專利名稱：一種高壓矩陣變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)，控制技術(shù)的日益發(fā)展，交流變頻調(diào)速也應(yīng)用得越來越廣泛。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)按原理分可分成交一直一交變頻系統(tǒng)與交一交變頻系統(tǒng)。交一直一交變頻系統(tǒng)按電平又可以分為三電平，五電平和多電平，這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有中間直流貯能環(huán)節(jié)，因而成本高，體積大，壽命短。而傳統(tǒng)的交一交變頻系統(tǒng)通常工作于相控方式，其輸出電壓諧波嚴(yán)重，功率因素低，輸出頻率不宜高于輸入電壓頻率的一半。矩陣變換器是一種新型的交一交變頻器，其已較廣泛應(yīng)用于低壓變頻器，但在高壓變頻器僅限于概念提出階段，并無實際產(chǎn)品推廣。公開號為CN102185490A的中國專利《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)，可以實現(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。公開號為CN102545644的中國專利《一種矩陣式交-交高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》提出多個H橋功率單元串聯(lián)替代傳統(tǒng)的雙向開關(guān)，存在單元間直流側(cè)短路的風(fēng)險，控制難度極高。公開號為CN1988353A的中國專利《級聯(lián)多重化間接矩陣變換器》提出的矩陣變換器包括總輸入濾波器、移相變壓器、矩陣變換單元陣列和總控制器，其矩陣變換單元又包括輸入濾波器和開關(guān)陣列，總輸入濾波器是高壓濾波器，體積龐大，成本又高，而且其矩陣變換單元的開關(guān)也是采用雙向開關(guān)或逆阻型開關(guān)，控制很復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是對現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行完善與改進(jìn)，提出一種新的一種高壓矩陣變換器結(jié)構(gòu)，通過對矩陣變換單元輸入濾波器的優(yōu)化和移相變壓器本身阻抗的利用，再加上移相PWM技術(shù)，不必在高壓前端配置輸入濾波器就可以控制輸入電流諧波。為此，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案。一種高壓矩陣變換器，包括移相隔離變壓器、矩陣變換單元陣列和總控制器，移相隔離變壓器具有3η個三相次級繞組，η為自然數(shù)，每3個次級繞組為一組且具有相同的相位，次級繞組組相位依次遞增，初始相位為0°，相鄰之間相位差為60/η度；三相高壓交流電通過移相隔離變換壓器輸出3的整倍數(shù)組隔離低壓三相交流電，為變換單元陣列供電，變換器陣列由3η個矩陣變換單元排成3列Xn行的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成，移相隔離變壓器次級繞組組分別與變換器陣列中的行對應(yīng)，每組中的三個次級繞組分別與每行中的三個變換單元一一對應(yīng)相連；矩陣變換單元陣列中，每一列矩陣變換單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一相頻率幅值都可調(diào)的交流電壓輸出，同時獲得疊加的輸出電壓能力，三列變換單元輸出采用Y接法形成三相交流電壓輸出，每個變換單元分別通過信號光纖與總控制器連接；矩陣變換單元由輸入濾波器、功率開關(guān)陣列和分控制器組成，所述輸入濾波器由串接在移相隔離變壓器的次級繞組與功率開關(guān)陣列的輸入端之間，輸入側(cè)的多重化移相變壓器的內(nèi)阻抗與輸入濾波器共同作用濾除輸入電流中由于開關(guān)動作而產(chǎn)生的高頻電流諧波成分，減小對輸入電源側(cè)的高頻諧波污染，并提高輸入功率因數(shù)。分控制器電源線與功率開關(guān)陣列中的前級三相橋式整流電路的輸入端中的任意兩相或三相相連，同時分控制器信號線與功率開關(guān)陣列相連實現(xiàn)檢測、保護(hù)、驅(qū)動等功能。次級繞組組相位依次遞增。本技術(shù)方案中的矩陣變換器為交一交結(jié)構(gòu)，無中間貯能環(huán)節(jié)，相比現(xiàn)有的單元級聯(lián)型高壓變頻器功率單元交一直一交變頻器，具有成本低、體積小，壽命長的優(yōu)點(diǎn)。且矩陣變換器輸入可雙向控制，因而能量可雙向流動，易于實現(xiàn)能量反饋，電機(jī)可四象限運(yùn)行；移相隔離變壓器起到降壓隔離作用，避免傳統(tǒng)矩陣變換器直流回路短路風(fēng)險，使變頻器工作安全、穩(wěn)定。移相PWM技術(shù)降低了輸入電流諧波和輸出電壓諧波，工作穩(wěn)定、可靠。作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本發(fā)明還包括以下附加技術(shù)特征。根據(jù)權(quán)利要求1所述功率開關(guān)陣列由前級三相橋式整流電路和后級單相逆變電路構(gòu)成，前級整流電路為3H橋結(jié)構(gòu)，每個橋臂由兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)串聯(lián)連接構(gòu)成，分控制器對輸入線電壓進(jìn)行采樣電壓和電壓過零點(diǎn)來判斷輸入電壓所處的扇區(qū)從而分別控制單向可控開關(guān)動作，通過帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)的電流雙向流動特性實時的將負(fù)載的瞬時無功功率回饋至電網(wǎng)，省去了大容量的直流母線儲能電容。后級單相逆變2H結(jié)構(gòu)電路，每個橋臂也是由兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)串聯(lián)連接構(gòu)成，主控制器通過控制矩陣變換單元陣列的后級單相逆變2H電路的單向可控開關(guān)實現(xiàn)多電平移相SPWM，同一組矩陣變換單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開120°電角度，疊加輸出的電壓非常接近正弦波.等效于輸出開關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，輸出電壓諧波含量低于3%。根據(jù)權(quán)利要求1所述功率開關(guān)陣列其特征在于:功率開關(guān)陣列包括六個雙向開關(guān)，每相輸入分別通過兩個雙向開關(guān)與輸出相連，通過控制六個雙向開關(guān)實現(xiàn)三相交流輸出。有益效果:1、本技術(shù)方案中的矩陣變換器為交一交結(jié)構(gòu)，無中間貯能環(huán)節(jié)，相比現(xiàn)有的單元級聯(lián)型高壓變頻器功率單元交一直一交變頻器，具有成本低、體積小，壽命長的優(yōu)點(diǎn)。2、矩陣變換器輸入可雙向控制，因而能量可雙向流動，易于實現(xiàn)能量反饋，電機(jī)可四象限運(yùn)行。3、移相隔離變壓器起到降壓隔離作用，避免傳統(tǒng)矩陣變換器直流回路短路風(fēng)險，使變頻器工作安全、穩(wěn)定。4、移相PWM技術(shù)降低了輸入電流諧波和輸出電壓諧波，工作穩(wěn)定、可靠，不必在高壓前端配置輸入濾波器就可以控制輸入電流諧波，減少設(shè)備，進(jìn)一步降低成本。


圖1是本發(fā)明的電路原理理圖。圖2是本發(fā)明的矩陣變換單元電路原理圖。圖3是本發(fā)明中矩陣變換單元的另一種電路原理圖。圖中:1-移相隔離變壓器；2-矩陣變換單元陣列；3_總控制器；4-矩陣變換單兀;5-輸入濾波器；6_開關(guān)陣列；7_分控制器。
具體實施方式
以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實施例一:
如圖1所示，高壓矩陣變換器包括I個移相隔離變壓器1、一個矩陣變換單元陣列2和一個總控制器3。移相隔離變壓器I具有15個三相次級繞組，每3個次級繞組為一組且具有相同的相位，次級繞組組相位依次遞增，初始相位為0°，相鄰之間相位差為12度；三相高壓交流電通過移相隔離變換壓器I輸出15組隔離低壓三相交流電，為變換單元陣列2供電，變換器陣列2由15個矩陣變換單元排成3列X 5行的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成，移相隔離變壓器I次級繞組組分別與變換器陣列2中的行對應(yīng)，每組中的三個次級繞組分別與每行中的三個變換單元一一對應(yīng)相連；矩陣變換單元陣列2中，每一列矩陣變換單元4的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一相頻率幅值都可調(diào)的交流電壓輸出，同時獲得疊加的輸出電壓能力，三列變換單元輸出采用Y接法形成三相交流電壓輸出，每個變換單元分別通過信號光纖與總控制器連接；如圖2所示，矩陣變換單元4由輸入濾波器5、功率開關(guān)陣列6和分控制器7組成，所述輸入濾波器5由三只濾波電阻Rl、R2、R3、三只濾波電容Cl、C2、C3構(gòu)成，三只濾波電阻Rl、R2、R3 一端分別與功率開關(guān)陣列6的輸入端相連，另一端分別與三只濾波電容Cl、C2、C3的一端串聯(lián)，三只濾波電容C1、C2、C3的另一端相互連接；所述分控制器7電源線與功率開關(guān)陣列6中的前級三相橋式整流電路的輸入端中的任意兩相或三相相連，同時分控制器7信號線與功率開關(guān)陣列6相連實現(xiàn)檢測、保護(hù)、驅(qū)動等功能；分控制器電源線與功率開關(guān)陣列中的前級三相橋式整流電路的輸入端中的任意兩相或三相相連，同時分控制器信號線與功率開關(guān)陣列相連實現(xiàn)檢測、保護(hù)、驅(qū)動等功能。功率開關(guān)陣列由前級三相橋式整流電路和后級單相逆變電路構(gòu)成，前級整流電路為3H橋結(jié)構(gòu)，每個橋臂由兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)串聯(lián)連接構(gòu)成，分控制器對輸入線電壓進(jìn)行采樣電壓和電壓過零點(diǎn)來判斷輸入電壓所處的扇區(qū)從而分別控制單向可控開關(guān)動作，通過帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)的電流雙向流動特性實時的將負(fù)載的瞬時無功功率回饋至電網(wǎng)，省去了大容量的直流母線儲能電容。后級單相逆變2H結(jié)構(gòu)電路，每個橋臂也是由兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)串聯(lián)連接構(gòu)成，主控制器通過控制矩陣變換單元陣列的后級單相逆變2H電路的單向可控開關(guān)實現(xiàn)多電平移相SPWM，同一組矩陣變換單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開120°電角度。實施例二:
與實施例一不同之處在于矩陣變換單元4的功率開關(guān)陣列6的部分，如圖3所示，功率開關(guān)陣列6包括六個雙向開關(guān)Sll、S12、S13、S14、S15、S16，每相輸入分別通過兩個雙向開關(guān)與輸出相連，通過控制六個雙向開關(guān)Sll、S12、S13、S14、S15、S16實現(xiàn)三相交流輸出。。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實例，并不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在上述矩陣變換單元的功率開關(guān)陣列6的前后級間加任何形式的吸收濾波裝置均為本發(fā)明的延伸范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明技術(shù)方案所作的任何等效變換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高壓矩陣變換器，其特征在于包括移相隔離變壓器(I)、矩陣變換單元陣列(2)和總控制器(3)，所述移相隔離變壓器(I)具有3η個三相次級繞組，η為自然數(shù)，每3個次級繞組為一組，同組的次級繞組的相位相同，次級繞組組相位依次遞增，初始相位為0°，相鄰次級繞組之間相位差為60/η度；所述變換器陣列(2)由3η個矩陣變換單元(4)排成3列Xn行的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成，移相隔離變壓器(I)次級繞組組分別與變換器陣列(2)中的行對應(yīng)，每組中的三個次級繞組分別與每行中的三個變換單元一一對應(yīng)相連；矩陣變換單元陣列(2)中，每一列矩陣變換單元的功率輸出端依次串聯(lián)，形成一相交流電壓輸出，三列變換單元輸出采用Y接法形成三相交流電壓輸出，每個變換單元分別通過信號光纖與總控制器(3)連接；所述矩陣變換單元(4)由輸入濾波器(5)、功率開關(guān)陣列(6)和分控制器(7)組成，所述輸入濾波器(5 )由三只濾波電阻(Rl、R2、R3 )、三只濾波電容(C1、C2、C3 )構(gòu)成，三只濾波電阻(R1、R2、R3)—端分別與功率開關(guān)陣列(6)的輸入端相連，另一端分別與三只濾波電容(Cl、C2、C3)的一端串聯(lián)，三只濾波電容(Cl、C2、C3)的另一端相互連接；所述分控制器(7)電源線與功率開關(guān)陣列(6)中的前級三相橋式整流電路的輸入端中的任意兩相或三相相連，同時分控制器(7)信號線與功率開關(guān)陣列(6)相連實現(xiàn)檢測、保護(hù)、驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種高壓矩陣變換器，其特征在于:所述功率開關(guān)陣列(6)由前級三相橋式整流電路和后級單相逆變電路構(gòu)成，前級整流電路為3H橋結(jié)構(gòu)，兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)(SI，S4)串聯(lián)連接構(gòu)成第一個橋臂，兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)(S2，S5)串聯(lián)連接構(gòu)成第二個橋臂，兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)(S3，S6)串聯(lián)連接構(gòu)成第三個橋臂，第一第二第三個橋臂中點(diǎn)分別與輸入濾波器(5)中的濾波電感的輸出端相連，后級單相逆變電路為2H橋結(jié)構(gòu)，兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)(S7，S9)串聯(lián)連接構(gòu)成第五個橋臂，另兩只帶反并聯(lián)二極管的單向可控開關(guān)(S8，S10)串聯(lián)連接構(gòu)成第六個橋臂，第五、第六兩橋臂的中點(diǎn)形成兩個交流輸出端(al，a2)，第五、第六兩橋臂的上端與前級整流電路3H橋的上端相連，第五、第六兩橋臂的下端與前級整流電路3H橋的下端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1一種高壓矩陣變換器，其特征在于:功率開關(guān)陣列(6)包括六個雙向開關(guān)(S11、S12、S13、S14、S15、S16)，每相輸入分別通過兩個雙向開關(guān)與輸出相連，通過控制六個雙向開關(guān)(Sll、S12、S13、S14、S15、S16)實現(xiàn)三相交流輸出。
全文摘要
一種高壓矩陣變換器，涉及一種變頻器。目前，變頻器成本高，體積大，壽命短，輸出電壓諧波嚴(yán)重，功率因素低。本發(fā)明包括移相隔離變壓器、矩陣變換單元陣列和總控制器，所述移相隔離變壓器具有3n個三相次級繞組；所述變換器陣列由3n個矩陣變換單元排成3列×n行的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成；矩陣變換單元陣列中，每一列矩陣變換單元的功率輸出端依次串聯(lián)；所述矩陣變換單元由輸入濾波器、功率開關(guān)陣列和分控制器組成；所述分控制器電源線與功率開關(guān)陣列中的前級三相橋式整流電路的輸入端中的任意兩相或三相相連，同時分控制器信號線與功率開關(guān)陣列相連。本技術(shù)方案成本低、體積小，壽命長，易于實現(xiàn)能量反饋，變頻器工作安全、穩(wěn)定，成本低。
文檔編號H02M5/44GK103178720SQ201310073578
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者馮芬, 王建喬, 張卡飛, 何原明, 李長龍 申請人:臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司, 臥龍電氣集團(tuán)杭州研究院有限公司