CN1038632C - 电力变换器 - Google Patents

Abstract

电力变换器有直流电源和共同接直流电源的中性点箝位逆变器，将直流电源的直流电变成交流电，把逆变器的交流电加到负荷上。有第一基准电压发生装置产生第一基准电压的及根据逆变器数和每个逆变器的相数测定其间相位差的。还有根据第一基准电压发生装置的第一基准电压和相位差测定装置的相位差产生第二基准电压的第二基准电压发生装置，及将基准电压与载波信号分别比较，根据比较结果产生送到逆变器的门信号的比较装置。

Description

电力变换器

本发明涉及一种电力变换器，更具体地说，涉及一种其多个中性点箝位(NPC)的逆变器共同接一个直流电压源并将这些逆变器获得的交流电供应给负荷的电力变换器。

在现有技术中，有一些系统是由两个具有公用直流电源的NPC逆变器组成的，如图11的实例所示。也就是说，整流器2接三相交流电源1，由正侧平滑电容器3和负侧平滑电容器4组成的直流平滑电容器15则接整流器2。此外，第一NPC逆变器5和第二NPC逆变器6还与直流平滑电容器15并联连接。

NPC逆变器5和6的输出端接电动机91，电动机91有两组极数相同的三相绕组，如图10中所示。NPC逆变器5和6所获得的交流电供给电动机91。具体地说，第一NPC逆变器5的U、V和W相输出端分别接电动机91的绕组U1、V1和W1。此外，第二NPC逆变器6的U、V和W相输出端分别接电动机91的绕组U2、V2和W2。

门信号从由控制器10、第一和第二比较器12和13以及载波发生电路14所组成的门信号发生系统加到NPC逆变器5和6的控制极。测速器8检测出的电动机91的转速反馈到控制器10，控制器10则构成三相基准电压发生系统92。转速控制就是用该反馈数据和输入的转速基准值在系统92中进行的。由接NPC逆变器5输出端的电流检测器9检测的电动机电流也反馈到控制器10，电流控制即在控制器10中进行。三相基准电压Vref1(图中只示出一个相的分量)，即电流控制的输出，从控制器10输出。该三相基准电压Vref1输入各比较器12和13中，其幅值在比较器12和13中与载波发生电路14产生的载波相比较。这样，NPC逆变器5的门信号和NPC逆变器6的门信号分别在比较器12和13中产生。1993年12月28日颁发的美国专利5,274,542介绍了图11所示系统的细节。

如图11中所示，NPC逆变器5和6与整流器2相连接。因此，与一个NPC逆变器接整流器2的方案相比，这种系统的电流容量增加了一倍。但这种系统中有一个问题，即中性点(即直流平滑电容器15的中点)的电位波动也加倍了。

因此，本发明的一个目的是提供一种多个NPC逆变器接公用的直流电源、因而能抑制因各NPC逆变器的电流而产生的中性点电位波动的电力变换器。

本发明的上述和其它目的可以通过提供这样一种电力变换器而加以实现，该电力变换器有直流电源和一些共同与直流电源相连接的中性点箝位的逆变器，从而将直流电源的直流电变换成交流电并将来自逆变器的交流电供应给负荷。电力变换器包括：第一基准电压发生装置，用以产生第一基准电压；以及相位差测定装置，用以根据逆变器数量和每个逆变器的相数来测定各逆变器之间的相位差。电力变换器还包括第二基准电压发生装置和比较装置，第二基准电压发生装置用以根据第一基准电压发生装置的第一基准电压和相位差测定装置的相位差产生第二基准电压，比较装置用以将各基准电压与载波信号分别加以比较并根据比较结果产生加到各逆变器上的门信号。

按照本发明的一个方面，本发明提供的电力变换器包括：一个直流电压源；多个中性点箝位的逆变器，共同接所述直流电压源；基准电压发生装置，用以产生原基准电压，以及产生多个彼此之间有相位差的基准电压；所述基准电压之间的所述相位差由所述逆变器的数量所确定。各所述基准电压是正基准电压和负基准电压，正基准电压是通过在正态下使原基准电压偏移预定的正直流偏压值而产生的，负基准电压则是通过在负态下使原基准电压偏移预定的负直流偏压值而产生。用以产生极性转换信号，使所述正态和所述负态以预定周期率转换的极性转换信号装置，以及电力变换器还包括一个门信号发生装置，连接成接收多个基准电压以产生所述多个门信号，每个门信号分别输送，以控制向负载提供交流电力的所述逆变器。

按照本发明的另一个方面，本发明提供的电力变换器有一个直流电源和一些共同连接在直流电源和交流负载之间的多个中性点逆变器；第一基准电压发生装置，用以产生第一基准电压；极性信号发生装置，用以产生极性信号；第二基准电压发生装置，用以根据所述第一基准电压和所述极性信号而产生第二基准电压；以及比较装置，用以分别将所述第一和第二基准电压的幅值与载波信号的幅值相比较，用以根据比较结果产生门信号作为输出，去控制所述逆变器。

结合附图参看下面的详细说明可以更好地理解本发明的内容，从而不难更全面地理解本发明及其伴随的优点。附图中：

图1是本发明第一实施例的电力变换器的原理方框图；

图1A是基准电压和中性点电位的波形图，举例说明了图1所示第一实施例的工作情况；

图2是图1实施例中使用的电动机的绕组配置图；

图3是电动机和负荷的组合图，说明了本发明第二实施例的电力变换器的各主要方面；

图4是三相基准电压发生系统41的原理方框图，说明了本发明第三实施例的电力变换器的各主要方面；

图5是基准电压和中性点电位的波形图，说明了图4所示第三实施例的工作情况；

图6是本发明第四实施例的电力变换器的原理方框图；

图7是说明图6所示的三相基准电压发生系统41A的方框图；

图8是基准电压和中性点电位的波形图；说明了图6所示实施例的工作情况；

图9是直流平滑电容器15的组成图，说明了本发明第五实施例的电力变换器的各主要方面；

图10是具有两组接现有技术的两个NPC逆变器的电动机的绕组组成图；

图11是现有技术由两个NPC逆变器组成的电力变换器的原理图。

下面参看附图说明本发明的一些实施例，附图中，同样的编号表示若干视图中相同或相应的各部件。

图1是本发明第一实施例的电力变换器的原理方框图。这里谈一下与图11中现有技术实例的主要不同点。与图11的不同点在于电动机7和三相基准电压发生系统16。

电动机7有两组三相绕组。两组三相绕组中，一组三相绕组由相绕组U1、V1和N1组成，另一组三相绕组由相绕组U2、V2和W2组成。从图2中可以看到，U相绕组U1和U2、V相绕组V1和V2和W相绕组W1和W2绕制的方面彼此相反。第一NPC逆变器5的输出端接相绕组U1、V1和W1，第二NPC逆变器6的输出端接相绕组U2、V2和W2。

三相基准电压发生系统16由控制器10和调相器11组成。控制器10将测速器8的转速检测信号和电流检测器9的电流检测信号连同基准转速一起输入。这里，和图11中所示的现有技术的系统一样，输出三相基准电压Vref1，即电流控制输出信号。此外，调相器11输入三相基准电压Vref1及输出三相基准电压Vref2，三相基准Vref2的相位与三相基准电压Vrefl相移180度，如图1A所示。本技术领域的技术人员对相位调制器11的电路结构是熟悉的，因此这里不再详加说明。

三相基准电压发生系统16的三相基准电压Vrefl输入第一比较器12中，在比较器12中其幅值与载波发生电路14产生的载波相比较。第一比较器12根据比较结果产生给第一NPC逆变器5的门信号。此外，三相基准电压发生系统16的三相基准电压Vref2输入第二比较器13中，在比较器13中其幅值与载波发生电路14产生的载波相比较。第二比较器13根据比较结果产生给NPC逆变器6的门信号。

NPC逆变器5和6根据门信号分别将输入的直流电变换成交流电，并将交流电提供给电动机7。

采用按上述组成的第一实施例时，可以在操作上取得下列效果。即第一NPC逆变器5输出的三相电压与第二NPC逆变器6输出的三相电压在相位上相差180度。因此，举例说，当第一NPC逆变器5的输出电流流入直流平滑电容器15的中性点时，第二NPC逆变器6的输出电流从中性点流出。这样，因NPC逆变器5和6引起的中性点电位波动波此抵消，如图1A中所示。

这里，电动机7各绕组之间的相位差和从三相基准电压发生系统16输出的基准电压Vref1与Vref2之间的相位差都成了180度。但这些相位差可以是360°/(N，K)的倍数，其中N为电力变换器中并联连接的NPC逆变器的数目，K为每个逆变器的相数。这就是说，由于在此电力变换器中有两个三相逆变器，因此若相位差选取60度的倍数，则可以取得与第一实施例同样的效果。

此外，当NPC逆变器的数目用N＝L+M(L和M为等于或大于2的整数)表示时，则即使在“L”个NPC逆变器的情况下和在“M”个NPC逆变器的情况下分别测定出电动机各绕组之间的相位差和基准电压之间的相位差，也可以取得同样的效果。

举例说，假设接上去的三相NPC逆变器是5个，且电动机拥有5组三相绕组，则可以将NPC逆变器分成2个一组和3个一组。在2个一组的逆变器中，电动机各绕组之间的相位差和各基准电压之间的相位差分别可取180度，在3个一组的逆变器中，相应的相位差则可取120度。即使2个一组与3个一组逆变器之间的相位差是任意确定的，也可取得与第一实施例同样的效果。

图3是说明本发明第二实施例的示意图。这里的情况是这样，电动机7(这在图1的第一实施例中是个负荷)用2个驱动同一个负荷的电动机代替，如图3中所示。这就是说，系统由第一电动机31和第二电动机32所组成。这两台电动机31和32是为驱动轧钢机的轧辊而设的，待轧制的材料33即由这些轧辊轧制。在此情况下，为使待轧制的材料33沿图3所示的箭头方向运动，电动机31和32的相序按图3箭头所示的那样进行设定。第一NPC逆变器5的输出端接电动机31的相绕组U1、V1和W1，第二NPC逆变流6的输出端接电动机32的相绕组U2、V2和W2。

本实施例的其它组成与图1相同。本方案是这样设计的：三相基准电压Vref1输入第一比较器12中，由比较器12将Vref1的幅值与载波发生电路14所产生的载波加以比较，并由比较器12产生给第一NPC逆变器5的门信号。接着，Vref1由调相器11相移180度，变成三相基准电压Vref2。此基准电压输入第二比较器13中。幅值与载波相比较，并产生给第二NPC逆变器的门信号。

采用上述第二实施例时，除取得第一实施例的效果外，还取得另一个效果，即简化了电动机31和32的绕组结构。

此外，在第二实施例中，基准电压相位差取180度。但这并不局限于此，任何值只要是60度的倍数都可以采用。

图4是说明本发明第三实施例电力变换器的示意图。在此实施例中，图1所示第一实施例中的三相基准电压发生系统用图4所示的三相基准电压发生系统41代替。图4中，三相基准电压发生系统41由控制器10、第一和第二基准电压调制器42和43以及第一和第二极性测定装置44和45所组成。在此情况下，如图3所示由第一电动机31和第二电动机32组成的轧钢机用作NPC逆变器5和6的负荷。

图4中，按第一实施例同样的方式从控制器10获得的三相基准电压Vref1作为原基准电压输入第一基准电压调制器42和第二基准电压调制器43。

第一极性测定装置44由一个计数器组成，它产生极性转换信号A，该信号以恒定周期在“0”与“1”之间转换。极性转换信号A输出到第一基准电压调制器42。

第一基准电压调制器42将极性特换信号A为“0”时的情况判定为“正态”，将极性转换信号A为“1”时的情况判定为“负态”。

此外，极性转换信号A输出到第二极性测定装置45，由该装置通过将极性转换信号A在时间上偏移1/2周期产生极性转换信号。

极性转换信号B输出到第二基准电压调制器43，第二基准电压调制器43则将极性转换信号B为“0”时的情况判定为“正态”，极性转换信号B为“1”时的情况判定为“负态”。

其次，在各相应的基准电压调制器42和43中，在“正态”情况下往三相基准电压Vref1上加直流偏压，同时得出新的三相基准电压Vref2和Vref3，使其中三相基准电压Vref2和Vref3的所有三相都具有相同的正极性。在各相应的基准电压调制器42和43中，在“负态”的情况下得出新的三相基准电压Vref2和Vref3，其中三相基准电压Vref2和Vref3的所有三相都通过从三相基准电压Vref1减去直流偏压而使它们的负极性都相同。图5(a)示出了这时三相基准电压Vref2和Vre3的波形(图中只示出了它们的U相)。

三相基准电压Vref2和Vref3分别加到比较器12和13上。然后进行与图1同样的操作。

采用如上述组成的第三实施例时，可以获得下列操作效果。即极性转换信号A和B彼此偏移1/2周期。因此，当第一基准电压调制器42处于“正态”时，第二基准电压调制器43处于“负态”，当前者处于“负态”时，后者则处于“正态”。

图5(b)是说明该情况下中性点电位波动的示意图。在“正态”的那一段时间所有三相基准电压为正时，中性点电位呈线性上升；相反，在“负态”的那一段时间所有三相基准电压为负时，中性点电位呈线性下降。这样，因2个NPC逆变器5和6引起的中性点电位波动彼此相抵消。

此实施例也可与诸如拥有两组三相绕组的电动机之类的负荷配用，其中两组绕组并联配置例如。如图10中所示的那样。

图6-8是说明本发明第四实施例的电力变换器的示意图。图6是个简化方框图。图7是说明图6所示的三相基准电压发生系统41A的示意图。图8是说明图6所示电力变换器的工作情况的波形图。

此实施例采用第一至第三电动机71、72和73作为负荷。第一至第三NPC逆变器51、52和53配置在这些电动机71、72和73的输入端，且分别在电气上与该输入端相连接。除图1中所示的第一和第二比较器2和13外，还配备有第三比较器20。此外，配备了三相基准电压发生系统41A，代替图1所示的三相基准电压发生系统16。

三相基准电压发生系统41A的结构如下。就是说，图4所示的三相基准电压发生系统41中增设了新的第三极性测定装置47和新的第三基准电压调制器46。在这种情况下，三相基准电压Vref1系作为原基准电压输入第一基准电压调制器42、第二基准电压调制器43和第三基准电压调制器46。

第一极性测定装置44由计数器组成，它产生极性转换信号A，该信号以恒定周期在“0”与“1”之间转换。极性转换信号A输出到第一基准电压调制器42。

第一基准电压调制器42将极性转换信号A为“0”时的情况判定为“正态”，将极性转换信号A为“1”时的情况判定为“负态”。

此外，极性转换信号A输出到第二极性测定装置45，该装置通过使极性转换信号A在时间上偏移1/3周期产生极性转换信号B。

同样，极性转换信号B输出到第三极性测定装置47，该装置通过使极性转换信号B在时间上偏移1/3周期而产生极性转换信号C。极性转换信号B和C分别输出到基准电压发生器43和46。第二和第三基准电压调制器43和46分别将极性转换信号B和C为“0”时的情况判定为“正态”，将极性转换信号B和C为“1”时的情况判定为“负”态。

其次，在各相应的在基准电压调制器42、43和46中，在“正态”的情况下，往三相基准电压Vref1上加直流偏压，于是得出新的三相基准电压Vref2、Vref3和Vref4，使其中三相基准电压Vref2、Vref3和Vref4的所有三相都具有相同的正极性。在各相应的基准电压调制器42、43和46中，在“负态”的情况下得出新的三相基准电压Vref2、Vref3和Vref4，其中三相基准电压Vref2、Vref3和Vref4的所有三相通过从三相基准电压Vref1减去直流偏压而具有相同的负极性。

图8(a)示出了这时三相基准电压Vref2、Vref3和Vref4的波形(图中只示出了它们的U相)。

采用上述第四实施例时，可以获得下面的操作效果。即极性转换信号A、B和C彼此偏移了1/3周期。因此，如图8(b)中所示，三个NPC逆变器51、52和53将中性点电位因一个NPC逆变器而引起的波动控制到中性点电位波动的1/3。

图9是说明本发明第五实施例的电力变换器的示意图。图1所示第一实施例的直流平滑电容器15中的平滑电容器3和4用电容器71代替。此外，取消了NPC逆变器5和6的中性点与平滑电容器3和4的连接点之间的接线。只有NPC逆变器5和6的中性点彼此连接起来。在这种方案中，在第一NPC逆变器5的电流流入中性点或从中性点流出的情况下，第二NPC逆变器6的电流也总是分别从中性点流出或流入中性点。因此，由于下述的电流回路总是存在，因而NPC逆变器5和6的中性点的电位通过电动机7的绕组而变零。

电流回路的一个实例如下：三相交流电源1的正侧端子-第一NPC反向变换器5的U相-电动机7的第一组电动机绕组U1-第一NPC逆变流器5的V相-第一NPC逆变流5的中性点-第二NPC逆变器6的V相-电动机7的第二组电动机绕组V2-第二NPC逆变器6的U相-三相交流电源1的负侧端子。

采用上述第五实施例时，除取得第一实施例的那些效果外，还取得减少平滑电容器数量的效果。

本技术领域的技术人员不难制造基准电压调制器42、43和46和极性测定装置44、45和47，因此这里不再详述它们的电路结构。

采用本发明时，可以提供多个NPC逆变器接公用直流电源的那一种电力变换器，这样就可以抑制因各NPC逆变器的电流而产生的中性点电位波动。

显然，根据上述教导是可以对本发明进行多种修改和更改的。因此应该理解的是，在本说明书所附权利要求书的范围内，是可以按本说明书中具体所述以外的方式实施本发明的。

Claims (10)

1.一种电力变换器，具有一个直流电源和若干共同接所述直流电源的中性点箝位的逆变器，该电力变换器用以将所述直流电源的直流电变换成交流电，并将所述各逆变器的交流电提供给负荷，其特征在于，它包括：

第一基准电压发生装置，用以产生第一基准电压；

相位差测定装置，用以根据所述逆变器的数量和每个所述逆变器的相数测定所述各逆变器之间的相位差；

第二基准电压发生装置，用以根据所述第一基准电压发生装置的所述第一基准电压和所述相位差测定装置的所述相位差产生第二基准电压；和

比较装置，用以将所述基准电压分别与载波信号相比较，并用以根据比较结果产生传送给所述各逆变器的门信号。

2.根据权利要求1所述的电力变换器，其特征在于：

所述负荷是个电动机，该电动机的结构使所述电动机的数组绕组之间形成电动机相位差；

所述电动机的相位差取决于所述电动机的数组绕组的数量和所述电动机的相数；且

所述各逆变器之间的所述相位差定为等于所述电动机的所述数组绕组之间的所述电动机相位差。

3.根据权利要求1所述的电力变换器，其特征在于：

所述各逆变器之间的所述相位差选取360°/(N.K)的值，其中N为所述逆变器的数目，K为每个所述逆变器的所述相数。

4.根据权利要求3所述的电力变换器，其特征在于，所述负荷是电动机；

其中所述第一基准电压发生装置有一个控制器，用以根据所述电动机的基准转速、所述电动机的转速和在所述电动机中流动的电流产生所述第一基准电压；且

其中所述相位差测定装置和所述第二基准电压发生装置有一个相位调制器连接成接收所述第一基准电压，用以将所述第一基准电压的相位偏移所述逆变器数和每个所述逆变器的所述相数所确定的所述相位差，从而产生所述第二基准电压。

5.根据权利要求4所述的电力变换器，其特征在于：

所述电动机是三相电动机；

所述电力变换器有两个中性点箝位的逆变器；且

所述调相器接收所述第一基准电压，并使所述第一基准电压的相位偏移180度，从而产生所述第二基准电压。

6.一种电力变换器，包括：

一个直流电压源；

多个中性点箝位的逆变器，共同接所述直流电压源；其特征在于：

基准电压发生装置，用以产生原基准电压，以及产生多个彼此之间有相位差的基准电压；

所述基准电压之间的所述相位差由所述逆变器的数量所确定；

各所述基准电压是正基准电压和负基准电压，正基准电压通过在正态下使所述原基准电压偏移预定的正直流偏压值而产生，负基准电压通过在负态下使所述原基准电压偏移预定的负直流偏压值而产生；

用以产生极性转换信号，使所述正态和所述负态以预定周期率转换的极性转换信号产生装置；以及

门信号发生装置，连接成接收所述多个基准电压以产生所述多个门信号，每个门信号分别输送，以控制向负载提供交流电力的所述逆变器；

7.根据权利要求6所述的电力变换器，其特征在于，所述基准电压发生装置包括：

一个控制器，用以根据所述电动机的基准转速、所述电动机的转速和所述电动机中流动的电流而产生原基准电压；以及

多个基准电压调制器，用以产生所述多个基准电压；

每个所述基准电压调制器接收所述原基准电压和相应的其中一些所述极性转换信号，通过使所述原基准电压在正态下偏移所述直流偏压值而产生所述正基准电压，通过使所述原基准电压在所述负态下偏移所述负直流偏压而产生所述负基准电压，并在所述正态下产生所述正基准电压，在所述负态下产生所述负基准电压，作为所述多个基准电压。

8.根据权利要求7所述的电力变换器，其特征在于：

所述电力变换器有两个中性点箝位的逆变器；

所述极性特换信号产生装置产生两个180度相位差的极性转换信号；和

所述多个基准电压调制器包括两个用以产生所述正基准电压和负基准电压的基准电压调制器。

9.根据权利要求7所述的电力变换器，其特征在于：

所述电力变换器有三个中性点箝位的逆变器；

所述极性转换信号产生装置产生三个彼此之间具有120度相位差的极性转换信号；和

所述多个基准电压调制器包括产生三个基准电压的三个基准电压调制器。

10.一种电力变换器，用以将所述直流电源的直流电变换成交流电加到交流负荷上，其特征在于，它包括：

连接在直流电源和交流负载之间的多个中性点逆变器；

第一基准电压发生装置，用以产生第一基准电压；

极性信号发生装置，用以产生极性信号；

第二基准电压发生装置，用以根据所述第一基准电压和所述极性信号而产生第二基准电压；以及

比较装置，用以分别将所述第一和第二基准电压的幅值与载波信号的幅值相比较，用以根据比较结果产生门信号作为输出，去控制所述逆变器。

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