專利名稱：低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，該逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)頻 率低、損耗小、功率器件工作可靠，且輸出波形諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)，不需要濾波器，可以在很 寬輸出頻率范圍內(nèi)工作，屬于一種電力電子變換器。
背景技術(shù)：
由于損耗和開關(guān)器件的限制，大功率逆變器的開關(guān)頻率通常比較低。一般情況下， 低開關(guān)頻率會(huì)使輸出電壓含有較大諧波含量，因此必須設(shè)計(jì)合適的濾波器將輸出電壓諧波 含量降低，濾波器的引入使無(wú)功增大，并且受濾波器諧振頻率的限制，逆變器不能在很寬輸 出頻率范圍內(nèi)變頻工作。采用多通道階梯波合成逆變器也可以在低開關(guān)頻率情況下獲得較好的輸出波形 正弦性，其輸出波形的正弦性隨著逆變器通道數(shù)的增加而得到提高，例如附圖1所示四通 道24階梯波合成逆變器和附圖2所示八通道48階梯波合成逆變器的輸出波形THD分別為 7. 3%和3. 7%，其諧波成分分別為24k士 1次和48k士 1諧波，可見(jiàn)在階梯波合成逆變器通道 數(shù)足夠多的情況下其輸出波形趨于正弦，輸出可不需要增加濾波器，特別適合大功率應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的階梯波合成逆變器存在以下兩個(gè)主要問(wèn)題1)傳統(tǒng)的階梯波合成逆變器輸出電壓與輸入電壓關(guān)系是確定的，即輸出電壓不可 調(diào)節(jié)，這極大地限制了其應(yīng)用；2)階梯波合成逆變器采用的移相變壓器結(jié)構(gòu)隨著通道數(shù)的增多而變得復(fù)雜，且?guī)?乎所有的變壓器都不一樣，制作成本增加。專利ZL200810022794. 6提出的一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的大功率階梯波合成變流 器，采用一種適合階梯波合成變流器的脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)技 術(shù)，使得變流器的輸出變得可調(diào)節(jié)，而階梯波合成逆變器是一種工作于從直流到交流逆變 方式的變流器，可采用專利ZL200810022794. 6提出的方法實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種低開關(guān)頻率無(wú)諧波大功率逆變 器，不但具有開關(guān)頻率低、損耗小、功率器件工作可靠的特點(diǎn)，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波形諧波含 量小，輸出不需要濾波器，逆變器輸出頻率不再受濾波器的限制，可在很寬的頻率范圍內(nèi)變 頻工作。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，由k個(gè)結(jié)構(gòu)相同的m通道階梯波合成逆變器在 交流輸出端串聯(lián)組成，k為大于1的自然數(shù)，m為自然數(shù)；該逆變器的輸入控制信號(hào)直接連 接于第一個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng)第一個(gè)階梯波合成逆變器；第一個(gè)階梯波合成逆 變器的控制信號(hào)通過(guò)延遲η /3mk相位后連接到第二個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng)第二 個(gè)階梯波合成逆變器；同樣第二個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲n/3mk相位后連接到下一個(gè)階梯波合成逆變器，依此方式依次傳遞控制信號(hào)，直到最后一個(gè)階梯波合成 逆變器。各階梯波合成逆變器的直流輸入電源Vdc電壓值相同，共用一個(gè)直流電源或采用 相互隔離的直流電源。各階梯波合成逆變器的輸出三相交流按相序分別串聯(lián)，在最后一個(gè)階梯波合成逆 變器的輸出三相末端，三相連接于一點(diǎn)形成三相中點(diǎn)N，第一個(gè)階梯波合成逆變器的三相首 端與三相中點(diǎn)N之間形成本逆變器的三相輸出電壓U。a、Uob以及Uoc。本發(fā)明的逆變器結(jié)構(gòu)上采用階梯波合成逆變器串聯(lián)方案，通過(guò)多個(gè)相同的多階梯 波合成逆變器串聯(lián)，降低單個(gè)階梯波合成逆變器的通道數(shù)，從而達(dá)到降低階梯波合成逆變 器的變壓器復(fù)雜程度，提高變壓器的一致性，降低逆變器成本；每個(gè)階梯波合成逆變器的控 制信號(hào)之間延遲一定的相位角，以達(dá)到消除低通道數(shù)的階梯波合成逆變器的輸出諧波，從 而實(shí)現(xiàn)與高通道數(shù)階梯波合成逆變器相同的輸出波形正弦性。由于本發(fā)明的逆變器輸出波形正弦性好，輸出不需要加輸出濾波器，其工作場(chǎng)合 不再受輸出濾波器的限制。單個(gè)階梯波合成逆變器可以采用方波工作方式，多個(gè)階梯波合 成逆變器通過(guò)控制信號(hào)移相后串聯(lián)，可用于電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和電壓波形校正；單個(gè)階梯波合 成逆變器也可以采用專利ZL200810022794. 6提出的方法實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制， 多個(gè)階梯波合成逆變器通過(guò)控制信號(hào)移相后串聯(lián)，可用于大功率逆變電源、新能源并網(wǎng)發(fā) 電以及大功率變頻驅(qū)動(dòng)。


圖1 (a)傳統(tǒng)四通道24階梯波合成逆變器結(jié)構(gòu)圖。圖1 (b)傳統(tǒng)四通道24階梯波合成逆變器輸出波形。圖1 (c)傳統(tǒng)四通道24階梯波合成逆變器輸出波形頻譜。圖2 (a)傳統(tǒng)八通道48階梯波合成逆變器結(jié)構(gòu)圖。圖2 (b)傳統(tǒng)八通道48階梯波合成逆變器輸出波形。圖2 (c)傳統(tǒng)八通道48階梯波合成逆變器輸出波形頻譜。圖3本發(fā)明逆變器結(jié)構(gòu)框圖。圖4本發(fā)明的二組階梯波合成逆變器串聯(lián)時(shí)諧波合成原理。圖5(a)本發(fā)明的八通道逆變器輸出波形。圖5(b)本發(fā)明的八通道逆變器輸出頻譜。圖6本發(fā)明的逆變器應(yīng)用于電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和電壓波形校正。圖7(a)本發(fā)明的八通道逆變器中的每組四通道逆變器的輸出電壓波形及頻譜分 析(采用ZL200810022794. 6的調(diào)制方法)。圖7(b)本發(fā)明的八通道逆變器的輸出電壓波形及頻譜分析(采用 ZL200810022794. 6 的調(diào)制方法)。圖8本發(fā)明的逆變器應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電。圖9本發(fā)明的逆變器應(yīng)用于變頻驅(qū)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式根據(jù)上述附圖敘述本逆變器的具體實(shí)施方式
。附圖3所示為本逆變器實(shí)施原理框圖，逆變器由k個(gè)結(jié)構(gòu)相同的m通道階梯波合 成逆變器在交流輸出端串聯(lián)組成，k為大于1的自然數(shù)，m為自然數(shù)。該逆變器的輸入控制 信號(hào)直接連接于第一個(gè)階梯波合成逆變器(m通道階梯波合成逆變器1)，用于驅(qū)動(dòng)第一個(gè) 階梯波合成逆變器；第一個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)通過(guò)延遲n/3mk相位后連接到 第二個(gè)階梯波合成逆變器(m通道階梯波合成逆變器2)，用于驅(qū)動(dòng)第二個(gè)階梯波合成逆變 器；同樣第二個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲η/3mk相位后連接到下一個(gè)階梯 波合成逆變器，依此方式依次傳遞控制信號(hào)，直到最后一個(gè)階梯波合成逆變器(m通道階梯 波合成逆變器k)；各階梯波合成逆變器的直流輸入電源Vdc電壓值相同，可以共用一個(gè)直 流電源也可采用相互隔離的直流電源；各階梯波合成逆變器的輸出三相交流按相序分別串 聯(lián)，在最后一個(gè)階梯波合成逆變器的輸出三相末端，三相連接于一點(diǎn)形成三相中點(diǎn)N，第一 個(gè)階梯波合成逆變器的三相首端與三相中點(diǎn)N之間形成本逆變器的三相輸出電壓U。a、U。b& 及 U。。。附圖3所示的m通道階梯波合成逆變器中的移相變壓器原邊采用三角型連接方 式，副邊采用“Z”字型連接方式，在原邊和副邊之間形成Qi= θ1+( -1) ^/(βπι)的基波相 移角(i表示第i個(gè)變壓器，Q1表示第一個(gè)通道的相移角，原則上可為任意值)。本發(fā)明的 逆變器中m通道階梯波合成逆變器的移相變壓器除了采用上述原副邊連接方式，還可以采 用其它各種連接方式，只要實(shí)現(xiàn)所述相移角即可。附圖3所示對(duì)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)延遲π /3mk相位可以通過(guò)把控制信 號(hào)延遲t時(shí)間后輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里Z = ^「，f。為逆變器的輸出基波頻率。以二個(gè)四通道階梯波合成逆變器串聯(lián)為例說(shuō)明其諧波抵消原理。附圖4所示為 本發(fā)明逆變器采用二個(gè)四通道階梯波合成逆變器串聯(lián)輸出諧波合成原理圖，單個(gè)四通道階 梯波合成逆變器的輸出諧波為uhl，控制信號(hào)延遲t = l/(48f0)移相后，產(chǎn)生的基波與第一
個(gè)通道相位相差0 = ^lt = ^，產(chǎn)生的諧波uh2與第一個(gè)通道的諧波Uhl的相位相差h θ (h
=24k士 1)，兩個(gè)階梯波合成逆變器串聯(lián)疊加后基波分量為單個(gè)48階梯波合成逆變器的
TTPlTT
cos; a 0.998，h次諧波含量為單個(gè)24階梯波合成逆變器的cos:。對(duì)于h = 24k 士 l(k為 4848
奇數(shù))次諧波含量為單個(gè)24階梯波合成逆變器的= 0.065倍；對(duì)于h = 24k士 l(k為偶
數(shù))次諧波含量為單個(gè)24階梯波合成逆變器的cos: = 0.998倍。因此，除48k士 1次諧波 外，其它諧波都得到抑制，諧波含量與48階梯波幾乎相同。附圖5(a)所示為本逆變器采用二個(gè)四通道階梯波合成逆變器串聯(lián)后組成八通道 逆變器輸出電壓波形，圖5 (b)所示為本逆變器的頻譜，波形及其頻譜與圖2所示傳統(tǒng)八通 道階梯波合成逆變器的輸出波形幾乎一致，而四通道階梯波合成逆變器的移相變壓器結(jié)構(gòu) 比八通道階梯波合成逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在降低了變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上同樣可獲得 正弦度高的輸出波形。
由于本發(fā)明的逆變器輸出波形正弦性好，輸出不需要加濾波器，逆變器工作不受 輸出濾波器的限制，并且高頻阻抗比較低。附圖3所示逆變器輸入控制信號(hào)采用傳統(tǒng)的方 波控制方式，可用于無(wú)功補(bǔ)償和電壓波形校正，如附圖6所示，通過(guò)控制調(diào)節(jié)逆變器的輸出 相位實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和電壓波形校正。在沒(méi)有逆變器接入時(shí)，負(fù)載的無(wú)功以及諧波電流在輸 電網(wǎng)的線路阻抗上會(huì)產(chǎn)生電壓降以及諧波電壓，從而使負(fù)載側(cè)電壓下降且波形品質(zhì)降低， 采用本發(fā)明的逆變器接入后，通過(guò)控制逆變器輸出電壓相位，無(wú)功電流和諧波電流全部流 入逆變器而不經(jīng)過(guò)輸電網(wǎng)的線路，因此線路上也不會(huì)產(chǎn)生電壓降和諧波電壓，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定電壓和波形修正。也可以采用專利ZL200810022794. 6提出的方法產(chǎn)生逆變器的輸入控制信號(hào)，用 于大功率逆變電源、新能源并網(wǎng)發(fā)電以及大功率變頻驅(qū)動(dòng)。附圖7(a)所示為本發(fā)明的一種 八通道逆變器中的每個(gè)四通道逆變器采用ZL200810022794.6提出的調(diào)制方案時(shí)的輸出電 壓波形及其頻譜分析，附圖7(b)為八通道逆變器的輸出電壓波形及其頻譜分析。附圖8為 本發(fā)明新能源并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用示例，采用簡(jiǎn)單的單電感接入電網(wǎng)即可以獲得很好的進(jìn)網(wǎng)電流 質(zhì)量。附圖9示出了本發(fā)明大功率變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例，由于本逆變器可以消除諧波，獲得很 正弦的逆變器輸出電壓，因此輸出不需要接濾波器，輸出頻率不再受逆變器輸出濾波器的 限制，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的WVF(Variable Voltage and Variable Frequency，變速變頻)驅(qū)動(dòng)控 制。
權(quán)利要求
1.一種低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，其特征在于由k個(gè)結(jié)構(gòu)相同的m通道階梯波合成逆 變器在交流輸出端串聯(lián)組成，k為大于1的自然數(shù)，m為自然數(shù)；該逆變器的輸入控制信號(hào)直 接連接于第一個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng)第一個(gè)階梯波合成逆變器；第一個(gè)階梯波合 成逆變器的控制信號(hào)通過(guò)延遲η/3mk相位后連接到第二個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng) 第二個(gè)階梯波合成逆變器；同樣第二個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲n/3mk相 位后連接到下一個(gè)階梯波合成逆變器，依此方式依次傳遞控制信號(hào)，直到最后一個(gè)階梯波 合成逆變器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，其特征在于各階梯波合成逆變器 的直流輸入電源Vdc電壓值相同，共用一個(gè)直流電源或采用相互隔離的直流電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，其特征在于各階梯波合成逆變器 的輸出三相交流按相序分別串聯(lián)，在最后一個(gè)階梯波合成逆變器的輸出三相末端，三相連 接于一點(diǎn)形成三相中點(diǎn)N，第一個(gè)階梯波合成逆變器的三相首端與三相中點(diǎn)N之間形成本 逆變器的三相輸出電壓Uoa、Uob以及U。c。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種低開關(guān)頻率無(wú)諧波逆變器，由k個(gè)結(jié)構(gòu)相同的m通道階梯波合成逆變器在交流輸出端串聯(lián)組成，k為大于1的自然數(shù)，m為自然數(shù)；該逆變器的輸入控制信號(hào)直接連接于第一個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng)第一個(gè)階梯波合成逆變器；第一個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)通過(guò)延遲π/3mk相位后連接到第二個(gè)階梯波合成逆變器，用于驅(qū)動(dòng)第二個(gè)階梯波合成逆變器；同樣第二個(gè)階梯波合成逆變器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲π/3mk相位后連接到下一個(gè)階梯波合成逆變器，依此方式依次傳遞控制信號(hào)，直到最后一個(gè)階梯波合成逆變器。本發(fā)明的逆變器輸出波形正弦性好，輸出不需要加輸出濾波器，其工作場(chǎng)合不再受輸出濾波器的限制。
文檔編號(hào)H02M1/12GK102142785SQ20111004861
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者李磊, 許愛(ài)國(guó), 謝少軍, 陳萬(wàn) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 南京麥格安倍電氣科技有限公司