技术领域
[0001] 本实用新型属于发电机技术领域，尤其是涉及一种发电机组用变频器及其发电机组。
背景技术
[0002] 变频器的
电路结构由两个主要功率模
块构成，一个是将
发动机输出的不稳定交流
电压通过不控整流电路整流成直流电压，再将该直流电压通过DC/DC转成设定值电压的不控整流及DC/DC环节，另一个是将设定值电压转成外部所需三相四线交流电压的 DC/AC及输出滤波环节。
[0003]
现有技术中DC/AC及输出滤波环节采用的是两电平输出拓扑电路加输出电感，在将设定值电压转成外部所需三相四线交流电压的过程中通常的做法是伪正弦比较输出、正弦PWM调制后电感滤波输出等，通常为脉冲方波，这样的方式存在谐波含量高等缺点，无法满足发电机组的输出谐波要求，使用户在使用此类变频器或使用具有该类变频器的发电机组的时候还需要增加其他中间环节的外部设备以达到谐波要求，导致用户在使用的过程中存在诸多不便。
[0004] 此外，现有技术中的DC/DC电路的输出端直接连接DC/AC侧的输入端，没有使用BUCK电路，导致DC/AC侧
母线电压不稳定，同时还存在DC/AC侧IGBT电应
力过高，降低IGBT使用寿命等缺点。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种发电机组用变频器；
[0006] 本实用新型的另一目的是针对上述问题，提供一种基于上述发电机组用变频器的发电机组。
[0007] 为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
[0008] 一种发电机组用变频器，包括连接于发动机的不控整流电路，所述不控整流电路连接于DC-DC电路，所述DC-DC电路连接于 DC-AC电路，所述DC-AC电路连接有输出滤波电路，所述DC-AC 电路包括三电平输出拓扑电路，且所述输出滤波电路包括正弦滤波电路。
[0009] 通过上述技术方案，DC-AC及输出滤波环节采用三电平输出拓扑电路和正弦滤波电路，相较于原来的两电平加电感的电路，能够输出
正弦波，具有更低的电压谐波，更高
质量的
电能。
[0010] 在上述发电机组用变频器中，所述三电平输出拓扑电路包括三电平逆变器，所述正弦滤波电路包括三个分别连接在三电平逆变器三相线处的输出电感，所述输出电感的另一端连接于
输出侧开关，每个输出电感与输出侧开关之间均并联有输出电容，且输出电容的另一端连接至三电平逆变器零线与输出侧开关的公共端。
[0011] 通过上述技术方案，具体到电路中较于现有技术在滤波环节增加了输出电容等部件，保证
输出电压在外部用电设备不增加其他中间环节的情况下就能够使谐波含量达到国标要求，方便用户使用，延迟变频器寿命。
[0012] 在上述发电机组用变频器中，所述输出侧开关处靠近正弦波电路端连接有第一输出电压检测电路，所述第一输出电压检测电路连接于控
制模块，所述
控制模块连接于所述发动机。
[0013] 通过上述技术方案，通过输出电压反馈实现输出电压闭环，通过闭环的特性来实现保证输出电压
波形正弦度和幅频特性的要求，提高了输出电能质量。
[0014] 在上述发电机组用变频器中，所述DC-DC电路的输出端连接有第二输出电压检测电路，所述第二输出电压检测电路连接于控制模块输入端，所述控制模块输出端连接于所述发动机。
[0015] 通过上述技术方案，对DC-DC电路的输出端进行电压检测，当检测到该直流电压上升的时候，控制模块输出减速指令给发动机，反之则输出
加速指令给发动机，以此来控制输出功率和输入功率之间的平衡。
[0016] 在上述发电机组用变频器中，所述DC-DC电路包括两个分别连接在DC-DC电路输出端之前的BUCK电路。
[0017] 通过上述技术方案，通过为DC-DC电路增加BUCK电路，能够降低并恒定DC/AC侧母线电压，一方面可以降低DC/AC侧IGBT 电
应力，延长IGBT使用寿命，另一方面可以降低设备成本。
[0018] 在上述发电机组用变频器中，所述BUCK电路中包括IGBT、电感和电容，且所述电感的感值大于20μH，所述电容采用低ESR 电容。
[0019] 通过上述技术方案，使用较大感值的电感和低ESR电容，能够降低输出波纹，提高电能质量。
[0020] 在上述发电机组用变频器中，所述不控整流电路包括由六个
二极管构成的三相桥式整流电路。
[0021] 一种发电机组，包括发电机、发动机和变频器，所述变频器为前述的发电机组用变频器。
[0022] 在上述发电机组中，所述变频器为输入电压不等于输出电压的异构体变频器。
[0023] 本实用新型的优点在于：输出为正弦波，谐波含量低，同时根据输出电压反馈对输出电压做谐波矫正，保证输出电压谐波含量在要求范围内，保证了输出电压波形正弦度和幅频特性，提高了输出电能质量；能够降低并恒定DC/AC侧母线电压，一方面可以降低DC/AC侧IGBT电应力，延长IGBT使用寿命，另一方面可以降低设备成本。
附图说明
[0024] 图1是本实用新型
实施例一中的电路连接
框图；
[0025] 图2是本实用新型实施例一中DC/AC及输出滤波环节电路结构图；
[0026] 图3是本实用新型实施例一中不控整流及DC/DC环节电路结构图。
[0027] 附图标记：发动机M；不控整流电路1；DC-DC电路2；BUCK 电路5；电感L01；电容C1；第二输出电压检测电路7；DC-AC电路3；输出滤波电路4；输出电感L2；输出电容C2；输出侧开关 QF2；第一输出电压检测电路6；控制模块8。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
[0029] 实施例一
[0030] 如图1所示，本实施例公开了一种发电机组用变频器，包括连接于发动机M的不控整流电路1，不控整流电路1包括由六个二极管构成的三相桥式整流电路。
[0031] 其中，不控整流电路1连接于DC-DC电路2，DC-DC电路2 连接于DC-AC电路3，DC-AC电路3连接有输出滤波电路4，DC-AC 电路3包括三电平输出拓扑电路，且输出滤波电路4包括正弦滤波电路。其中，如图2所示，三电平输出拓扑电路包括三电平逆变器，正弦滤波电路包括三个分别连接在三电平逆变器三相线 A1、B1和C1处的输出电感L2，输出电感L2的另一端连接于输出侧开关QF2，每个输出电感L2与输出侧开关QF2之间均并联有输出电容C2，且输出电容C2的另一端连接至三电平逆变器零线N1 与输出侧开关QF2的公共端。
[0032] DC-AC及输出滤波环节采用三电平输出拓扑电路和正弦滤波电路，具体表现为增加了输出电容C2和一倍数量的IGBT等，保证输出电压在外部用电设备不增加其他中间环节的情况下就能够使谐波含量达到国标要求，方便用户使用，延长变频器寿命。
[0033] 优选地，输出侧开关QF2处靠近正弦波电路端连接有第一输出电压检测电路6，第一输出电压检测电路6连接于控制模块8，控制模块8连接于发动机M，控制模块8可以为现有技术中能够输出控制命令的单个控
制芯片或者包括控制芯片在内的控制电路等，在此不对具体使用的控制模块型号、结构等进行赘述。这里通过输出电压反馈实现输出电压闭环，通过闭环的特性来实现保证输出电压波形正弦度和幅频特性的要求，在接不同负载的时候能够对输出电压做谐波矫正，保证输出电压谐波含量在要求范围内，提高了输出电能质量。
[0034] 进一步地，DC-DC电路2的输出端连接有第二输出电压检测电路7，第二输出电压检测电路7连接于控制模块8输入端，控制模块8输出端连接于发动机M。这里对DC-DC电路2的输出端进行电压检测，当检测到该直流电压上升的时候，控制模块8输出减速指令给发动机M，反之则输出加速指令给发动机M，以此来控制输出功率和输入功率之间的平衡，提高设备效率、节约
能源、延长设备使用寿命。
[0035] 进一步地，如图3所示，DC-DC电路2包括两个分别连接在 DC-DC电路2的输出端之前的BUCK电路5。这里通过为DC-DC电路2增加BUCK电路5，能够降低并恒定DC/AC侧母线电压，一方面可以降低DC/AC侧IGBT电应力，延长IGBT使用寿命，另一方面可以降低设备成本。
[0036] BUCK电路5中包括IGBT、电感L01和电容C1，本领域技术人员应当知道BUCK电路5中产生输出纹波的主要有：低频纹波、高频纹波、共模纹波、功率器件开关过程中产生的超高频谐振四个方便，下面简要说明BUCK电路5产生纹波的机理及计算过程：
[0037] 电感的定义：
[0038]
[0039] λ为线圈磁链、N为线圈
匝数、i为流经线圈的
电流、Φ为线圈磁通。如果式(1)两端以时间t为变量进行微分计算，可得：
[0040]
[0041] 这便是大家所熟知的电感电压降回路方程。
[0042] 现在假设对于每个单独的开关周期，在开关管导通状态和关断状态，输入输出电压都基本没有变化，可以写出导通状态和关断状态时的L两端的电压。
[0043] 导通状态L两端的电压：
[0044] Von＝Vi-Vsat-Vo，
[0045] 关断状态L两端的电压：
[0046] Voff＝-VF-Vo.
[0047] Vsat为开关管的导通压降；VF为二极管的导通压降。
[0048] 由于Vsat和VF相对于Vi和Vo很小，这里忽略不计，可以得到：
[0049] Von＝Vi-Vo， (2)
[0050] Voff＝-Vo. (3)
[0051] 可以看出Von和Voff都是常数，即对于
[0052]
[0053] 不论在导通状态还是在关断状态都有：
[0054]
[0055] 为常数，所以可以用 替换 代入式(4)并
整理得：
[0056]
[0057] 可以认为Δi就是电感线圈中的纹波电流，将导通和关断状态时的时间和电压式(2)和式(3)代入上式，分别写出导通状态和关断状态时的纹波电流表达式：
[0058]
[0059]
[0060] Δion为导通状态纹波电流；ton为导通时间；Δioff为关断状态纹波电流；toff为关断时间。在电源稳定工作时，
[0061] Δion＝-Δioff＝ΔiL， (7)
[0062] ΔiL为线圈上纹波电流的绝对值。将式(5)和式(6)代入式 (7)，整理得：
[0063]
[0064] 进而得出：
[0065]
[0066] fs为开关
频率。将式(8)代入式(5)，得：
[0067]
[0068] 式(9)即为纹波电流的表达式。
[0069] 2、纹波电压计算
[0070] 注意到在输出部分，电感电流在电容和负载之间分割，有：
[0071] iL＝io+iC.
[0072] 设在稳态下，输出到负载的电流不变。所以有：
[0073] ΔiL＝ΔiC.
[0074] 这也是一种近似，因为就算是负载恒定不变，由于电压纹波的影响，电流也会改变的，但由于这个变化量和ΔiL相比很小，所以在此忽略。如果不忽略，也可以推导出更复杂的表达式。Δ iC加之于电容就会产生纹波电压。
[0075] 首先计算第一部分。当ΔiC流过理想电容时，在电容两端产生的电压变化：
[0076]
[0077] 取积分下限为ton/2，积分上限为toff/2，计算积分得：
[0078]
[0079] 计算第二部分，对于一般电容，都具有
串联等效电感和串联等效
电阻(其实还有并联等效绝缘电阻)。串联等效电感只在较高频率时起作用，在分析开关频率时可以将其忽略，但必须考虑的是串联等效电阻ESR.电流ΔiC流过ESR时，会在ESR两端产生电压降，其值为：
[0080] ΔVESR＝ESR·ΔiL. (11)
[0081] ΔVESR也会作为纹波的一部分表现在输出端上，所以总的纹波表达式为式(10)和式(11)的和，即：
[0082]
[0083] Vro为总纹波；ESR为电容的等效串联电阻。
[0084] 式(12)即是Buck类型
开关电源的纹波电压的近似表达式，其中的每个变量都是影响纹波的因素，调整这些变量就是调整纹波的主要方法。
[0085] 根据式(12)，逐一分析影响纹波电压的因素
[0086]
[0087] 1)首先观察括号内的因素：试取一个典型的值计算一下，如 fs＝300kHz，C＝470μF，可知为
[0088]
[0089] 尽管对于ESR的计算要考虑很多因素，一般情况下，
电解电容和若干陶瓷电容并联后的等效电阻ESR在十几到几十mΩ之间，由此可见ESR是纹波产生的主要因素，并且C取值的增加不会显著改变纹波。
[0090] 2)其次观察等式右边的前半部分
[0091] 如果L或者fs增大，则Vro变小，可以减小纹波，即增大电感的值和提高开关频率可以降低纹波。
[0092] 3)最容易忽略的是输出电压和纹波的关系。考察Vo对Vro 的变化率。
[0093] 在所有其他因素都不改变的条件下，将Vro对Vo求导，可得：
[0094]
[0095] 其中：
[0096]
[0097] 令 有
[0098] 此时电源输出的纹波最大。
[0099] Vo无论大于还是小于这个值，纹波都将减小。由该规律可以推算输出电压调整的电源模块的纹波。
[0100] 由上述分析可知，影响纹波的主要有三方面，分别为：电感 L01、系统开关频率和ESR，所以若想要尽量减小波纹分别需要在允许的范围内提高电感L01的感值、提高系统开关频率和旋转ESR 小的电容，所以这里的电感L01的感值取值大于20μH，电容C1 采用低ESR电容，以及提高系统开关频率，从而达到能够降低输出波纹。
[0101] 实施例二
[0102] 本实施例提出了一种发电机组，包括发电机、发动机M和变频器，其中变频器为实施例一中的发电机组用变频器。
[0103] 且这里的变频器采用输入电压不等于输出电压的异构体变频器，具体为输入电压为690V工业等级，输出为380V工业等级。
[0104] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
[0105] 尽管本文较多地使用了发动机M；不控整流电路1；DC-DC电路2；BUCK电路5；电感L01；电容C1；第二输出电压检测电路7； DC-AC电路3；输出滤波电路4；输出电感L2；输出电容C2；输出侧开关QF2；第一输出电压检测电路6；控制模块8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
