CN102761285A

CN102761285A - 可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置

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Publication number: CN102761285A
Application number: CN2012102336520A
Authority: CN
Inventors: 张翔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-08
Filing date: 2012-07-08
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-08
Also published as: CN102761285B

Abstract

一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，涉及作为连接***的电力转换装置之一的三电平中性点钳位式PWM（脉宽调制）逆变器装置、以及在该三电平中性点钳位式PWM逆变器装置中使用的、控制正母线和负母线之间串联连接的两个电容器间中性点电压(电流)控制(平衡)装置，该装置由二部分装置构成，第一部分装置为三相中性点钳位式PWM逆变器装置，第二部分装置为抑制中性点电压偏移的装置，第二部分装置通过串联电感与第一部分装置的中性点连接，抑制中性点电压偏移的装置可以高效的抑制三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电位变动，因此可以提高安全性，提高输出电压的质量。

Description

可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置

技术领域

本发明涉及可变速驱动电动机的逆变器、伺服驱动器等电力转换装置、作为连接***的电力转换装置之一的三电平中性点钳位式PWM（脉宽调制）逆变器装置、以及在该三电平中性点钳位式PWM逆变器装置中使用的、控制正母线和负母线之间串联连接的两个电容器间中性点电压(电流)平衡装置。

背景技术

如图1是表示三电平中性点钳位式PWM逆变器装置的主电路结构的电路图。三电平中性点钳位式PWM逆变器装置由2个电容器7、3相的输出端子UVW、12个开关元件以及18个二极管9构成。在这种三电平中性点钳位式PWM逆变器装置中，使开关元件8₁、8₂导通时，各相的输出端子和与P点连接的正母线连接，各相的输出电压变为高电平。使开关元件8₂、8₃导通时，各相的输出端子与中性点C点连接，各相的输出相电压变成高电平和低电平中间的中间电平（中性点电压）。使开关元件8₃、8₄导通时，各相的输出端子和与N点连接的负母线连接，各相的输出相电压变成低电平。在三电平中性点钳位式PWM逆变器装置中，一般以上的3种模式为基本切换各开关元件8，驱动3相负载。

在这种三电平中性点钳位式PWM逆变器装置中，利用电容器7的分压得到中性点电压，但是该中性点电压随着供给给负载的电流而变动。中性点电压变动时，过电压作用于电容器7，可能会导致电容器7的寿命降低或损坏。因此，在三电平中性点钳位式PWM的逆变器装置中，需要进行用于抑制中性点电压的变动的中性点电位的控制。

以往，在如上述构成的中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电压控制中，作为PWM脉冲产生方法使用双极性调制、单极性调制，通过电压指令的增减，控制流向中性线的电流。

中国专利公开号CN 100334801C,公开日2007年8月29日，发明创造的名称为中性点钳位式脉宽调制逆变器装置，该申请案公开了根据正母线、负母线以及中性线分别与3相的相输出端子连接的3相输出电压的时间的计算值和在该状态下的所述的中性点预测电流值之积的第一个计算值、处于3相的相输出端子中的2个与正母线或中性线连接而剩下的1个与所述中性线或负母线连接点状态1及相反的状态2的3相输出电压的时间的计算值与在该状态1及2的所述中性线预测电流值之积的第二及第三计算值，决定PWM周期中的状态1和2的时间比率，使得流向中性线的电流接近零，或使3相输出电压的中性线的电位接近正母线电压和负母线电压的正中间的电压。其不足之处在于在控制中性线电流时，采用改变电压矢量的比率的方法，将造成输出的线电压和部分共模电压部分退化为与二电平PWM逆变器的输出的线电压和共模电压相同，不仅带来了控制上的复杂性，而且会产生较多的谐波和较强的电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相中性点钳位式PWM逆变器装置，可以高效率地抑制中性点电压的变动，并且三相中性点钳位式PWM逆变器装置可以按照正常开关信号模式控制，无需为抑制中性点电压波动而改变电压矢量比率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种三相中性点钳位式PWM逆变器装置，该三相中性点钳位式PWM逆变器装置由二部分装置构成，第一部分装置为三相中性点钳位式PWM逆变器装置，第二部分装置为抑制中性点电压偏移的装置，所述的第二部分装置通过串联电感与所述的第一部分装置的中性点连接。其中所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置具有正母线、负母线以及中性线，分为3相设有中性点钳位式PWM逆变器，各中性点钳位式PWM逆变器在正母线和相输出端子及负母线和相输出端子之间分别串联连接第一个和第二个开关元件及第三和第四开关元件，而且所述第一和所述第二开关元件的连接点及所述的第三和所述的第四开关元件的连接点分别经由钳位元件与所述中性点连接，在所述的正母线和所述的中性点之间及所述的负母线和所述的中性点之间分别串联连接第一个电容器及第二个电容器，其中所述的抑制中性点电压偏移的装置具有正母线、负母线以及中性线，在所述的正母线和所述的中性点之间及所述的负母线和所述的中性点之间分别串联第五个开关元件和第六个开关元件，所述的第五个开关元件和第六个开关元件分别并联续流二极管，且所述的第五个开关元件与所述的第六个开关元件中间点与所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置通过一个电感器串联连接。

本装置可以在所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电压小于所述的正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位时，可以开通所述的第五个开关元件，关闭所述的第六个开关元件，使所述的中性点电压升高，使所述的中性线的电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位；当所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电压大于所述的正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位时，可以关闭所述的第五个开关元件，开通所述的第六个开关元件，使所述的中性点电压降低，使所述的中性线的电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位。

本装置还可以在电流流入所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点时可以开通所述的第六个开关元件，关闭所述的第五个开关元件，向所述的中性点抽取电流，当电流流出所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点时时，可以开通所述的第五个开关元件，关闭所述的第六个开关元件，向所述的中性点注入电流。

本装置还可以在三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的电源为整流输入时，在所述的抑制中性点电压偏移装置的所述的正母线和所述的三相中性点钳位式PWM逆变器所述的正母线之间串联连接一个二极管，在所述的抑制中性点电压偏移装置的所述的正母线和外接电源正电位之间串联连接一个电感。

通过上述办法，可以在保证PWM逆变器在正常的开关信号模式控制下，使中性点电位变动尽量接近零，或通过使中性线的电位接近正母线和负母线电压之间的正中间的电位，可以高效抑制中性点电位变动，因此可以提高安全性，提高输出电压的质量。

附图说明

图1是表示三电平逆变器装置的主电路结构的电路图。

图2是表示带有抑制中性点电流偏移装置的三电平逆变器装置的主电路结构的电路图。

图3是三相中性点钳位式PWM变换装置的输出电压空间向量图。

图4是表示三相中性点钳位式逆变器的开关状态组中小矢量输出示例图。

图5是表示三相中性点钳位式逆变器的开关状态组中中矢量输出示例图。

图6是表示带有三个桥臂的抑制中性点电流偏移装置的三电平逆变器装置的主电路结构的电路图。

图7是表示电源为整流输入时可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置的主电路结构的电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1，如图2是表示本实施例的带有抑制中性点电流偏移装置的三电平逆变器装置的主电路结构的电路图。如图2所示，本实例由二部分装置组成，第一部分装置为三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置，第二部分装置为主动平衡中性点钳位电压的装置，主动平衡中性点钳位电压的装置在正母线和中性线之间串联高频开关元件1，在中性线和负母线之间串联高频开关元件2，并且2个高频开关元件并联续流二极管3，在2个高频开关元件和三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的中性点c之间串联电感4。

图3为三相中性点钳位式PWM变换装置的输出电压空间向量图，其中包括27个输出电压矢量，按照矢量的模长可以分成小矢量（ap，an和bp，bn），中矢量（c），大矢量（a和b）和零矢量（op、oo和on），将空间矢量图分成A～F 6个大区，每个大区又可以分为4个小三角形区域。当PWM变换装置的输出电压处于图3所示的24个区域中的某一个时，可以用组成该区域的电压矢量替代。

当三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置输出电压矢量位于A1~F1区域时，输出电压矢量可以由电压矢量：ap、an、bp、bn、op、oo和on来代替。由图4可见两对冗余矢量ap和an与bp和bn对中性点电压影响是相反的，在一个载波周期内，选取相同宽度的ap与an，相同宽度的bp与bn。其中零矢量op、oo和on对中性点电位没有影响。

当三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置输出电压矢量位于A2~F2区域时，输出电压矢量可以由电压矢量：ap、an、a和c来代替。由图4冗余矢量ap和an对中性点电压影响是相反的，在一个载波周期内选取相同宽度的ap与an；对于c矢量，如图5所示，没有冗余的矢量，若c矢量使中性点电位小于正母线电位和负母线电位之间的正中间的电位V0时，可以开通图2所示的主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，关断主动平衡中性点钳位电压的装置开关元件2，使中性点电位升高；若中性点电位大于V0时，可以关断主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，开通主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件2；其中大矢量a对中性点电位没有影响。

当三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置输出电压矢量位于A4~F4区域时，输出电压矢量可以由电压矢量：bp、bn、b和c来代替。由图4冗余矢量bp和bn对中性点电压影响是相反的，在一个载波周期内选取相同宽度的bp与bn；对于c矢量，如图5所示，没有冗余的矢量，若c矢量使中性点电位小于V0时，可以开通图2所示的主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，关断主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件2，使中性点电位升高；若中性点电位大于V0时，可以关断主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，开通主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件2；其中大矢量b对中性点电位没有影响。

当三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置输出电压矢量位于A3~F3区域时，输出电压矢量可以由电压矢量：ap、an、bp、bn和c来代替。由图4可见两对冗余矢量ap和an与bp和bn对中性点电压影响是相反的，在一个载波周期内，选取相同宽度的ap与an，相同宽度的bp与bn；对于c矢量，如图5所示，没有冗余矢量，若c矢量使中性点电位小于V0，可以开通图2所示的主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，关断主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件2，使中性点电位升高；若中性点电位大于V0时，可以关断主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件1，开通主动平衡中性点钳位电压的装置的开关元件2；其中大矢量a对中性点电位没有影响。

实施例2，其次，参照图6说明本发明的实施例2的可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置。图6是表示本发明的实施例2的可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置的主电路结构的电路图。本实施例可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置与上述实施例的可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置不同点在于：在正母线和负母线之间连接了3个上例所述的主动平衡中性点钳位电压的装置，并且每一个主动平衡中性点钳位电压的装置在2个高频开关元件和三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的中性点c之间分别通过串联电感4连接。当替代三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的输出电压矢量包括c矢量时，控制中性点电位升高或者降低是由所述的三个主动平衡中性点钳位电压的装置完成。

实施例3，说明本发明的另外一个可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置。图7是表示本实施例的可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置的主电路结构的电路图。本实施例可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置与上述实施例的可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置不同点在于：在三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的电源为整流输入时，主动平衡中性点钳位电压的装置的正母线和三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的正母线之间串联连接一个二极管；主动平衡中性点钳位电压的装置的正母线电源正电位之间串联连接一个电感。当替代三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的输出电压矢量包括c矢量时，主动平衡中性点钳位电压的装置控制中性点电位升高或者降低，开关元件1和2至少有一个导通，此时电源向电感充电；当替代三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的输出电压矢量不包括c矢量时，根据整流器输出电压的瞬时值同时开通或关断，为电感储能或者向2个电容充电，保持直流侧电压基本恒定。

Claims

1.一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置由二部分装置构成，第一部分装置为三相中性点钳位式PWM逆变器装置，第二部分装置为抑制中性点电压偏移的装置，所述的第二部分装置通过串联电感与所述的第一部分装置的中性点连接。

2.如权利要求书1所述的一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于，所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置具有正母线、负母线以及中性线，分为3相设有中性点钳位式PWM逆变器，各中性点钳位式PWM逆变器在正母线和相输出端子及负母线和相输出端子之间分别串联连接第一个和第二个开关元件及第三和第四开关元件，而且所述第一和所述第二开关元件的连接点及所述的第三和所述的第四开关元件的连接点分别经由钳位元件与所述中性点连接，在所述的正母线和所述的中性点之间及所述的负母线和所述的中性点之间分别串联连接第一个电容器及第二个电容器。

3.如权利要求书1所述的一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于，所述的抑制中性点电压偏移的装置具有正母线、负母线以及中性线，在所述的正母线和所述的中性点之间及所述的负母线和所述的中性点之间分别串联第五个开关元件和第六个开关元件，所述的第五个开关元件和第六个开关元件分别并联续流二极管，并且所述的第五个开关元件与所述的第六个开关元件的中间点与所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置通过一个电感器串联连接。

4.如权利要求1所述的一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于，当所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电压小于所述的正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位时，可以开通所述的第五个开关元件，关闭所述的第六个开关元件，使所述的中性点电压升高，使所述的中性线的电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位；当所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电压大于所述的正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位时，可以关闭所述的第五个开关元件，开通所述的第六个开关元件，使所述的中性点电压降低，使所述的中性线的电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位。

5.如权利要求1 所述的一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于，当电流流入所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点时可以开通所述的第六个开关元件，关闭所述的第五个开关元件，向所述的中性点抽取电流，当电流流出所述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点时时，可以开通所述的第五个开关元件，关闭所述的第六个开关元件，向所述的中性点注入电流。

6.如权利要求1所述的一种可主动平衡中性点钳位电压的三电平三相电源变换装置，其特征在于：当三相中性点钳位式三电平PWM逆变器装置的电源为整流输入时，在所述的抑制中性点电压偏移装置的所述的正母线和所述的三相中性点钳位式PWM逆变器所述的正母线之间串联连接一个二极管，在所述的抑制中性点电压偏移装置的所述的正母线和外接电源正电位之间串联连接一个电感。