出的控制单元。如图1所示。但由于两电平的输出无论采用何种控制方式，甚至优化的脉冲宽度调制(PWM)控制方式都难以使输出波形接近正弦波以达到完美无谐波。当变频器运行在低频时则输出波形畸变显著。所以，从事此领域研究的人们自然想到增加两电平模块的串并联数量以求达到多电平输出，从而使输出波形接近正弦波，这样的技术被称为多重化技术。如图2所示。从图2A相中的每个模块可输出由脉冲宽度调制(PWM)控制的波形(图3中(a)A1-A5)。将图3中(a)A1-A5的波形叠加即可得到A相的最终的多重化技术输出的波形(图3中(b))。

多重化技术是在原有的两电平控制技术的基础上，串并联多个元器件而形成的。当元器件并联连接时，输出电压要满足元器件承受电压的要求，这种连接方式所引起的问题与复杂的均流装置结合在一起，电路的复杂程度常常易造成元件的损坏。对于串联元器件的连接方式，输出电流同样要满足元器件的承受能力要求，更要确保其分布在元器件上的电压在任何情况下都要均衡，故也常常容易发生系统的故障。因此，从系统可靠性的角度来说，它们都很难保证系统的可靠运行。同时由于控制系统复杂，输出波形也较差，常常造成较严重的各次谐波。另外，串并联器件的动态电阻和极电容不同也会使控制电路复杂，损耗增加。同时器件的串联对触发电路的要求也大大的提高。要尽量做到串联器件同时导通或断开，否则，由于各器件开断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚至整个装置崩溃。

另外，基于多重化方法设计制造的大功率高电压变频调压设备不易解决均流均压的问题，故在设备及系统中会产生较显著的各次谐波。谐波会污染电网，殃及同一电网上其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运行。谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断，系统瘫痪。谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降。

最后，由于多重化技术每模拟单元至少需要4个开关元件，而每模拟单元又需要独立的移相变压器供电，故若追求多电平输出波形，自然需增加开关数量及模拟单元的数量，进而使控制系统软硬件更加复杂，从而造成整个系统庞大，造价高，经济效益低。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术难点并提供一种结构简单、绝缘栅型双极三极管数量少、易于控制的变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它至少由三个单相的开关网络拓扑电路组成，每相开关网络拓扑电路由18个二极管D1～18、10个绝缘栅双极三极管IGBT1～10、电阻R1、R2和电容C1、C2构成；绝缘栅双极三极管IGBT1、2、3和4串联连接，绝缘栅双极三极管IGBT5、6、7和8串联连接，上述两个串联电路中的绝缘栅双极三极管IGBT1的集电极与绝缘栅双极三极管IGBT5的集电极并联连接后与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，绝缘栅双极三极管IGBT4的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT8的发射极并联连接后与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，二极管D17、D18串联后其二极管D17的负极与绝缘栅双极三极管IGBT6的集电极连接，二极管D18的正极与绝缘栅双极三极管IGBT8的集电极连接，二极管D15、D16串联后其二极管D15的负极与绝缘栅双极三极管IGBT2的集电极连接，二极管D16的正极与绝缘栅双极三极管IGBT4的集电极连接；电容C1、C2串联后电容C1的正极与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，电容C2的负极与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，电阻R1、R2串联后电阻R1的一端与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，电阻R2的另一端与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，二极管D13与二极管D14串联后二极管D13的负极与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，二极管D14的正极与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接；由二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6组成三相整流桥，二极管D1和D4串联连接，二极管D2和D5串联连接，二极管D3和D6串联连接，然后，二极管D1的负极、二极管D2的负极和二极管D3的负极并联后与绝缘栅双极三极管IGBT9的集电极连接，二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极并联后与中线连接；由二极管D7、D8、D9、D10、D11和D12组成另一个三相整流桥，二极管D7和D10串联连接，二极管D8和D11串联连接，二极管D9和D12串联连接，然后，二极管D10的正极、二极管D11的正极和二极管D12的正极并联后与绝缘栅双极三极管IGBT10的发射极连接，二极管D7的负极、二极管D8的负极和二极管D9的负极并联后与中线连接；二极管D13的正极与二极管D14的负极的连接点与中线连接，电容C1的负极和电容C2的正极的连接点与中线连接，电阻R1和电阻R2的连接点与中线连接，二极管D15的正极与二极管D16的负极的连接点与中线连接，二极管D17的正极与二极管D18的负极的连接点与中线连接；绝缘栅双极三极管IGBT2的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT3的集电极的连接点与三相的公共中线连接，绝缘栅双极三极管IGBT6的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT7的集电极的连接点与电动机的U相连接；二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极和绝缘栅双极三极管IGBT9的集电极与直流电源的正极+E相连，二极管D10的正极、二极管D11的正极、二极管D12的正极和绝缘栅双极三极管IGBT10的发射极与直流电源的负极-E相连。

由于本发明采用了上述结构的形式的技术方案，因此，与背景技术相比，具有以下有益效果。

(1)本发明利用低电压、小功率的绝缘栅双极三极管IGBT开关的组合实现了大功率高电压变频调压设备的开关网络拓扑电路。

(2)本发明的输出电压波形为五电平完美无谐波，其总体谐波畸变率(THD)的各项指标均满足IEEE 519-1992的要求。

(3)本发明电路易于控制，可用脉冲宽度调制(PWM)控制方式去完成系统的无功功率分布，进而达到使系统功率因数趋于1的目的。

(4)同理，控制本发明开关的组合，进而控制向电动机输入的电流电压，使其呈现各种各样的波形，以满足启动负荷的需要，从而达到在各种负荷状态下的电动机软启动功能。

(5)与系统的多重化结构比较，多重化方法若要输出五电平波形，需要4个两电平模块，而每模块至少需4个开关，故每相至少需要4*4＝16个绝缘栅双极三极管IGBT开关。而本发明的网络拓扑电路由于采用了叠加技术，每相只需8个开关。为保证在低频低压运行时仍可输出五电平电压波形，需再加2个IGBT开关作为直流斩波器，这样，加在一起有10个开关。能节约大量的费用。

(6)多重化技术不仅需开关数量多，且每模块还需单独的移相变压器供电，故本发明与其相比，结构简单，造价费用低，且便于控制。

附图说明

图1是用于多重化的可输出两电平波形的4开关模块；

图2是五个模块串联组成的可输出六电平波形的多重化技术连接示意图；

图3是多重化技术每一项模块输出波形和最终叠加波形示意图；

图4是本发明的开关拓扑电路原理图；

图5是本发明输出五电平开关操作示意图；

图6是本发明输出五电平向四电平降落时波形示意图；

图7是本发明输出四电平向三电平降落时波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图4所示，本实施例中的变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它由三个单相的开关网络拓扑电路组成，U相开关网络拓扑电路由18个二极管D1～18、10个绝缘栅双极三极管IGBT1～10、电阻R1、R2和电容C1、C2构成；绝缘栅双极三极管IGBT1、2、3和4串联连接，绝缘栅双极三极管IGBT5、6、7和8串联连接，上述两个串联电路中的绝缘栅双极三极管IGBT1的集电极与绝缘栅双极三极管IGBT5的集电极并联连接后与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，绝缘栅双极三极管IGBT4的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT8的发射极并联连接后与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，二极管D17、D18串联后其二极管D17的负极与绝缘栅双极三极管IGBT6的集电极连接，二极管D18的正极与绝缘栅双极三极管IGBT8的集电极连接，二极管D15、D16串联后其二极管D15的负极与绝缘栅双极三极管IGBT2的集电极连接，二极管D16的正极与绝缘栅双极三极管IGBT4的集电极连接；电容C1、C2串联后电容C1的正极与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，电容C2的负极与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，电阻R1、R2串联后电阻R1的一端与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，电阻R2的另一端与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接，二极管D13与二极管D14串联后二极管D13的负极与绝缘栅双极三极管IGBT9的发射极连接，二极管D14的正极与绝缘栅双极三极管IGBT10的集电极连接；由二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6组成三相整流桥，二极管D1和D4串联连接，二极管D2和D5串联连接，二极管D3和D6串联连接，然后，二极管D1的负极、二极管D2的负极和二极管D3的负极并联后与绝缘栅双极三极管IGBT9的集电极连接，二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极并联后与中线连接；由二极管D7、D8、D9、D10、D11和D12组成另一个三相整流桥，二极管D7和D10串联连接，二极管D8和D11串联连接，二极管D9和D12串联连接，然后，二极管D10的正极、二极管D11的正极和二极管D12的正极并联后与绝缘栅双极三极管IGBT10的发射极连接，二极管D7的负极、二极管D8的负极和二极管D9的负极并联后与中线连接；二极管D13的正极与二极管D14的负极的连接点与中线连接，电容C1的负极和电容C2的正极的连接点与中线连接，电阻R1和电阻R2的连接点与中线连接，二极管D15的正极与二极管D16的负极的连接点与中线连接，二极管D17的正极与二极管D18的负极的连接点与中线连接；绝缘栅双极三极管IGBT2的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT3的集电极的连接点与三相的公共中线连接，绝缘栅双极三极管IGBT6的发射极与绝缘栅双极三极管IGBT7的集电极的连接点与电动机的U相连接；二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极和绝缘栅双极三极管IGBT9的集电极与直流电源的正极+E相连，二极管D10的正极、二极管D11的正极、二极管D12的正极和绝缘栅双极三极管IGBT10的发射极与直流电源的负极-E相连。开关网络拓扑电路的V相和W相的所有元器件以及连接方式与U相的开关网络拓扑电路完全相同。图中T1、T2是隔离变压器的二次线圈，其作用为向相应的二极管整流桥供电。

上述电路中的绝缘栅双极三极管IGBT1、5、4、8用作脉冲宽度调制(PWM)控制作用，绝缘栅双极三极管IGBT2、3、6、7用作电平叠加作用，与其相对应连接的二极管D15、D16、D17、D18均为箝位二极管。

本发明的开关工作原理是：如图5所示，当U相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)3、4和5、6以及V相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)2、7、8导通时，在V相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)1上施加脉冲宽度调制(PWM)信号时，就会产生如图6所示的五电平信号。

如图5所示，当U相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)3、4和5、6以及V相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)2、7导通时，在V相的开关(绝缘栅双极三极管IGBT)1上施加脉冲宽度调制(PWM)信号时，就会产生如图7所示的四电平信号。

根据上述原理，配合不同的开关状态，可以产生出0，E，2E，3E，4E五个电平信号。在每一个电平台阶上，又可以根据不同脉宽的脉冲宽度调制(PWM)信号，模拟出本段的波形，从而能够形成比较完美的正弦波。

当需要对输出电压的大小进行调节时。可以通过调节各相的斩波开关(绝缘栅双极三极管IGBT9、10)的脉冲宽度调制(PWM)脉冲宽度进行调节。当进行斩波操作时，二极管D13、D14和电阻R1、R2起续流作用，电容C1、C2起滤波和稳压作用。