專利名稱：用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置，該裝置包含一個(gè)具有電容器的輸入濾波器。
矩陣變換器是指一個(gè)自行操作的(selbstgefuehrt)直接變換器。該變換器在帶有可變電壓和頻率的系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)一剛性(starr)三相電網(wǎng)的變換。通過將雙向功率開關(guān)設(shè)置成一個(gè)3X3開關(guān)矩陣，該矩陣變換器的三個(gè)輸出相中的每一個(gè)可分別與一個(gè)輸入相電連接。該矩陣變換器的一相形成一種由三個(gè)雙向功率開關(guān)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，這些雙向功率開關(guān)一方面分別與一輸入相連接，另一方面與一輸出相連接。這樣一種結(jié)構(gòu)也稱作3X1開關(guān)矩陣。所述自行操作的直接變換器提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即其反饋能力上取決于拓?fù)鋵W(xué)，且通過一個(gè)相應(yīng)明顯的控制獲得正弦形的電網(wǎng)電流。
這些矩形變換器的雙向功率開關(guān)分別具有兩個(gè)反向串接的半導(dǎo)體開關(guān)。優(yōu)選使用分別具有一個(gè)反向并聯(lián)二極管的隔離柵雙極晶體管作為此半導(dǎo)體開關(guān)。這樣設(shè)計(jì)的雙向功率開關(guān)優(yōu)選使用于小功率和中功率的變換器。通過控制該雙向功率開關(guān)的這個(gè)種半導(dǎo)體開關(guān)，分別沿著由半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)構(gòu)確定的方向接通一電流路徑。如果一雙向功率開關(guān)的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)被控制，則該雙向功率開關(guān)就雙向接通，并且其實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)。由此在該矩陣變換器的一輸入相和一輸出相之間形成一個(gè)可靠的電連接。假如僅僅控制一雙向功率開關(guān)的一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，則該雙向功率開關(guān)只能單方向接通，并且在該矩陣變換器的一輸入相和一輸出相之間僅對(duì)一個(gè)優(yōu)選電流方向形成一個(gè)電連接。
在一種優(yōu)選控制中，能夠接收正弦形的電網(wǎng)電流。為使供電電網(wǎng)不承載脈沖頻率諧波，矩陣變換器必須附加一個(gè)由LC網(wǎng)絡(luò)、即由電感電容網(wǎng)絡(luò)元件構(gòu)成的輸入濾波器。為了使該輸入濾波器的結(jié)構(gòu)盡可能小，該矩陣變換器的雙向功率開關(guān)最好是高開關(guān)頻率。該開關(guān)頻率典型位于幾個(gè)KHz。
像所有的電氣設(shè)備一樣，一個(gè)變換器必須在電磁環(huán)境中經(jīng)受考驗(yàn)。該變換器必須能抵抗外部電磁作用的影響，并且自身產(chǎn)生盡可能小的電磁干擾。就這一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備性能稱作電磁兼容性，簡(jiǎn)稱為EMV。每個(gè)設(shè)備因此就是一個(gè)干擾源和干擾接收器。原理上說抗干擾性和干擾能力是有區(qū)別的。抗干擾性是一個(gè)設(shè)備抵御外部電氣或者電磁影響的能力。干擾能力則表征該設(shè)備所產(chǎn)生的電氣或電磁干擾。
通常源于變換器的干擾是由快速開關(guān)操作過程引起的。因此在變換器的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中含有三種電勢(shì)干擾。
1.功率開關(guān)的快速開關(guān)操作過程主要確定了源于變換器的干擾尺度。在帶有脈沖放寬調(diào)制(Pulsweitenmodulation)的變換器中，PWM時(shí)標(biāo)頻率的大小附加影響了干擾的尺度。
2.用于變換器內(nèi)部電壓供給的開關(guān)電源部分。
3.為內(nèi)部微處理器或者微控制器生成時(shí)標(biāo)。
這些干擾通過連接導(dǎo)線以疊加在變換器輸入量的高頻干擾量來傳播。對(duì)該所謂的在整個(gè)確定的頻率區(qū)域消除無線電干擾進(jìn)行測(cè)定以作為對(duì)導(dǎo)線連接干擾的尺度。一個(gè)對(duì)于導(dǎo)線連接干擾有效的防御手段就是無線電干擾過濾器。在頻率變換器中將置于一殼體中的無線電干擾過濾器和電網(wǎng)軛流圈組合稱為電網(wǎng)過濾器。這樣一種電網(wǎng)過濾器可直接設(shè)置在頻率變換器的旁邊，從而在頻率變換器和電網(wǎng)濾波器間的連接電纜就特別短。由此連接電線的消耗相對(duì)于單個(gè)組件的結(jié)構(gòu)就會(huì)最小。在一個(gè)頻率變換器中(也稱作電壓中間電路變換器)，借助一電網(wǎng)過濾器將干擾電流經(jīng)電網(wǎng)濾波器的帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器(也稱作Y電容器)回送到電網(wǎng)濾波器，并從那里再經(jīng)頻率變換器的整流二極管回送到其電壓中間電路。通過開關(guān)頻率的增長(zhǎng)來增加對(duì)地的干擾電流。
然而一矩陣變換器沒有電壓中間電路，從而該干擾電流不能通過Y電容器送回到電壓中間電路變換器。同樣，該干擾電流也不能通過該電網(wǎng)濾波器的Y電容器和二極管回送到電壓中間電路。
因?yàn)樵谝痪仃囎儞Q器中不存在電壓中間電路，故在頻率變換器中的已知措施不能轉(zhuǎn)用于矩陣變換器中。
在1994年10月26-28日的會(huì)議出版物“Power Electronics andVariable-Speed Drivers”中由P.W.Wheeler、H.Zhang和D.A.Grant發(fā)表的“Atheoretical and practical consideration of optimised input filter design for a lowloss matrix converter”，以及在1997年1月出版的“IEE Proc.Electr.PowerAppl.”第144卷第1期中由P.Wheel和D.Grant發(fā)表的“Optimised input filterdesign and low-loss switching techniques for a practical matrix converter”中公開了用于一種矩陣變換器的優(yōu)化的輸入濾波器。建議用一多級(jí)LC濾波器和一帶有已調(diào)諧的諧波濾波電路的單級(jí)LC濾波器作為優(yōu)化的輸入濾波器。由于構(gòu)件公差和溫度依賴性該第二方案具有較少的吸引力。一級(jí)LC濾波器的缺點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)體積。就費(fèi)用和結(jié)構(gòu)體積而言該帶有調(diào)諧的濾波電路的一級(jí)LC濾波器是最經(jīng)濟(jì)的濾波器，利用該濾波器可降低開關(guān)頻率的諧波。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置，利用該裝置有針對(duì)性地去除非對(duì)稱干擾電流。
按照本發(fā)明上述技術(shù)問題是通過權(quán)利要求1的特征來解決的。
通過將成星形連接的抗干擾電容器并聯(lián)到該矩陣變換器的輸入濾波器的電容器上，并將抗干擾電容器的星形匯接點(diǎn)與接地電位導(dǎo)電連接，則形成了非對(duì)稱干擾電流的電流電路。從而該非對(duì)稱干擾電流有針對(duì)性地被去除，由此對(duì)該矩陣變換器的周圍環(huán)境盡可能產(chǎn)生少的干擾。
在用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的一優(yōu)選實(shí)施方式中，該裝置具有成星形連接的、低絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器，其中星形匯接點(diǎn)借助于一個(gè)帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器與接地電位導(dǎo)電連接。由此可以獲得一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的低成本實(shí)施方式。
在兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的實(shí)施方式中，通過使用抗干擾電容器可以使輸入濾波器的電容器的電容值降低。這樣一來，盡管添加了其它結(jié)構(gòu)元件，但該矩陣變換器的輸入濾波器的結(jié)構(gòu)體積幾乎保持不變。
在另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的實(shí)施方式中，該矩陣變換器的輸入濾波器的電容器成星形電連接，其中，這些電容器的星形匯接點(diǎn)借助一抗干擾電容器與接地電位導(dǎo)電連接。由此，從該矩陣變換器的一種公知輸入濾波器出發(fā)添加另一個(gè)結(jié)構(gòu)元件，成為一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置。在該實(shí)施方式中用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的電容器消耗是最小的。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖示意說明本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置的多個(gè)實(shí)施方式

圖1示出本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾裝置的第一種實(shí)施方式；
圖2示出本發(fā)明裝置的第二種實(shí)施方式，以及圖3示出本發(fā)明裝置的特別優(yōu)選的實(shí)施方式。
圖1示出按照本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器2基本抗干擾裝置的第一種實(shí)施方式。該矩陣變換器2具有九個(gè)布置成3X3開關(guān)矩陣的雙向功率開關(guān)4。通過這九個(gè)雙向功率開關(guān)4布置成3X3開關(guān)矩陣6，每個(gè)輸出相X、Y和Z可連接到一個(gè)任意的輸入相U、V和W。這種矩陣變換器2的一相具有三個(gè)雙向功率開關(guān)4，這三個(gè)雙向開關(guān)將一輸出相X或Y或Z與輸入相U、V和W相連接。該矩陣變換器相具有一個(gè)3X1開關(guān)矩陣。在該矩陣變換器2的輸出相X、Y、Z上連接著一電感負(fù)載，例如異步電動(dòng)機(jī)。
輸入相U、V和W與一輸入濾波器10相連，該濾波器在輸入側(cè)與一個(gè)圖中未進(jìn)一步示出的電網(wǎng)相連。該輸入濾波器10被設(shè)計(jì)為一級(jí)LC濾波器，并具有電感12和電容器14。該電容器14在此為三角形連接，其中成一星形連接(如圖3)也是可以的。電感12布置在通往電容器14的導(dǎo)線上，從而使電容器的充電電流平滑。當(dāng)圖中未詳細(xì)示出的電網(wǎng)具有一個(gè)足以實(shí)現(xiàn)輸入濾波器功能的電感時(shí)，則可以在輸入濾波器10處不設(shè)置電感。借助此輸入濾波器10阻止脈沖頻率諧波介入供電電網(wǎng)。矩陣變換器2中雙向功率開關(guān)4的開關(guān)頻率越高，則輸入濾波器10可制造得越小。
在該輸入濾波器10成三角形連接的電容器12上以相并聯(lián)方式連接著成星形連接的、例如高絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器CY1、CY2和CY3這個(gè)以星形連接的抗干擾電容器CY1、CY2和CY3的星形匯接點(diǎn)16與接地電位導(dǎo)電連接。在此，地線接頭應(yīng)該選擇得盡可能地靠近干擾源，也就是靠近矩陣變換器2。借助這些抗干擾電容器CY1、CY2和CY3，連接成一非對(duì)稱干擾電流的閉合電流電路。
因此，由矩陣變換器2的輸入濾波器10出發(fā)，通過本發(fā)明的附加補(bǔ)充抗干擾電容器CY1、CY2和CY3，由于對(duì)人具有高絕緣強(qiáng)度的接觸保護(hù)，形成了一種用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器2基本抗干擾的裝置。
如果將非對(duì)稱干擾電流強(qiáng)烈遏制，則該矩陣變換器2的輸入濾波器10的現(xiàn)有電感12將采用一個(gè)電流補(bǔ)償軛流圈18來代替或者添加到電感12上。這種變換的可能性用箭頭20表示。該輸入濾波器10的電感12還可采用一個(gè)五柱形芯三相軛流圈來代替，該五柱形芯三相軛流圈為了清晰在圖中沒有示出。這種輸入濾波器10的電感12的不同實(shí)施方式對(duì)非對(duì)稱干擾電流沒有任何變化。
圖2示出本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾裝置的第二種實(shí)施方式。該第二種實(shí)施方式與圖1所示的第一種實(shí)施方式的不同在于代替那些例如具有較高絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器CY1、CY2和CY3，而采用了具有較低絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器C1、C2和C3。這種抗干擾電容器C1、C2和C3也以星形方式電連接。出于對(duì)人的接觸保護(hù)，該成星形連接的帶有較低絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器C1、C2和C3中的星形匯接點(diǎn)16借助于一個(gè)帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器CY與接地電位導(dǎo)電連接。在該實(shí)施方式中同樣可將電感12設(shè)計(jì)為電流補(bǔ)償軛流圈18或者五柱形芯三相軛流圈。
該第二種實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，代替三個(gè)例如帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器CY1、CY2和CY3，僅需要一個(gè)帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器CY。由此，電容器C1、C2、C3和CY需要比電容器CY1、CY2和CY3小得多的位置，從而這些電容器可以在不改變輸入濾波器10空間的情況下被集成于其中。該第二種實(shí)施方式很具有使用價(jià)值。
圖3示出一用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾裝置的第三種實(shí)施方式。該第三種實(shí)施方式與前述圖1和圖2所示實(shí)施方式的不同在于該輸入濾波器10的電容器14成星形電連接，并且該成星形連接的電容器14中的星形匯接點(diǎn)22借助于一個(gè)抗干擾電容器CYS與接地電位導(dǎo)電連接。利用該實(shí)施方式借助唯一一個(gè)帶有較高絕緣強(qiáng)度的抗干擾電容器CYS可將該輸入濾波器10擴(kuò)展為一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)矩陣變換器2基本抗干擾的裝置。因此可將矩陣變換器的一個(gè)輸入濾波器10和一個(gè)帶有低電容器消耗的EMV濾波器組合成一個(gè)用于矩陣變換器2的電網(wǎng)濾波器。此外，在該實(shí)施方式中該電感12如果存在，可以用一電流補(bǔ)償軛流圈18或一個(gè)五柱形芯三相軛流圈來替換。同樣對(duì)地線接頭來說，可以選擇得盡可能接近干擾電流的干擾源，也就是矩陣變換器2。
權(quán)利要求
1.一種用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置，所述裝置包括一個(gè)具有電容器(14)的輸入濾波器(10)，其中，對(duì)該矩陣變換器(2)的每個(gè)輸入相(U，V，W)設(shè)置一個(gè)抗干擾電容器(CY1，CY2，CY3)，這些抗干擾電容器成星形電連接，且其星形匯接點(diǎn)(16)與接地電位導(dǎo)電連接，而且其中所述成星形電連接的抗干擾電容器(CY1，CY2，CY3)與輸入濾波器(10)的電容器(14)相并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于代替所述抗干擾電容器(CY1，CY2，CY3)設(shè)置帶有較低絕緣強(qiáng)度的電容器(C1，C2，C3)，且該星形匯接點(diǎn)(16)借助于一個(gè)帶有較高絕緣強(qiáng)度的電容器(CY)與接地電位連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其輸入濾波器(10)的電容器(14)成星形連接，其特征在于其星形匯接點(diǎn)(22)借助于一個(gè)抗干擾電容器(CYs)與接地電位連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述輸入濾波器(10)的電容器(14)成三角形電連接。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述輸入濾波器(10)在其連接到電容器(14)的引線中具有電感(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于設(shè)置一電流補(bǔ)償軛流圈(18)作為所述輸入濾波器(10)的電感(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于設(shè)置一個(gè)五柱形芯三相軛流圈作為所述輸入濾波器(10)的電感(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)矩陣變換器基本抗干擾的裝置，其中該裝置包括一個(gè)具有電容器(14)的輸入濾波器(10)。按照本發(fā)明，對(duì)該矩陣變換器(2)的每一個(gè)輸入相(U，V，W)設(shè)置一抗干擾電容器(C
文檔編號(hào)H02M5/02GK1437789SQ01811630
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2001年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月16日
發(fā)明者曼弗雷德·布魯克曼, 奧拉夫·西蒙 申請(qǐng)人:西門子公司