專利名稱：多電平變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于以薄膜電容器代替電解電容器的多電平變頻器(Multi Level Inverter)的發(fā)明。
背景技術(shù)：
一般高電壓大型感應(yīng)電動機的電壓設(shè)計為2400V至7200V,另一方面作 為電動機可變速裝置的高壓變頻器的電壓種類較少，需要另外的變壓器進行 降壓及升壓以適用于各類電動機，因此，存在價格上升，需要寬大的設(shè)置空 間，程序效率降低等問題。
而且，適用變頻器時存在母線的諧波影響，因脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)電壓引起的電動機老化及震動等問題。
為了克服上述問題，開發(fā)了種類多樣的多電平變頻器，其中輸入輸出品 質(zhì)方面表現(xiàn)最為優(yōu)異的電源拓撲是串聯(lián)低壓單相變頻器，能夠獲取高電壓的 H橋多電平變頻器。
H橋多電平變頻器是將由單相H橋變頻器構(gòu)成的功率單元(Power cell) 以級聯(lián)形態(tài)相連，因此也叫做級聯(lián)變頻器。
H橋多電平變頻器的各相是由串聯(lián)的多個功率單元構(gòu)成。各功率單元是 獨立的單相變頻器構(gòu)造，通過將多個功率單元串聯(lián)連接，從而使用低電壓電 力用半導(dǎo)體來獲取高電壓。
另外，H橋多電平變頻器能夠根據(jù)功率單元數(shù)量增加輸出電壓電平的數(shù) 量，進而獲取接近于正弦波的波形，因輸出電壓電平有多級別，故能獲取低 輸出總諧波失真(Total Harmonic Distortion)。
而且，電壓反射影響相對很少，因此變頻器與電動機之間的距離較遠也 沒有必要追加裝置。
加上，與其他多電平變頻器不同，DC鏈接電容器間不存在電壓不均衡問 題，而且通過將H橋變頻器模塊化，進而容易擴展到所需輸出電壓。
圖1是表示現(xiàn)有H橋多電平變頻器系統(tǒng)的電路構(gòu)成圖。如圖中所示，H橋多電平變頻器系統(tǒng)是由串聯(lián)的多個功率單元2組成， 多個功率單元2按照各相分別串聯(lián)，多個功率單元2形成獨立的單相變頻器 的構(gòu)造。在此，與電源系統(tǒng)連接的輸入部是2次側(cè)具有擴展三角形接線方法 的多個分接頭的變壓器6，通過電源線5與各功率單元2相連接。 圖2是表示現(xiàn)有技術(shù)中的H橋變頻器的功率單元構(gòu)成的電路圖。 如圖所示，H橋變頻器包括輸入交流電源10;將上述輸入交流電源轉(zhuǎn) 換為直流的轉(zhuǎn)換部ll;當(dāng)輸入交流電源被投入時，防止沖擊電流流入的初充 電電阻12;沖擊電流被抑制后，在電路里分離初充電電阻12的電磁接觸器
13;平滑直流電壓的電解電容器14;根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號，將輸入的直流 電源變換為三相電流而輸出的變頻部15;檢測從變頻部15輸出的電流的檢 流器16;搜集變頻部15的三相電流及直流電壓等各種信息，并與主令控制 器交換各種指令及信息的功率單元主控制器17;從功率單元主控制器17接
受電壓指令及頻率指令，生成脈寬調(diào)制信號的脈寬調(diào)制控制器(p麗
Controller) 18。
現(xiàn)有的H橋變頻器的各功率單元具備電容器14。上述電解電容器14是 直接影響變頻器壽命的主要構(gòu)成元件，其受到電流脈動系數(shù)以及周圍溫度的 很大影響。因此要慎重選擇。
通常，功率單元中的電解電容器14具有如下作用。g卩，以功率單元為單 位，補償輸入電力與輸出電力的瞬時差距；瞬間停電時， 一定時間內(nèi)利用電 容器14的能量補償輸出電力；產(chǎn)生反饋能量時，儲存該能量。
但是，高壓變頻器系統(tǒng)是單相輸出變頻器系統(tǒng)，需要具備比三相輸出變 頻器更多數(shù)量的電容器，因此導(dǎo)致全體系統(tǒng)體積增大的缺點。
而且，電解電容器14具備高容量的電容，這時輸入到直流端的電流一般 表現(xiàn)為兔耳狀不連續(xù)電流，這成為高頻發(fā)生的原因。
而且，使用電解電容器14時，另需要初充電相關(guān)的電路，如初充電電阻 12及電磁接觸器13等電路。

發(fā)明內(nèi)容
為了達到上述目的，本發(fā)明的多電平變頻器包括轉(zhuǎn)換部，將輸入的交 流電源變換為直流；薄膜電容器，對由所述轉(zhuǎn)換部中變換的直流電源進行平 滑；變頻部，根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號將經(jīng)過平滑的所述直流電源變換為三相電流并輸出；檢流器，檢測所述變頻部輸出的電流；功率單元主控制器，利 用所述檢測的電流生成電壓指令及頻率指令；脈寬調(diào)制控制器，利用所述電 壓指令及頻率指令生成所述脈寬調(diào)制控制信號。
而且，本發(fā)明進一步包括輸入變壓器，上述輸入變壓器的2次側(cè)以曲折 形接線或者擴展三角形接線具備多個分接頭，上述輸入變壓器的輸出電源被 輸入到上述輸入交流電源。
另外，上述變頻部包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)，絕緣 柵雙極晶體管(IGBT)，門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)中的一個。
另外，進一步包括移相變壓器，上述移相變壓器的輸出電源被輸入到上 述輸入交流電源。
另外，上述移相變壓器可包括具有預(yù)設(shè)的電感值的電感器，上述電感值 和薄膜電容器的電容之比設(shè)定為1: 3。


圖1是表示通常的H橋多電平變頻系統(tǒng)的電路構(gòu)成圖。 圖2是表示現(xiàn)有技術(shù)中H橋變頻器的功率單元的電路圖。 圖3是表示本發(fā)明的多電平變頻器的各功率單元的電路圖。 附圖符號說明
100:輸入交流電源
110:轉(zhuǎn)換部
120:薄膜電容器
130:變頻部
140:檢流器
150:功率單元主控制器
160:脈寬調(diào)制控制器
具體實施例方式
以下，參照圖3對本發(fā)明的多電平變頻器進行詳細說明。 對本發(fā)明進行說明時，省略對相關(guān)公知技術(shù)的詳細說明。而且，下述的
用語考慮到本發(fā)明中的功能而定義的用語，有可能根據(jù)使用者、運營者的意
圖或者慣例等因素而不同。圖3是表示本發(fā)明的多電平變頻器的各功率單元的電路圖。 如圖所示，本發(fā)明的多電平變頻器由輸入交流電源100、轉(zhuǎn)換部110、薄 膜電容器120、變頻部130、檢流器140、功率單元主控制器(Power cell main controller) 150、脈寬調(diào)制控制器(Pulse width modulation controller) 160構(gòu)成。輸入變壓器(未圖示)的2次側(cè)輸出電力被輸入到上述輸入交流 電源100。上述輸入變壓器具有如下兩種用途第一，輸入變壓器向H橋多 電平變頻器的各功率單元提供獨立的電源。第二，上述輸入變壓器在2次側(cè) 分接頭之間以一定相位差構(gòu)成多脈沖方式的整流器型轉(zhuǎn)換器，從而獲取輸入 端的低總諧波失真(■: Total Harmonic Distortion)。此時，輸入變壓器 可以構(gòu)成為，2次側(cè)具有以擴展三角形接線或者曲折形接線方式的多個分接 頭的變壓器。
連接到上述輸入交流電源IOO的輸入變壓器可使用移相(Phase Shift) 變壓器。另外，上述移相變壓器還可包括具有預(yù)設(shè)電感值的電感器。通過調(diào) 節(jié)上述電感和薄膜電容器的電容，能夠改善輸入端的總諧波失真。例如，可 設(shè)定成，上述電感值和薄膜電容器的電容值之間的關(guān)系為1: 3。
上述轉(zhuǎn)換部110將上述輸入交流電源100輸入的交流電源變換成直流。 而且，上述薄膜電容器120對上述轉(zhuǎn)換部110中變換的直流電源起平滑的作 用。
上述變頻部130根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號，將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換成三相 交流并輸出。上述變頻部130是由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)， 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)等輸出電壓控制用的 功率開關(guān)元件構(gòu)成。由上述變頻部切換的諧波截止頻率為可定為，變頻器所 使用的開關(guān)頻率的1/5至1/2。具體為，當(dāng)上述開關(guān)頻率設(shè)計為lkHz，并使 用上述開關(guān)元件時，由變頻部切換的諧波截止頻率為200Hz至500Hz。通過 上述變頻部開關(guān)動作，可避免脈動現(xiàn)象。
上述截止頻率(wc)可按如下公式設(shè)定，根據(jù)上述截止頻率值，并考 慮變壓器的電感值，來決定電容值。
6上述檢流器140檢測上述變頻部130輸出的各相電流并傳遞到功率單元 主控制器150。上述功率單元主控制器150接受關(guān)于被輸入到上述變頻部130 的直流電壓以及從上述變頻部130輸出的相電流等各種信息，并與主令控制 器(未圖示)交換各種運行控制指令及信息。上述脈寬調(diào)制控制器160從上述 功率單元主控制器150輸入電壓指令及頻率指令，以生成相應(yīng)的脈寬調(diào)制波 形并向變頻部130輸出脈寬調(diào)制信號。本發(fā)明的多電平變頻器，其特征為， 作為各功率單元電容器使用薄膜電容器而不是電解電容器。
如上所述，當(dāng)使用薄膜電容器時，為使直流電源端的電流穩(wěn)定，能夠在 上述功率單元主控制器150以及脈寬調(diào)制控制器160中使用的特性方程式如 下
丄 7 _ &2 L、」
使用薄膜電容器時，要設(shè)計成，電源檢測以及電流控制方式具有較強的 動態(tài)特性，并要對輸入電源的變動做出敏感反應(yīng)。
如本發(fā)明所述，各功率單元電容器適用薄膜電容器時，有如下長處。 第一，可降低多電平變頻器的尺寸。上述薄膜電容器的大小相當(dāng)于電解
電容器的1/3，因此可減少多電平變頻器中電容器所占的體積。其結(jié)果是減
少多電平變頻器的大小。而且，薄膜電容器比電解電容器具備費用低，壽命 長的優(yōu)點。
第二，可以省略輸入端的充電電路。上述薄膜電容器容量少，可以在短 時間內(nèi)充電，因此輸入端不需要初充電電阻或者電磁接觸器等輸入端充電電 路。
第三，可以提高多電平變頻器系統(tǒng)的可靠性。利用上述薄膜電容器時， 不需要輸入端充電電路，因此，不受輸入端電路的影響，可提高多電平變頻 器系統(tǒng)的可靠性。
第四，減少充電時的沖擊電流。上述薄膜電容器容量小，因此充電時， 相對電解電容器可大大減少沖擊電流?；诳梢蕴岣叱跗谕度腚娫磿r多電平 變頻器系統(tǒng)的安全性，并且具備優(yōu)異的高頻特性。
"77如果，適用高壓變頻器的系統(tǒng)為不重視過負荷率的輕負荷系統(tǒng)時，如同 本發(fā)明，優(yōu)選以薄膜電容器代替電解電容器。上述輕負荷系統(tǒng)是，控制方式 使用電壓及頻率恒定的控制方式，幾乎沒有急劇的負荷變動。而且不進行反 饋制動或者發(fā)生瞬間停電時也是可以自動再啟動的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，使用體積比電解電容器更小的薄膜電容器，進而可大大減 少多電平變頻器的體積。而且通過使用容量小的薄膜電容器，消除輸入端充 電電路，減少充電時的沖擊電流，因此可提高多電平變頻器的可靠性及安全 性。
另外，上述多電平變頻器系統(tǒng)使用移相變壓器，因此不需要設(shè)置初充電 電路，也不需要設(shè)置額外的整流端電感器。另外，可改善整流端的輸入電流 的總諧波失真。
另外，可利用控制器改善直流端電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
綜上所述，通過理想實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可在不超過本發(fā)明的范疇限度內(nèi)對本發(fā)明進行各種變形。
本發(fā)明的權(quán)利范圍并不局限于所列舉的實施例，而是根據(jù)權(quán)利要求范圍 及與本權(quán)利要求范圍均等的內(nèi)容而定。
權(quán)利要求
1、一種多電平變頻器，其包括轉(zhuǎn)換部，將輸入的交流電源變換為直流；薄膜電容器，對由所述轉(zhuǎn)換部中變換的直流電源進行平滑；變頻部，根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號將經(jīng)過平滑的所述直流電源變換為三相電流并輸出；檢流器，檢測所述變頻部輸出的電流；功率單元主控制器，利用所述檢測的電流生成電壓指令及頻率指令；脈寬調(diào)制控制器，利用所述電壓指令及頻率指令生成所述脈寬調(diào)制控制信號。
2、 如權(quán)利要求l所述多電平變頻器，其特征在于 進一步包括輸入變壓器，所述輸入變壓器的2次側(cè)以曲折形接線或者擴展三角形接線具有多個分 接頭，所述輸入變壓器的輸出電源被輸入到所述輸入交流電源。
3、 如權(quán)利要求l所述多電平變頻器，其特征在于-所述變頻部包含金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管中的 一個。
4、 如權(quán)利要求2所述多電平變頻器，其特征在于所述變頻部包含金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、 門極可關(guān)斷晶閘管中的一個。
5、 如權(quán)利要求l所述多電平變頻器，其特征在于進一步包括移相變壓器，所述移相變壓器的輸出電源被輸入到所述輸入交流電源。
6、 如權(quán)利要求5所述多電平變頻器，其特征在于-所述移相變壓器具有預(yù)先設(shè)定的電感值，所述電感值和所述薄膜電容器 的電容值之比為1: 3。
7、 如權(quán)利要求l所述多電平變頻器，其特征在于-由所述變頻部切換的諧波截止頻率為變頻器所使用的開關(guān)頻率的1/5至1/2。
8、 如權(quán)利要求7所述多電平變頻器，其特征在于-當(dāng)所述開關(guān)頻率設(shè)計為lkHz時，由變頻部切換的諧波截止頻率為200Hz至500Hz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多電平變頻器，其包括輸入交流電源變換為直流的轉(zhuǎn)換部；平滑轉(zhuǎn)換部中已變換直流電源的薄膜電容器；根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號，將平滑的直流電源變換為三相電流的變頻部；檢測上述變頻部輸出電流的檢流器；利用檢測的電流，生成電壓指令及頻率指令的功率單元主控制器；利用電壓指令及頻率指令生成脈寬調(diào)制控制信號的脈寬調(diào)制控制器。
文檔編號H02M5/458GK101540556SQ20091012932
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者尹洪敏 申請人:Ls產(chǎn)電株式會社