[发明专利]一种级联型多电平变换器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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1， 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。

发明内容

针对上述问题，本发明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，本发明采取以下技术方案：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 两输出端分别连接一直流母线中的P端和N端，所述直流母线的P端和N端之间 串联有多个电容，且所述电容的正极连接所述直流母线的P端，所述直流母线的P 端和N端均同时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，包括一数字信号微处理器、一模数采集模块、一开关量采集模块、若干开关量 输出模块、一脉宽调制输出模块、一脉宽调制扩展模块和若干驱动电路，所述控 制单元接收所述电网输入所述脉宽调制整流器内的电流、电压信号，并输出脉宽 调制控制脉冲信号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的两输出端之间的电压与所述直流母线的P端 和N端之间的电容电压达到平衡，使电网侧输入功率因数为1，并使所述逆变器输 出频率可变的交流电；所述控制单元的：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；开关量采 集模块，采集所述脉宽调制整流器和逆变器中相应的功率开关器件的过流和过热 故障信号；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；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；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；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。

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。

所述逆变器包括至少一个与所述多电平桥臂结构相同的多电平桥臂，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。