專利名稱：級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器，尤其涉及一種適用于三相高壓交流電源供電、采用3的整倍數(shù)個(gè)次級(jí)繞組的降壓變壓器和級(jí)聯(lián)多重化的三相-單相矩陣變換器、能夠獲得較高幅值且幅值與頻率可調(diào)三相交流電壓的級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器。屬于電力電子設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在中高壓大功率交流電力傳動(dòng)領(lǐng)域，包括工礦企業(yè)大量使用的風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載，傳統(tǒng)上均采用三相工頻高壓的交流電源直接為電動(dòng)機(jī)供電，不調(diào)壓不變頻，效率往往很低，而且啟動(dòng)和調(diào)速性能很差。隨著電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，電力電子變換器已經(jīng)成功地應(yīng)用到這些中高壓電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)上，不僅改善了傳動(dòng)性能，提高了傳動(dòng)效率，而且提高了自動(dòng)化程度，節(jié)約了大量的能量，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益非常顯著。已經(jīng)應(yīng)用的電力電子變換器方案主要包括兩類高壓-高壓類型和高壓-低壓-高壓類型。對(duì)于前者而言，目前主要包括三種方案1)功率開關(guān)直接串聯(lián)的交直交高壓逆變器；2)二極管鉗位的多電平逆變器；和3)電容飛跨的多電平逆變器。對(duì)于后者而言，目前主要包括一種方案，即級(jí)聯(lián)多重化交直交逆變器。但是在實(shí)際應(yīng)用中，這兩類中高壓變換器都不可避免地存在著缺陷，不僅增加了成本，降低了可靠性，而且其前級(jí)變換器的結(jié)構(gòu)不允許實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與變換器之間的能量雙向流動(dòng)，個(gè)別變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)難以提高，或需要付出很大代價(jià)才能提高。這是因?yàn)椴徽撉罢哌€是后者，其前級(jí)變換器均采用不可控整流器，需要大容量壽命短的電解電容。如果其前級(jí)變換器采用可控整流器技術(shù)，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了成本，而且也必需經(jīng)常更新電解電容?；谝陨蠈?shí)際情況，迫切需要一種新型的中高壓電力電子變換器出現(xiàn)，其必備以下特征無(wú)需電解電容的使用，電網(wǎng)與變換器之間能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行能力，單個(gè)變換器單元的容量包括耐壓能力和電流能力不易過(guò)大。這樣的變換器不僅輸出電壓幅值可以調(diào)節(jié)，輸入電流呈現(xiàn)正弦波形，其高壓供電的降壓變壓器的次級(jí)繞組設(shè)計(jì)可以相同，因此成本低，壽命長(zhǎng)，可靠性高，適合未來(lái)中高壓電力電子變換器的發(fā)展方向。能夠滿足以上條件的中高壓變換器只能為高壓-低壓-高壓類型的級(jí)聯(lián)多重化交交變換器。目前，尚未有相關(guān)技術(shù)公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)提供一種級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器，具有網(wǎng)側(cè)四象限運(yùn)行能力、輸出交流電壓連續(xù)可調(diào)、降壓變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、通用性強(qiáng)、可靠性高和節(jié)約能量等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明由總輸入濾波器、具有3的整倍數(shù)個(gè)三相次級(jí)繞組的降壓變壓器、三相-單相矩陣變換器單元構(gòu)成的變換器陣列和總控制器構(gòu)成。降壓變壓器輸入高壓三相交流電壓，輸出3的整倍數(shù)組隔離的低壓三相交流電壓，每組低壓三相交流電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)三相次級(jí)繞組，三相次級(jí)繞組的連接組別或相位可以相同，也可以按照規(guī)律有所不同。變換器單元的輸入為三相交流電壓，輸出為電壓與頻率可調(diào)的單相交流電壓。三相次級(jí)繞組的數(shù)量與變換器陣列中變換器單元的數(shù)量相同，所有變換器單元平均分成三組，每組形成一列，每列中的變換器單元的輸出依次相連，最終輸出電壓和頻率可調(diào)的一相交流電壓，獲得倍增的輸出電壓能力，每列中的變換器單元的數(shù)量越多，輸出交流電壓的幅值越高。每列中行數(shù)相同的變換器單元所對(duì)應(yīng)降壓變壓器的三相次級(jí)繞組具有相同的連接組別，相鄰行數(shù)的三相次級(jí)繞組之間的基本相位差的絕對(duì)值為60°除以總行數(shù)，位于每列中間行的變換器單元對(duì)應(yīng)的三相次級(jí)繞組的相位為零，其它行的變換器單元對(duì)應(yīng)的三相次級(jí)繞組的相位為基本相位差的整倍數(shù)，行數(shù)低于中間行的三相次級(jí)繞組的相位為正數(shù)，行數(shù)高于中間行的三相次級(jí)繞組的相位為負(fù)數(shù)。總輸入濾波器為常規(guī)高壓LC濾波器，置于電網(wǎng)與降壓變壓器之間，對(duì)輸入電壓和輸入電流進(jìn)行濾波。每個(gè)變換器單元包含一個(gè)分控制器，負(fù)責(zé)控制每個(gè)變換器單元中功率器件的開關(guān)規(guī)律，總控制器與各分控制器通過(guò)信號(hào)電纜連接，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各個(gè)分控制器的運(yùn)行狀況。這樣根據(jù)負(fù)載電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的需要，變換器陣列能夠輸出三相對(duì)稱的基波幅頻連續(xù)可調(diào)的高壓PWM(脈沖寬度調(diào)制)電壓，滿足負(fù)載電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的傳動(dòng)需要，同時(shí)在電網(wǎng)輸入端獲得正弦波形的輸入電流波形，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波電流污染，變換器陣列與負(fù)載之間、變換器陣列與降壓變壓器的三相次級(jí)繞組之間、降壓變壓器與電網(wǎng)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(gòu)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(wǎng)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(jí)繞組的輸入端，其另一端相互連接，形成一個(gè)公共點(diǎn)。
本發(fā)明所述的降壓變壓器具有1個(gè)初級(jí)繞組和3的整倍數(shù)個(gè)三相次級(jí)繞組，其中三相高壓初級(jí)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(gè)三相低壓次級(jí)繞組分別與變換器陣列中的一個(gè)變換器單元相連。每3個(gè)次級(jí)繞組為一組且具有相同的相位，不同組的繞組相位不同。初始相位為0°，相鄰組之間基本相位差的絕對(duì)值為60°/組數(shù)。
本發(fā)明所述的變換器陣列由3的整倍數(shù)個(gè)變換器單元構(gòu)成，與降壓變壓器的次級(jí)繞組的數(shù)量相同，其中所有變換器單元排列成一個(gè)3列多行的陣列結(jié)構(gòu)。降壓變壓器次級(jí)繞組的組分別與變換器陣列中的行對(duì)應(yīng)，每組中的三個(gè)次級(jí)繞組分別與每行中的三個(gè)變換器單元一一對(duì)應(yīng)相連。每一列的變換器單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一相交流電壓輸出，三列變換器單元的一個(gè)輸出端子相互連接，形成一個(gè)中性點(diǎn)，另一個(gè)輸出端輸出三相交流電壓，使用時(shí)與中高壓交流電動(dòng)機(jī)的三相輸入端子相連。每個(gè)變換器單元分別通過(guò)信號(hào)電纜與總控制器連接。
所述變換器單元由分輸入濾波器、同步變壓器、功率開關(guān)陣列和分控制器構(gòu)成，其中分輸入濾波器由常規(guī)低壓三相LC濾波器構(gòu)成，三只濾波電感分別串接在降壓變壓器的次級(jí)繞組與功率開關(guān)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(gè)公共點(diǎn)，另一端分別與功率開關(guān)陣列的輸入端相連。
所述同步變壓器為降壓變壓器，其初級(jí)繞組與分輸入濾波器的輸出端和功率開關(guān)陣列的輸入端相連，次級(jí)繞組與分控制器的檢測(cè)電路相連。
所述功率開關(guān)陣列由六只雙向可控功率開關(guān)連接成3H橋結(jié)構(gòu)，橋的兩個(gè)輸出端即為變換器單元的功率輸出。
所述分控制器由檢測(cè)電路、運(yùn)算調(diào)制器、邏輯電路和隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成，檢測(cè)電路與同步變壓器的三相輸出端相連，檢測(cè)電路的輸出通過(guò)信號(hào)線與運(yùn)算調(diào)制器相連，運(yùn)算調(diào)制器通過(guò)信號(hào)線與邏輯電路相連，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與運(yùn)算調(diào)制器和邏輯電路相連，并與變換器單元的功率開關(guān)陣列相連。
本發(fā)明將變換器陣列中同一列的變換器單元輸出串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了交交直接變換器的級(jí)聯(lián)多重化，獲得了幅值與頻率可調(diào)、電壓倍增的三相交流電壓輸出，適應(yīng)于中高壓電動(dòng)機(jī)的供電需要，同時(shí)每一列的變換器單元產(chǎn)生的分輸入電流經(jīng)過(guò)降壓變壓器的次級(jí)繞組耦合到降壓變壓器的三相初級(jí)繞組，在降壓變壓器的三相初級(jí)繞組中合成三相脈沖電流波形，再經(jīng)過(guò)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可以相對(duì)電網(wǎng)電壓的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得了新型高壓-低壓-高壓類型的級(jí)聯(lián)多重化中高壓交交變換器，而且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都具備了能量的雙向流動(dòng)能力，不僅可以獲得幅頻可調(diào)的三相高壓交流輸出，級(jí)聯(lián)多重化的級(jí)數(shù)高時(shí)輸出電壓能力甚至可以超過(guò)電網(wǎng)電壓，而且可以獲得單位總輸入功率因數(shù)和四象限運(yùn)行能力，因而具有變換效果良好、通用性強(qiáng)等特征，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、總成本低、壽命長(zhǎng)、效率高、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，還可以支持較大的功率輸出，尤其適用于中高壓交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和啟動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)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為變換器陣列，4為總控制器。
圖2為圖1變換器陣列中的三相-單相矩陣變換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(guān)陣列，8為分控制器。
圖3為本發(fā)明應(yīng)用于高壓交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)施例電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
以本發(fā)明設(shè)計(jì)的5重級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器為例進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由總輸入濾波器1、降壓變壓器2、變換器陣列3和總控制器4構(gòu)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(wǎng)，其輸出端連接降壓變壓器2的三相初級(jí)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(gè)三相初級(jí)高壓繞組、15個(gè)低壓三相次級(jí)繞組和磁芯組成，三相初級(jí)繞組與總輸入濾波器1中的濾波電感的三個(gè)輸出端相連，三相次級(jí)繞組分成5組，每組相位分別為-24°、-12°、0°、+12°和+24°，分別連接到變換器陣列3中的變換器單元，磁芯提供磁路，實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的磁路耦合。變換器陣列3由3列×5行＝15個(gè)變換器單元組成，排列成陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)變換器單元的三相輸入端與降壓變壓器的一個(gè)三相次級(jí)繞組的三相輸出端相連，行數(shù)相同的變換器單元對(duì)應(yīng)的降壓變壓器的三組三相次級(jí)繞組的相位相同，行數(shù)不同的變換器單元對(duì)應(yīng)的降壓變壓器的三組三相次級(jí)繞組的相位不同，每一列的5個(gè)變換器單元的功率輸出依次相連，三列在總體上采用Y接法，分別形成三相高壓交流輸出端和一個(gè)中性點(diǎn)N?？偪刂破?由通用的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理和/或邏輯處理器組成，通過(guò)信號(hào)電纜與各個(gè)變換器單元進(jìn)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(wǎng)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(jí)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(jí)高壓繞組與總輸入濾波器的輸出端相連，5組共15個(gè)三相次級(jí)低壓繞組的輸出端分別與變換器陣列中的15個(gè)三相-單相矩陣變換器單元的輸入端相連。
變換器陣列3中，變換器單元U4的一個(gè)輸出端與變換器單元U5的一個(gè)輸出端相連，U4的另一輸出端與變換器單元U3的一個(gè)輸出端相連，變換器單元U2的一個(gè)輸出端與變換器單元U3的另一輸出端相連，U2的另一輸出端與變換器單元U1的一個(gè)輸出端相連，變換器單元U1的另一輸出端成為U相的輸出端；變換器單元V4的一個(gè)輸出端與變換器單元V5的一個(gè)輸出端相連，V4的另一輸出端與變換器單元V3的一個(gè)輸出端相連，變換器單元V2的一個(gè)輸出端與變換器單元V3的另一輸出端相連，V2的另一輸出端與變換器單元V1的一個(gè)輸出端相連，變換器單元V1的另一輸出端成為V相的輸出端；變換器單元W4的一個(gè)輸出端與變換器單元W5的一個(gè)輸出端相連，W4的另一輸出端與變換器單元W3的一個(gè)輸出端相連，變換器單元W2的一個(gè)輸出端與變換器單元W3的另一輸出端相連，W2的另一輸出端與變換器單元W1的一個(gè)輸出端相連，變換器單元W1的另一輸出端成為W相的輸出端；變換器單元U5、V5和W5的另一輸出端相互連接形成中性點(diǎn)N，其輸入端與降壓變壓器中相位為-24°次級(jí)繞組的三相輸出端分別相連，變換器單元U4、V4和W4的輸入端與降壓變壓器中相位為-12°次級(jí)繞組的三相輸出端分別相連，變換器單元U3、V3和W3的輸入端與降壓變壓器中相位為0°次級(jí)繞組的三相輸出端分別相連，變換器單元U2、V2和W2的輸入端與降壓變壓器中相位為+12°次級(jí)繞組的三相輸出端分別相連，變換器單元U1、V1和W1的輸入端與降壓變壓器中相位為+24°次級(jí)繞組的三相輸出端分別相連。變換器單元U5～U1、V5～V1和W5～W1分別通過(guò)信號(hào)電纜PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1與總控制器相連。
總控制器4中，總控制器通過(guò)信號(hào)電纜PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1分別與變換器陣列中的三相-單相矩陣變換器單元U5～U1、V5～V1和W5～W1連接。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的變換器陣列中的三相-單相矩陣變換器單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，由分輸入濾波器5、同步變壓器6、功率開關(guān)陣列7和分控制器8構(gòu)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(jí)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(jí)繞組和功率開關(guān)陣列的輸入端，三只濾波電容的另一端相互連接。同步變壓器6由三相初級(jí)繞組、三相次級(jí)繞組和磁芯組成，初級(jí)繞組與分輸入濾波器的輸出端、功率開關(guān)陣列的輸入端連接，次級(jí)繞組與分控制器的檢測(cè)電路連接。功率開關(guān)陣列7由6只雙向可控功率開關(guān)組成，構(gòu)成3H橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂包括兩個(gè)雙向可控功率開關(guān)，3個(gè)橋臂中點(diǎn)與分輸入濾波器的輸出端相連，上橋臂三個(gè)雙向可控功率開關(guān)的一端連接在一起形成一相輸出端，下橋臂三個(gè)雙向可控功率開關(guān)的一端連接在一起形成另一相輸出端。分控制器8由檢測(cè)電路、運(yùn)算調(diào)制器、邏輯電路和驅(qū)動(dòng)隔離保護(hù)電路組成，檢測(cè)電路與同步變壓器的三相輸出端相連，其輸出通過(guò)信號(hào)線與運(yùn)算調(diào)制器相連，運(yùn)算調(diào)制器通過(guò)信號(hào)線與邏輯電路相連，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與運(yùn)算調(diào)制器和邏輯電路相連，并與三相-單相矩陣變換器單元的功率開關(guān)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(jí)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(jí)繞組、功率開關(guān)陣列輸入端相連，濾波電容C4、C5和C6的另一端相互連接。
同步變壓器6中，初級(jí)繞組與分輸入濾波器的輸出端、功率開關(guān)陣列的輸入端連接，次級(jí)繞組與分控制器的檢測(cè)電路連接。
功率開關(guān)陣列7中，雙向可控功率開關(guān)S1與S4的一端連接構(gòu)成一個(gè)橋臂，雙向可控功率開關(guān)S2與S5的一端連接構(gòu)成一個(gè)橋臂，雙向可控功率開關(guān)S3與S6的一端連接構(gòu)成一個(gè)橋臂，雙向可控功率開關(guān)S1、S2和S3的另一端相互連接形成一個(gè)交流輸出端P1，雙向可控功率開關(guān)S4、S5和S6的另一端相互連接形成另一個(gè)交流輸出端P2。
分控制器8中，檢測(cè)電路與同步變壓器的次級(jí)繞組相連，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路通過(guò)信號(hào)電纜與功率開關(guān)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行濾波，對(duì)降壓變壓器初級(jí)繞組的脈沖電流進(jìn)行濾波，得到正弦波形的輸入電流。
(2)降壓變壓器2中，初級(jí)繞組輸入三相中高壓交流電壓，通過(guò)電磁感應(yīng)，在次級(jí)繞組中得到15路隔離的低壓交流電壓，供后級(jí)由三相-單相矩陣變換器單元組成的低壓變換器陣列使用。
(3)變換器陣列3中，每一個(gè)三相-單相矩陣變換器單元輸出一相低壓的幅頻可調(diào)的交流電壓，所有的變換器單元采用相同的控制策略，位于同一列的5個(gè)變換器單元采用輸出電壓相位相同的調(diào)制策略，其輸出實(shí)行串聯(lián)，位于同一行的變換器單元采用輸入電壓相位相同的調(diào)制策略，5行變換器單元的輸入電壓相位分別為-24°、-12°、0°、+12°和+24°，變換器陣列的3列之間的輸出電壓相位各差120°，這樣得到電壓幅值倍增的幅頻可調(diào)的三相高壓交流電壓U、V和W，而且輸出交流電壓為多電平，加上三相-單相矩陣變換器本質(zhì)上就是多電平，輸出交流電壓的電平數(shù)更多，意味著輸出交流電壓的基波含量更高。每一個(gè)變換器單元可以采用多種控制策略和換流策略，前者如開關(guān)函數(shù)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(duì)于同一列不同行的變換器單元而言，為了輸出波形更加良好的交流電壓和/或降低系統(tǒng)的共模電壓強(qiáng)度，具體實(shí)現(xiàn)的調(diào)制算法要求有所不同，如可以采用移相調(diào)制技術(shù)和共模電壓抑制技術(shù)。變換器單元中的分控制器在總控制器的協(xié)調(diào)控制下，負(fù)責(zé)檢測(cè)變換器單元輸入電壓的信息，如電壓波形和過(guò)零點(diǎn)，運(yùn)算調(diào)制器讀取這些信息后進(jìn)行一系列計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)制算法，產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，再經(jīng)由邏輯電路的邏輯運(yùn)算后，產(chǎn)生功率開關(guān)陣列中全部功率開關(guān)所需的12路PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)隔離保護(hù)電路后送入功率開關(guān)陣列中功率開關(guān)的門極，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)的開通與關(guān)斷工作，實(shí)現(xiàn)三三相交流電壓-單相交流電壓的變換，如果某一功率開關(guān)出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)熱情況，功率開關(guān)陣列將反饋故障信號(hào)傳送至分控制器，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件保護(hù)，分控制器將有關(guān)信息傳送給總控制器，總控制器實(shí)行整體干預(yù)。
變換器陣列中的變換器單元為3的整倍數(shù)，從而構(gòu)成3列n行，n一般≥3，可以滿足更寬范圍的三相交流輸出電壓需要，輸出電壓幅值可以超過(guò)電網(wǎng)電壓的幅值。
(3)總控制器4中，總控制器通過(guò)信號(hào)電纜PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1分別與變換器陣列中的三相-單相矩陣變換器單元U5～U1、V5～V1和W5～W1進(jìn)行信息交換，實(shí)行總體控制。
本發(fā)明的總輸入濾波器、降壓變壓器、由變換器單元構(gòu)成的變換器陣列和總控制器為密不可分的組成部分，不能簡(jiǎn)單地單獨(dú)分析，從而構(gòu)成級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器。工作原理的實(shí)質(zhì)是降壓變壓器完成由高壓交流電壓-低壓交流電壓的轉(zhuǎn)換，為低壓小功率的三相-單相矩陣變換器單元供電。每一個(gè)變換器單元能夠?qū)⑷嗟蛪航涣麟妷恨D(zhuǎn)換成單相幅頻可調(diào)的低壓交流電壓，同一列的變換器單元的輸出串聯(lián)后得到單相幅頻可調(diào)的高壓交流電壓，三列變換器單元便可產(chǎn)生三相幅頻可調(diào)的高壓交流電壓，為中高壓交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)提供變頻電源。由于變換器單元為交交變換器，降壓變壓器本質(zhì)上能夠變流，以及降壓變壓器的次級(jí)繞組相位的針對(duì)性設(shè)置，使得整個(gè)變換器系統(tǒng)為四象限變換器，能量能夠雙向流通，在網(wǎng)側(cè)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可調(diào)的功率因數(shù)，不僅獲得了高壓大功率變頻傳動(dòng)電源，而且本質(zhì)上具備了完全的電力環(huán)保特征，同時(shí)消除了低壽命的元器件和傳統(tǒng)高壓大功率變頻傳動(dòng)電源的交直交多級(jí)變換結(jié)構(gòu)，具有成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，另外所用降壓變壓器的各個(gè)次級(jí)繞組可以設(shè)計(jì)成相同的連接組別或相位，例如設(shè)計(jì)成最簡(jiǎn)單的Y型或Yn連接結(jié)構(gòu)，此外級(jí)聯(lián)多重化的級(jí)數(shù)可以增加和減少，因此非常適用于高壓大功率變頻傳動(dòng)領(lǐng)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；變換器單元供電電壓可選擇交流有效值1140V、660V和380V電壓級(jí)別，相應(yīng)地設(shè)計(jì)功率開關(guān)陣列中功率開關(guān)IGBT的正向電壓阻斷能力，對(duì)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(shù)字信號(hào)處理器以及外圍數(shù)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(jí)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(gè)實(shí)施例的參數(shù)為L(zhǎng)1～L6取0.1mH～50mH，C1～C6取1μF～470μF。
圖3為本發(fā)明級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器在大功率交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的實(shí)施例。
按圖3所示，級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器的輸入端施加高壓的三相工頻正弦交流電壓源，電動(dòng)機(jī)額定電壓有效值為3.3kV，輸出功率為150kW左右，級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器采用5重化方案，每個(gè)變換器單元只需承受380V的電壓強(qiáng)度，分擔(dān)10kW的功率，能夠滿足交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻的供電要求，提高級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器-大功率交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，另外由于級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器的效率高和電源利用高，因此整個(gè)系統(tǒng)的成本具有下降的空間。
顯然，本發(fā)明級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器可以應(yīng)用在中高壓交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域，包括電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行和軟啟動(dòng)，適用于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合，起到輸入功率因數(shù)高、整個(gè)系統(tǒng)四象限運(yùn)行，輸出高壓交流電壓諧波含量低、輸出交流電壓級(jí)數(shù)可調(diào)、EMI強(qiáng)度低的作用。
權(quán)利要求
1.一種級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器，其特征在于包括總輸入濾波器(1)、降壓變壓器(2)、變換器陣列(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(gòu)成，三只濾波電感(L1～L3)分別串接在電網(wǎng)與降壓變壓器(2)的初級(jí)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(jí)繞組相連；所述降壓變壓器(2)具有3n個(gè)三相次級(jí)繞組，每3個(gè)一組具有相同的相位，初始相位為0°，相鄰組之間基本相位差的絕對(duì)值為60°/組數(shù)，所述變換器陣列(3)由3n個(gè)變換器單元排成3列×n行的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成，降壓變壓器(2)次級(jí)繞組的組分別與變換器陣列(3)中的行對(duì)應(yīng)，每組中的三個(gè)次級(jí)繞組分別與每行中的三個(gè)變換器單元一一對(duì)應(yīng)相連；變換器陣列(3)中，每一列變換器單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一相交流電壓輸出，三列變換器單元輸出采用Y接法形成三相交流電壓輸出，每個(gè)變換器單元分別通過(guò)信號(hào)電纜與總控制器(4)連接；所述變換器單元由分輸入濾波器(5)、同步變壓器(6)、功率開關(guān)陣列(7)和分控制器(8)構(gòu)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(gòu)成，三只濾波電感(L4～L6)分別串接在降壓變壓器(2)的次級(jí)繞組與功率開關(guān)陣列(7)的輸入端之間，三只濾波電容(C4～C6)的一端相互連接，另一端分別與功率開關(guān)陣列(7)的輸入端相連；所述同步變壓器(6)的初級(jí)繞組與分輸入濾波器(5)的輸出端和功率開關(guān)陣列(7)的輸入端相連，次級(jí)繞組與分控制器(8)的檢測(cè)電路相連；所述功率開關(guān)陣列(7)由六只雙向可控功率開關(guān)連接成3H橋結(jié)構(gòu)，其輸出即為變換器單元的功率輸出；所述分控制器(8)由檢測(cè)電路、運(yùn)算調(diào)制器、邏輯電路和隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成，檢測(cè)電路與同步變壓器(6)的三相輸出端相連，檢測(cè)電路的輸出通過(guò)信號(hào)線與運(yùn)算調(diào)制器相連，運(yùn)算調(diào)制器通過(guò)信號(hào)線與邏輯電路相連，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與運(yùn)算調(diào)制器和邏輯電路相連，并與功率開關(guān)陣列(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器，其特征在于所述功率開關(guān)陣列(7)中的六只雙向可控功率開關(guān)(S1～S6)采用共射極反向并聯(lián)連接方式構(gòu)成3H橋，每個(gè)橋臂包括兩個(gè)雙向可控功率開關(guān)，三個(gè)橋臂中點(diǎn)與分輸入濾波器(5)的輸出端相連，上橋臂三個(gè)雙向可控功率開關(guān)的一端連接在一起形成一相輸出端，下橋臂三個(gè)雙向可控功率開關(guān)的一端連接在一起形成另一相輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種級(jí)聯(lián)多重化矩陣變換器，總輸入濾波器連接在電網(wǎng)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3n個(gè)次級(jí)繞組，每組三個(gè)繞組相位相同，相鄰組繞組相位不同，變換器陣列由3n個(gè)變換器單元排成3列×n行的陣列，陣列中每一行與降壓變壓器次級(jí)繞組的每一組對(duì)應(yīng)連接，每一列的輸出依次串聯(lián)，三列形成三相交流輸出，總控制器負(fù)責(zé)控制調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的工作，并通過(guò)信號(hào)電纜與各個(gè)分控制器聯(lián)絡(luò)，控制變換器陣列中變換器單元的工作。本發(fā)明由低壓小功率的變換器串聯(lián)得到幅頻可調(diào)的高壓變頻電源，同時(shí)在電網(wǎng)側(cè)得到位移可調(diào)的輸入電流，具有網(wǎng)側(cè)四象限運(yùn)行能力、輸出交流電壓連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，適用于中高壓交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02M5/00GK101013856SQ20061014721
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者楊喜軍, 雷淮剛, 管洪飛, 丁國(guó)萍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海儒競(jìng)電子科技有限公司