專利名稱：級(jí)聯(lián)多重化零式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)多重化零式矩陣變換器，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-單相零式矩陣變換器、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)多重化零式矩陣變換器。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)常更新的電解電容?；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)多重化零式矩陣變換器，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-單相零式矩陣變換器單元構(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Yn接帶中線的低壓三相交流電壓，即三相四線制交流電壓，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)繞組的連接組別相同。三相-單相零式矩陣變換器單元輸入三相四線制交流電壓，輸出電壓與頻率可調(diào)的單相交流電壓。三相次級(jí)繞組的數(shù)量與變換器陣列中三相-單相零式矩陣變換器單元的數(shù)量相同，所有三相-單相零式矩陣變換器單元平均分成三組，每組形成一列，每列中的三相-單相零式矩陣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，每列中的三相-單相零式矩陣變換器單元的數(shù)量越多，輸出交流電壓的幅值越高。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)三相-單相零式矩陣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三只濾波電感的輸出端，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由具有1個(gè)初級(jí)繞組和3的整倍數(shù)個(gè)次級(jí)繞組的降壓變壓器構(gòu)成，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)三相四線制低壓次級(jí)繞組分別與變換器陣列中的一只三相-單相零式矩陣變換器單元的分輸入濾波器的四個(gè)輸入端相連。
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)繞組的三相火線與功率開關(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)后與中線相連，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)陣列由三只雙向可控開關(guān)連接結(jié)構(gòu)，一端分別與分輸入濾波器的輸出端分別相連，另一端相互連接形成一個(gè)交流電壓輸出端，中線作為另一個(gè)交流電壓輸出端。
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-單相零式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。總輸入濾波器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，為Yn接各組相位均為0°，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，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-單相零式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，變換器單元U5～U1、V5～V1和W5～W1分別與降壓變壓器的三相四線制次級(jí)繞組的輸出端相連，并分別通過(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-單相零式矩陣變換器單元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-單相零式矩陣變換器單元如圖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3只雙向可控功率開關(guān)組成，構(gòu)成三相半橋結(jié)構(gòu)，3只雙向可控功率開關(guān)的一端分別與分輸入濾波器的輸出端相連，另一端相互連接在一起，形成一個(gè)交流輸出端，中線作為另一個(gè)交流輸出端。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，并與運(yùn)算調(diào)制電路通過(guò)信號(hào)線相連，運(yùn)算調(diào)制電路通過(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)制電路和邏輯電路相連，并與三相-單相零式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(guān)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(guān)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(guān)S1、S2和S3的另一端相互連接形成一個(gè)交流輸出端P1，中線作為另一個(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，采用帶中線的Yn接，即為三相四線制，供后級(jí)由三相-單相零式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-單相零式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)三相-單相零式矩陣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)，所有變換器單元采用輸入電壓相位相同的調(diào)制策略，變換器單元的輸入電壓相位均為0°，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-單相零式矩陣變換器本質(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)三相-單相零式矩陣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、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、半自然兩步換流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6路PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)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)壓情況，功率開關(guān)陣列將反饋故障信號(hào)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-單相零式矩陣變換器單元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以及變換器單元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)多重化零式矩陣變換器。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-單相零式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)多重化零式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)多重化零式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)多重化零式矩陣變換器采用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)多重化零式矩陣變換器-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)多重化零式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)多重化零式矩陣變換器可以應(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)多重化零式矩陣變換器，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)相同相位的帶中線Yn接三相次級(jí)繞組，每3個(gè)次級(jí)繞組為一組，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)繞組的三相火線與功率開關(guān)陣列(7)的輸入端之間，三只濾波電容(C4～C6)的一端均與降壓變壓器(2)的次級(jí)繞組的中線相互連接，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)由三只雙向可控功率開關(guān)構(gòu)成，三只雙向可控功率開關(guān)的一端分別與分輸入濾波器(5)的三只濾波電感輸出端一一對(duì)應(yīng)連接，另一端相互連接形成一個(gè)輸出端(P1)，中線作為另一相輸出端(P2)；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。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種級(jí)聯(lián)多重化零式矩陣變換器，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)Yn接帶中線的次級(jí)繞組，所有三相繞組相位相同，變換器陣列由3n個(gè)零式三相－單相矩陣變換器單元排成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)，控制變換器陣列中每個(gè)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)H02M5/10GK1988351SQ200610119260
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者楊喜軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)