本專(zhuān)利申請(qǐng)涉及且要求2014年8月8日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)62/043,088的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本專(zhuān)利公開(kāi)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開(kāi)一般涉及功率變換器，更確切地來(lái)說(shuō)涉及用于多電平驅(qū)動(dòng)的中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器硬件。

背景技術(shù)：

三相電動(dòng)機(jī)在多種工業(yè)應(yīng)用和設(shè)備中使用。例如，電梯系統(tǒng)典型地利用三相AC電壓驅(qū)動(dòng)來(lái)為移動(dòng)電梯轎廂的升降機(jī)電動(dòng)機(jī)提供電力。因?yàn)檫@些轎廂電動(dòng)機(jī)能夠消耗大量能量，所以在此類(lèi)電梯系統(tǒng)中期望使用的是能效高的功率控制系統(tǒng)

在典型電梯系統(tǒng)中，將大樓AC電壓源提供到整流器電路，整流器電路中將其轉(zhuǎn)換成DC電壓。然后使用逆變器將該DC電壓轉(zhuǎn)換回具有期望特征的AC電壓。雖然逆變器非常適于此類(lèi)轉(zhuǎn)換，但是由于逆變器的功率級(jí)開(kāi)關(guān)操作的原因，所得到的AC電壓典型地包含多種諧波頻率。這些諧波頻率是非期望的且存在時(shí)可能負(fù)面地影響相關(guān)的電梯系統(tǒng)。諧波頻率的潛在影響可以通過(guò)將系統(tǒng)的總諧波失真(THD)納入考慮來(lái)進(jìn)行估算，其中THD是隨著信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)而對(duì)存在于信號(hào)的失真的測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，THD小的系統(tǒng)更值得期待。

中性點(diǎn)鉗位(NPC)三電平逆變器適于在電梯系統(tǒng)中使用，因?yàn)樽饔糜谄溟_(kāi)關(guān)電源裝置的電壓應(yīng)力是作用于常規(guī)二電平逆變器中使用的設(shè)備的電壓應(yīng)力的一半。但是，與NPC三電平逆變器關(guān)聯(lián)的一個(gè)問(wèn)題是其中性點(diǎn)電勢(shì)變化。在某些情況下，DC鏈路中性點(diǎn)電勢(shì)可能顯著地波動(dòng)或持續(xù)地漂移到不可接受的電平。由此，開(kāi)關(guān)裝置可能由于使得驅(qū)動(dòng)不可靠的過(guò)電壓應(yīng)力而發(fā)生故障。因此，存在需要一種中性點(diǎn)電壓平衡方案以減少中性點(diǎn)電勢(shì)變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面中，提供一種多電平變換器系統(tǒng)。該多電平變換器系統(tǒng)利用中性點(diǎn)鉗位(NPC)拓?fù)洌撝行渣c(diǎn)鉗位(NPC)拓?fù)溆职ㄕ妷很?、?fù)電壓軌和可操作地耦接到中性點(diǎn)的平衡電路。該平衡電路包括可操作地耦接到中性點(diǎn)的第一電部件的一端以及可操作地耦接到開(kāi)關(guān)組合、正電壓軌和負(fù)電壓軌的第一電部件的另一端，其中所述開(kāi)關(guān)組合被配置成在該第一電部件的第二端處生成脈寬調(diào)制信號(hào)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，該開(kāi)關(guān)組合包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中這些開(kāi)關(guān)中的第一開(kāi)關(guān)耦接到第一電部件的第二端和正電壓軌，這些開(kāi)關(guān)的第二開(kāi)關(guān)串聯(lián)到這些開(kāi)關(guān)的第一開(kāi)關(guān)，并且這些開(kāi)關(guān)中的第二開(kāi)關(guān)耦接到第一電部件的第二端和負(fù)電壓軌。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一電部件包括電感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，該平衡電路還包括鄰近于第一電部件定位的傳感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，該傳感器包括電感傳感器。

在一個(gè)方面中，一種用于為多電平變換器提供電壓平衡控制的方法，所述多電平變換器包括DC鏈路電容器組，所述DC鏈路電容器組又包括介于正電壓軌與負(fù)電壓軌之間的浮動(dòng)電勢(shì)的至少一個(gè)中點(diǎn)，并且平衡電路可操作地耦接到該多電平變換器的所述中點(diǎn)，其中該平衡電路包括可操作地耦接到第一電部件的多個(gè)開(kāi)關(guān)，該方法包括確定電壓差信號(hào)的步驟，其中所述電壓差信號(hào)包括將形成電壓差信號(hào)的第一電壓與第二電壓之差，其中該第一電壓包括所述正電壓軌與所述至少一個(gè)中點(diǎn)之間的電壓并且該第二電壓包括所述負(fù)電壓軌與所述至少一個(gè)中點(diǎn)之間的電壓。

該方法還包括通過(guò)第一調(diào)節(jié)器傳遞電壓差信號(hào)來(lái)確定電流基準(zhǔn)值的步驟。

該方法還包括通過(guò)確定所述電流基準(zhǔn)值與測(cè)得的電流值之差來(lái)確定中性點(diǎn)誤差信號(hào)的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述測(cè)得的電流值包括在鄰近于第一電部件的位置處測(cè)得的電流值。

該方法還包括至少部分地基于所述中性點(diǎn)誤差信號(hào)來(lái)觸動(dòng)這些開(kāi)關(guān)的至少其中之一的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)基于所述中性點(diǎn)誤差信號(hào)從第二調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)觸動(dòng)。

還描述了其他實(shí)施方案。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的多種示范性實(shí)施方案的描述，將顯見(jiàn)且更好地理解本文包含的實(shí)施方案和其他特征、優(yōu)點(diǎn)和公開(kāi)及其實(shí)現(xiàn)方式。

圖1是NPC三電平逆變器電路拓?fù)涞氖疽鈭D；

圖2是可操作地耦接到NPC三電平逆變器電路拓?fù)涞闹行渣c(diǎn)平衡電路的示意圖；

圖3是可操作地耦接到NPC三電平逆變器電路拓?fù)涞闹行渣c(diǎn)平衡電路的實(shí)施方案的示意圖；以及

圖4是與圖3的中性點(diǎn)平衡電路一起使用的控制電路的示意流程圖。

具體實(shí)施方式

為了有助于理解本發(fā)明公開(kāi)的原理，現(xiàn)在將參考附圖圖示的實(shí)施方案，并且使用特定的語(yǔ)言來(lái)描述這些實(shí)施方案。盡管如此，應(yīng)理解并不由此意味著對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的范圍進(jìn)行任何限制。

圖1是一般性地在10處指示的NPC三電平變換器系統(tǒng)。本實(shí)施方案中示出的變換器系統(tǒng)10利用中性點(diǎn)鉗位(NPC)拓?fù)?，該中性點(diǎn)鉗位(NPC)拓?fù)渚哂腥齻€(gè)變換器分支和跨每個(gè)相應(yīng)變換器分支的一對(duì)鉗位二極管D13、D14、D15、D16、D17、D18。開(kāi)關(guān)S1-S4提供第一三電平變換器分支，開(kāi)關(guān)S5-S8提供第二三電平變換器分支，并且開(kāi)關(guān)S9-S12提供第三三電平變換器分支。將認(rèn)識(shí)到開(kāi)關(guān)S1-S12可以包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)或其他相似類(lèi)型的高電壓開(kāi)關(guān)，作為幾個(gè)非限制性示例。當(dāng)作為逆變器來(lái)工作時(shí)，三電平變換器分支分別向AC節(jié)點(diǎn)Va、Vb和Vc提供AC功率，AC節(jié)點(diǎn)Va、Vb和Vc對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)12的電動(dòng)機(jī)繞組相A、B和C。當(dāng)作為整流器來(lái)工作時(shí)，每個(gè)三電平變換器分支將AC節(jié)點(diǎn)Va、Vb和Vc處施加的AC電壓轉(zhuǎn)換成正DC節(jié)點(diǎn)+VDC和負(fù)DC節(jié)點(diǎn)-VDC兩端的DC電壓。

變換器系統(tǒng)10還包括具有中性點(diǎn)16的電容器組14。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工作，電容器組14的中性點(diǎn)16的每一端上應(yīng)該存在相同電壓量值(即，已平衡)。對(duì)于三電平變換器，電壓平衡通稱(chēng)為中性點(diǎn)平衡。

如圖2所示，系統(tǒng)10還包括可操作地耦接到中性點(diǎn)16的平衡電路18。平衡電路18包括可操作地耦接到中性點(diǎn)16的第一電部件20的一端以及可操作地耦接到開(kāi)關(guān)組合、正電壓軌和負(fù)電壓軌的第一電部件20的另一端，所述開(kāi)關(guān)組合可操作地耦接到第一電部件20的第二端，其中所述開(kāi)關(guān)組合被配置成在第一電部件20的第二端處生成脈寬調(diào)制信號(hào)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖3所示，開(kāi)關(guān)組合包括一對(duì)開(kāi)關(guān)22和24。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一電部件20包括電感器。將認(rèn)識(shí)到，作為幾個(gè)非限制性示例，開(kāi)關(guān)22和24可以包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)或其他相似類(lèi)型的高電壓開(kāi)關(guān)。在所示的示例中，開(kāi)關(guān)22和24分別各與二極管26和28關(guān)聯(lián)。每個(gè)二極管26和28被連接，其陰極分別耦接到開(kāi)關(guān)22和24的集電極并且其陽(yáng)極分別耦接到開(kāi)關(guān)22和24的發(fā)射極。電感器20的另一端耦接到二極管26的陽(yáng)極和二極管28的陰極。在一個(gè)實(shí)施方案中，平衡電路18還包括鄰近于第一電部件20定位的傳感器30。在一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器30包括電感傳感器。傳感器30被配置成測(cè)量中性點(diǎn)16處的電流。將認(rèn)識(shí)到，平衡電路18可以在包括中性點(diǎn)16的任何逆變器拓?fù)渲惺褂谩?/p>

圖4是根據(jù)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)22和24和系統(tǒng)10的中性點(diǎn)16的占空比的實(shí)施方案的控制示意圖。如圖2所示的控制器32被配置成獲取表示中性點(diǎn)16處的電壓不平衡的誤差信號(hào)，并且使用中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40以提供將電壓維護(hù)在閾值內(nèi)的中性點(diǎn)命令。

一個(gè)實(shí)施方案中可以通過(guò)經(jīng)由差元件34獲取電容器兩端的兩個(gè)電壓(V_上和V_下)之差來(lái)獲取中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器38使用的未平衡的電壓。然后經(jīng)由調(diào)節(jié)器36傳遞該信號(hào)以確定電流基準(zhǔn)值(I_{基準(zhǔn)})。表示中性點(diǎn)誤差的信號(hào)是經(jīng)由差元件38傳遞電流基準(zhǔn)值(I_{基準(zhǔn)})和從傳感器30測(cè)得的電流(I_反饋)的結(jié)果。經(jīng)由中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40傳遞中性點(diǎn)誤差。在一個(gè)實(shí)施方案中，中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40包括比例積分(PI)調(diào)節(jié)器(以將中性點(diǎn)誤差驅(qū)動(dòng)向0)。該輸出產(chǎn)生占空比命令以在導(dǎo)通開(kāi)關(guān)22和關(guān)斷開(kāi)關(guān)24之間交替，并且反之依然。例如，當(dāng)V_上大于V_下時(shí)，中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40發(fā)送信號(hào)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)24和關(guān)斷開(kāi)關(guān)22。當(dāng)V_下大于V_上時(shí)，中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40發(fā)送信號(hào)以導(dǎo)通開(kāi)關(guān)22和關(guān)斷開(kāi)關(guān)24。當(dāng)開(kāi)關(guān)22或24的其中之一導(dǎo)通但是另一個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，中性點(diǎn)被調(diào)整并且可以實(shí)現(xiàn)平衡。

應(yīng)認(rèn)識(shí)到，平衡電路18和中性點(diǎn)調(diào)節(jié)器40通過(guò)產(chǎn)生占空比命令以在導(dǎo)通開(kāi)關(guān)22和關(guān)斷開(kāi)關(guān)24之間交替來(lái)提供平衡中性點(diǎn)16處的電壓的獨(dú)立方式，并且反之依然。

雖然附圖和前文描述中詳細(xì)地圖示和描述了本發(fā)明，但是這些描述應(yīng)視為說(shuō)明性的而非在特征上進(jìn)行限制，應(yīng)理解，僅示出和描述了某些實(shí)施方案，并且期望保護(hù)落在本發(fā)明的精神內(nèi)的所有更改和修改。