CN101013856A - 级联多重化矩阵变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种级联多重化矩阵变换器，总输入滤波器连接在电网与降压变压器之间，滤波得到正弦波形的输入电流，降压变压器有3n个次级绕组，每组三个绕组相位相同，相邻组绕组相位不同，变换器阵列由3n个变换器单元排成3列×n行的阵列，阵列中每一行与降压变压器次级绕组的每一组对应连接，每一列的输出依次串联，三列形成三相交流输出，总控制器负责控制调节整个系统的工作，并通过信号电缆与各个分控制器联络，控制变换器阵列中变换器单元的工作。本发明由低压小功率的变换器串联得到幅频可调的高压变频电源，同时在电网侧得到位移可调的输入电流，具有网侧四象限运行能力、输出交流电压连续可调等优点，适用于中高压交流电动机传动领域。

Description

级联多重化矩阵变换器

技术领域

本发明涉及一种级联多重化矩阵变换器，尤其涉及一种适用于三相高压交流电源供电、采用3的整倍数个次级绕组的降压变压器和级联多重化的三相-单相矩阵变换器、能够获得较高幅值且幅值与频率可调三相交流电压的级联多重化矩阵变换器。属于电力电子设备技术领域。

背景技术

在中高压大功率交流电力传动领域，包括工矿企业大量使用的风机、泵类等负载，传统上均采用三相工频高压的交流电源直接为电动机供电，不调压不变频，效率往往很低，而且启动和调速性能很差。随着电力电子变换技术的发展，电力电子变换器已经成功地应用到这些中高压电动机的传动上，不仅改善了传动性能，提高了传动效率，而且提高了自动化程度，节约了大量的能量，经济效益与社会效益非常显著。已经应用的电力电子变换器方案主要包括两类：高压-高压类型和高压-低压-高压类型。对于前者而言，目前主要包括三种方案：1)功率开关直接串联的交直交高压逆变器；2)二极管钳位的多电平逆变器；和3)电容飞跨的多电平逆变器。对于后者而言，目前主要包括一种方案，即级联多重化交直交逆变器。但是在实际应用中，这两类中高压变换器都不可避免地存在着缺陷，不仅增加了成本，降低了可靠性，而且其前级变换器的结构不允许实现电网与变换器之间的能量双向流动，个别变换器的网侧功率因数难以提高，或需要付出很大代价才能提高。这是因为不论前者还是后者，其前级变换器均采用不可控整流器，需要大容量寿命短的电解电容。如果其前级变换器采用可控整流器技术，不仅增加了系统的复杂性，增加了成本，而且也必需经常更新电解电容。基于以上实际情况，迫切需要一种新型的中高压电力电子变换器出现，其必备以下特征：无需电解电容的使用，电网与变换器之间能够实现四象限运行能力，单个变换器单元的容量包括耐压能力和电流能力不易过大。这样的变换器不仅输出电压幅值可以调节，输入电流呈现正弦波形，其高压供电的降压变压器的次级绕组设计可以相同，因此成本低，寿命长，可靠性高，适合未来中高压电力电子变换器的发展方向。能够满足以上条件的中高压变换器只能为高压-低压-高压类型的级联多重化交交变换器。目前，尚未有相关技术公开报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种级联多重化矩阵变换器，具有网侧四象限运行能力、输出交流电压连续可调、降压变压器结构简单、成本低廉、通用性强、可靠性高和节约能量等优点。

为实现上述目的，本发明由总输入滤波器、具有3的整倍数个三相次级绕组的降压变压器、三相-单相矩阵变换器单元构成的变换器阵列和总控制器构成。降压变压器输入高压三相交流电压，输出3的整倍数组隔离的低压三相交流电压，每组低压三相交流电压对应一个三相次级绕组，三相次级绕组的连接组别或相位可以相同，也可以按照规律有所不同。变换器单元的输入为三相交流电压，输出为电压与频率可调的单相交流电压。三相次级绕组的数量与变换器阵列中变换器单元的数量相同，所有变换器单元平均分成三组，每组形成一列，每列中的变换器单元的输出依次相连，最终输出电压和频率可调的一相交流电压，获得倍增的输出电压能力，每列中的变换器单元的数量越多，输出交流电压的幅值越高。每列中行数相同的变换器单元所对应降压变压器的三相次级绕组具有相同的连接组别，相邻行数的三相次级绕组之间的基本相位差的绝对值为60°除以总行数，位于每列中间行的变换器单元对应的三相次级绕组的相位为零，其它行的变换器单元对应的三相次级绕组的相位为基本相位差的整倍数，行数低于中间行的三相次级绕组的相位为正数，行数高于中间行的三相次级绕组的相位为负数。总输入滤波器为常规高压LC滤波器，置于电网与降压变压器之间，对输入电压和输入电流进行滤波。每个变换器单元包含一个分控制器，负责控制每个变换器单元中功率器件的开关规律，总控制器与各分控制器通过信号电缆连接，负责协调控制各个分控制器的运行状况。这样根据负载电动机传动的需要，变换器阵列能够输出三相对称的基波幅频连续可调的高压PWM(脉冲宽度调制)电压，满足负载电动机系统的传动需要，同时在电网输入端获得正弦波形的输入电流波形，对电网无谐波电流污染，变换器阵列与负载之间、变换器阵列与降压变压器的三相次级绕组之间、降压变压器与电网之间均保持了四象限变换能力。

本发明所述的总输入滤波器由常规三相高压LC滤波器构成，其中三只滤波电感分别串接在三相输入线路中，其输入端与电网相连，输出端与降压变压器输入端相连，三只滤波电容的一端分别连接到降压变压器初级绕组的输入端，其另一端相互连接，形成一个公共点。

本发明所述的降压变压器具有1个初级绕组和3的整倍数个三相次级绕组，其中三相高压初级绕组分别与总输入变压器的三相滤波电感的输出端相连，每个三相低压次级绕组分别与变换器阵列中的一个变换器单元相连。每3个次级绕组为一组且具有相同的相位，不同组的绕组相位不同。初始相位为0°，相邻组之间基本相位差的绝对值为60°/组数。

本发明所述的变换器阵列由3的整倍数个变换器单元构成，与降压变压器的次级绕组的数量相同，其中所有变换器单元排列成一个3列多行的阵列结构。降压变压器次级绕组的组分别与变换器阵列中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换器单元一一对应相连。每一列的变换器单元的功率输出端依次串联，形成一相交流电压输出，三列变换器单元的一个输出端子相互连接，形成一个中性点，另一个输出端输出三相交流电压，使用时与中高压交流电动机的三相输入端子相连。每个变换器单元分别通过信号电缆与总控制器连接。

所述变换器单元由分输入滤波器、同步变压器、功率开关阵列和分控制器构成，其中分输入滤波器由常规低压三相LC滤波器构成，三只滤波电感分别串接在降压变压器的次级绕组与功率开关阵列的输入端之间，三只滤波电容的一端相互连接形成一个公共点，另一端分别与功率开关阵列的输入端相连。

所述同步变压器为降压变压器，其初级绕组与分输入滤波器的输出端和功率开关阵列的输入端相连，次级绕组与分控制器的检测电路相连。

所述功率开关阵列由六只双向可控功率开关连接成3H桥结构，桥的两个输出端即为变换器单元的功率输出。

所述分控制器由检测电路、运算调制器、逻辑电路和隔离驱动保护电路组成，检测电路与同步变压器的三相输出端相连，检测电路的输出通过信号线与运算调制器相连，运算调制器通过信号线与逻辑电路相连，隔离驱动保护电路与运算调制器和逻辑电路相连，并与变换器单元的功率开关阵列相连。

本发明将变换器阵列中同一列的变换器单元输出串联，实现了交交直接变换器的级联多重化，获得了幅值与频率可调、电压倍增的三相交流电压输出，适应于中高压电动机的供电需要，同时每一列的变换器单元产生的分输入电流经过降压变压器的次级绕组耦合到降压变压器的三相初级绕组，在降压变压器的三相初级绕组中合成三相脉冲电流波形，再经过总输入滤波器的滤波作用，最终得到三相正弦波形的总输入电流，在分控制器和总控制器的控制下总输入电流的相位可以相对电网电压的相位进行调节，从而获得了新型高压-低压-高压类型的级联多重化中高压交交变换器，而且整个系统结构都具备了能量的双向流动能力，不仅可以获得幅频可调的三相高压交流输出，级联多重化的级数高时输出电压能力甚至可以超过电网电压，而且可以获得单位总输入功率因数和四象限运行能力，因而具有变换效果良好、通用性强等特征，同时具有结构简单、总成本低、寿命长、效率高、实现容易等优点，还可以支持较大的功率输出，尤其适用于中高压交流电动机的调速和启动等应用场合。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图1中，1为总输入滤波器，2为降压变压器，3为变换器阵列，4为总控制器。

图2为图1变换器阵列中的三相-单相矩阵变换器单元的电路原理图。

图2中，5为分输入滤波器，6为同步变压器，7为功率开关阵列，8为分控制器。

图3为本发明应用于高压交流电动机传动调速系统中的实施例电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。

以本发明设计的5重级联多重化矩阵变换器为例进行说明，结构如图1所示，由总输入滤波器1、降压变压器2、变换器阵列3和总控制器4构成。总输入滤波器1由三只滤波电感和三只滤波电容组成，三只滤波电感的输入端连接电网，其输出端连接降压变压器2的三相初级绕组，三只滤波电容的一端分别与三只滤波电感的输出端连接，其另一端相互连接。降压变压器2由一个三相初级高压绕组、15个低压三相次级绕组和磁芯组成，三相初级绕组与总输入滤波器1中的滤波电感的三个输出端相连，三相次级绕组分成5组，每组相位分别为-24°、-12°、0°、+12°和+24°，分别连接到变换器阵列3中的变换器单元，磁芯提供磁路，实现初级绕组与次级绕组之间的磁路耦合。变换器阵列3由3列×5行＝15个变换器单元组成，排列成阵列结构，每个变换器单元的三相输入端与降压变压器的一个三相次级绕组的三相输出端相连，行数相同的变换器单元对应的降压变压器的三组三相次级绕组的相位相同，行数不同的变换器单元对应的降压变压器的三组三相次级绕组的相位不同，每一列的5个变换器单元的功率输出依次相连，三列在总体上采用Y接法，分别形成三相高压交流输出端和一个中性点N。总控制器4由通用的微控制器、数字信号处理和/或逻辑处理器组成，通过信号电缆与各个变换器单元进行信息交互。

总输入滤波器1中，滤波电感L1、L2和L3的一端分别连接电网的R、S和T相，另一端分别与滤波电容C1、C2和C3的一端相连后与降压变压器的三相初级绕组的输入端相连，滤波电容C1、C2和C3的另一端相互连接。

降压变压器2中，三相初级高压绕组与总输入滤波器的输出端相连，5组共15个三相次级低压绕组的输出端分别与变换器阵列中的15个三相-单相矩阵变换器单元的输入端相连。

变换器阵列3中，变换器单元U4的一个输出端与变换器单元U5的一个输出端相连，U4的另一输出端与变换器单元U3的一个输出端相连，变换器单元U2的一个输出端与变换器单元U3的另一输出端相连，U2的另一输出端与变换器单元U1的一个输出端相连，变换器单元U1的另一输出端成为U相的输出端；变换器单元V4的一个输出端与变换器单元V5的一个输出端相连，V4的另一输出端与变换器单元V3的一个输出端相连，变换器单元V2的一个输出端与变换器单元V3的另一输出端相连，V2的另一输出端与变换器单元V1的一个输出端相连，变换器单元V1的另一输出端成为V相的输出端；变换器单元W4的一个输出端与变换器单元W5的一个输出端相连，W4的另一输出端与变换器单元W3的一个输出端相连，变换器单元W2的一个输出端与变换器单元W3的另一输出端相连，W2的另一输出端与变换器单元W1的一个输出端相连，变换器单元W1的另一输出端成为W相的输出端；变换器单元U5、V5和W5的另一输出端相互连接形成中性点N，其输入端与降压变压器中相位为-24°次级绕组的三相输出端分别相连，变换器单元U4、V4和W4的输入端与降压变压器中相位为-12°次级绕组的三相输出端分别相连，变换器单元U3、V3和W3的输入端与降压变压器中相位为0°次级绕组的三相输出端分别相连，变换器单元U2、V2和W2的输入端与降压变压器中相位为+12°次级绕组的三相输出端分别相连，变换器单元U1、V1和W1的输入端与降压变压器中相位为+24°次级绕组的三相输出端分别相连。变换器单元U5～U1、V5～V1和W5～W1分别通过信号电缆PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1与总控制器相连。

总控制器4中，总控制器通过信号电缆PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1分别与变换器阵列中的三相-单相矩阵变换器单元U5～U1、V5～V1和W5～W1连接。

本发明设计的变换器阵列中的三相-单相矩阵变换器单元结构如图2所示，由分输入滤波器5、同步变压器6、功率开关阵列7和分控制器8构成。分输入滤波器5由三只滤波电感和三只滤波电容组成，三只滤波电感的输入端连接降压变压器次级绕组的三相输出端，其输出端连接三只滤波电容的一端、同步变压器的三相初级绕组和功率开关阵列的输入端，三只滤波电容的另一端相互连接。同步变压器6由三相初级绕组、三相次级绕组和磁芯组成，初级绕组与分输入滤波器的输出端、功率开关阵列的输入端连接，次级绕组与分控制器的检测电路连接。功率开关阵列7由6只双向可控功率开关组成，构成3H桥结构，每个桥臂包括两个双向可控功率开关，3个桥臂中点与分输入滤波器的输出端相连，上桥臂三个双向可控功率开关的一端连接在一起形成一相输出端，下桥臂三个双向可控功率开关的一端连接在一起形成另一相输出端。分控制器8由检测电路、运算调制器、逻辑电路和驱动隔离保护电路组成，检测电路与同步变压器的三相输出端相连，其输出通过信号线与运算调制器相连，运算调制器通过信号线与逻辑电路相连，隔离驱动保护电路与运算调制器和逻辑电路相连，并与三相-单相矩阵变换器单元的功率开关阵列相连。

分输入滤波器5中，滤波电感L4、L5和L6的一端分别连接降压变压器的三相次级绕组的输出端，另一端分别与滤波电容C4、C5和C6的一端相连后与同步变压器初级绕组、功率开关阵列输入端相连，滤波电容C4、C5和C6的另一端相互连接。

同步变压器6中，初级绕组与分输入滤波器的输出端、功率开关阵列的输入端连接，次级绕组与分控制器的检测电路连接。

功率开关阵列7中，双向可控功率开关S1与S4的一端连接构成一个桥臂，双向可控功率开关S2与S5的一端连接构成一个桥臂，双向可控功率开关S3与S6的一端连接构成一个桥臂，双向可控功率开关S1、S2和S3的另一端相互连接形成一个交流输出端P1，双向可控功率开关S4、S5和S6的另一端相互连接形成另一个交流输出端P2。

分控制器8中，检测电路与同步变压器的次级绕组相连，隔离驱动保护电路通过信号电缆与功率开关阵列相连。

本发明的工作原理为：

(1)总输入滤波器1中，三相LC滤波器对电网电压进行滤波，对降压变压器初级绕组的脉冲电流进行滤波，得到正弦波形的输入电流。

(2)降压变压器2中，初级绕组输入三相中高压交流电压，通过电磁感应，在次级绕组中得到15路隔离的低压交流电压，供后级由三相-单相矩阵变换器单元组成的低压变换器阵列使用。

(3)变换器阵列3中，每一个三相-单相矩阵变换器单元输出一相低压的幅频可调的交流电压，所有的变换器单元采用相同的控制策略，位于同一列的5个变换器单元采用输出电压相位相同的调制策略，其输出实行串联，位于同一行的变换器单元采用输入电压相位相同的调制策略，5行变换器单元的输入电压相位分别为-24°、-12°、0°、+12°和+24°，变换器阵列的3列之间的输出电压相位各差120°，这样得到电压幅值倍增的幅频可调的三相高压交流电压U、V和W，而且输出交流电压为多电平，加上三相-单相矩阵变换器本质上就是多电平，输出交流电压的电平数更多，意味着输出交流电压的基波含量更高。每一个变换器单元可以采用多种控制策略和换流策略，前者如开关函数算法、电流空间矢量算法、双线电压算法和滞环电流算法，后者如半软化四步换流策略、半自然两步策略和一步换流策略，对于同一列不同行的变换器单元而言，为了输出波形更加良好的交流电压和/或降低系统的共模电压强度，具体实现的调制算法要求有所不同，如可以采用移相调制技术和共模电压抑制技术。变换器单元中的分控制器在总控制器的协调控制下，负责检测变换器单元输入电压的信息，如电压波形和过零点，运算调制器读取这些信息后进行一系列计算，并实现相应的调制算法，产生PWM脉冲信号，再经由逻辑电路的逻辑运算后，产生功率开关阵列中全部功率开关所需的12路PWM驱动脉冲信号，再经过驱动隔离保护电路后送入功率开关阵列中功率开关的门极，驱动功率开关的开通与关断工作，实现三三相交流电压-单相交流电压的变换，如果某一功率开关出现过流或过热情况，功率开关阵列将反馈故障信号传送至分控制器，实现硬件和软件保护，分控制器将有关信息传送给总控制器，总控制器实行整体干预。

变换器阵列中的变换器单元为3的整倍数，从而构成3列n行，n一般≥3，可以满足更宽范围的三相交流输出电压需要，输出电压幅值可以超过电网电压的幅值。

(3)总控制器4中，总控制器通过信号电缆PU5～PU1、PV5～PV1和PW5～PW1分别与变换器阵列中的三相-单相矩阵变换器单元U5～U1、V5～V1和W5～W1进行信息交换，实行总体控制。

本发明的总输入滤波器、降压变压器、由变换器单元构成的变换器阵列和总控制器为密不可分的组成部分，不能简单地单独分析，从而构成级联多重化矩阵变换器。工作原理的实质是：降压变压器完成由高压交流电压-低压交流电压的转换，为低压小功率的三相-单相矩阵变换器单元供电。每一个变换器单元能够将三相低压交流电压转换成单相幅频可调的低压交流电压，同一列的变换器单元的输出串联后得到单相幅频可调的高压交流电压，三列变换器单元便可产生三相幅频可调的高压交流电压，为中高压交流电动机传动系统提供变频电源。由于变换器单元为交交变换器，降压变压器本质上能够变流，以及降压变压器的次级绕组相位的针对性设置，使得整个变换器系统为四象限变换器，能量能够双向流通，在网侧能够消除更高次的谐波电流分量，可以获得正弦电流波形和可调的功率因数，不仅获得了高压大功率变频传动电源，而且本质上具备了完全的电力环保特征，同时消除了低寿命的元器件和传统高压大功率变频传动电源的交直交多级变换结构，具有成本低、效率高、结构简单、可靠性高等优点，另外所用降压变压器的各个次级绕组可以设计成相同的连接组别或相位，例如设计成最简单的Y型或Yn连接结构，此外级联多重化的级数可以增加和减少，因此非常适用于高压大功率变频传动领域。

上述器件中滤波电感L1～L3为普通高压电感，滤波电容C1～C3为低感的普通高压电容，滤波电感L4～L6为普通低压电感，滤波电容C4～C6为低感的普通低压电容，不要求精度；变换器单元供电电压可选择交流有效值1140V、660V和380V电压级别，相应地设计功率开关阵列中功率开关IGBT的正向电压阻断能力，对一致性不作特别要求；分控制器与总控制器可以选择微控制器和数字信号处理器以及外围数字或模拟电路，不作具体要求；降压变压器可以选择常规的高压降压变压器，其次级绕组可以采用不同的连接组别或采用相同的连接组别。本发明一个实施例的参数为：L1～L6取0.1mH～50mH，C1～C6取1μF～470μF。

图3为本发明级联多重化矩阵变换器在大功率交流电力传动系统中的实施例。

按图3所示，级联多重化矩阵变换器的输入端施加高压的三相工频正弦交流电压源，电动机额定电压有效值为3.3kV，输出功率为150kW左右，级联多重化矩阵变换器采用5重化方案，每个变换器单元只需承受380V的电压强度，分担10kW的功率，能够满足交流电动机变压变频的供电要求，提高级联多重化矩阵变换器-大功率交流电力传动系统的整体效率，另外由于级联多重化矩阵变换器的效率高和电源利用高，因此整个系统的成本具有下降的空间。

显然，本发明级联多重化矩阵变换器可以应用在中高压交流电动机传动领域，包括电动机的四象限运行和软启动，适用于高压大功率应用场合，起到输入功率因数高、整个系统四象限运行，输出高压交流电压谐波含量低、输出交流电压级数可调、EMI强度低的作用。

Claims (2)

1、一种级联多重化矩阵变换器，其特征在于包括总输入滤波器(1)、降压变压器(2)、变换器阵列(3)和总控制器(4)，所述总输入滤波器(1)由三只滤波电感(L1～L3)和三只滤波电容(C1～C3)构成，三只滤波电感(L1～L3)分别串接在电网与降压变压器(2)的初级绕组之间，三只滤波电容(C1～C3)的一端相互连接，另一端分别与降压变压器(2)的初级绕组相连；所述降压变压器(2)具有3n个三相次级绕组，每3个一组具有相同的相位，初始相位为0°，相邻组之间基本相位差的绝对值为60°/组数，所述变换器阵列(3)由3n个变换器单元排成3列×n行的阵列结构构成，降压变压器(2)次级绕组的组分别与变换器阵列(3)中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换器单元一一对应相连；变换器阵列(3)中，每一列变换器单元的功率输出端依次串联，形成一相交流电压输出，三列变换器单元输出采用Y接法形成三相交流电压输出，每个变换器单元分别通过信号电缆与总控制器(4)连接；所述变换器单元由分输入滤波器(5)、同步变压器(6)、功率开关阵列(7)和分控制器(8)构成，所述分输入滤波器(5)由三只滤波电感(L4～L6)和三只滤波电容(C4～C6)构成，三只滤波电感(L4～L6)分别串接在降压变压器(2)的次级绕组与功率开关阵列(7)的输入端之间，三只滤波电容(C4～C6)的一端相互连接，另一端分别与功率开关阵列(7)的输入端相连；所述同步变压器(6)的初级绕组与分输入滤波器(5)的输出端和功率开关阵列(7)的输入端相连，次级绕组与分控制器(8)的检测电路相连；所述功率开关阵列(7)由六只双向可控功率开关连接成3H桥结构，其输出即为变换器单元的功率输出；所述分控制器(8)由检测电路、运算调制器、逻辑电路和隔离驱动保护电路组成，检测电路与同步变压器(6)的三相输出端相连，检测电路的输出通过信号线与运算调制器相连，运算调制器通过信号线与逻辑电路相连，隔离驱动保护电路与运算调制器和逻辑电路相连，并与功率开关阵列(7)相连。

2、根据权利要求1的级联多重化矩阵变换器，其特征在于所述功率开关阵列(7)中的六只双向可控功率开关(S1～S6)采用共射极反向并联连接方式构成3H桥，每个桥臂包括两个双向可控功率开关，三个桥臂中点与分输入滤波器(5)的输出端相连，上桥臂三个双向可控功率开关的一端连接在一起形成一相输出端，下桥臂三个双向可控功率开关的一端连接在一起形成另一相输出端。

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