專利名稱：級聯(lián)多重化零式矩陣整流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種級聯(lián)多重化零式矩陣整流器，尤其涉及一種適用于三相高壓直流電源供電、采用多個次級繞組的降壓變壓器和級聯(lián)多重化的三相零式矩陣整流器、能夠獲得較高幅值且幅值可調直流電壓的級聯(lián)多重化零式矩陣整流器。屬于電力電子設備技術領域。
背景技術：
在中高壓大功率直流供電領域，包括直流電動機傳動、高壓直流輸電、多電平逆變用直流電源以及激光發(fā)生用直流電源等，為了獲得高直流電壓和較高的輸入功率因數，通常采用多個次級繞組的變壓器-不控整流器-電解電容組的技術方案，其中根據不同的具體方案，變壓器可以采用次級繞組移相的工頻變壓器或高頻變壓器。這些技術方案的不足之處是要么輸入功率因數低，要么控制復雜，不具備能量雙向流動能力，而且需要壽命較短的電解電容作為儲能元件，變壓器次級繞組也需要移相，直流電壓大小與極性不便于調節(jié)。如果采用多個次級繞組的變壓器-可控整流器-電解電容組的技術方案，雖然能夠獲得較高的輸入功率因數，能量能夠雙向流動，但是上述不足仍然存在。因此在高壓大功率直流電源應用領域，客觀上需要一種新型的技術方案出現(xiàn)，其需要具備以下特征(1)采用級聯(lián)多重化方案，以降低整流器單元的功率容量；(2)采用多個同相次級繞組的降壓變壓器方案，以降低整流器單元的耐壓容量和簡化變壓器的次級繞組設計；(3)不需電解電容儲能元件，以提高整機壽命；(4)能量雙向流動，功率因數為1，輸出高電壓的幅值與極性可調，以提高電網容量的利用率，消除對電網的諧波電流污染，增強整機的可控性；(5)成本低，壽命長，可靠性高，適合未來中高壓電力電子整流器的發(fā)展方向。能夠滿足以上條件的中高壓大功率直流電源技術方案只能為高壓-低壓-高壓類型的級聯(lián)多重化零式矩陣整流器。目前，尚未有相關技術公開報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，設計提供一種級聯(lián)多重化零式矩陣整流器，具有網側四象限運行能力、輸出交流電壓連續(xù)可調、降壓變壓器結構簡單、成本低廉、通用性強、可靠性高和節(jié)約能量等優(yōu)點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明由總輸入濾波器、具有多個三相次級繞組的降壓變壓器、零式矩陣整流器單元構成的整流器陣列和總控制器構成。降壓變壓器輸入高壓三相交流電壓，輸出多組隔離的低壓三相交流電壓，每組低壓三相交流電壓對應一個三相次級繞組，所有三相次級繞組的相位相同。整流器單元的輸入為三相交流電壓，輸出為電壓幅值和相位可調的直流電壓。三相次級繞組的數量與整流器陣列中整流器單元的數量相同，所有整流器單元構成一列，列中的整流器單元的輸出依次相連，最終輸出幅值和相位可調的直流電壓，獲得倍增的輸出電壓能力，列中整流器單元的數量越多，輸出直流電壓的幅值越高。列中整流器單元對應的三相次級繞組之間的基本相位為零?？傒斎霝V波器為常規(guī)高壓LC濾波器，置于電網與降壓變壓器之間，對輸入電壓和輸入電流進行濾波。每個整流器單元包含一個分控制器，負責控制每個整流器單元中功率器件的開關規(guī)律，總控制器與各分控制器通過信號電纜連接，負責協(xié)調控制各個分控制器的運行狀況。這樣根據直流電壓負載大小的需要，整流器陣列能夠輸出幅值可調的高壓直流電壓，滿足直流負載的需要，同時在電網輸入端獲得正弦波形的輸入電流波形，對電網無諧波電流污染，整流器陣列與負載之間、整流器陣列與降壓變壓器的三相次級繞組之間、降壓變壓器與電網之間均保持了四象限變換能力。
本發(fā)明所述的總輸入濾波器由常規(guī)三相高壓LC濾波器構成，其中三只濾波電感分別串接在三相輸入線路中，其輸入端與電網相連，輸出端與降壓變壓器輸入端相連，三只濾波電容的一端分別連接到降壓變壓器初級繞組的輸入端，其另一端相互連接，形成一個公共點。
本發(fā)明所述的降壓變壓器具有1個初級繞組和多個Yn接三相次級繞組，其中三相高壓初級繞組分別與總輸入變壓器的三相濾波電感的輸出端相連，每個三相低壓次級繞組分別與整流器陣列中的一個整流器單元相連。
本發(fā)明所述的整流器陣列由多個整流器單元構成，與降壓變壓器的次級繞組的數量相同，其中所有整流器單元排列成一列多行結構。降壓變壓器次級繞組分別與整流器陣列中的行對應。陣列中整流器單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一路直流電壓輸出，包括兩個輸出端子，一個輸出端子作為正極，另一個輸出端作為負極。每個整流器單元分別通過信號電纜與總控制器連接。
所述整流器單元由分輸入濾波器、同步變壓器、功率開關陣列和分控制器構成，其中分輸入濾波器由常規(guī)低壓三相LC濾波器構成，三只濾波電感分別串接在降壓變壓器的次級繞組與功率開關陣列的輸入端之間，三只濾波電容的一端相互連接形成一個公共點，另一端分別與功率開關陣列的輸入端相連。
所述同步變壓器為降壓變壓器，其Yn接初級繞組與分輸入濾波器的輸出端和功率開關陣列的輸入端相連，次級繞組與分控制器的檢測電路相連。
所述功率開關陣列由六只雙向可控開關連接成3H橋結構，橋的兩個輸出端即為整流器單元的功率輸出端。
所述分控制器由檢測電路、運算調制器、邏輯電路和隔離驅動保護電路組成，檢測電路與同步變壓器的三相輸出端相連，檢測電路的輸出通過信號線與運算調制器相連，運算調制器通過信號線與邏輯電路相連，隔離驅動保護電路與運算調制器和邏輯電路相連，并與整流器單元的功率開關陣列相連。
本發(fā)明將整流器陣列中的整流器單元輸出串聯(lián)，實現(xiàn)了直流變換器的級聯(lián)多重化，獲得了幅值與極性可調、電壓倍增的直流電壓輸出，適應于中高壓直流供電的需要，同時整流器單元產生的分輸入電流經過降壓變壓器的次級繞組耦合到降壓變壓器的三相初級繞組，在降壓變壓器的三相初級繞組中合成三相脈沖電流波形，再經過總輸入濾波器的濾波作用，最終得到三相正弦波形的總輸入電流，在分控制器和總控制器的控制下總輸入電流的相位為零，實現(xiàn)單位輸入功率因數，從而獲得了新型高壓-低壓-高壓類型的級聯(lián)多重化中高壓直流變換器，而且整個系統(tǒng)結構都具備了能量的雙向流動能力，不僅可以獲得幅值可調的高壓直流輸出，級聯(lián)多重化的級數高時輸出電壓能力甚至可以超過電網電壓，而且可以獲得單位總輸入功率因數和四象限運行能力，因而具有變換效果良好、通用性強等特征，同時具有結構簡單、總成本低、壽命長、效率高、實現(xiàn)容易等優(yōu)點，還可以支持較大的功率輸出，尤其適用于中高壓直流電動機的調速和啟動等應用場合。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
圖1中，1為總輸入濾波器，2為降壓變壓器，3為整流器陣列，4為總控制器。
圖2為圖1整流器陣列中的零式矩陣整流器單元的電路原理圖。
圖2中，5為分輸入濾波器，6為同步變壓器，7為功率開關陣列，8為分控制器。
圖3為本發(fā)明應用于多電平逆變器-高壓交流電動機傳動調速系統(tǒng)中的實施例電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不構成對本發(fā)明的限定。
以本發(fā)明設計的5重級聯(lián)多重化零式矩陣整流器為例進行說明，結構如圖1所示，由總輸入濾波器1、降壓變壓器2、整流器陣列3和總控制器4構成?？傒斎霝V波器1由三只濾波電感和三只濾波電容組成，三只濾波電感的輸入端連接電網，其輸出端連接降壓變壓器2的三相初級繞組，三只濾波電容的一端分別與三只濾波電感的輸出端連接，其另一端相互連接。降壓變壓器2由一個三相初級高壓繞組、5個Yn接低壓三相四線制次級繞組和磁芯組成，初級繞組與總輸入濾波器1中的濾波電感的三個輸出端相連，次級繞組分成5組，具有相同的相位，分別連接到整流器陣列3中的整流器單元，磁芯提供磁路，實現(xiàn)初級繞組與次級繞組之間的磁路耦合。整流器陣列3由1列×5行＝5個整流器單元組成，排列成陣列結構，每個整流器單元的三相輸入端與降壓變壓器的一個三相次級繞組的三相輸出端相連，5個整流器單元的功率輸出依次相連，分別形成兩個高壓直流輸出端。總控制器4由通用的微控制器、數字信號處理和/或邏輯處理器組成，通過信號電纜與各個整流器單元進行信息交互。
總輸入濾波器1中，濾波電感L1、L2和L3的一端分別連接電網的R、S和T相，另一端分別與濾波電容C1、C2和C3的一端相連后與降壓變壓器的三相初級繞組的輸入端相連，濾波電容C1、C2和C3的另一端相互連接。
降壓變壓器2中，三相初級高壓繞組與總輸入濾波器的輸出端相連，5個三相次級低壓繞組的輸出端分別與整流器陣列中的5個零式矩陣整流器單元的輸入端相連。
整流器陣列3中，整流器單元U4的一個輸出端與整流器單元U5的一個輸出端相連，U4的另一輸出端與整流器單元U3的一個輸出端相連，整流器單元U2的一個輸出端與整流器單元U3的另一輸出端相連，U2的另一輸出端與整流器單元U1的一個輸出端相連，整流器單元U1的另一輸出端成為負極輸出端N，整流器單元U5的另一輸出端成為正極輸出端P。
整流器單元U5～U1分別與一個次級繞組的三相輸出端分別相連，整流器單元U5～U1分別通過信號電纜PU5～PU1與總控制器相連。
總控制器4中，總控制器通過信號電纜PU5～PU1分別與整流器陣列中的零式矩陣整流器單元U5～U1連接。
本發(fā)明設計的整流器陣列中的零式矩陣整流器單元結構如圖2所示，由分輸入濾波器5、同步變壓器6、功率開關陣列7和分控制器8構成。分輸入濾波器5由三只濾波電感和三只濾波電容組成，三只濾波電感的輸入端連接降壓變壓器次級繞組的三相輸出端，其輸出端連接三只濾波電容的一端、同步變壓器的三相初級繞組和功率開關陣列的輸入端，三只濾波電容的另一端相互連接，并與中性線相連。同步變壓器6由三相初級繞組、三相次級繞組和磁芯組成，初級繞組與分輸入濾波器的輸出端、功率開關陣列的輸入端連接，次級繞組與分控制器的檢測電路連接。功率開關陣列7由6只雙向可控功率開關組成，構成3H橋結構，每個橋臂包括兩個雙向可控功率開關，3個橋臂中點與分輸入濾波器的輸出端相連，上橋臂三個雙向可控功率開關的一端連接在一起形成一路輸出端，下橋臂三個雙向可控功率開關的一端連接在一起形成另一路輸出端。分控制器8由檢測電路、運算調制器、邏輯電路和驅動隔離保護電路組成，檢測電路與同步變壓器的三相輸出端相連，其輸出通過信號線與運算調制器相連，運算調制器通過信號線與邏輯電路相連，隔離驅動保護電路與運算調制器和邏輯電路相連，并與零式矩陣整流器單元的功率開關陣列相連。
分輸入濾波器5中，濾波電感L4、L5和L6的一端分別連接降壓變壓器的三相次級繞組的輸出端，另一端分別與濾波電容C4、C5和C6的一端相連后與同步變壓器初級繞組、功率開關陣列輸入端相連，濾波電容C4、C5和C6的另一端相互連接，并與中性線相連。
同步變壓器6中，初級繞組與分輸入濾波器的輸出端、功率開關陣列的輸入端連接，次級繞組與分控制器的檢測電路連接。
功率開關陣列7中，雙向可控功率開關S1的一端與分輸入濾波器電感L1的輸出端連接，雙向可控功率開關S2的一端與分輸入濾波器電感L2的輸出端連接，雙向可控功率開關S1的一端與分輸入濾波器電感L3的輸出端連接，雙向可控功率開關S1、S2和S3的另一端相互連接形成一個交流輸出端P1，中性線作為另一個直流輸出端P2。
分控制器8中，檢測電路與同步變壓器的次級繞組相連，隔離驅動保護電路通過信號電纜與功率開關陣列相連。
本發(fā)明的工作原理為(1)總輸入濾波器1中，三相LC濾波器對電網電壓進行濾波，對降壓變壓器初級繞組的脈沖電流進行濾波，得到正弦波形的輸入電流。
(2)降壓變壓器2中，初級繞組輸入三相中高壓交流電壓，通過電磁感應，在次級繞組中得到5路隔離的低壓交流電壓，采用帶中性線的Yn接，即為三相四線制，供后級由零式矩陣整流器單元組成的低壓整流器陣列使用。
(3)整流器陣列3中，每一個零式矩陣整流器單元輸出一路低壓的幅值可調的直流電壓，所有的整流器單元采用相同的控制策略，5個整流器單元采用輸出電壓特征相同的調制策略，其輸出實行串聯(lián)，5行整流器單元的輸入電壓相位相同且為0°，這樣得到電壓幅值倍增的幅值可調的高壓直流電壓，而且輸出直流電壓為多電平，加上零式矩陣整流器本質上就是多電平，輸出直流電壓的電平數更多，意味著輸出直流電壓的基波含量更高。每一個整流器單元可以采用多種控制策略和換流策略，前者如開關函數算法、電流空間矢量算法、雙線電壓算法和滯環(huán)電流算法，后者如半軟化四步換流策略、半自然兩步策略和一步換流策略，對于所有整流器單元而言，為了輸出波形更加良好的直流電壓和/或降低系統(tǒng)的共模電壓強度，具體實現(xiàn)的調制算法要求有所不同，如可以采用移相調制技術和共模電壓抑制技術。整流器單元中的分控制器在總控制器的協(xié)調控制下，負責檢測整流器單元輸入電壓的信息，如電壓波形和過零點，運算調制器讀取這些信息后進行一系列計算，并實現(xiàn)相應的調制算法，產生PWM脈沖信號，再經由邏輯電路的邏輯運算后，產生功率開關陣列中全部功率開關所需的12路PWM驅動脈沖信號，再經過驅動隔離保護電路后送入功率開關陣列中功率開關的門極，驅動功率開關的開通與關斷工作，實現(xiàn)三相交流電壓-直流電壓的變換，如果某一功率開關出現(xiàn)過流或過熱情況，功率開關陣列將反饋故障信號傳送至分控制器，實現(xiàn)硬件和軟件保護，分控制器將有關信息傳送給總控制器，總控制器實行整體干預。
整流器陣列中的整流器單元構成1列n行，n一般≥3，可以滿足更寬范圍的直流輸出電壓需要，輸出電壓幅值可以超過電網電壓的幅值。
(3)總控制器4中，總控制器通過信號電纜PU5～PU1分別與整流器陣列中的零式矩陣整流器單元U5～U1進行信息交換，實行總體控制。
本發(fā)明的總輸入濾波器、降壓變壓器、由整流器單元構成的整流器陣列和總控制器為密不可分的組成部分，不能簡單地單獨分析，從而構成級聯(lián)多重化零式矩陣整流器。工作原理的實質是降壓變壓器完成由高壓交流電壓-低壓直流電壓的轉換，為低壓小功率的零式矩陣整流器單元供電。每一個整流器單元能夠將三相低壓交流電壓轉換成一路幅值可調的低壓直流電壓，整流器單元的輸出串聯(lián)后得到一路幅值可調的高壓直流電壓，為中高壓直流用電系統(tǒng)提供直流電源。由于整流器單元為直接變換器，降壓變壓器本質上能夠變流，以及降壓變壓器的次級繞組相位的針對性設置，使得整個變換器系統(tǒng)為四象限變換器，能量能夠雙向流通，在網側能夠消除更高次的諧波電流分量，可以獲得正弦電流波形和單位功率因數，不僅獲得了高壓大功率直流電源，而且本質上具備了完全的電力環(huán)保特征，同時消除了低壽命的元器件，具有成本低、效率高、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，此外級聯(lián)多重化的級數可以增加和減少，因此非常適用于高壓大功率直流供電領域。
上述器件中濾波電感L1～L3為普通高壓電感，濾波電容C1～C3為低感的普通高壓電容，濾波電感L4～L6為普通低壓電感，濾波電容C4～C6為低感的普通低壓電容，不要求精度；整流器單元供電電壓可選擇直流有效值1140V、660V和380V電壓級別，相應地設計功率開關陣列中功率開關IGBT的正向電壓阻斷能力，對一致性不作特別要求；分控制器與總控制器可以選擇微控制器和數字信號處理器以及外圍數字或模擬電路，不作具體要求；降壓變壓器可以選擇常規(guī)的高壓降壓變壓器，其次級繞組可以采用不同的連接組別或采用相同的連接組別。本發(fā)明一個實施例的參數為L1～L6取0.1mH～50mH，C1～C6取1μF～470μF。
圖3為本發(fā)明級聯(lián)多重化零式矩陣整流器在大功率高壓直流供電的多電平逆變器-高壓交流電動機交流傳動系統(tǒng)中的實施例。
按圖3所示，級聯(lián)多重化零式矩陣整流器的輸入端施加高壓的三相工頻正弦直流電壓源，電動機額定電壓有效值為3.3kV，輸出功率為150kW左右，級聯(lián)多重化零式矩陣整流器采用5重化方案，每個整流器單元只需承受380V的電壓強度，分擔10kW的功率，能夠滿足直流電動機變壓變頻的供電要求，提高級聯(lián)多重化零式矩陣整流器-大功率直流供電的多電平逆變器-高壓交流電動機交流傳動系統(tǒng)的整體效率，另外由于級聯(lián)多重化零式矩陣整流器的效率高和電源利用高，因此整個系統(tǒng)的成本具有下降的空間。
顯然，本發(fā)明級聯(lián)多重化零式矩陣整流器可以應用在大功率中高壓直流供電的多電平逆變器-高壓交流電動機交流傳動系統(tǒng)，包括電動機的四象限運行和軟啟動，適用于高壓大功率應用場合，起到輸入功率因數高、整個系統(tǒng)四象限運行，輸出高壓直流電壓諧波含量低、輸出直流電壓級數可調、EMI強度低的作用。
權利要求
1.一種級聯(lián)多重化零式矩陣整流器，其特征在于包括總輸入濾波器(1)、降壓變壓器(2)、整流器陣列(3)和總控制器(4)，所述總輸入濾波器(1)由三只濾波電感(L1～L3)和三只濾波電容(C1～C3)構成，三只濾波電感(L1～L3)分別串接在電網與降壓變壓器(2)的初級繞組之間，三只濾波電容(C1～C3)的一端相互連接，另一端分別與降壓變壓器(2)的初級繞組相連；所述降壓變壓器(2)具有n個三相次級繞組，具有相同為0°的相位；所述整流器陣列(3)由n個整流器單元排成1列×n行的陣列結構構成，降壓變壓器(2)的次級繞組分別與整流器陣列(3)中的行對應，每個次級繞組分別與每行中的整流器單元一一對應相連，整流器陣列(3)中整流器單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一路直流電壓輸出，每個整流器單元分別通過信號電纜與總控制器(4)連接；所述整流器單元由分輸入濾波器(5)、同步變壓器(6)、功率開關陣列(7)和分控制器(8)構成，所述分輸入濾波器(5)由三只濾波電感(L4～L6)和三只濾波電容(C4～C6)構成，三只濾波電感(L4～L6)分別串接在降壓變壓器(2)的次級繞組與功率開關陣列(7)的輸入端之間，三只濾波電容(C4～C6)的一端相互連接，并與中性線相連，另一端分別與功率開關陣列(7)的輸入端相連；所述同步變壓器(6)的初級繞組與分輸入濾波器(5)的輸出端和功率開關陣列(7)的輸入端相連，次級繞組與分控制器(8)的檢測電路相連；所述功率開關陣列(7)由三只雙向可控開關連接成零式結構，其輸出即為整流器單元的一個功率輸出(P1)，另一個輸出為中性線(N1)；所述分控制器(8)由檢測電路、運算調制器、邏輯電路和隔離驅動保護電路組成，檢測電路與同步變壓器(6)的三相輸出端相連，檢測電路的輸出通過信號線與運算調制器相連，運算調制器通過信號線與邏輯電路相連，隔離驅動保護電路與運算調制器和邏輯電路相連，并與功率開關陣列(7)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種級聯(lián)多重化零式矩陣整流器，總輸入濾波器連接在電網與降壓變壓器之間，濾波得到正弦波形的輸入電流，降壓變壓器有n個Yn接帶中性線的次級繞組，所有三相繞組相位相同，整流器陣列由n個零式矩陣整流器單元排成1列×n行的陣列，陣列中每一行與降壓變壓器的一個次級繞組對應連接，陣列中整流器單元的輸出依次串聯(lián)，形成一路直流輸出，總控制器負責控制調節(jié)整個系統(tǒng)的工作，并通過信號電纜與各個分控制器聯(lián)絡，控制整流器陣列中每個整流器單元的工作。本發(fā)明由低壓小功率的變換器串聯(lián)得到幅值可調的高壓直流電源，同時在電網側得到位移為零的輸入電流，具有網側四象限運行能力等優(yōu)點，適用于中高壓直流供電領域。
文檔編號H02M5/42GK1988354SQ20061011926
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權日2006年12月7日
發(fā)明者楊喜軍 申請人:上海交通大學