CN101026350A - 具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器，该控制器中的三相交交式矩阵变换器的三个输入和输出端分别与电源及交流电机连接，矩阵变换器由9个双向开关呈3*3矩阵状排列，每个输入、输出相都有且仅与一个双向开关连接；过压吸收电路中两组整流桥输出同相端相连，其正负极间连接箝位电容，泄放电阻与箝位电容并联，两组整流桥的三路输入及输出分别连接矩阵变换器电路的输入输出端，直流励磁电路将过压吸收电路中箝位电容两端电压引出。本发明采用三相交交式矩阵变换器实现了交交直接变换，避免了中间直流环节，减重增效，且能量双向流动能实现电机的四象限工作。励磁绕组利用过压吸收电路中的直流电，更缩小了控制器的体积重量。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种交流电机控制器，具体的说是一种新型的具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器。
二、背景技术
具有直流励磁功能的交流电机可以通过控制直流励磁电流，从而方便地调节电机磁场。该类电机作电动机使用时，具有更广的调速范围和良好的控制性能；作为发电机使用时，通过调节励磁磁场，保证发电机在负载变化时，维持正常的输出电压。另外，该类电机在作发电运行时具有自灭磁功能，提高了系统运行的可靠性。该类电机从电机结构分为电励磁结构与混合励磁结构。前者已经在诸多工业领域和航空航天、舰船等军事领域得到了广阔的应用前景；后者属于新兴的电机结构，其具备了电励磁电机与永磁电机的优点，具有广阔的应用领域及良好的应用前景。
从电机控制器角度而言，一般采用交直交结构的变换器，即先整流后逆变的方式，其具有良好的调速性能，并得到了广泛应用。但是该结构也存在一些固有的缺陷，如斩波所引起的输入电流中含有高次谐波，能量难以实现双向流动等。而矩阵式交交变换器是一种新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的交交变换器。与传统的交交变频器及交直交变频器相比，矩阵式交交变换器具有以下几个显著特点：
1.控制自由度大，输出电压可调，输出频率理论上可为任意值——以功率开关为理想开关和控制器处理速度足够快为前提。
2.输入功率因素可任意调节，可超前、可滞后，可调至极其逼近于1。
3.输入电流波形好，无低次谐波，波形失真度小。
4.能量可双向流动，无中间直流环节，结构紧凑，体积小。
基于交交矩阵式变换器的励磁电机控制系统采用交交直接变换结构实现对交流电机的控制，同时使励磁电路融合到主控制电路中，实现了一体化设计，具备了两者上述的优点，具有体积重量轻、结构紧凑、谐波小及效率高等特点，不失为一种具有良好应用前景的电机控制系统。
三、发明内容
1、发明目的
本发明目的是结合三相交交式矩阵变换器提供一种新型的具有直流励磁功能的交流电机控制器。
2、技术方案
本发明所述的一种具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器，该控制器包括三相交交式矩阵变换器电路、过压吸收电路和直流励磁调节电路。三相交交式矩阵变换器电路的三个输入端与电源连接，三个输出端与交流电机连接，三相交交式矩阵变换器电路由9个双向开关组成，所谓双向开关指导通时能流过双向电流，关断时能阻断双向电压且具有自关断能力的开关。9个双向开关呈3*3矩阵状排列构成三相交交式矩阵变换器电路，每个输入相与每个输出相都有且仅有一个双向开关连接。
过压吸收电路由箝位电容、泄放电阻与两组整流桥组成，作用是为防止在开关切换过程中产生的高压尖峰，保证电路的可靠性。两组整流桥输出同相端相连，正负极间连接箝位电容，泄放电阻与箝位电容并联，泄放电路的过压能量，两组整流桥的三路输入及输出分别连接三相交交式矩阵变换器电路的输入端和输出端。
直流励磁电路将过压吸收电路中箝位电容两端电压引出。本发明中直流励磁调节电路的功能是调节励磁绕组电流，起辅助控制作用，选择范围宽广，常用的励磁调节电路如全桥、半桥、不对称半桥都能使用。
控制器工作的主要原理是通过调节三相交交式矩阵变换器控制其输出电压，间接控制电机绕组电流。励磁绕组的电流通过直流励磁调节电路调节，起辅助控制作用，其能量主要从过压吸收电路获得。
3、有益效果
本发明采用三相交交式矩阵变换器作为电机控制器的主要组成部分实现了交交直接变换，避免了中间直流环节，减小了控制器体积重量，提高了系统效率，并且能量可以双向流动，能实现电机的四象限工作。本发明中励磁绕组供能没有使用额外的电源，而是利用了过压吸收电路中的直流电能，从而进一步缩小了控制器的体积重量，降低了成本。
四、附图说明
图1混合励磁电机的控制器拓扑图；
图2三相交交式矩阵变换器电路拓扑图；
图3三相交交式矩阵变换器电路另一种拓扑图；
图4过压吸收电路拓扑图；
图5三相交交式矩阵变换器电路的几种典型开关状态图；
图6过压吸收与励磁电路。
五、具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器，其包括三相交交式矩阵变换器电路、过压吸收电路和直流励磁调节电路，交流电机与电源通过三相交交式矩阵变换器电路连接，过压吸收电路与矩阵变换器的两端相连，直流励磁电路将过压吸收电路电容两端电压引出。
本发明中三相交交式矩阵变换器作为电机控制器的主要部分，其拓扑如图2，图3所示，三相交交式矩阵变换器电路由9个双向开关组成，9个双向开关呈3*3矩阵状排列，每个输入相与每个输出相都有且仅与一个双向开关连接。其输入侧接三相交流电源，输出侧接电机的三相绕组。因为三相交交式矩阵变换器工作时须满足输入侧不能短路，输出侧不能开路，故有27种开关状态，图5列举了其几种典型的开关状态。采用合适的调制方法完全能够完成对电机的控制。
理想情况下三相交交式矩阵变换器开关切换是在瞬时完成的，但现实中开关的导通存在导通时间，开关的关断存在关断时间，又因为电机是感性负载，电流不能突变，所以开关通断切换瞬间会形成高压尖峰。为保护双向开关不受损坏，对三相交交式矩阵变换器设置过压吸收电路抑制高压尖峰，以及为电机故障状态提供能量泄放回路，电路拓扑如图4所示。
本发明主要提出利用过压吸收电路的能量供给励磁绕组工作，过压吸收电路由箝位电容、泄放电阻与两组整流桥组成，两组整流桥输出同相端相连，正负极间连接箝位电容，而泄放电阻与箝位电容并联，如图6所示。过压吸收电路整流桥二极管的导通情况按导通原因可以分为非过压和过压两种情况。非过压情况时，由于三相交交式矩阵变换器最大电压传输比为0.866，所以输入侧线电压最大相对应的两个二极管导通，输出侧二极管全部截至。此时电容C作为小型滤波电容，仅起平滑电压波形的作用。过压情况产生的原因主要是因为三相交交式矩阵变换器开关切换存在死区，导致电压尖峰。此时三相交交式矩阵变换器出现过压的相所对应过压吸收电路的二极管桥臂导通，即输出侧对应的整流桥二极管桥臂亦有可能导通。此时电容C的起电压箝位作用，能够抑制电压尖峰，保护三相交交式矩阵变换器主电路双向开关。因为过压吸收与励磁电路的负载仅由励磁绕组构成，呈大电感负载，所以过压吸收与励磁电路的箝位电容并不起储能的作用，无须采用大电容，因此过压吸收与励磁电路的体积很小。与常用的泄放回路一样，过压吸收电路也可以通过在泄放电阻两端并联一个低阻值电阻，通过功率开关控制，提高故障状态泄放速度。
Claims (2)
1、一种具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器，其特征是：该控制器包括三相交交式矩阵变换器电路、过压吸收电路和直流励磁调节电路，其中三相交交式矩阵变换器电路的三个输入端与电源连接，三个输出端与交流电机连接，三相交交式矩阵变换器电路由9个双向开关组成，9个双向开关呈3*3矩阵状排列，每个输入相与每个输出相都有且仅与一个双向开关连接；过压吸收电路由筘位电容、泄放电阻与两组整流桥组成，两组整流桥输出的同相端相连，其正负极间连接箝位电容，泄放电阻与筘位电容并联，两组整流桥的三路输入及输出分别连接三相交交式矩阵变换器电路的输入端和输出端，直流励磁电路将过压吸收电路中箝位电容两端电压引出。
2、根据权利要求1所述的具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器，其特征是：直流励磁调节电路是全桥、半桥或不对称半桥调节电路。
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