專利名稱：：一種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種具有非傳統(tǒng)矩陣結(jié)構(gòu)的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：高壓變頻器是一種采用電力電子變流技術(shù)，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程調(diào)速控制要求的專用電氣設(shè)備，具有效率高、節(jié)能效果好及功率因數(shù)高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。由于電力電子開(kāi)關(guān)器件耐壓相對(duì)較低的原因，高壓變頻器最常用的是級(jí)聯(lián)H橋式多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，公開(kāi)號(hào)為CN1414692的中國(guó)專利公開(kāi)的《無(wú)諧波污染高壓大功率變頻器》就是級(jí)聯(lián)H橋式多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。高壓變頻器也有采用二極管箝位式三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，公開(kāi)號(hào)為CN1996734的中國(guó)專利公開(kāi)的《基于二極管箝位型三電平6kV高壓變頻器》。高壓變頻器還有采用IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，公開(kāi)號(hào)為CN201054550的中國(guó)專利公開(kāi)的《IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器》和公開(kāi)號(hào)為CN101826838A的中國(guó)專利公開(kāi)的《一種高能效IGBT直接串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速裝置》。但上述各種高壓變頻器都需要輸入變壓器，甚至有些需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲折變壓器，體積較大。在國(guó)際會(huì)議PowerTechConferenceProceedings,2003IEEEBologna中刊登的“Aninnovativemodularmultilevelconvertertopologysuitableforawidepowerrange”一文(作者Lesnicar,A.和Marquardt,R.)和在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》2009年第29卷第30期1-6頁(yè)刊登的“新型多電平VSC子模塊電容參數(shù)與均壓策略”一文(作者丁冠軍等)，以及公開(kāi)號(hào)為CN102013813A的中國(guó)專利公開(kāi)的《一種無(wú)變壓器的四象限高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》提出了一種采用半橋結(jié)構(gòu)的模塊化級(jí)聯(lián)多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，并且不需要變壓器，但各子模塊直流側(cè)電容電壓波動(dòng)受交流頻率影響較大，頻率越低，電容電壓波動(dòng)越大，因此變頻器不適合從低頻率啟動(dòng)和運(yùn)行。上面所提到的高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都屬于交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)，即先由交流變成直流(稱為整流)，再由直流變?yōu)榻涣?稱為逆變)。公開(kāi)號(hào)為CN102185490A的中國(guó)專利公開(kāi)的《交交直接變換的中壓變頻器》提出了一種交-交直接變換的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)交流到交流的直接變頻，但是它需要升壓和降壓變壓器，增加了體積和成本。在國(guó)際會(huì)議IndustrialElectronicsSociety,2001.IECON’01中刊登的“Anewfamilyofmatrixconverters”一文(EricksonR.ff.和Al-Naseem0.A.)和在《控制與決策》(2004年第19卷第10期第1159-1162頁(yè))上刊登的“一種新穎的多電平矩陣變換器的建模與仿真”一文(作者張華強(qiáng)等)提出了一種H橋矩陣式多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖I、圖Ia所示。該拓?fù)洳捎肏橋代替了傳統(tǒng)矩陣變換器中的雙向開(kāi)關(guān)，并在兩個(gè)交流側(cè)的每相上都串聯(lián)一個(gè)電感，其中，SM表示H橋功率單元。但是，該拓?fù)湓诳刂茣r(shí)存在各單元直流側(cè)電容直接短路的風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果矩陣的左上角4個(gè)單元支路處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖2所示，這4個(gè)單元就會(huì)形成一條閉合回路，造成4個(gè)單元直流側(cè)電容之間短路。另外，該拓?fù)湫枰?個(gè)由H橋功率單元串聯(lián)而成的功率鏈，功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)目較多。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為解決上述問(wèn)題，提供一種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接進(jìn)行交-交高壓變頻，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，采用非傳統(tǒng)的矩陣結(jié)構(gòu)，大大減少了功率開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，降低了成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案—種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述變頻器每一個(gè)輸入相都通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相則通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個(gè)輸入相；其中每個(gè)功率鏈均由至少一個(gè)電感與至少一個(gè)H橋功率單元SM串聯(lián)rfu。所述功率鏈由兩個(gè)電感L和至少一個(gè)H橋功率單元SM串聯(lián)而成,其中兩個(gè)電感L采用對(duì)稱方式，分別安置在兩個(gè)兩端處的H橋功率單元SM外端子處。所述H橋功率單元由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率電子開(kāi)關(guān)和電容器構(gòu)成。所述變頻器的輸入端直接或經(jīng)過(guò)變壓器連接電源，輸出端連接電機(jī)或變壓器或另一電源。所述變頻器的輸入/輸出相為三相/三相、三相/兩相、兩相/三相或兩相/兩相。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的新穎性和創(chuàng)造性體現(xiàn)在I)三相/三相高壓變頻器只需要六個(gè)功率鏈，比現(xiàn)有矩陣式高壓變頻器所需要的九個(gè)功率鏈減少了三分之一，大大降低了成本和體積；2)每個(gè)功率鏈中都包含有電感，避免了H橋功率單元的直流側(cè)電容出現(xiàn)直接短路的風(fēng)險(xiǎn)；3)高壓變頻器可以不需要變壓器，減小了體積和成本。4)直接進(jìn)行交-交變頻，不需要把交流變成直流，再把直流變成交流，提高了效率。本實(shí)用新型所涉及的一種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有成本低、體積小，可以實(shí)現(xiàn)四象限工作，可廣泛用于高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、新能源發(fā)電并網(wǎng)接口、電網(wǎng)互聯(lián)、低頻輸電、FACTS或DFACTS裝置以及電力電子變壓器等應(yīng)用場(chǎng)合。圖I是現(xiàn)有的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖Ia是圖I的H橋功率單元圖。圖2是現(xiàn)有的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的短路現(xiàn)象。圖3是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3a是圖3的一種功率鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3b是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3的另一連接方式圖。圖3c是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3的另一連接方式圖。圖3d是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3的另一連接方式圖。圖3e是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3的另一連接方式圖。圖3f是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3的另一連接方式圖。[0028]圖4是本實(shí)用新型的三相/兩相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5是本實(shí)用新型的兩相/三相變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖6是本實(shí)用新型的變頻器中功率鏈的另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖7是本實(shí)用新型的三相/三相變頻器用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖8是本實(shí)用新型的變頻器用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)。圖9是本實(shí)用新型的變頻器用于統(tǒng)一潮流控制器。圖10是本實(shí)用新型的變頻器用于電網(wǎng)互聯(lián)。圖11是本實(shí)用新型的變頻器用于電力電子變壓器的一個(gè)實(shí)施方案。圖12是本實(shí)用新型的變頻器用于電力電子變壓器的另一個(gè)實(shí)施方案。其中，I、H橋功率單元SM，2、功率鏈，3、變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。圖I、圖Ia給出了H橋功率單元SM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率電子開(kāi)關(guān)(SI、S2、S3和S4)與電容器C構(gòu)成。SI與S2、S3與S4先分別串聯(lián)再與電容器C并聯(lián)。實(shí)施例I:圖3-圖3f給出了本實(shí)用新型的三相/三相變頻器的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及一種功率鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括六條功率鏈2。其中，功率鏈2由電感L與N個(gè)H橋功率單元SMl串聯(lián)而成，且N>I;輸入端A相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸出端U及V相相連，輸入端B相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸出端V及W相相連，輸入端C相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸出端W及U相相連；或者說(shuō)，輸出端U相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸入端C及A相相連，輸出端V相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸入端A及B相相連，輸出端W相通過(guò)兩條功率鏈2分別與輸入端B及C相相連。輸入和輸出滿足每一個(gè)輸入相都通過(guò)兩條功率鏈2分別連接到兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相都通過(guò)兩條功率鏈2分別連接到兩個(gè)輸入相。圖3b_圖3f給出了本實(shí)用新型的三相/三相變頻器的另外五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中都滿足每一個(gè)輸入相都通過(guò)兩條功率鏈分別連接到兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相都通過(guò)兩條功率鏈分別連接到兩個(gè)輸入相。實(shí)施例2圖4給出了本實(shí)用新型的三相/兩相變頻器的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中滿足每一個(gè)輸入相都通過(guò)兩條功率鏈2分別連接到兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相都通過(guò)三條功率鏈2分別連接到三個(gè)輸入相。實(shí)施例3圖5給出了本實(shí)用新型的兩相/三相變頻器的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中滿足每一個(gè)輸入相都通過(guò)三條功率鏈2分別連接到三個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相都通過(guò)兩條功率鏈2分別連接到兩個(gè)輸入相。實(shí)施例4在本實(shí)施例中，變頻器可以采用實(shí)施例1-3的結(jié)構(gòu)形式，但功率鏈替換為圖6給出的本實(shí)用新型的變頻器中功率鏈2的另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個(gè)電感和N個(gè)H橋功率單元SMl串聯(lián)而成，其中兩個(gè)電感采用對(duì)稱方式，分別安置在兩個(gè)外端子處。實(shí)施例5圖7給出了本實(shí)用新型的三相/三相變頻器用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)施方案，其中輸入端A、B和C并接電網(wǎng)，輸出端U、V和W連接電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)四象限變頻驅(qū)動(dòng)。實(shí)施例6:圖8給出了本實(shí)用新型的變頻器用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的實(shí)施方案，其中輸入端A、B和C并接電網(wǎng),輸出端U、V和W連接發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接交-交并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電。實(shí)施例7圖9給出了本實(shí)用新型的變頻器用于統(tǒng)一潮流控制器的實(shí)施方案，其中輸入端A、B和C并接電網(wǎng)，輸出端U、V和W連接到串聯(lián)變壓器串入到線路，對(duì)線路進(jìn)行潮流控制或抑·制振蕩。實(shí)施例8圖10給出了本實(shí)用新型的變頻器用于“背靠背”并網(wǎng)的實(shí)施方案，其中輸入端A、B和C連接電網(wǎng)1，輸出端U、V和W連接電網(wǎng)2，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電網(wǎng)的非同步并網(wǎng)。實(shí)施例9圖11給出了本實(shí)用新型的變頻器用于電力電子變壓器的一個(gè)實(shí)施方案，包括兩個(gè)三相/三相變頻器和一個(gè)三相中/高頻變壓器。其中第一個(gè)變頻器的輸入端A、B和C連接到電網(wǎng)1，其輸出端U、V和W連接三相中/高頻變壓器的一次側(cè)；第二個(gè)變頻器的輸入端A2、B2和C2連接另一個(gè)電網(wǎng)2，其輸出端U2、V2和W2連接中/高頻變壓器的二次側(cè)。兩個(gè)變頻器的功率鏈中的H橋功率單元數(shù)量取決于所本身連接電網(wǎng)的電壓等級(jí)。實(shí)施例10圖12給出了本實(shí)用新型的變頻器用于電力電子變壓器的一個(gè)實(shí)施方案，包括兩個(gè)三相/兩相變頻器和一個(gè)單相中/高頻變壓器。其中第一個(gè)變頻器的輸入端A、B和C連接到電網(wǎng)1，其輸出端U和V連接單相中/高頻變壓器的一次側(cè)；第二個(gè)變頻器的輸入端A2、B2和C2連接另一個(gè)電網(wǎng)2，其輸出端U2和V2連接單相中/高頻變壓器的二次側(cè)。兩個(gè)變頻器的功率鏈中的H橋功率單元數(shù)量取決于所本身連接電網(wǎng)的電壓等級(jí)。權(quán)利要求1.一種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是，所述變頻器每一個(gè)輸入相都通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相則通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個(gè)輸入相；其中每個(gè)功率鏈均由至少一個(gè)電感與至少一個(gè)H橋功率單元SM串聯(lián)而成。2.如權(quán)利要求I所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是，所述功率鏈由兩個(gè)電感L和至少一個(gè)H橋功率單元SM串聯(lián)而成，其中兩個(gè)電感L采用對(duì)稱方式，分別安置在兩個(gè)兩端處的H橋功率單元SM外端子處。3.如權(quán)利要求I或2所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是，所述H橋功率單元由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率電子開(kāi)關(guān)和電容器構(gòu)成。4.如權(quán)利要求I所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是，所述變頻器的輸入端直接或經(jīng)過(guò)變壓器連接電源，輸出端連接電機(jī)或變壓器或另一電源。5.如權(quán)利要求I所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是，所述變頻器的輸A/輸出相為三相/三相、三相/兩相、兩相/三相或兩相/兩相。專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種矩陣式交-交高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接進(jìn)行交-交高壓變頻，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，采用非傳統(tǒng)的矩陣結(jié)構(gòu)，大大減少了功率開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，降低了成本。所述變頻器每一個(gè)輸入相都通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個(gè)輸出相，每一個(gè)輸出相則通過(guò)至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個(gè)輸入相；其中每個(gè)功率鏈均由至少一個(gè)電感與至少一個(gè)H橋功率單元SM串聯(lián)而成。本實(shí)用新型的三相/三相高壓變頻器只需要六個(gè)功率鏈，可以不需要變壓器，大大降低了成本和體積；實(shí)現(xiàn)四象限工作，可廣泛用于高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、新能源發(fā)電并網(wǎng)接口、電網(wǎng)互聯(lián)、低頻輸電、FACTS或DFACTS裝置以及電力電子變壓器等應(yīng)用場(chǎng)合。文檔編號(hào)H02J3/38GK202488359SQ201220094150公開(kāi)日2012年10月10日申請(qǐng)日期2012年3月14日優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日發(fā)明者王廣柱申請(qǐng)人:山東大學(xué)