一种新型高可靠性三相逆变器的制作方法

本发明涉及三相逆变器领域，具体涉及一种新型高可靠性三相逆变器。

背景技术

现有三相逆变器多采用h桥或多电平结构，存在漏电流、含有直流分量、容量小、效率低的缺点。多电平逆变器又存在成本高，控制复杂的问题，且当逆变器工作在续流阶段时，功率开关管的体二极管中会有电流存在，若此时电流超过了二极管的限流值，就会使体二极管极易损坏，造成多电平逆变器故障率较高。由于采油厂多在偏远地区，其电网系统发出的电功率存在稳定性差、变化范围宽的问题，在这种情况下，为了使抽油机可靠性得到提高，就要求逆变器具有高度的可靠性。因此对高可靠性的逆变器及其稳定特性研究对系统的高效稳定工作具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种新型高可靠性三相逆变器解决了现有三相逆变器可靠性不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种新型高可靠性三相逆变器，其包括功率开关管s1，功率开关管s1的集电极分别与直流输入电压e的正极、功率开关管s2的集电极、功率开关管s7的集电极相连接，功率开关管s1的发射极分别与功率开关管s5的集电极、快速恢复二极管d1的负极相连接；功率开关管s5的发射极分别与功率开关管s3的集电极、快速恢复二极管d3的正极、电感la的一端相连接；功率开关管s3的发射极与e的负极相连；快速恢复二极管d3的负极与s7的发射极相连；电感la的另一端与电阻ra相连；快速恢复二极管d1的正极连接功率开关管s6的发射极；

功率开关管s2的发射极分别与d2的负极，功率开关管s6的集电极相连；二极管d2的正极连接功率开关管s8的发射极；功率开关管s6的发射极分别连接功率开关管s4的集电极和电感lb；功率开关管s4的发射极与e的负极相连；电感la的另一端与电阻ra相连；

功率开关管s7的发射极连接功率开关管s8的集电极；功率开关管s8的发射极分别连接功率开关管s9的集电极、d2的正极和电感lc；功率开关管s9的发射极连接e的负极；电感lc的另一端与电阻rc连接；ra、rb、rc另一端相连形成节点n。

进一步地，d1，d2，d3是外加快速恢复二极管。

进一步地，电感la、电感lb、电感lc和电阻ra、电阻rb、电阻rc分别为交流侧滤波电感和负载电阻。

本发明的有益效果为：

1、本发明在电路续流阶段，较大的电流不会直接通过性能较差的功率开关管的体二极管，而是通过电路外加的快速恢复二极管，因此本发明具有高可靠性的优点。

2、本发明的采用单极性调制的方法，使得三相逆变器桥中点输出仍然保持三电平电压的特性，更加适合中、大型并网的场合。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明各个功率开关管对应的驱动逻辑图

图3为三相高可靠性逆变器在工作模态1下的等效电路图；

图4为三相高可靠性逆变器在工作模态2下的等效电路图；

图5为三相高可靠性逆变器在工作模态3下的等效电路图；

图6为三相高可靠性逆变器在工作模态4下的等效电路图；

图7为三相高可靠性逆变器在工作模态5下的等效电路图；

图8为三相高可靠性逆变器在工作模态6下的等效电路图；

图9为负载10ω电压输出波形；

图10为负载10ω电流输出波形；

图11为快速恢复二极管电压输出波形；

图12为快速恢复二极管电流输出波形。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该三相高可靠性逆变器包括功率开关管s1，功率开关管s1的集电极分别与直流输入电压e的正极、功率开关管s2的集电极、功率开关管s7的集电极相连接，功率开关管s1的发射极分别与功率开关管s5的集电极、二极管d1的负极相连接；功率开关管s5的发射极分别与功率开关管s3的集电极、d3的正极、电感la的一端相连接；功率开关管s3的发射极与e的负极相连；d3的负极与s7的发射极相连；电感la的另一端与电阻ra相连；d1的正极连接功率开关管s6的发射极；

功率开关管s2的发射极分别与二极管d2的负极，功率开关管s6的集电极相连；d2的正极连接功率开关管s8的发射极；功率开关管s6的发射极分别连接功率开关管s4的集电极和电感lb；功率开关管s4的发射极与e的负极相连；电感la的另一端与电阻ra相连；

功率开关管s7的发射极连接功率开关管s8的集电极；功率开关管s8的发射极分别连接功率开关管s9的集电极、d2的正极和电感lc；功率开关管s9的发射极连接e的负极；电感lc的另一端与电阻rc连接；ra、rb、rc另一端相连形成节点n。

d1，d2，d3是外加快速恢复二极管。电感la和电阻ra、电感lb和电阻rb、电感lc和电阻rc分别为交流侧滤波电感和负载电阻。

下文中s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8、s9分别表示功率开关管s1、功率开关管s2、功率开关管s3、功率开关管s4、功率开关管s5、功率开关管s6、功率开关管s7、功率开关管s8、功率开关管s9；d1、d2和d3为外加快速恢复二极管；la、lb和lc分别表示电感la、电感lb和电感lc；ra、rb和rc分别表示电阻ra、电阻rb和电阻rc。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，g1～g9是功率开关管s1～s9对应的驱动信号。其中开关管s1和开关管s3的驱动信号g1和g3由相位为0°的正弦调制波进行比例积分控制后与三角载波进行比较得到，开关管s2和s4与s7和s9的驱动信号g2和g4与g7和g9与之类似，仅把正弦调制波的相位依次移相120°再处理即可。驱动开关管s5、s6、s8的g5、g6、g8信号根据电网的频率工频进行工作。g5采用相位为0°的正弦波与0信号相比较得到，当大于0时输出高电平，小于0时输出低电平，g6、g8与之类似，只是将正弦波信号的相位依次移相120°再比较即可。

由基尔霍夫电压定律(kirchhoff'svoltagelaw,kvl)可得：

ia+ib+ic＝0(2)

以上两式就构成了三相高可靠性逆变电路的电压、电流方程式。由三相逆变器主电路可以得知，其工作状态存在6种模态，等效电路分别如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。

工作模态1：图3的a相电压处于正半周，使得功率开关管s5保持导通，s1、s4、s9以相同的驱动信号保持导通，s2、s3、s6、s7、s8常断。当s1、s4、s9导通时，如图3所示，直流侧输入电压经s1、滤波电感la、负载电阻ra、滤波电感lb、负载电阻rb、s4、滤波电感lc、负载电阻rc、s9构成回路。

桥臂输出电压为：

状态方程为：

工作模态2：s1、s4、s9关断时，电流经s5、滤波电感la、负载电阻ra、滤波电感lb、负载电阻rb、二极管d1组成了续流通路来达到电流持续的目的，同时，电流经s6、滤波电感lb、负载电阻rb、滤波电感lc、负载电阻rc、二极管d2组成了续流通路来达到电流持续的目的。

桥臂输出电压为：

uab＝ubc＝uca＝0(5)

状态方程为：

工作模态3：图5的b相电压处于正半周，使得功率开关管s6保持导通，s2、s3、s9以相同驱动信号保持导通，s1、s4、s5、s7、s8常断。s2、s3、s9导通时，如图5所示，直流侧输入电压经s2、滤波电感lb、负载电阻rb、滤波电感la、负载电阻ra、s3、滤波电感lc、负载电阻rc、s9构成回路。

桥臂输出电压为：

状态方程为：

工作模态4：s2、s3、s9关断时，电流经s6、滤波电感lb、负载电阻rb、滤波电感lc、负载电阻rc、二极管d2组成续流通路来达到电流持续的目的，同时，电流经s8、滤波电感lc、负载电阻rc、滤波电感la、负载电阻ra、二极管d3组成了续流通路来达到电流持续的目的。

桥臂输出电压为：

uab＝ubc＝uca＝0(9)

状态方程为：

工作模态5：图7的c相电压处于正半周，使得功率开关管s8保持导通，s7、s3、s4以相同驱动信号保持导通，s1、s2、s5、s6、s9常断。s7、s3、s4导通时，如图7所示，输入电源经s7、滤波电感lc、负载电阻rc、滤波电感la、负载电阻ra、s3、滤波电感lb、负载电阻rb、s4构成回路。

桥臂输出电压为：

uab＝0

ubc＝-e

uca＝+e(11)

状态方程为：

工作模态6：s7、s3、s4关断时，电流经s8、滤波电感lc、负载电阻rc、滤波电感la、负载电阻ra、二极管d3组成了续流通路来达到电流持续的目的，同时，电流经s5、滤波电感la、负载电阻ra、滤波电感lb、负载电阻rb、二极管d1组成了续流通路来达到电流持续的目的。

桥臂输出电压为：

uab＝ubc＝uca＝0(13)

状态方程为：

本发明的主电路是三相h6结构，共有9个功率开关管，为解决坐标变换得到的驱动信号不能够完全满足电路的需要且设计较复杂的问题，本发明采用比例积分控制，开关频率能够保持恒定，而且不会需要电网电压的相位信息与同步速旋转坐标变换，使得计算量大大的减小。为验证理论分析和仿真结果的正确性，搭建matlab/simulink电路仿真,仿真参数为e＝400v，la＝lb＝lc＝1mh，ra＝rb＝rc＝10ω。

图9与图10分别为负载10ω时的电压输出波形和电流输出波形，两者都为正弦波，分别三相对称。图11是快速恢复二极管的电压波形，从图11中可知快速恢复二极管的电压峰值约400v。图12为外加快速恢复二极管的电流波形，其在续流阶段电流约40a，由于本系统外加快速恢复二极管可优化选择，因此系统的可靠性得到了保证。

综上所述，本发明提出的新型三相高可靠性逆变器的研究可得出以下结论：

(1)新型三相高可靠性逆变器在续流阶段电流通过的是外加快速恢复二极管，增大了电路的可靠性，达到了高可靠性要求的研究目的。

(2)采用单极性调制的方法，使得逆变器桥中点输出仍然保持三电平电压的特性，更加适合中、大型并网的场合。