专利名称：低开关频率无谐波逆变器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种低开关频率无谐波逆变器，该逆变器具有结构简单、开关频 率低、损耗小、功率器件工作可靠，且输出波形谐波含量小的优点，不需要滤波器，可以在很 宽输出频率范围内工作，属于一种电力电子变换器。
背景技术：
由于损耗和开关器件的限制，大功率逆变器的开关频率通常比较低。一般情况下， 低开关频率会使输出电压含有较大谐波含量，因此必须设计合适的滤波器将输出电压谐波 含量降低，滤波器的引入使无功增大，并且受滤波器谐振频率的限制，逆变器不能在很宽输 出频率范围内变频工作。采用多通道阶梯波合成逆变器也可以在低开关频率情况下获得较好的输出波形 正弦性，其输出波形的正弦性随着逆变器通道数的增加而得到提高，例如附图1所示四通 道24阶梯波合成逆变器和附图2所示八通道48阶梯波合成逆变器的输出波形THD分别为 7. 3%和3. 7%，其谐波成分分别为24k士 1次和48k士 1谐波，可见在阶梯波合成逆变器通道 数足够多的情况下其输出波形趋于正弦，输出可不需要增加滤波器，特别适合大功率应用。但是，传统的阶梯波合成逆变器存在以下两个主要问题1)传统的阶梯波合成逆变器输出电压与输入电压关系是确定的，即输出电压不可 调节，这极大地限制了其应用；2)阶梯波合成逆变器采用的移相变压器结构随着通道数的增多而变得复杂，且几 乎所有的变压器都不一样，制作成本增加。专利ZL200810022794. 6提出的一种动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流 器，采用一种适合阶梯波合成变流器的脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)技 术，使得变流器的输出变得可调节，而阶梯波合成逆变器是一种工作于从直流到交流逆变 方式的变流器，可采用专利ZL200810022794. 6提出的方法实现逆变器输出电压的调节。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种低开关频率无谐波大功率逆变 器，不但具有开关频率低、损耗小、功率器件工作可靠的特点，并且其结构简单、波形谐波含 量小，输出不需要滤波器，逆变器输出频率不再受滤波器的限制，可在很宽的频率范围内变 频工作。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明低开关频率无谐波逆变器，由k个结构相同的m通道阶梯波合成逆变器在 交流输出端串联组成，k为大于1的自然数，m为自然数；该逆变器的输入控制信号直接连 接于第一个阶梯波合成逆变器，用于驱动第一个阶梯波合成逆变器；第一个阶梯波合成逆 变器的控制信号通过延迟η /3mk相位后连接到第二个阶梯波合成逆变器，用于驱动第二 个阶梯波合成逆变器；同样第二个阶梯波合成逆变器的控制信号经过延迟n/3mk相位后连接到下一个阶梯波合成逆变器，依此方式依次传递控制信号，直到最后一个阶梯波合成 逆变器。各阶梯波合成逆变器的直流输入电源Vdc电压值相同，共用一个直流电源或采用 相互隔离的直流电源。各阶梯波合成逆变器的输出三相交流按相序分别串联，在最后一个阶梯波合成逆 变器的输出三相末端，三相连接于一点形成三相中点N，第一个阶梯波合成逆变器的三相首 端与三相中点N之间形成本逆变器的三相输出电压U。a、Uob以及Uoc。本发明的逆变器结构上采用阶梯波合成逆变器串联方案，通过多个相同的多阶梯 波合成逆变器串联，降低单个阶梯波合成逆变器的通道数，从而达到降低阶梯波合成逆变 器的变压器复杂程度，提高变压器的一致性，降低逆变器成本；每个阶梯波合成逆变器的控 制信号之间延迟一定的相位角，以达到消除低通道数的阶梯波合成逆变器的输出谐波，从 而实现与高通道数阶梯波合成逆变器相同的输出波形正弦性。由于本发明的逆变器输出波形正弦性好，输出不需要加输出滤波器，其工作场合 不再受输出滤波器的限制。单个阶梯波合成逆变器可以采用方波工作方式，多个阶梯波合 成逆变器通过控制信号移相后串联，可用于电网无功补偿和电压波形校正；单个阶梯波合 成逆变器也可以采用专利ZL200810022794. 6提出的方法实现PWM(脉冲宽度调制)控制， 多个阶梯波合成逆变器通过控制信号移相后串联，可用于大功率逆变电源、新能源并网发 电以及大功率变频驱动。
图1 (a)传统四通道24阶梯波合成逆变器结构图。图1 (b)传统四通道24阶梯波合成逆变器输出波形。图1 (c)传统四通道24阶梯波合成逆变器输出波形频谱。图2 (a)传统八通道48阶梯波合成逆变器结构图。图2 (b)传统八通道48阶梯波合成逆变器输出波形。图2 (c)传统八通道48阶梯波合成逆变器输出波形频谱。图3本发明逆变器结构框图。图4本发明的二组阶梯波合成逆变器串联时谐波合成原理。图5(a)本发明的八通道逆变器输出波形。图5(b)本发明的八通道逆变器输出频谱。图6本发明的逆变器应用于电网无功补偿和电压波形校正。图7(a)本发明的八通道逆变器中的每组四通道逆变器的输出电压波形及频谱分 析(采用ZL200810022794. 6的调制方法)。图7(b)本发明的八通道逆变器的输出电压波形及频谱分析(采用 ZL200810022794. 6 的调制方法)。图8本发明的逆变器应用于新能源并网发电。图9本发明的逆变器应用于变频驱动。
具体实施例方式根据上述附图叙述本逆变器的具体实施方式
。附图3所示为本逆变器实施原理框图，逆变器由k个结构相同的m通道阶梯波合 成逆变器在交流输出端串联组成，k为大于1的自然数，m为自然数。该逆变器的输入控制 信号直接连接于第一个阶梯波合成逆变器(m通道阶梯波合成逆变器1)，用于驱动第一个 阶梯波合成逆变器；第一个阶梯波合成逆变器的控制信号通过延迟n/3mk相位后连接到 第二个阶梯波合成逆变器(m通道阶梯波合成逆变器2)，用于驱动第二个阶梯波合成逆变 器；同样第二个阶梯波合成逆变器的控制信号经过延迟η/3mk相位后连接到下一个阶梯 波合成逆变器，依此方式依次传递控制信号，直到最后一个阶梯波合成逆变器(m通道阶梯 波合成逆变器k)；各阶梯波合成逆变器的直流输入电源Vdc电压值相同，可以共用一个直 流电源也可采用相互隔离的直流电源；各阶梯波合成逆变器的输出三相交流按相序分别串 联，在最后一个阶梯波合成逆变器的输出三相末端，三相连接于一点形成三相中点N，第一 个阶梯波合成逆变器的三相首端与三相中点N之间形成本逆变器的三相输出电压U。a、U。b& 及 U。。。附图3所示的m通道阶梯波合成逆变器中的移相变压器原边采用三角型连接方 式，副边采用“Z”字型连接方式，在原边和副边之间形成Qi= θ1+( -1) ^/(βπι)的基波相 移角(i表示第i个变压器，Q1表示第一个通道的相移角，原则上可为任意值)。本发明的 逆变器中m通道阶梯波合成逆变器的移相变压器除了采用上述原副边连接方式，还可以采 用其它各种连接方式，只要实现所述相移角即可。附图3所示对阶梯波合成逆变器的控制信号延迟π /3mk相位可以通过把控制信 号延迟t时间后输出来实现，这里Z = ^「，f。为逆变器的输出基波频率。以二个四通道阶梯波合成逆变器串联为例说明其谐波抵消原理。附图4所示为 本发明逆变器采用二个四通道阶梯波合成逆变器串联输出谐波合成原理图，单个四通道阶 梯波合成逆变器的输出谐波为uhl，控制信号延迟t = l/(48f0)移相后，产生的基波与第一
个通道相位相差0 = ^lt = ^，产生的谐波uh2与第一个通道的谐波Uhl的相位相差h θ (h
=24k士 1)，两个阶梯波合成逆变器串联叠加后基波分量为单个48阶梯波合成逆变器的
TTPlTT
cos; a 0.998，h次谐波含量为单个24阶梯波合成逆变器的cos:。对于h = 24k 士 l(k为 4848
奇数)次谐波含量为单个24阶梯波合成逆变器的= 0.065倍；对于h = 24k士 l(k为偶
数)次谐波含量为单个24阶梯波合成逆变器的cos: = 0.998倍。因此，除48k士 1次谐波 外，其它谐波都得到抑制，谐波含量与48阶梯波几乎相同。附图5(a)所示为本逆变器采用二个四通道阶梯波合成逆变器串联后组成八通道 逆变器输出电压波形，图5 (b)所示为本逆变器的频谱，波形及其频谱与图2所示传统八通 道阶梯波合成逆变器的输出波形几乎一致，而四通道阶梯波合成逆变器的移相变压器结构 比八通道阶梯波合成逆变器结构简单，在降低了变压器结构的复杂性的基础上同样可获得 正弦度高的输出波形。
由于本发明的逆变器输出波形正弦性好，输出不需要加滤波器，逆变器工作不受 输出滤波器的限制，并且高频阻抗比较低。附图3所示逆变器输入控制信号采用传统的方 波控制方式，可用于无功补偿和电压波形校正，如附图6所示，通过控制调节逆变器的输出 相位实现无功补偿和电压波形校正。在没有逆变器接入时，负载的无功以及谐波电流在输 电网的线路阻抗上会产生电压降以及谐波电压，从而使负载侧电压下降且波形品质降低， 采用本发明的逆变器接入后，通过控制逆变器输出电压相位，无功电流和谐波电流全部流 入逆变器而不经过输电网的线路，因此线路上也不会产生电压降和谐波电压，从而实现稳 定电压和波形修正。也可以采用专利ZL200810022794. 6提出的方法产生逆变器的输入控制信号，用 于大功率逆变电源、新能源并网发电以及大功率变频驱动。附图7(a)所示为本发明的一种 八通道逆变器中的每个四通道逆变器采用ZL200810022794.6提出的调制方案时的输出电 压波形及其频谱分析，附图7(b)为八通道逆变器的输出电压波形及其频谱分析。附图8为 本发明新能源并网发电应用示例，采用简单的单电感接入电网即可以获得很好的进网电流 质量。附图9示出了本发明大功率变频驱动应用示例，由于本逆变器可以消除谐波，获得很 正弦的逆变器输出电压，因此输出不需要接滤波器，输出频率不再受逆变器输出滤波器的 限制，可实现电机的WVF(Variable Voltage and Variable Frequency，变速变频)驱动控 制。
权利要求
1.一种低开关频率无谐波逆变器，其特征在于由k个结构相同的m通道阶梯波合成逆 变器在交流输出端串联组成，k为大于1的自然数，m为自然数；该逆变器的输入控制信号直 接连接于第一个阶梯波合成逆变器，用于驱动第一个阶梯波合成逆变器；第一个阶梯波合 成逆变器的控制信号通过延迟η/3mk相位后连接到第二个阶梯波合成逆变器，用于驱动 第二个阶梯波合成逆变器；同样第二个阶梯波合成逆变器的控制信号经过延迟n/3mk相 位后连接到下一个阶梯波合成逆变器，依此方式依次传递控制信号，直到最后一个阶梯波 合成逆变器。
2.根据权利要求1所述的低开关频率无谐波逆变器，其特征在于各阶梯波合成逆变器 的直流输入电源Vdc电压值相同，共用一个直流电源或采用相互隔离的直流电源。
3.根据权利要求1所述的低开关频率无谐波逆变器，其特征在于各阶梯波合成逆变器 的输出三相交流按相序分别串联，在最后一个阶梯波合成逆变器的输出三相末端，三相连 接于一点形成三相中点N，第一个阶梯波合成逆变器的三相首端与三相中点N之间形成本 逆变器的三相输出电压Uoa、Uob以及U。c。
全文摘要
本发明公布了一种低开关频率无谐波逆变器，由k个结构相同的m通道阶梯波合成逆变器在交流输出端串联组成，k为大于1的自然数，m为自然数；该逆变器的输入控制信号直接连接于第一个阶梯波合成逆变器，用于驱动第一个阶梯波合成逆变器；第一个阶梯波合成逆变器的控制信号通过延迟π/3mk相位后连接到第二个阶梯波合成逆变器，用于驱动第二个阶梯波合成逆变器；同样第二个阶梯波合成逆变器的控制信号经过延迟π/3mk相位后连接到下一个阶梯波合成逆变器，依此方式依次传递控制信号，直到最后一个阶梯波合成逆变器。本发明的逆变器输出波形正弦性好，输出不需要加输出滤波器，其工作场合不再受输出滤波器的限制。
文档编号H02M1/12GK102142785SQ20111004861
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月1日 优先权日2011年3月1日
发明者李磊, 许爱国, 谢少军, 陈万 申请人:南京航空航天大学, 南京麦格安倍电气科技有限公司