逆变器系统的制作方法
【专利摘要】提供了一种逆变器系统。在根据本公开的逆变器系统中，在以NPC/H桥的方式配置的U相和V相开关元件之间相邻设置的四个开关元件被转换至接通状态，以对从DC链路电容器施加的电压进行旁路。
【专利说明】
逆变器系统
技术领域
[0001]根据本公开的示例性实施例的教导总体上设及一种逆变器系统。
【背景技术】
[0002] -般来讲，中压逆变器意味着一种具有rms(均方根)值大于600V的输入电力的逆 变器，W用于额定功率容量一般为从几千瓦到数兆瓦容量的线间电压，并且，该逆变器一般 用于驱动大惯性的工业负载，例如非限制性的例子:风扇、累和压缩机。
[0003] 中压逆变器的一种形式主要可W是生成大于3级的输出相电压的级联多级串联逆 变器。在该级联多级串联逆变器中，输出电压电平和单元的数量是由包括了多级逆变器的 电力单元(power Ce 11)的数量来确定的，并且各单元(Ce 11)使用绝缘的输出电压。
[0004] 各相是通过在级联多级串联逆变器中串联连接多个电力单元而形成的，并且，= 相逆变器输出电压是由形成各相的各电力单元的输出电压的总和来确定的。各电力单元可 W由各种拓扑来配置。
[0005] 如上述所讨论的，使用电力单元的多级逆变器的模块化结构的优势在于:容易维 护和修理，并且即使电力单元中的任意一个出现故障，减少输出的旁路操作也是可能的。在 旁路操作期间，有故障的电力单元通过旁路开关而被短路，W允许对有故障的电力单元进 行旁路，同时其余的正常操作的电力单元用于使中压逆变器能够持续的操作。
[0006] 然而，当有故障的电力单元的输出端未使用旁路开关时，由于有故障的电力单元 所使用的电力开关的反向并联的二极管的整流操作增加了 DC链路电压，导致在DC链路电容 器中产生过度的额定电压，由此，由于电力单元被损坏，可能会不利的致使逆变器的整个操 作不能进行。
【发明内容】
[0007] 本公开所要解决的技术主题为提供一种配置成通过逆变器部的切换进行旁路而 无需单独的旁路开关的逆变器系统。
[000引在本公开的一个总体的方案中，提供了一种通过串联连接多个电力单元形成电机 的相电压的逆变器系统，每个电力单元包括：
[0009] 整流部，其被配置成将所施加的交流电压整流为直流电压；
[0010] DC链路电容器；
[0011] 逆变器部，其包括各自串联连接W形成U相的第一至第四开关元件，W及串联连接 W形成V相的第五至第八开关元件，其中，所述开关元件通过多个二极管被布置成NPC(中性 点错位VH桥，W通过多个开关元件中的各开关元件的接通或者关断来将所述DC链路电容 器的DC链路电压合成为具有预定电压和频率的交流电压；W及
[0012] 控制器，其被配置成通过控制多个所述开关元件的接通或者关断来对所述逆变器 部的输出电压进行旁路。
[0013] 在一些示例性实施例中，所述控制器通过接通第一开关元件、第二开关元件、第五 开关元件和第六开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0014] 在一些示例性实施例中，所述控制器通过接通第二开关元件、第=开关元件、第六 开关元件和第屯开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0015] 在一些示例性实施例中，所述控制器通过接通第=开关元件、第四开关元件、第屯 开关元件和第八开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0016] 在一些示例性实施例中，当确定在电力单元上产生故障时，通过确定多个所述开 关元件的状态，所述控制器将多个开关元件中的一些转换为接通状态W执行响应于产生故 障的开关元件的旁路操作。
[0017] 在一些示例性实施例中，当在第=开关元件、第四开关元件、第屯开关元件和第八 开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第一开关元件、第二开关元件、 第五开关元件和第六开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0018] 在一些示例性实施例中，当在第一开关元件、第四开关元件、第五开关元件和第八 开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第二开关元件、第=开关元件、 第六开关元件和第屯开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0019] 在一些示例性实施例中，当在第一开关元件、第二开关元件、第五开关元件和第六 开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第=开关元件、第四开关元件、 第屯开关元件和第八开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁路。
[0020] 有益效果：
[0021] 本公开的有益效果在于：当单元控制器确定为电力单元发生故障时，逆变器部中 的开关元件的开关操作能够被控制W允许对电流旁路，由此，由于不使用额外开关，能够降 低生产成本。
【附图说明】
[0022] 图1为示出了根据本公开的示例性实施例的中压逆变器的原理示意图；
[0023] 图2为示出了根据先前技术的电力单元的原理框图；
[0024] 图3示出了图2的逆变器部中的输出电压的波形的原理示意图；
[0025] 图4为示出了根据本发明的示例性实施例的逆变器系统的电力单元的详细框图；
[0026] 图5、图6和图7为示出了对于表2的各个模式的输出电流的路径的原理示意图；
[0027] 图8为示出了通过用本公开的单元控制器确定旁路模式来说明旁路操作的性能的 流程图。
【具体实施方式】
[0028] 下文中将会结合示出了一些实施例的附图更全面的描述各种示例性实施例。然 而，本发明的构思能够W许多不同的形式来实施，并且应当被解释为对文中所阐述的示例 性实施例的限制。相反地，所描述的方面旨在涵盖所有此类落入在本公开的范围和新颖构 思的范围内的更改、修改和变化。
[0029] 下文中，将会结合附图详细的描述本公开的示例性实施例。
[0030] 图1为示出了根据本公开的示例性实施例的串联连接的中压逆变器的原理示意 图。
[0031] 参照图I，在应用于本公开的系统中，逆变器2转换用于线间电压且rms(均方根)值 大于600V的S相输入电力，并将所转换的电力提供至中压S相电机。同时，该S相电机可W 是感应电机或同步电机。然而，该=相电机可W是除了感应电机或同步电机之外的其他电 机。
[0032] 根据本公开的逆变器2可W包括移相变压器10和多个电力单元20。
[0033] 移相变压器10可W隔离从电力部1输入的电力，并且可W响应于多个电力单元的 需求而转换电压的相位和大小，并将该电压提供给多个电力单元20。通过移相，输入电流的 T皿(总谐波失真)能够被增强。
[0034] 多个电力单元20可W接收移相变压器10的输出电压，并且，中压逆变器2的输出电 压可W通过对应于各相的电力单元的输出的总和来合成。
[0035] 目P，如图1所示，逆变器2中的a相的输出电压是串联连接的电力单元20al和20曰2的 输出电压的总和，b相的输出电压是串联连接的电力单元20b 1和20b2的输出电压的总和，C 相的输出电压是串联连接的电力单元20cl和20c2的输出电压的总和。然而，尽管串联连接 两个电力单元的例子已经被示出W用于简要的说明，但是本公开并不限于此，串联连接的 电力单元的数量可W由逆变器2的输出电压来确定。多个串联连接的电力单元能够W相同 的配置形成，并且在本公开后续的描述中电力单元的参考标号将会被设定成"20"。
[0036] 尽管逆变器2的每个合成的输出相电压的大小相同，但是各输出相电压之间具有 120°的相位差。此外，对于本领域的技术人员应当显而易见的是，通过形成了逆变器2的电 力单元的数量的增加 W及不同的切换方法，被施加到电机3的输出电压的T皿和电压变化率 (dv/dt)能够被改善。
[0037] 下文中，将会首先解释具有传统的旁路开关的电力单元的配置，然后，将会描述根 据本公开的电力单元的配置。
[0038] 图2为示出了根据先前技术的电力单元的原理框图。
[0039] 参照图2,根据先前技术的电力单元200包括整流部210、DC链路电容器220、逆变器 部230、旁路开关240 W及单元控制器250。
[0040] 整流部210包括6个二极管。被整流的DC链路电压的大小由整流部210的输入电力 和电力单元200的输出电力之间的差的关系来确定。当所提供的输入电力比负载消耗的输 出电力大时，DC链路电压增加，并且在相反的情况下，DC链路电压降低。DC链路电容器220被 设计W用于解决输入/输出链路的瞬时功率不平衡。
[0041] 逆变器部230是NPC(中性点错位)方法和H桥方法的混合，通过接通和关断多个开 关元件，输出电压能够由DC链路电压来合成。
[0042] 单元控制器250被独立的布置在每个电力单元中，并且产生确定逆变器部230的多 个开关元件的开关状态的口控信号。旁路开关240用于响应于单元控制器250的控制而对电 力单元200的输出电压进行旁路。
[0043] 当在运样配置的电力单元200中产生故障时，单元控制器250向主控控制器发送口 控信号，向旁路开关240发送旁路信号，并使相关电力单元200的输出短路，W使不会对电机 的操作产生影响，并且使用正常操作的电力单元可W执行逆变器的持续操作。
[0044] 图2中的电力单元200的输出电压可W按照下面的公式1由化和Vv之间的电压差来 确定。
[0045] 公式 I:
[0046] Vuv = Vu-Vv
[0047] 其中，Vuv是电力单元的输出电压，并且化和Vv表示极电压。U相开关中的Sll和S13， W及S12和S14执行交替的接通和关断的互补开关操作，V相中的S21和S23，W及S22和S24执 行交替的接通和关断的互补开关操作。电力单元200的极电压和输出电压可W被定义W响 应于开关状态，如表1所示。
[004引 表1 「nrviol
[0050]图3为示出了图2的逆变器部中的输出电压的波形的原理示意图，其是利用IPD(同 相配置)调制的例子。
[0051 ]电力单元200的两极的指令电压Vml和Vm2的频率和大小相同，并具有180°的相位 差。尽管载波Vcrl和Vcr2在频率和相位上相同，但是偏移量不同。当Vcrl与极电压指令Vml 和Vm2比较时，Vcrl生成（S11，S13)和（S21，S23)的口控信号，并且当Vcr2与极电压指令Vml 和Vm化k较时，生成(S12，S14)和(S22，S24)的口控信号。
[0052] 尽管图3中的逆变器部230的NPC/H桥逆变器使用了如表1所示的S级的极电压，其 通过表1输出5级电压。每个电压电平与Vdc相同。
[0053] 在旁路操作期间，旁路开关240被接通W短路电力单元200的输出端Vu和Vv。因为 输出端被短路，无论表1的开关状态，都一直输出0,并且为了防止臂短路，单元控制器250关 断所有的电力单元200的开关。
[0054] 然而，增加产品的体积和成本的问题出现了，因为为了实现传统逆变器系统的旁 路功能，单独的旁路开关被要求用于中压逆变器的每个电力单元。
[0055] 因此，根据本公开的示例性实施例，通过控制逆变器部23中的开关元件的切换实 现了旁路，而不借助于在电力单元上使用单独的旁路开关。
[0056] 图4为示出了根据本公开的示例性实施例的逆变器系统的电力单元的详细框图。
[0057] 如图4所示，根据本公开的电力单元20可W包括:整流部21、DC链路电容器22、n逆 变器部23W及单元控制器24。
[0058] 整流部21可W包括6个二极管W将分别从移相变压器10输入的AC电压整流成DC电 压。被整流的DC链路电压的大小可W由整流部21的输入电力和电力单元的输出电力之间的 差的关系来确定。当从移相变压器10提供的输入电力比负载消耗的输出电力大时，DC链路 电压可增加，但是在相反的情况下DC链路电压可降低。
[0059] DC链路电容器22可W解决输入/输出端的瞬时功率不平衡。并且，DC链路电容器可 通过第一和第二电容器Cl、C2被串联连接，其中施加到各电容器Cl、C2的电压对应于DC链路 电压。然而，该配置是示例性的，并且DC链路电容器可W被配置成通过增加电容器数量来被 连接。
[0060] 逆变器部23是NPC方法和H桥方法的混合，其中，通过接通和关断多个开关元件，输 出电压可W由DC链路电容器22的链路电压来合成。
[0061] 为了更为具体地，根据本公开的示例性实施例的逆变器部23 W运样的方式被配 置，第一开关元件Sll至第四开关元件S14可W被串联连接，并且第五开关元件S21和至第八 开关元件S24可W被串联设置。同时，第一至第四开关元件Sll至S14被定义成U相开关元件， 且第五至第八开关元件S21至S24被定义成V相开关元件。
[0062] 第一至第八二极管Dll至D14和D21至D24可W分别与开关元件并联连接。此外，第 九和第十二极管D15、D16可W被串联连接W并联连接至第二和第=开关元件S12、S13之间 的连接上，并且其间的节点P可W连接至第一和第二电容器C1、C2之间的节点N上。此外，第 十一和第十二二极管D25、D26被串联连接，并连接至第六和第屯开关元件S22和S23之间的 连接上，并且其间的节点Q可W被连接至第一和第二电容器C1、C2之间的节点N上。即，第一 和第二电容器C1和C2之间的节点N、第九和第十二极管D15、D16之间的节点P，W及第^^一、 第十二二极管D25、D26之间的节点Q可W分别连接，运被称为NPC方法。
[0063] 可W为每个电力单元20独立的设置单元控制器24,并且单元控制器24可W产生确 定多个开关元件23的开关状态的口控信号。
[0064] 尽管旁路开关240被常规的布置在电力单元200的输出端上，并且通过短路旁路开 关而使输出电压一直为0,并且电机电流的路径被形成W执行旁路操作，但是根据本公开的 单元控制器24可W输出0电压W形成电机电流路径，而不考虑负载电流状态。
[0065] 一直输出0的电力单元的开关状态可W由下面的表2来定义。
[0066] 表 2
[0067]
[006引目P，在其中的多个开关元件和多个二极管WNPC/H桥方法设置的逆变器部23中，单 元控制器24将在U相和V相开关元件之中的相邻设置的四个开关元件变换为接通状态。
[0069] 更具体而言，两个U相开关元件和两个V相开关元件变换为接通状态，此时，变换为 接通状态的U相和V相开关元件被分别设置到对应的位置上。
[0070] 例如，当U相中的第一和第二开关元件S1US12处于接通状态，并且当V相的第五开 关元件和第六开关元件S2US22处于接通状态时，输出电压可W是0,由此可W形成旁路。
[0071] 图5、图6和图7为示出了对于表2的各个模式的输出电流的路径的原理示意图，其 中，图5对应于表2的模式1，其中第一、第二、第五、第六开关元件S11、S12、S21和S22处于接 通状态W执行旁路操作。
[0072] 当电流是在W实线示出的正(+ )方向上时，通过沿着路径D12 一 Dll 一 S21 一 S22形 成闭合电路，电流能够被旁路。相反的，当电流在W虚线示出的负(-)方向上时，通过沿着路 径D22 一 D21 一 Sll 一 S12形成闭合电路，电流能够被旁路。
[0073] 图6对应于表2的模式2,其中，第二、第S、第六和第屯开关元件S12、S13、S22和S23 处于接通状态W执行旁路操作。
[0074] 当电流是在W实线示出的正方向上时，电流可W沿着路径D13 一 D16 一 S25 一 S22而 被旁路。相反的，当电流在W虚线示出的负方向上时，电流可W沿着路径D23^D26^S15^ SI 2而被旁路。
[0075] 并且，图7对应于表2的模式3,并且示出了通过使第=、第四、第屯和第八开关元件 处于接通状态来执行旁路操作。
[0076] 当电流是在W实线示出的正方向上时，电流可W沿着路径D13 一 D14 一 S24 一 S23而 被旁路，相反的，当电流在W虚线示出的负方向上时，电流可W沿着路径D23^D24^S14^ SI 3而被旁路。
[0077] 如上所讨论的，根据本公开的单元控制器24可W通过短路逆变器部23的输出端来 使得0输出电压同时使负载电流不流向电力单元20的DC链路电力而不考虑电流方向，来控 制开关元件的接通和/或关断W执行旁路操作，而不影响整个中压逆变器。
[0078] 如图所示，NPC/H桥逆变器可W使用如讨论的S个旁路开关状态，W使适应于故障 开关元件的位置的旁路开关状态可W被设置成下面的表3。
[0079] 表 3
[0081 ]目P，如上所示出的，当第S、第四、第屯和第八开关元件SI3、S14、S23、S24中的任意 一个产生故障时，第一、第二、第五和第六开关元件511、512、521、522能够执行正常的操作， 并且利用旁路模式1可W执行旁路操作；W及当第一、第四、第五和第八开关元件Sll、S14、 821、524中的任意一个产生故障时，第二、第^、第六和第屯开关元件512、513、522、523能够 执行正常的操作，并且利用旁路模式2执行旁路操作。此外，当第一、第二、第五和第六开关 元件511、512、521、522中的任意一个产生故障时，第^、第四、第屯和第八开关元件513、 S14、S23、S24能够执行正常的操作，并且利用旁路模式3可W执行旁路操作。
[0082] 图8为示出了通过本公开的单元控制器W确定旁路模式来说明旁路操作的性能的 流程图。
[0083] 参照图8,当确定为在电力单元20中发生了故障时，单元控制器24可W确定逆变器 部23中的每个开关元件的状态（S80)，单元控制器24可W确定逆变器中的每个开关元件的 状态(S81)，选择对应于开关元件的故障的模式(S82)并执行旁路操作(S83至S85)。
[0084] 目P，当第=、第四、第屯和第八开关元件中的任意一个产生故障时，单元控制器24 可W通过旁路模式1执行旁路操作(S83);当第一、第四、第五和第八开关元件S11、S14、S21、 S24中的任意一个发生故障时，单元控制器24可W使用旁路模式2执行旁路操作(S84)，并且 当第一、第二、第五和第六开关元件511、512、521、522中的任意一个产生故障时，单元控制 器24可W使用旁路模式3执行旁路操作(S85)。
[0085] 如前述所指出的，本公开的工业应用性在于，当单元控制器24确定电力单元产生 了故障时，逆变器部中的开关元件的开关操作能够被控制W允许使电流旁路，由此，因为不 使用额外的开关而降低了生产成本。
[0086] 在上述中，已经描述了本公开的示例性实施例。然而，运些实施例仅仅是例子，且 并不能限制本发明，因此，本公开的领域的技术人员可W容易的在本公开的技术范围的限 定内变换和修改。例如，在本发明的实施例中详细的显示的各组件能够W变换来实施。另 夕h与运些变换和修改相关的差异将被视作为包含在所附加的本公开权利要求书及其同等 物所限定的本公开的范围内。
【主权项】
1. 一种逆变器系统，其通过串联多个电力单元形成电机的相电压，所述电力单元包括： 整流部，其被配置成将所施加的交流电压整流为直流电压； DC链路电容器； 逆变器部，其包括各自串联连接以形成U相的第一至第四开关元件，以及串联连接以形 成V相的第五至第八开关元件;其中，所述开关元件通过多个二极管被布置成NPC(中性点钳 位)/H桥，以通过多个开关元件中的各开关元件的接通或者关断来将所述DC链路电容器的 DC链路电压合成为具有预定电压和频率的交流电压；以及 控制器，其被配置成通过控制多个所述开关元件的接通或者关断对所述逆变器部的输 出电压进行旁路。2. 根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述控制器通过接通第一开关元件、第二 开关元件、第五开关元件和第六开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁 路。3. 根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述控制器通过接通第二开关元件、第三 开关元件、第六开关元件和第七开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁 路。4. 根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述控制器通过接通第三开关元件、第四 开关元件、第七开关元件和第八开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进行旁 路。5. 根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，当确定在所述电力单元上产生故障时，通 过确定多个所述开关元件的状态，所述控制器将多个所述开关元件中的一些转换为接通状 态以执行响应于产生故障的开关元件的旁路操作。6. 根据权利要求5所述的逆变器系统，其中，当在第三开关元件、第四开关元件、第七开 关元件和第八开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第一开关元件、 第二开关元件、第五开关元件和第六开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进 行旁路。7. 根据权利要求5所述的逆变器系统，其中，当在第一开关元件、第四开关元件、第五开 关元件和第八开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第二开关元件、 第三开关元件、第六开关元件和第七开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进 行旁路。8. 根据权利要求5所述的逆变器系统，其中，当在第一开关元件、第二开关元件、第五开 关元件和第六开关元件中的任意一个上产生故障时，所述控制器通过接通第三开关元件、 第四开关元件、第七开关元件和第八开关元件来对从所述DC链路电容器施加的输出电压进 行旁路。
【文档编号】H02M5/44GK105978357SQ201610137718
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】崔乘喆, 俞安橹
【申请人】Ls产电株式会社