本實(shí)用新型涉及逆變器領(lǐng)域，特別涉及一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器。

背景技術(shù)：

多電平逆變器技術(shù)是一種通過(guò)改進(jìn)逆變器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的新型逆變器，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：輸出電壓呈現(xiàn)臺(tái)階式波形，輸出諧波及dv/dt小；單個(gè)器件耐壓低；適用于高壓場(chǎng)合等。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，大致可以分為二極管鉗位多電平、飛跨電容多電平、級(jí)聯(lián)型多電平以及混合式多電平。

由于級(jí)聯(lián)型多電平逆變器是以普通的單相H橋逆變器為基本單元，每個(gè)單元都獨(dú)立供電，電氣特性可靠，是產(chǎn)品級(jí)多電平逆變器的首選拓?fù)洹?/p>

在工業(yè)大功率應(yīng)用時(shí)，為保證輸入側(cè)的功率因素與諧波滿足電網(wǎng)要求，通常使用移相變壓器為單個(gè)基本單元提供獨(dú)立的電源。但是這類產(chǎn)品，在普通的教學(xué)、演示等小功率應(yīng)用情形時(shí)，價(jià)格就會(huì)顯示比較昂貴，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，圍繞教儀設(shè)備要求價(jià)格便宜、性能可靠、適合演示等特點(diǎn)，提供了一種主要用于教學(xué)演示設(shè)備的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器，其包括處理器單元、編程單元、供電單元和采樣單元；

處理器單元為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP，DigitalSignalProcessor)；

編程單元包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和燒錄器，可編程門(mén)陣列與數(shù)字信號(hào)處理器相連通，燒錄器與可編程門(mén)陣列相連通；

供電單元包括隔離變壓器和功率單元，隔離變壓器包括一路輸入電壓和三路輸出電壓，隔離變壓器和功率單元均與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列相連通；

采樣單元包括電壓采樣單元和電流采樣單元，電壓采樣單元和電流采樣單元均與處理器單元相連通。

其有益效果是，處理器單元主要用于完成V/F或矢量電機(jī)控制算法。V/F控制主要包括V/F曲線生成，低頻轉(zhuǎn)矩提升以及SPWM調(diào)制等；矢量控制主要包括ID、IQ電流閉環(huán)控制、基于編碼器位置、速度反饋的位置、速度閉環(huán)控制以及CLARK和PARK變換(逆變換)等算法。

同時(shí)，由于級(jí)聯(lián)型七電平中，每個(gè)基本單元共有4個(gè)功率管，三相共需要36個(gè)功率管?？紤]到每個(gè)橋臂的上下管驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。系統(tǒng)至少要輸出18路驅(qū)動(dòng)。所以，需要使用可編程門(mén)陣列來(lái)擴(kuò)展輸出。實(shí)時(shí)在線仿真器用于對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，燒錄器用于對(duì)可編程門(mén)陣列進(jìn)行編程。

在一些實(shí)施方式中，功率單元包括整流電路、直流母線濾波電路、直流母線充電電路、H橋逆變電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路、輔助開(kāi)關(guān)電源和故障檢測(cè)電路。

其有益效果是，整流電路用于連接隔離變壓器，采用單相橋式整流提供直流母線電壓。直流母線濾波電路用于平滑整流電壓。直流母線充電電路用于通電時(shí)限制對(duì)母線電容充電電流，避免對(duì)變壓器的電流沖擊，一般采用限流電阻加旁路繼電器的方式，因?yàn)楸痉桨傅哪妇€電壓較低，為降低低成本也可以使用NTC功率電阻代替。H橋逆變電路，用于將直流電逆變成交流電。H橋驅(qū)動(dòng)電路用于接收由可編程門(mén)陣列輸出的PWM信號(hào)。輔助開(kāi)關(guān)電源用于控制整個(gè)功率單元的電源。故障檢測(cè)電路用于組成橋臂直通保護(hù)，直流母線欠壓保護(hù)，散熱器超溫保護(hù)等。

在一些實(shí)施方式中，電壓采樣單元為高速線性光耦。其有益效果是，高速線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的霍爾電壓傳感器，價(jià)格更便宜，成本更低。

在一些實(shí)施方式中，電流采樣單元為兩路開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。其有益效果是，霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)。

在一些實(shí)施方式中，還包括人機(jī)交互裝置，人機(jī)交互裝置包括液晶屏和按鍵。其有益效果是，通過(guò)液晶屏的顯示和按鍵的操作，可以方便的進(jìn)行教學(xué)、實(shí)驗(yàn)等操作演示的功能。

在一些實(shí)施方式中，還包括主開(kāi)關(guān)電源，主開(kāi)關(guān)電源配置成控制用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的工作。

在一些實(shí)施方式中，還包括通訊接口，通訊接口為RS485接口。其有益效果是，通過(guò)通訊接口可以方便的與外部的PLC相連接，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RS485接口的信號(hào)電平較低，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接，其數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達(dá)到到10Mbps?？构材８赡芰?qiáng)，抗噪聲干擾性好。

在一些實(shí)施方式中，還包括實(shí)時(shí)在線仿真器，所述實(shí)時(shí)在線仿真器與處理器單元相連接。

相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)用的大功率逆變器，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的小功率用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器，無(wú)需采用昂貴的移相變壓器，只需采用數(shù)只隔離變壓器即可，可以廣泛應(yīng)用于教儀設(shè)備待領(lǐng)域，具有價(jià)格便宜、性能可靠、適合演示等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施方式的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施方式的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的輔助開(kāi)關(guān)電源部分電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施方式的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的故障檢測(cè)電路的欠壓保護(hù)部分電路結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施方式的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的故障檢測(cè)電路的超溫保護(hù)部分電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-4對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1至圖4，示意性地顯示了根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器。如圖1所示，一種主要用于教學(xué)演示設(shè)備的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器，其包括處理器單元1、編程單元、供電單元和采樣單元。

處理器單元1為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP，DigitalSignalProcessor)，DSP可以采用TMS320F2812，最高主頻150MHz。TMS320F2812的內(nèi)核為32位，具有6路獨(dú)立的PWM輸出、16通道12位AD輸入、以及36KRAM和256KFlash存儲(chǔ)器。

編程單元包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列21和燒錄器23，可編程門(mén)陣列21與數(shù)字信號(hào)處理器相連通，燒錄器23與可編程門(mén)陣列21相連通；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列21可以采用EP1C3T144C8N或者EP1C3T100C8N，燒錄器23可以采用ALTERA USB BLASTER。

供電單元包括隔離變壓器31和功率單元32，隔離變壓器31包括一路輸入電壓和三路輸出電壓。本實(shí)施例中，隔離變壓器31為一路AC230V轉(zhuǎn)3路AC80V，共三個(gè)；每個(gè)具有3對(duì)相互獨(dú)立的隔離輸出。逆變器的每一相使用一個(gè)變壓器作為隔離供電電源，每組隔離電源整流后為110Vdc左右，三組電源疊加后有330Vdc，逆變后可以輸出230Vac，同時(shí)留有一定的母線電壓。余量隔離變壓器31和功率單元32均與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列21相連通。

采樣單元包括電壓采樣單元41和電流采樣單元42，電壓采樣單元41和電流采樣單元42均與處理器單元1相連通。為了降低成本，本實(shí)施例中，電壓采樣單元41采用高速線性光耦HCPL-7840作高低壓隔離采樣，輸入輸出比例設(shè)計(jì)為：100:1。電流采樣單元42采用兩路開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，分別檢測(cè)U、V兩相電流，電流傳感器采用±15V供電，輸入±5A對(duì)應(yīng)輸出±4V，在經(jīng)過(guò)運(yùn)放的比例縮放和電平平移電路轉(zhuǎn)換成0-3.3V，傳輸回給DSP的AD端口。

其中，處理器單元1主要用于完成V/F或矢量電機(jī)控制算法。V/F控制主要包括V/F曲線生成，低頻轉(zhuǎn)矩提升以及SPWM調(diào)制等；矢量控制主要包括ID、IQ電流閉環(huán)控制、基于編碼器位置、速度反饋的位置、速度閉環(huán)控制以及CLARK和PARK變換逆變換等算法。

同時(shí)，由于級(jí)聯(lián)型七電平中，每個(gè)基本單元共有4個(gè)功率管，三相共需要36個(gè)功率管?？紤]到每個(gè)橋臂的上下管驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。系統(tǒng)至少要輸出18路驅(qū)動(dòng)。所以，需要使用可編程門(mén)陣列21來(lái)擴(kuò)展輸出，同時(shí)可編程門(mén)陣列21還能處理基本單元的故障反饋。實(shí)時(shí)在線仿真器22用于對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，燒錄器23用于對(duì)可編程門(mén)陣列21進(jìn)行編程。

本實(shí)施例的功率單元32包括整流電路321、直流母線濾波電路323、直流母線充電電路323、H橋逆變電路324、H橋驅(qū)動(dòng)電路325、輔助開(kāi)關(guān)電源326和故障檢測(cè)電路327。

其中，整流電路321用于連接隔離變壓器31，采用單相橋式整流提供直流母線電壓，可以采用一個(gè)KBU1508整流橋。直流母線濾波電路323用于平滑整流電壓，可以采用一個(gè)330UF400Vdc的電解電容。直流母線充電電路323用于通電時(shí)限制對(duì)母線電容充電電流，避免對(duì)變壓器的電流沖擊，一般采用限流電阻加旁路繼電器的方式，因?yàn)楸痉桨傅哪妇€電壓較低，為降低低成本也可以使用NTC功率電阻代替。H橋逆變電路324，用于將直流電逆變成交流電，可以使用4個(gè)分立MOS管，型號(hào)IRF840，耐壓500V，電流8A；與整流橋安裝在同一塊散熱器上。H橋驅(qū)動(dòng)電路325用于接收由可編程門(mén)陣列21輸出的PWM信號(hào)，可以采用雙路高速光耦HCPL-2631隔離，在經(jīng)過(guò)由與非門(mén)組成的死區(qū)發(fā)生電路，輸入到MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片采用2片F(xiàn)AN7384，此芯片含有橋臂直通保護(hù)功能。輔助開(kāi)關(guān)電源326用于控制整個(gè)功率單元32的電源，可以采用單片集成開(kāi)關(guān)電源芯片VERP23A，可以輸出10W的功率，原邊直接從直流母線電容上取電，副邊輸出5V、15V兩組電源。故障檢測(cè)電路327用于組成橋臂直通保護(hù)，直流母線欠壓保護(hù)，散熱器超溫保護(hù)等。

同時(shí)，本實(shí)用新型還包括人機(jī)交互裝置5，人機(jī)交互裝置5包括液晶屏和按鍵。通過(guò)液晶屏的顯示和按鍵的操作，可以方便的進(jìn)行教學(xué)、實(shí)驗(yàn)等操作演示的功能，并可以用于調(diào)試DSP內(nèi)部參數(shù)和查看內(nèi)部變量。內(nèi)部調(diào)試參數(shù)包括V/F曲線參數(shù)基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率，矢量控制參數(shù)速度環(huán)和電流環(huán)比例、積分參數(shù)，電機(jī)參數(shù)電機(jī)額定參數(shù)、以及定轉(zhuǎn)子電阻、電感、互感，再加上加減速時(shí)間曲線參數(shù)等。

還包括主開(kāi)關(guān)電源和通訊接口6，其中，主開(kāi)關(guān)電源配置成控制用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三相七電平逆變器的工作，主要是給數(shù)字信號(hào)處理器、可編程門(mén)陣列21、人機(jī)交互裝置5、采樣單元等電路提供電源，可以采用單片集成開(kāi)關(guān)電源芯片VERP23A從市電230V取電，副邊輸出5V，±15V，24V。通訊接口6為RS485接口。通過(guò)通訊接口6可以方便的與外部的PLC相連接，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RS485接口的信號(hào)電平較低，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接，其數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達(dá)到到10Mbps。抗共模干能力強(qiáng)，抗噪聲干擾性好。本實(shí)用新型還包括實(shí)時(shí)在線仿真器22，實(shí)時(shí)在線仿真器22可以采用使用XDS100V2仿真器。

以上的僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。