專利名稱：三相矩陣變換器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相矩陣變換器及其操作方法。譬如，對于采用異步或同步電機的工業(yè)調(diào)速驅(qū)動裝置，本發(fā)明便適用于它。
硬開關(guān)變換器和軟開關(guān)變換器均有一個直流中介電路，而三相矩陣變換器實行單級功率轉(zhuǎn)換，它將幅值頻率一定的三相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值頻率可變的三相交流電壓(參看如，M.G.B.Venturini and A.Alesina，“Intrinsic Amplitude Limits and Optimum Design of9-Switches Direct PWM-AC-AC Converters”，Conf.Rec.IEEE-PESC，1988，pp.1284-1291)。此處的硬開關(guān)變換器和軟開關(guān)變換器指的是，在變換器開關(guān)過程(換流過程)中，硬開關(guān)變換器功率損耗較大，而軟開關(guān)變換器的功率損耗則較小。矩陣變換器的進一步發(fā)展其特征在于實現(xiàn)了空間矢量調(diào)制，在場定位的驅(qū)動裝置中使用矩陣變換器，在必需的四象限開關(guān)中采用可反向關(guān)斷的IGBT。
相對于常規(guī)的硬開關(guān)PWM整流器/直流中介電路/變換器裝置，矩陣變換器有許多優(yōu)點，例如，由于矩陣變換器是實行單級的功率轉(zhuǎn)換，所以它的中介電路不需任何電容器件。另外，由于矩陣變換器的換流電壓要比常規(guī)帶直流中介電路變換器的換流電壓低很多，所以前者比后者帶直流中介電路裝置的損耗少。盡管帶直流中介電路的變換器只需24個電力半導(dǎo)體(如12個IGBT，12個二極管)，而矩陣變換器需要36個電力半導(dǎo)體(如18個IGBT，18個二極管)，但是兩種變換器安裝的總開關(guān)容量通常是相同的，原因是矩陣變換器的開關(guān)額定電流可減少三分之一。
然而，如果硬開關(guān)變換器采用了諸如IGBT的器件，那么大量的開關(guān)損耗將會限制變換器的最大開關(guān)頻率，在中等功率范圍內(nèi)，這種最大開關(guān)頻率通常約為10～25kHz。高壓電力半導(dǎo)體器件，如GTO，IGBT及MCT等，它們的下降時間與尾部時間要大一些，在大功率運行時將會加劇上述影響，這樣要么需要增加極大極貴的濾波元件，要么作為負(fù)載的驅(qū)動電機將會增大其損耗。
本發(fā)明就是本著這樣一個目的，詳細(xì)說明本文開頭所述的一種三相矩陣變換器，它的負(fù)荷密度大、效率高而且允許較高的開關(guān)頻率。此外還詳述了其操作方法。
根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)該矩陣變換器，而且符合前序部分的特性，這些特性由權(quán)利要求1的特征部分解決。關(guān)于該方法，由權(quán)利要求5列出其操作辦法特征。
具體地說，通過本發(fā)明可實現(xiàn)這樣一種優(yōu)點，即本發(fā)明的三相準(zhǔn)諧振矩陣變換器在中、高開關(guān)頻率運行時，其開關(guān)損耗和總損耗均比硬開關(guān)矩陣變換器低得多。采用專門的脈沖觸發(fā)及附加的輔助換流器，該輔助換流器包括三個四象限開關(guān)及三個諧振電感，這樣，整個變換器就可以實行軟開關(guān)切換和PWM控制了。因此，該矩陣變換器可有利地實現(xiàn)零壓切換(ZVS)，而輔助換流器的輔助開關(guān)可實現(xiàn)零電流切換(ZCS)。
由于輔助開關(guān)只流經(jīng)一個很短的脈沖電流，所以這些開關(guān)的額定電流可以比主開關(guān)的額定電流小一些。對大功率設(shè)備來說，采用本發(fā)明的準(zhǔn)諧振矩陣變換器來代替硬、軟開關(guān)PWM整流器/DC中介電路/變換裝置，是比較有利的。
參考附圖所示的典型實施方案，本發(fā)明將由下文進行闡述，其中附

圖1為三相準(zhǔn)諧振矩陣變換器的電路組成形式，附圖2為等效電路圖，附圖3為電壓間隔為60°時的輸入電壓波形，附圖4所示的表格為準(zhǔn)諧振三相矩陣變換器的脈沖觸發(fā)和開關(guān)切換順序，附圖5為ARCP換流器的工作電流、電壓波形，附圖6為準(zhǔn)諧振矩陣變換器的開關(guān)電壓波形以及第一個開關(guān)組的電流波形，附圖7為準(zhǔn)諧振矩陣變換器的開關(guān)電壓、主開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)變量、輸出電流等波形，附圖8為準(zhǔn)諧振矩陣變換器的三個開關(guān)組的電流波形，附圖9為準(zhǔn)諧振矩陣變換器的輸入電流及輸出電壓波形。
附圖1展示了三相準(zhǔn)諧振矩陣變換器的電路組成形式。在電網(wǎng)的各相中分別串入濾波電感Lf1、Lf2及Lf3，各相之間分別并聯(lián)濾波電容Cf1、Cf2及Cf3，由此組成一個三相濾波器，該濾波器其中一側(cè)與三相電網(wǎng)相聯(lián)，電網(wǎng)電壓為Vm1、Vm2、Vm3，另一側(cè)同矩陣變換器的三個三相開關(guān)組相聯(lián)。在電網(wǎng)的節(jié)點上，三個開關(guān)組的輸入電壓為Vi1、Vi2、Vi3(通常用Vi表示)，輸入線間電壓為Vi12、Vi23、Vi31。開關(guān)組的輸入電流用ii1、ii2、ii3表示。
第一個開關(guān)組有三個主開關(guān)(S11、S12、S13)，其輸入端分別與電網(wǎng)的各相相聯(lián)。諧振電容Cr11、Cr12、Cr13各自同主開關(guān)并聯(lián)。開關(guān)電壓(＝諧振電容兩端電壓)為Vc11、Vc12、Vc13(有的沒有表示出來)。主開關(guān)S11、S12、S13的輸出端聯(lián)在一起，流經(jīng)公共輸出端的開關(guān)組電流用isg1表示，第一個開關(guān)組的輸出電壓用Vo1表示。
第二個開關(guān)組同樣也有三個主開關(guān)(S21、S22、S23)，其輸入端分別與電網(wǎng)的各相相聯(lián)。諧振電容Cr21、Cr22、Cr23各自同主開關(guān)并聯(lián)。主開關(guān)S21、S22、S23的輸出端聯(lián)在一起，流經(jīng)公共輸出端的開關(guān)組電流用Isg2表示，第二個開關(guān)組的輸出電壓用Vo2表示。開關(guān)電壓為Vc21、Vc22、Vc23(沒有表示出來)。
第三個開關(guān)組同樣也有三個主開關(guān)(S31、S32、S33)，其輸入端分別與電網(wǎng)的各相相聯(lián)。諧振電容Cr31、Cr32、Cr33各自同主開關(guān)并聯(lián)。主開關(guān)S31、S32、S33的輸出端聯(lián)在一起，流經(jīng)公共輸出端的開關(guān)組電流用isg3表示，第三個開關(guān)組的輸出電壓用Vo3表示。開關(guān)電壓為Vc31、Vc32、Vc33(沒有表示出來)。
第一和第三個開關(guān)組的輸出端通過輔助換流器的輔助開關(guān)AS31串聯(lián)一個諧振電感Lr3而相互聯(lián)結(jié)起來。流經(jīng)輔助換流器的電流用ia31表示。
第一和第三個開關(guān)組的輸出端通過輔助換流器的輔助開關(guān)AS12串聯(lián)一個諧振電感Lr1而相互聯(lián)結(jié)起來。流經(jīng)輔助換流器的電流用ia21表示。
第二和第三個開關(guān)組的輸出端通過輔助換流器的輔助開關(guān)AS32串聯(lián)一個諧振電感Lr2相互聯(lián)結(jié)起來。流經(jīng)輔助換流器的電流用ia32表示。
輔助換流器兩端的電壓用Vo21、Vo32、Vo31表示。
輔助換流器與三個開關(guān)組之間的接頭便組成了三相矩陣變換器的負(fù)載引線端，流經(jīng)這三個端子的輸出電流為io1、io2、io3(輸出參數(shù)通常用o表示)。負(fù)載電感分別為LI1、LI2、LI3負(fù)載電壓分別為VI1、VI2、VI3。
諧振電容Cr11～Cr33優(yōu)選地采用相同的值，諧振電感Lr1～Lr3也優(yōu)選地采用相同的值。
如果主開關(guān)的電力半導(dǎo)體具有足夠大的輸出電容，那么上述諧振電容可以省去。
作為例子，附圖1的左邊部分設(shè)計了一種主開關(guān)(四段開關(guān))S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32、S33(統(tǒng)稱為S)以及一種輔助開關(guān)(四段開關(guān))AS31、AS12、AS32(統(tǒng)稱為AS)。由圖所示，四段開關(guān)包括兩個IGBT半導(dǎo)體器件T1、T2和兩個反向二極管D1、D2、D1與T1并聯(lián)，D2與T2也并聯(lián)，然后這兩個并聯(lián)電路再串聯(lián)起來。設(shè)計時，組成輔助開關(guān)AS的兩個IGBT半導(dǎo)體器件和兩個反向二極管的額定電流可以比主開關(guān)元件的額定電流小得多。
四段主開關(guān)S也可選擇采用其他一些能迅速關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件來實現(xiàn)(如GTO，MOSFET，雙極晶體管或MCT等)，同時也可以使用二極管。與此相應(yīng)，輔助開關(guān)AS可采用能迅速導(dǎo)通的電力半導(dǎo)體器件來實現(xiàn)(如晶閘管，GTO，MCT，MOSFET或雙極晶體管等)，同時也可以使用二極管。具體地說，在大功率范圍內(nèi)，主開關(guān)可采用十二個可關(guān)斷的GTO，另加兩個可關(guān)斷的GTO或者兩個可關(guān)斷的快速晶閘管，該快速晶閘管額定電流較小，在每組開關(guān)中，兩GTO晶閘管與兩快速晶閘管都是作并聯(lián)連接的。
參考附圖2的等效電路圖，很容易就能明白硬開關(guān)變換器的輸出相電流換流情況，它描述了同一個開關(guān)組內(nèi)的電流從一個開關(guān)切換到另一開關(guān)的情形。等效電路是一個由電感Lcmin/2、開關(guān)SC1、開關(guān)SC2、電感Lcmin/2組成的串聯(lián)電路，帶有一個換流電壓Vc。電容Ccmin/2與每個開關(guān)并聯(lián)起來。負(fù)載的引線端接在兩開關(guān)的公共接頭上。等效電路中，負(fù)載電流iL代表電機的相電流，換流電壓Vc代表輸入端的有效線電壓，硬開關(guān)矩陣變換器的換流電感最小值Lcmin和換流電容最小值Ccmin分別由電路的寄生電感和電力半導(dǎo)體的輸出電容來提供。
根據(jù)負(fù)載(電機)消耗的功率，可以有兩種基本的換流方式。即稱為感性換流(利用快速導(dǎo)通方法的自然換流)及容性換流(利用快速關(guān)斷方法的強迫換流)。如果電壓Vc與電流iL為正值且開關(guān)SC2導(dǎo)通，那么只要主動導(dǎo)通SC1就可以進行感性換流了。事實上，由于整個電壓部降落在開關(guān)SC1上，所以在開關(guān)(IGBT)導(dǎo)通時的導(dǎo)通損耗很大，這種開關(guān)過程稱為硬開關(guān)切換。開關(guān)SC2由于電流反向阻斷而被迫關(guān)斷，以此完成換流過程。
如果開關(guān)SC1導(dǎo)通，且換流電壓Vc與負(fù)載電流iL為正值，那么只要通過主動關(guān)斷開關(guān)SC1就可以實現(xiàn)容性換流。由于換流電感Lc和換流電容Cc均處于最小值Lcmin和Ccmin，所以開關(guān)SC1兩端的電壓Vsc1不斷上升，而開關(guān)SC2兩端的電壓Vsc2不斷下降，一直到零。此時，電流才開始換向，在該過程中，開關(guān)(IGBT)關(guān)斷時會產(chǎn)生關(guān)斷損耗。因此，這種容性換流的主動關(guān)斷過程也稱為硬開關(guān)切換。
由于在矩陣變換器工作期間，換流電壓(輸入線電壓)及負(fù)載電流(電機相電流)都會改變極性，因此所有的主開關(guān)都必須能夠正向和反向關(guān)斷，而且能雙向?qū)?四象限開關(guān))。
如果不采用硬開關(guān)矩陣變換器而采用本發(fā)明的準(zhǔn)諧振矩陣變換器，便可減少大量的開關(guān)損耗。在本發(fā)明的矩陣變換器中，主開關(guān)間的換流操作只是容性的。因此，這些開關(guān)可以有利地實現(xiàn)零壓切換，通過提高換流電容(換流電容Cc＞Ccmin，換流電感Lc＝Lcmin)，可以實現(xiàn)卸載關(guān)斷切換。與此相反，輔助開關(guān)只實行感性開關(guān)切換，通過提高換流電感(換流電感Lc＞Lcmin，換流電容Cc＝Ccmin)來進行卸載切換。因此，這些開關(guān)能有利地實現(xiàn)零電流切換。
在M.G.B.Ventwrini and A.Alesina，“Intrinsic Amplitude Limits andOptimwm Design of 9-Switches Direct PWM-AC-ACConverters”，Conf.Rec.IEEE-PESC，1988，1284-1291頁中，導(dǎo)出了一種矩陣變換器的控制原理，即保證輸入電流為正弦波而且功率因數(shù)可調(diào)，其中最大電壓變比為0.866。由于這種基本算法只對四象限開關(guān)的占空比進行控制，所以在硬開關(guān)矩陣變換器中總可以選用最優(yōu)化的脈沖觸發(fā)(快速裝置的開關(guān)頻率)。根據(jù)本發(fā)明的準(zhǔn)諧振矩陣變換器，其開關(guān)頻率由輔助換流器運行控制。假定對稱的輸入電壓為Vi1＝Vi·cos(ωit+Qi)Vi2＝Vi·cos(ωit+Qi-120°)Vi3＝Vi·cos(ωit+Qi+120°)此處，電網(wǎng)的角頻率為ωi=2·π·fi=2·πTi,]]>Vi＝幅值，θi＝移相角，fi＝電網(wǎng)頻率，Ti＝電網(wǎng)周期(輸入?yún)?shù)通常用i表示)，然后，在三相電壓系統(tǒng)中定義六個60°的電壓間隔1，2，3，4，5，6，其中三個輸入線電壓Vi12、Vi23、Vi31的極性不變。附圖3表示了六個電壓間隔內(nèi)的Vi1、Vi2、Vi3和Vi12、Vi23、Vi31的波形。假定θi＝0°，電壓間隔由下式給定電壓間隔10°≤ωit≤60°電壓間隔260°≤ωit≤120°電壓間隔3120°≤ωit≤180°電壓間隔4180°≤ωit≤240°電壓間隔5240°≤ωit≤300°電壓間隔6300°≤ωit≤360°在附圖4的表格里，開關(guān)切換順序用“正向”與“反向”表示，正向為F(從S11到S12到S13到S11換流，以及從S31到S32到S33到S31換流等等)，反向為B(從S11到S13到S12到S11換流，以及從S31到S33到S32到S31換流等等)。ARCP換流過程用a表示，自然容性換流過程(ZVS)用c表示。輸出電流i。及主開關(guān)Sx1、Sx2、Sx3中的變量x可設(shè)定為1，2，3。
附圖4所示表格的脈沖觸發(fā)表明，在開關(guān)頻率fs的每個工作周期Ts里，總有兩個容性換流過程和一個ARCP換流過程(ARCP＝輔助諧振換流極換流)。ARCP換流為一個感性換流過程，利用一個或兩個輔助換流器，該感性換流可轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪該Q流過程。在主開關(guān)主動切換之前，利用輔助換流器改變開關(guān)電流的極性便可實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變過程。若輸出電流極性不變，則每隔60°的電壓間隔內(nèi)開關(guān)切換順序需要顛倒。假定對稱輸出電流為io1＝io·cos(ωot+θo)io2＝io·cos(ωot+θo-120°)io3＝io·cos(ωot+θo+120°)此處，io＝幅值，ωo＝輸出角頻率，θo＝輸出移相角，那么，輸出電流iox(x＝1，2，3)極性相同的開關(guān)組與另外一個開關(guān)組的開關(guān)切換順序相反。此外，ARCP換流的換流電壓總等于輸入線電壓，它處于最大值。
下文將介紹一種極先進的特性，它大大簡化了本發(fā)明準(zhǔn)諧振矩陣變換器的設(shè)計及操作方法。然而，若三個開關(guān)組都使用ARCP換流，則不僅需要運用附圖4表中所列的開關(guān)切換順序，而且，在開關(guān)頻率的每個周期Ts內(nèi)，三個開關(guān)組的ARCP換流過程要保持同步。如果采用了表格中引用的脈沖觸發(fā)(開關(guān)頻率)，那么，在三個開關(guān)組中，三個開關(guān)最先導(dǎo)通且占空比最小的開關(guān)組(每組只有一個開關(guān)導(dǎo)通)最先開始ARCP換流。其余的開關(guān)組中占空比較大的元件在開關(guān)頻率周期Ts末進行ARCP換流。
但是，如果附圖4表格所示的開關(guān)切換順序初始狀態(tài)變了，使得一開始就進行兩個容性換流過程，那么就可以使三個開關(guān)組的ARCP換流在周期Ts末實現(xiàn)同步。由于設(shè)計的脈沖觸發(fā)都是執(zhí)行三分之二的容性換流和三分之一的ARCP換流，所以它們與硬開關(guān)矩陣變換器的常規(guī)開關(guān)脈沖觸發(fā)是大不一樣的，常規(guī)開關(guān)脈沖觸發(fā)的原則是執(zhí)行50％的感性換流及50％的容性換流。
如果輸入電壓的六個電壓間隔中都采用上述脈沖觸發(fā)，那么每個開關(guān)組的每個開關(guān)頻率周期Ts內(nèi)均有兩次容性換流和一次ARCP換流。因此，矩陣變換器的所有主開關(guān)S11-S33在電壓為零時主動關(guān)斷和被動導(dǎo)通(即零壓切換ZVS)。同樣，所有輔助開關(guān)AS12、AS32、AS31主動導(dǎo)通且利用反電流阻斷而被動關(guān)斷(即零電流切換ZCS)。
下面講述ARCP換流原理，通過改變開關(guān)電流的極性將自然感性換流轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪該Q流。為簡化敘述，假定輸入線電壓Vi12、Vi23、Vi31和輸出電流io1、io2、io3在換流期間都為恒量。另外，假設(shè)開關(guān)都為理想的開關(guān)。本發(fā)明的準(zhǔn)諧振矩陣變換器在六個電壓間隔里工作運行，其目的是運用附圖4表格所示的脈沖觸發(fā)，得到io1＞0、io2＞0、io3＜0。附圖5給出了ARCP換流時的各個電流波形(isg1，isg2，isg3，ia32，ia31)，時間間隔為I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX時間間隔I(t＜0)時間間隔I中，準(zhǔn)諧振矩陣變換器工作在附圖5所示的初始狀態(tài)。主開關(guān)S12、S22、S31通過的電流為io1、io2、io3，所有輔助開關(guān)AS均斷開。
時間間隔II(o≤t≤t1；輔助開關(guān)AS32及AS31在t＝0時導(dǎo)通，主開關(guān)S12在t＝t1時關(guān)斷)時間間隔II是輔助開關(guān)AS32及AS31的線性導(dǎo)通過程。流經(jīng)輔助開關(guān)的電流按照下式線性上升ia31=ia32=|Vi12|·tLr,]]>其中Lr＝Lr3或Lr2(4)該電流的上升是由輔助換流器兩端的正電壓Vo31＝Vo32＝Vi12引起的。開關(guān)組的電流絕對值有所降低isg1＝io1-ia31isg2＝io2-ia32(5)isg3＝io3+ia31+ia32在時刻t1，電流isg1改變了原來的極性而達到其負(fù)增電流-ib。
時間間隔III(t1≤t≤t2；S12的關(guān)斷過程發(fā)生在t1，S11的導(dǎo)通過程發(fā)生在t2)時間間隔III由t1開始，這時原來導(dǎo)通的開關(guān)S12主動關(guān)斷。電流isg1切換到第一個開關(guān)組的三個平行電容上，并通過由這些電容與諧振電感Lr3組成的振蕩電路對電容進行反向充電。第一個開關(guān)組與輔助開關(guān)AS31的尖峰電流為ia31(t2)≈io1+ib+|Vi12|Lr3·Cr----(6)]]>isg1(t2)≈-ib-|Vi12|Lr3·Cr]]>其中Cr＝Cr11或Cr12或Cr12，Lr＝Lr3(7)假定ib較小(ib≈ 0)。主開關(guān)S11在時刻t2被迫導(dǎo)通，此時開關(guān)切換電壓為零。
時間間隔IV(t2≤t≤t3；S11的導(dǎo)通過程發(fā)生在t2，S22的關(guān)斷過程發(fā)生在t3)既然在時間間隔IV的開始t2開關(guān)S11導(dǎo)通，那么第一相與第三相間的輔助換流器電壓Vo31為零。因此，電流isg1和ia31經(jīng)過主開關(guān)S11及S31而在一個游滑輪電路中流通，且維持為恒量不變。線性變化的電流isg2和isg3改變了它們的極性，isg2在t3時刻達到負(fù)增電流值-ib。
時間間隔V(t3≤t≤V4；S22的關(guān)斷過程發(fā)生在t3，S21的導(dǎo)通與S31的關(guān)斷過程發(fā)生在t4)時間間隔V內(nèi)的工作方式為開關(guān)S22在時刻t3主動關(guān)斷，電流isg2切換到第二個開關(guān)組的三個電容上，并在振蕩過程中對電容進行反向充電。電流值達到isg2(t4)≈-ib-|Vi12|Lr3·Cr]]>其中Cr＝Cr21或Cr22或Cr33，Lr＝Lr2(8)isg3(t4)≈2·[ib+|Vi12|Lr3·Cr],]]>其中Cr＝Cr21或Cr22或Cr23或Cr11或Cr12或Cr13，Lr＝Lr2或Lr3， (9)此時ib≈0且S21在開關(guān)電壓為零時被迫導(dǎo)通。
時間間隔VI(t4≤t≤V5；S21的導(dǎo)通與S31的關(guān)斷過程發(fā)生在t4，S32的導(dǎo)通過程發(fā)生在t5)時間間隔VI為開關(guān)S31進行主動關(guān)斷的過程。電流isg3切換到第三個開關(guān)組的三個電容上，且電容進行反向充電直到開關(guān)S32在零壓時被迫導(dǎo)通。
時間間隔VII(t5≤t≤V6；S32的導(dǎo)通過程發(fā)生在t5，AS31的關(guān)斷過程發(fā)生在t6)兩個主動輔助換流器的端電壓Vo31＝Vo32＝-Vi12使得電流線性下降ia31=ia31(t5)-|Vi12|·tLr]]>其中Lr＝Lr3(10)ia32=ia32(t5)-|Vi12|·tLr]]>其中Lr＝Lr2(11)因此，電流isg1、isg2、isg3按照式(5)改變它們的極性。
時間間隔VIII(t6≤t≤t7；AS31的關(guān)斷過程發(fā)生在t6，AS32的關(guān)斷過程發(fā)生在t7)在時刻t6和t7，電流達到零ia31(t6)＝0(12)ia32(t7)＝0(13)開關(guān)AS31及AS32在電流為零時被迫關(guān)斷，即零電流開關(guān)切換。
時間間隔IX(t7≤t；AS32的關(guān)斷過程發(fā)生在t7)在AS32于t7時刻關(guān)斷后，開關(guān)便處于時間間隔IX所示的狀態(tài)。
在ARCP換流過程中，電流自開關(guān)Sx2換到Sx1(x＝1，2)，自開關(guān)Sx1換到Sx2(x＝3)。上述的振蕩過程也可能發(fā)生迭加。
如果采用附圖4所示的脈沖觸發(fā)，那么在每個60°的電壓間隔內(nèi)都會發(fā)生上述類似的換流過程，而輸出的電流極性將是任意的。有一點很重要，就是在ARCP換流期間，輸出相間的兩個輔助開關(guān)一直保持工作，且輸出相電流極性相反。在ARCP換流期間，主動輔助換流電路兩端的電壓總等于輸入線電壓，且處于最大值。除了ARCP換流外，在開關(guān)頻率周期Ts內(nèi)每個開關(guān)組均有兩個不同步的自然ZVS換流過程(容性換流過程)，該換流過程不需要輔助換流器。
如果在一個電壓間隔的末端采用附圖4所示的脈沖觸發(fā)，而且新的電壓間隔開始時一個周期Ts還沒有結(jié)束，那么在每個開關(guān)組中可以實現(xiàn)感性換流，即對四象限開關(guān)實行主動導(dǎo)通的硬開關(guān)切換過程。直到新的周期Ts開始才在新電壓間隔中使用脈沖觸發(fā)。既然感性換流過程中的換流電壓總等于輸入線電壓，它的值很低，且在電壓間隔末端改變其極性，那么，只要開關(guān)頻率fs足夠大，則在四象限開關(guān)硬導(dǎo)通過程中所造成的能量損失可忽略不計。
如果輸出相電流在周期Ts內(nèi)任一點改變其極性，且直到進入新的開關(guān)頻率周期Ts后才使用新的脈沖觸發(fā)，那么將進行的ARCP換流過程基本與上述一樣。即使輸出電流在ARCP換流前或ARCP換流期間進行極性轉(zhuǎn)換，上述情況也會發(fā)生。
然而，最壞的情形是，如果在輸出電流改變極性后還采用原來的開關(guān)切換順序，那么兩個容性換流過程也可能轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€感性換流過程。因此，可以進行兩個主動導(dǎo)通過程，其中在開關(guān)主動導(dǎo)通過程中，貯存在開關(guān)組諧振電容上的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋５?，?0°的電壓間隔內(nèi)，上述的兩個感性換流過程的換流電壓總等于兩個輸入線電壓，它的值很小。
感性換流由輸入電壓的60°電壓間隔中的電壓變化來進行，或者由變換器改變輸出電流極性來完成，除此之外，本發(fā)明的準(zhǔn)諧振矩陣變換器的開關(guān)原則上可以進行零壓切換。但是，如果輸出的相電流在過零前后其值很小，那么在最大換流周期tcmax還沒有結(jié)束前，容性換流就已經(jīng)通過硬開關(guān)主動導(dǎo)通而結(jié)束了，這樣便可以避免過長的換流時間。因此，存在一個區(qū)域thardTo=2πarcsin3·3·Cr·VN2·tcmax·io-----(14)]]>其中，thard＝硬開關(guān)導(dǎo)通時間(為避免變換器的輸入輸出端產(chǎn)生變壞的電流電壓波形，其中留有ZVS區(qū)域)。To＝輸出電流周期，VN＝額定輸入線電壓，tcmax＝容性換流最大換流周期，io＝輸出電流幅值，Cr＝諧振電容Cr11～Cr33中之一，其中，由于一個或兩個容性換流過程是通過開關(guān)硬導(dǎo)通來完成的，所以留有零壓開關(guān)切換區(qū)域。與上述主動導(dǎo)通過程一樣，各開關(guān)組的諧振電容經(jīng)過開關(guān)主動導(dǎo)通來更換其極性，并帶有損耗。如果輸入電壓與輸出電流由特定的設(shè)備進行控制，那么新的準(zhǔn)諧振變換器的零壓開關(guān)切換剩余區(qū)域為tsoftTo=1-thardTo]]>它由諧振電容和tcmax決定。上文已經(jīng)表明，對于每個開關(guān)組的最長開關(guān)過程，在兩個60°的電壓間隔邊界上也可留有ZVS區(qū)域。
選擇好諧振電容、諧振電感以及增電流值，可以基本上控制準(zhǔn)諧振變換器工作時的損耗、換流時間、最小占空比、di/dt(電流增減率)以及du/dt(電壓增減率)。選擇所有這些值時，一方面應(yīng)該滿足損耗最小，另一方面又能實現(xiàn)換流時間足夠短。事實上，ARCP換流過程的換流電壓變化極小，所以選擇諧振電感時可以簡化。除了外部電容外，時刻存在的電力半導(dǎo)體輸出電容也可用作諧振電容。
在含有直流中介電路的ARCP變換器中，必須滿足一些折衷條件，與之相比，在設(shè)計ARCP矩陣變換器時(具體地說是設(shè)計諧振電容)也有必要留有零壓切換區(qū)域。由增電流引入調(diào)諧電路的附加能量應(yīng)該比ARCP振蕩階段造成的能量損失小得多。在準(zhǔn)諧振矩陣變換器中，三個輔助開關(guān)中有兩個開關(guān)以相同的頻率運行在穩(wěn)定狀態(tài)作零壓開關(guān)切換。由于輔助開關(guān)只流經(jīng)很短的脈沖電流，所以其開關(guān)額定電流較主開關(guān)額定電流小得多。具體地講，MCT可以用于中高開關(guān)頻率，或者，反向關(guān)斷的晶閘管可用于低開關(guān)頻率及高輸出功率情況等。
附圖6為電壓間隔6內(nèi)的開關(guān)電壓Vc11、Vc12、Vc13和開關(guān)組電流isg1的波形圖。由于輸出電流io1的極性為正，根據(jù)附圖4的表格就可以實現(xiàn)第一個開關(guān)組的脈沖觸發(fā)S12→S11→S13→S12。isg1的極性更換為一種ARCP換流過程，輸出電流io1由S12切換到S11。另外兩個換流過程為從S11切換到S13從S13切換到S12，它們?yōu)樽匀籞VS換流過程，不需要輔助換流器。
在電壓間隔6中，由S11至S13為一個極慢的容性換流過程，它由值很小的輸出電流io1來完成，這點由附圖7可以看出。首先，開關(guān)S11關(guān)斷(參看主開關(guān)S11的開關(guān)狀態(tài)變量S11)，S11兩端的電壓緩慢上升。一旦最大換流周期tcmax結(jié)束，該容性換流過程便通過開關(guān)S13主動導(dǎo)通來完成。電壓Vc11迅速上升至一新值Vc11＝Vi13，而S13便接過輸出電流io1。
附圖8為準(zhǔn)諧振矩陣變換器的三個開關(guān)組輸出電流isg1、isg2、isg3，在這段時間內(nèi)，輸出電流都有各自不同的零電流穿越時刻。正如等式(7)、(8)、(9)所期望的一樣，在ARCP換流期間，有兩個開關(guān)組的電流幅值相等，數(shù)學(xué)表示符也一樣，它們的幅值為另一開關(guān)組的一半。假定輸入點的功率因數(shù)cosφi＝1，那么附圖9便為輸出電壓Vo1與輸入電流ii1的波形，此時輸出的相移為φo＝30°。
參考符號清單1，2，3，4，5，6 電壓間隔(Vi間隔)a ARCP換流AS12， AS32AS31輔助換流器的輔助開關(guān)AS輔助開關(guān)，通符B 反向c 自然電容換流(ZVS)Cc換流電容Ccmin換流電容最小值Cf1，Cf2，Cf3濾波電容Cr諧振電容，通符Cr11，Cr12，Cr13第一個開關(guān)組的諧振電容Cr21，Cr22，Cr23第二個開關(guān)組的諧振電容Cr31，Cr32，Cr33第三個開關(guān)組的諧振電容Di，D2反向二極管F 正向fi電網(wǎng)頻率fs開關(guān)頻率ia32，ia31，ia21流經(jīng)輔助換流器的電流ib增電流iL負(fù)載電流(＝電機相電流)io輸出電流幅值io1，io2，io3負(fù)載引線端的輸出電流ii1，ii2，ii3開關(guān)組的輸入電流isg1，isg2，isg3開關(guān)組電流Lc換流電感Lcmin換流電感最小值LI1，LI2，LI3負(fù)載電感Lf1，Lf2，Lf3濾波電感Lr諧振電感，通符Lr1，Lr2，Lr3諧振電感SC1，SC2開關(guān)S11，S12，S13第一個開關(guān)組的主開關(guān)S21，S22，S23第二個開關(guān)組的主開關(guān)S31，S32，S33第三個開關(guān)組的主開關(guān)S主開關(guān)，通符Si1Si1的開關(guān)狀態(tài)變量T1，T2IGBT半導(dǎo)體Ti電網(wǎng)周期Ts開關(guān)頻率周期To輸出電流周期t時間，通符tcmax最大換流周期thard硬換流時間間隔tsoft軟換流時間間隔Vi輸入電壓幅值Vo1，Vo2，Vo3開關(guān)組的輸出電壓Vo12，Vo32，Vo31輔助換流器電壓Vi1，Vi2，Vi3開關(guān)組的輸入電壓Vi12，Vi23，Vi31輸入線電壓VI1，VI2，VI3負(fù)載電壓Vc換流電壓Vc11，Vc12，Vc13Vc21，Vc22，Vc23開關(guān)電壓＝諧振電容兩端的電壓Vc31，Vc32，Vc33Vm1，Vm2，Vm3電網(wǎng)電壓VN額定輸入線電壓Vsc1，Vsc2開關(guān)兩端的電壓x變量，x＝1，2，3φi輸入電壓與輸入電流間相移φo輸出電壓與輸出電流間相移ωi電網(wǎng)角頻率ωo輸出角頻率θi輸入電壓的相移角θo輸出電流的相移角ZCS 零電流開關(guān)切換ZVS 零壓開關(guān)切換ARCP 輔助諧振換流極
權(quán)利要求
1.單級轉(zhuǎn)換的三相矩陣變換器將幅值頻率一定的交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值頻率可變的交流電壓，由四段開關(guān)組成主開關(guān)(S11，S12，S13，S21，S22，S23，S31，S32，S33)，這些主開關(guān)又構(gòu)成三個開關(guān)組，其特征在于每個主開關(guān)分別帶有一個與之并聯(lián)的諧振電容(Cr11、Cr12、Cr13、Cr21、Cr22、Cr23、Cr31、Cr32、Cr33)，或者選擇采用主開關(guān)的電力半導(dǎo)體輸出電容作為諧振電容，開關(guān)組有三個相輸出接頭，每兩個輸出接頭有一個輔助換流器，輔助換流器帶有一個輔助開關(guān)(AS31、AS32、AS12)和一個與之串聯(lián)的諧振電感(Lr3，Lr2，Lr1)，輔助開關(guān)設(shè)計為一種四段開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的矩陣變換器，其特征在于主開關(guān)和/或輔助開關(guān)均由IGBT半導(dǎo)體(T1、T2)分別與反向二極管(D1、D2)并聯(lián)，然后兩者再串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的矩陣變換器，其特征在于每個主開關(guān)都采用兩個并聯(lián)連接的可關(guān)斷GTO晶閘管組成，在輔助開關(guān)中采用兩并聯(lián)的可關(guān)斷GTO晶閘管或快速晶閘管組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的矩陣變換器，其特征在于主開關(guān)和/或輔助開關(guān)均由一個不對稱GTO同一反向二極管并聯(lián)，然后兩個這樣的并聯(lián)電路相串接而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的三相矩陣變換器的操作方法，其特征在于選用開關(guān)組的開關(guān)切換順序為輸入電壓間隔(1至6)和輸出電流(io1至io3)極性的函數(shù)，通過這種方法產(chǎn)生兩個容性換流和一個感性換流過程；選用脈沖觸發(fā)，這樣在每個開關(guān)頻率(fs)周期(Ts)內(nèi)，將產(chǎn)生與脈沖同時的感性換流過程；在主開關(guān)主動切換之前，利用輔助換流器改變主開關(guān)電流(isg1、isg2、isg3)的極性，使得自然感性換流過程轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪該Q流過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在轉(zhuǎn)變后的感性換流過程中，具有最大值的輸入線電壓(Vi12、Vi23、Vi13)一直被用作換流電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5和/或6的方法，其特征在于在三個開關(guān)組中，三個主開關(guān)最初導(dǎo)通且占空比最小的開關(guān)組最先進行換流。
8.根據(jù)權(quán)利要求5和/或6的方法，其特征在于選用一種開關(guān)切換順序，以便先進行兩個不經(jīng)轉(zhuǎn)變的容性換流過程，在開關(guān)頻率周期末進行轉(zhuǎn)變后的換流過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一的方法，其特征在于開關(guān)組的三相輸出端子間并聯(lián)有三個輔助換流器，利用其中兩個輔助換流器的輔助開關(guān)進行換流過程轉(zhuǎn)換，其中開關(guān)組的輸出電流(io1、io2、io3)極性相反。
全文摘要
一種三相矩陣變換,用來將幅值頻率一定的交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值頻率可變的交流電壓,它采用四段開關(guān)組成主開關(guān),由主開關(guān)構(gòu)成三個開關(guān)組。每個主開關(guān)都并有諧振電容,或者把主開關(guān)的電力半導(dǎo)體輸出電容作為諧振電容。在開關(guān)組的三相輸出接頭之間均并有一個輔助換流器,輔助換流器帶有輔助開關(guān)和一個與之串聯(lián)的諧振電感,輔助開關(guān)設(shè)計為一種四段開關(guān)。
文檔編號H02M5/27GK1179643SQ9711962
公開日1998年4月22日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
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