CN101267179B - 基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统，属交流电机起动/发电系统。该系统包括无刷直流电机和双级式矩阵变换器，双级矩阵变换器包括三角形压敏电阻保护电路，逆阻型全桥变换器，电容滤波电路，三相四桥臂变换器，输出滤波电路。该系统除了综合交-直-交(Back-to-back)变换器输入输出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小的优点外，还具有“机-电优势互补”的优点：功率因数校正环节容易实现；省去输入测滤波器；两步换流思想；整流级开关频率的降低。该系统改变了目前国内外高速电机起动/发电系统研究集中在交-直-交变换器和传统矩阵式变换器的格局。

Description

基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统

技术领域

本发明基于双级式矩阵变换器的无刷直流电机起动/发电系统，属交流电机类的起动发电系统。

背景技术

众所周知，高速电机起动发电系统在工业应用中有着很重要的地位。随着生产的需要，对高速、大容量的电力驱动与发电设备有了很大的需求，如高速高精度机床，涡轮分子泵，高速离心机、压缩机，分布式电源系统中的高速涡轮发电机及飞轮储能(机电电池)应用等。特别是在微型燃气轮机发电机组的应用近年来越来越受到关注。起动/发电系统常用的一种变换器拓扑是交-直-交(Back-to-back)电压型变换器，如附图1所示，交-直-交(Back-to-back)电压型变换器的整流级电路和逆变级电路分别由两个三相全桥电路构成。这种电路结构应用广泛，它的优缺点如下：

优点：

(1)由于直流环节的存在，可以使得整流级电路和逆变级电路实现解耦控制，减小了相互影响，提高了输入侧和输出侧的电能质量。

缺点：

(1)这种变换器虽然充分利用了电力电子器件，但其开关损耗较高；

(2)由于每相桥臂需要切换直流电压，使得输入侧三相升压(Boost)电感容量较大。

(3)输入侧需要进行高频SPWM整流控制以实现高功率因数，为获得很好的控制性能，开关管开关频率很高，这将带来很大的电磁干扰，而当输入频率进一步提高时，控制性能和功率因数将会下降(在Capstone C30样机中，电机额定转速为96000rpm，整流输入频率高达1600Hz，要想获得理想的控制精度就对开关管和数字控制芯片提出了苛刻的要求)，即使有可能使用更高性能的开关管和更高速度的数字控制芯片，即使不计成本，如此高的开关频率，如此大功率，将带来不可忽视的发热、损耗和电磁干扰，系统的可靠性和效率都会降低，严重影响了超高转速和更大功率的扩容。

交-交功率变换的另一种常用拓扑为矩阵变换器。矩阵变换器是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置。狭义的矩阵式变换器仅指普通三相-三相矩阵式变换器，它的拓扑如附图2所示，由9个双向开关组成，每个双向开关均具有双向导通和双向关断的功能。9个双向开关按照3×3的矩阵进行排列，通过双向开关的导通于关断，三相交流输入中的任意一相可以直接连接至三相交流输出中的任意一相。矩阵式变换器的输入侧还需要三相电感电容(LC)滤波器，以滤除输入电流中有开关动作引起的高频谐波。由于自身的结构特点，它具有很多优于传统交流电力变换装置的特性，如：

(1)电能的直接双向流动，可以实现真正的四象限运行；

(2)输入与输出电流波形均为正弦波，谐波含量少；

(3)对任意负载均可实现输入侧功率因数为1；

(4)不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。

缺点如下：

(1)三相-三相式矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；

(2)矩阵式变换器由于不具有直储能环节，负载侧的干扰可以直接反映到输入侧。在变频调速过程中，某些工作频率时输出侧谐波含量较大，这会直接影响输入侧电能质量，增大输入电流总谐波畸变率(THD)，严重时会造成对电网的谐波污染。矩阵式变换器中，消除电流输入侧谐波起主要作用的是LC滤波器，但输入滤波器的参数设计比较困难，这使得矩阵式变换器的电磁兼容不够理想，有待改进；

(3)相对于交-直-交电压型变频器，矩阵式变换器的电压利用率低，其最大值只有86.6％，如果需要得到更高的电压利用率，必须在输入波形中注入谐波成分，从而必然会降低输出波形的质量，也会影响输入侧的电能质量；

(4)矩阵式变换器是直接型的交流电力变换装置，省去了直流大电容或大电感，虽带来了一系列好处，但也使得矩阵式变换器在电网电压非正常工况下的控制非常困难。当电网电压出现输入不平衡、波形畸变、电压跌落甚至是瞬时断电时，在交-直-交电压型变频器中可以利用直流电容的储能作用，维持直流电压的稳定，保证变频器的正常输出。但在矩阵式变换器中，当上述非正常工况发生时，只能依赖对输入电压的检测，根据一定的调制算法控制变换器正常工作，其及时性和可靠性均不理想。特别是在交流电机调速系统中，当电网瞬时断电后，还需检测负载电动机的状态，才能恢复系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种集合传统的交-直-交(Back-to-back)变换器输入输出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小优点的起动/发电系统，利用永磁无刷直流电机效率高、功率密度高、特别是高转速时功率因数易于控制(相对于永磁同步电机)的优势，从电机-变换器一体化最优(控制策略、可靠性、开关损耗、整机效率、电磁干扰)的角度解决高速、大容量交流电机及其功率变换系统得基础理论和运行控制技术。

一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统，包括无刷直流电机和双级矩阵变换器，所述双级矩阵变换器包括保护电路，整流级电路，电容滤波电路，逆变级电路，输出滤波电路，无刷直流电机经保护电路连于整流级电路，整流级电路经电容滤波电路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波电路相连，其特征在于，所述的保护电路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电阻保护电路，三角形保护电路的三个联接点分别与无刷直流电机的三相相连；所述的整流级电路采用逆阻型IGBT全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型IGBT组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相；所述的逆变级电路为三相四桥臂变换器电路，其中一个桥臂的两个开关管的串联节点连于三个输出滤波电容一端的公共点，另三个桥臂的两个开关管的串联节点分别经一个输出滤波电感连于一个输出滤波电容的另一端。

本发明改变了目前国内外高速电机起动/发电系统研究集中在交-直-交变换器和传统矩阵式变换器的格局，既集合了传统的交-直-交变换器输入输出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小的特点，同时又利用了永磁无刷直流电机效率高，功率密度高，特别是高转速时功率因数易于控制的优势，所以本发明具有开关损耗低，效率高，电磁干扰小，可靠性高，易于控制等优点。

附图说明

附图1交-直-交(Back-to-back)变换器拓扑

附图2普通三相-三相矩阵式变换器拓扑

附图3基于双级矩阵式变换器的无刷直流电机起动发电系统

附图4逆阻型IGBT反并联结构

具体实施方式

本发明提出如附图3所示的基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机的起动/发电系统。该系统由无刷直流电机、逆阻型IGBT全桥变换器、三相四桥臂变换器、输出LC滤波电路组成。无刷直流电机经保护电路连于整流级电路，保护电路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电阻保护电路，三角形保护电路的三个联接点分别与无刷直流电机的三相相连，利用压敏电阻出现过压时其内阻急剧下降并迅速导通的特性，在过电压时给浪涌电流提供通路。整流级电路经电容滤波电路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波电路相连，整流级电路的功能是把电机输出的三相电压整流成直流电，同时保持电机的高功率因数。整流级电路采用逆阻型IGBT全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型IGBT组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相，便于控制电机相电流波形以提高功率因数；逆变级电路为三相四桥臂变换器电路，其主要功能是将整流电路得到的直流电逆变成交流电，其中一个桥臂的两个开关管的串联节点连于三个输出滤波电容一端的公共点，此桥臂在逆变电路带不对称负载时给零序电流提高回路；另三个桥臂的两个开关管的串联节点分别经一个输出滤波电感连于一个输出滤波电容的另一端。其中，整流级电路采用的逆阻型IGBT是一种具有承受反向电压能力的新型电力电子器件，它解决了普通IGBT不能反相截止的问题，使得双向开关可以简化为简单的反并联结构，省去了两个快恢复二极管，它的结构如附图4所示。

各部分的工作关系如下：起动时，三相四桥臂变换器工作在整流状态，逆阻型IGBT全桥变换器工作在逆变状态，驱动无刷直流电机电动运行；发电时，无刷直流电机发出的三相电经无刷直流电机为原动机，发出三相交流电经逆阻型IGBT全桥变换器整流得到直流电，三相四桥臂逆变器将直流电变换成三相四线制交流电经输出滤波器滤波后供给负载使用。附图3中电机侧的三角形联结压敏电阻保护电路，利用压敏电阻在正常条件下相当于小电容，而在电路出现过电压时其内阻急剧并迅速导通的特性，选择适当的压敏电阻，在过电压时给浪涌电流提供通路，从而实现了过压保护。

该系统除了综合交-直-交(Back-to-back)变换器输入输出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小的优点外，它特有的“机-电优势互补”的优点如下：

(1)功率因数校正环节容易实现：充分利用无刷直流电机2π/3角度导通特性和双级变换器输出侧可等效为电流源的特点。无刷直流电机发电时采用2π/3角度换向控制，若不考虑电机内阻影响，母线输出波形为直流电压(不加滤波电容)，为后级三相四桥臂逆变并网控制带来了方便。同时，由于负载等效为电流源，在2π/3角度换向的同时电机功率因数近似为1。

(2)输入测滤波器省去：在传统的矩阵式变换器中，输入侧滤波器的作用是滤除由于高频PWM整流控制产生的电流纹波，使得输入电源的电流波形连续，谐波小，从而提高功率因数。在起动/发电系统中，由于发电频率的变化，输入侧滤波器设计困难。采用无刷直流电机，整流级无需采用高频PWM整流即可实现功率因数校正，因此输入电流谐波只存在逆变级的开关纹波，为较小该纹波，只需在两级电路间并上一个小容量直流电容(或串联一个滤波电感)。注意，由于发电机为无刷直流电机，同时采用2π/3角度导通控制，不考虑负载电流影响时，输出波形为直流；而永磁同步电机输出波形为“馒头”波，因此，本系统中的滤波电容仅仅只要平滑由于负载纹波电流引起的电压脉动，这样一来，与传统的交-直-交变换器的直流滤波电容相比，它的容值可以大大减小。同时由于高速电机转动惯量较小，转速易受干扰引起波动，加入直流环节，可以减少前后级电路相互影响，易于实现前后级电路的解耦控制。

(3)两步换流思想：逆阻式IGBT的使用解决了普通IGBT不能反向截止的问题，使得双向开关可以简化为简单的反并联结构，省去了两个快恢复二极管。而且，虽然单个逆阻式IGBT的功率损耗略大于普通IGBT，但根据测试，由逆阻式IGBT组成的双向开关总功率损耗小于由普通IGBT构成的双向开关。在无刷直流发电机2π/3角度换向控制中，逆阻型IGBT可以实现强制全控换相，但由于电机为感性源，关断相会产生较大的电压尖峰。为解决这一问题，可以使用压敏电阻的无源保护策略，在矩阵变换器的输入侧连接一组三角形的压敏电阻，利用压敏电阻出现过压时其内阻急剧下降并迅速导通的特性，在过电压时给浪涌电流提供通路。这种方法虽可实现过压保护，但是损耗大，效率不高，它实际上是将电感能量消耗在了电阻上本系统研究基于关断相电流极性的两步换流思想：在换相过程中，先把待通相的双向开关导通，此时待断相存在着不能突变的电感能量，让其双向开关继续导通，利用待通相的反电势大于待断相反电势(两者极性相同)，将其电感能量直接转移供给负载，检测到待断相电流为零(电感能量已全部转移)，将其关断。这样一来，既解决了电感能量不能突变的问题，又将电感能量没有损耗的直接供给了负载，在不改变开关频率的情况下，提高了系统效率。

(4)整流级开关频率的降低：由于发电机采用2π/3角度导通策略，整流级开关管的开关频率仅为发电频率的2倍(电机最高96000转时，开关频率为3.2K)，就可实现高功率因数。而采用永磁同步电机在96000转要实现高功率因数，整流级开关频率需要几十千Hz。开关频率的降低减小了开关损耗，提高了效率，减小了电磁干扰，提高了系统可靠性。

表1给出了各种交-交变换器起动/发电发系统的综合比较。

表1交-交变换器起动/发电系统综合比较

综上所述，从电机-变换器一体化最优(控制策略、可靠性、开关损耗、整机效率、电磁干扰)的角度，无刷直流电机+双级式矩阵变换器系统具有较高的整体优势。无刷直流电机+双级式矩阵变换器这一控制系统的提出将改变目前国内外高速电机起动/发电系统研究集中在交-直-交变换器和传统矩阵式变换器的格局。

Claims (1)

1.一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统的开关换相方法，该开关换相方法所使用的高速无刷直流电机起动/发电系统，包括无刷直流电机和双级矩阵变换器，所述双级矩阵变换器包括保护电路，整流级电路，电容滤波电路，逆变级电路，输出滤波电路，无刷直流电机经保护电路连于整流级电路，整流级电路经电容滤波电路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波电路相连，所述的保护电路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电阻保护电路，三角形保护电路的三个联接点分别与无刷直流电机的三相相连；所述的整流级电路采用逆阻型IGBT全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型IGBT组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相；所述的逆变级电路为三相四桥臂变换器电路，其中一个桥臂的两个开关管的串联节点连于三个输出滤波电容一端的公共点，另三个桥臂的两个开关管的串联节点分别经一个输出滤波电感连于一个输出滤波电容的另一端，其特征在于：开关换相时采用两步开关换相方法，在开关换相过程中，先把待通相的双向开关导通，此时待断相存在着不能突变的电感能量，让其双向开关继续导通，利用待通相的反电势大于待断相反电势，将其电感能量直接转移供给负载，检测到待断相电流为零，将待断相开关关断。

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