CN102570848A - 一种三相-单相矩阵变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相-单相矩阵变换器，包括三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中三项滤波电感用于减小输入电流与输入电压的相位差，开关矩阵将三相交流电转化为单相直流电后再转换为单相交流电，补偿电容吸收单相脉动功率，滤波器对单相交流电滤波后平滑输出，检测电路用于检测三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧的电流电压，然后将检测结果输出至控制器，控制器通过隔离驱动电路控制开关矩阵。本发明省去了交-直-交型变换器中直流母线上大容量电解电容，提高了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命，克服了现有三相-单相矩阵变换器输入电流不对称、谐波含量大等缺点。

Description

一种三相-单相矩阵变换器

技术领域

本发明涉及一种三相-单相矩阵变换器，属于电力电子变换器的技术领域。

背景技术

三相-单相变频电源有交-交型和交-直-交型两种拓扑结构。而目前所有的交-交型三相-单相矩阵变换器拓扑(桥式拓扑、零式拓扑)都无法实现功率因素校正(PFC)，尤其是在输出单相电源频率较低时，网侧的低次谐波含量大大增加，造成了很大的无功损耗，因此变换器工作效率很低；而对于交-直-交型变换器，虽然可以实现PFC，但必须要在直流母线上连接大容量电解电容来实现前后两级变换器的功率解耦，降低了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种三相-单相矩阵变换器。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种三相-单相矩阵变换器包括：三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中：

所述开关矩阵包括三个开关组：第一开关组、第二开关组、第三开关组；所述第一开关组、第二开关组、第三开关组分别包括三相双向开关，在每个开关组中，每相双向开关的一端分别与其他两个开关组中相对应的那相双向开关的一端连接，形成三个连接点；

所述三相滤波电感的一端分别与三相交流输入源连接，三相滤波电感的另一端分别与所述三个连接点连接；

所述补偿电容的两极分别与第二开关组中每相双向开关的另一端、第三开关组中每相双相开关的另一端连接；

所述滤波器包括：滤波电容、滤波电感；其中：所述滤波电容的一极、第一开关组中每相双向开关的另一端分别与滤波电感的一端连接，滤波电容的另一极极与第二开关组中每相双向开关的另一端连接，滤波电感的另一端与滤波电容的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端；

所述检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接；

所述控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。

所述三相-单相矩阵变换器中，每个开关组中的每相双向开关均由两个反向串联的IBGT管组成。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：省去了交-直-交型变换器中直流母线上大容量电解电容，提高了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命，于此同时也克服了现有三相-单相矩阵变换器输入电流不对称、谐波含量大等缺点。

附图说明

图1为三相-单相矩阵变换器的电路图。

图2为三相-单相矩阵变换器主功率电路示意图。

图3为三相-单相矩阵变换器等效的交-直-交型结构图。

图4(a)是不同输出功率下补偿电容容值与其需承受最高电压的曲线图。

图4(b)是不同输出频率下补偿电容值与其需承受最高电压的曲线图。

图5为虚拟逆变器调制信号控制框图。

图中标号说明：u_a、u_b、u_c为三相交流输入源，L_rea、L_reb、L_rec为三相滤波电感，R_rea、R_reb、R_rec为三相线路的电阻和三相滤波电感的寄生电阻，C_c为补偿电容，C_o为滤波电容、L_o为滤波电感，R_L为输出负载，S_ar、S_br、S_cr为第一开关组，S_as、S_bs、S_cs为第二开关组，S_at、S_bt、S_ct为第三开关组，S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn为虚拟整流器中的开关，S_pr、S_ps、S_pt、S_nr、S_ns、S_nt为虚拟逆变器中的开关。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的三相-单相矩阵变换器，包括三相滤波电感L_rea、L_reb、L_rec，开关矩阵、补偿电容C_c、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路。滤波器包括：滤波电容C_o、滤波电感L_o。

开关矩阵包括：第一开关组、第二开关组、第三开关组。第一开关组包括S_ar、S_br、S_cr，用于控制变换器的输出。第二开关组包括S_as、S_bs、S_cs，是第一开关组和第三开关组的公共开关组。第三开关组包括S_at、S_bt、S_ct，用于控制补偿电容的输出。S_ar、S_as、S_at的一端连接，S_br、S_bs、S_bt的一端连接，S_cr、S_cs、S_ct的一端连接分别形成三个结点。

三相滤波电感L_rea、L_reb、L_rec的一端分别与三相交流输入源u_a、u_b、u_c连接，三相滤波电感L_rea、L_reb、L_rec的另一端分别与所述三个连接点连接。

补偿电容的两极C_c分别与第二开关组中三相双向开关S_as、S_bs、S_cs的另一端、第三开关组中三相双相开关S_at、S_bt、S_ct的另一端连接。

滤波器包括：滤波电容C_o、滤波电感L_o。滤波电容C_o的正极、第一开关组中三相双向开关S_ar、S_br、S_cr的另一端分别与滤波电感L_o的一端连接，滤波电容C_o的负极与第二开关组中三相双向开关S_as、S_bs、S_cs的另一端连接，滤波电感L_o的另一端与滤波电容C_o的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端。

检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接。控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。R_rea、R_reb、R_rec分别表示A、B、C三相线路的电阻和三相滤波电感的寄生电阻。检测电路包括：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器。变换器交流侧的霍尔电压传感器用于测量三相交流输入源的三相电压，霍尔电流传感器用于测量三相交流输入源的三相电流，变换器虚拟逆变侧的霍尔电压传感器用于测量补偿电容电压和三相-单相矩阵变换器输出端的单相输出电压。

如图2所示的三相-单相矩阵变换器主功率电路，包括三相-单相矩阵变换器桥式电路和单相脉动功率吸收电路。三相-单相矩阵变换器桥式电路包括第一开关组、第二开关组以及滤波器。单脉动功率吸收电路包括第二开关组、第三开关组以及补偿电容。三相-单相矩阵变换器桥式电路交流输入侧连接的三相滤波电感构成了PFC环节。三相-单相矩阵变换器主功率电路的工作原理如下：由于输出为单相电源，单相电源的输出功率是一个时变功率，该时变功率可以等效为一个恒定功率分量P_o和一个二倍输出频率的脉动功率分量

的叠加，如果不加入功率补偿电路，则该脉动功率将直接影响到三相输入瞬时功率，使其跟随输入功率实时变化，难以实现输入PFC控制，因此为使三相输入瞬时功率为一恒定值，本发明通过单相脉动功率吸收电路中的补偿电容对该脉动功率进行功率实时补偿，使三相输入瞬时功率始终等于有功功率P_o，而脉动功率全部被补偿电容吸收。

把三相-单相矩阵变换器等效为如图3所示的交-直-交型拓扑结构，等效电路的工作原理为：通过补偿电容C_c的充电和放电来完成输入、输出功率解耦，抑制了输出侧的脉动功率

对三相瞬时输入功率的影响，保证三相瞬时功率是恒功率输入。

对于虚拟逆变环节：先忽略补偿电容C_c上的电压u_cc对直流母线电压的作用，则开关(S_pr，S_nr)的控制信号由调制波

和载波交截得到(如附图5所示)，则三相-单相矩阵变换器桥式输出电压对虚拟直流母上的影响V_{dc_m}为：

$V_{\mathrm{dc}\_m}={\mathrm{\ξ}}_m\·u_o={\mathrm{\ξ}}_m\×\sqrt{2}{U}_o\cos {\mathrm{\ω}}_{o}t=\frac{M_m^{*}{U}_o}{\sqrt{2}}(1+\cos {2\mathrm{\ω}}_{o}t)---\left(1\right)$

式中，

为开关管(S_pr，S_nr)的调制系数，ω_o是单相交流电的输出频率，对于恒频输出可以直接给定，在本例中ω_o＝2πf_o，而f_o通常取为工频50Hz；输出负载R_L上的电压U_o由检测电路中的霍尔电压传感器测得。

由式(1)可知，虚拟直流母上的电压V_{dc_m}含有一个二倍频率的低频脉动，因此为使直流母线上的电压在一个高频开关周期内的平均值始终保持不变，通过控制开关管S_ps和S_ns的占空比，及其调制波ξ_c，得到补偿电容上的充电和放电时间，从而得到期望的补偿电容C_c上的电压u_cc，使其对直流母线上调制电压与该低频脉动电压幅值相等，相位恰好相差180°，从而合成的母线电压的低频脉动分量正好相互抵消，只剩下直流分量和高频分量。在这里，开关(S_ps，S_ns)的调制波为

因此补偿电容C_c对直流母线上电压的影响V_{dc_c}为：

$V_{\mathrm{dc}\_c}={\mathrm{\ξ}}_c{u}_{\mathrm{cc}}={\mathrm{\ξ}}_c\frac{1}{C_c}\∫{\mathrm{\ξ}}_c{I}_{\mathrm{dc}}\mathrm{dt}=-\frac{M_c{I}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{\ω}}_o{C}_c}\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t+\frac{\mathrm{\π}}{4})=-\frac{{M_c}^2{I}_{\mathrm{dc}}}{{2\mathrm{\ω}}_o{C}_c}\cos {2\mathrm{\ω}}_{o}t---\left(2\right)$

式中，u_cc为补偿电容分上的电压，M_c为开关管(S_pr，S_nr)的调制系数，C_c为补偿电容的电容值，I_dc为补偿电容中流过的电流。

只要保证开关管(S_ps，S_ns)的调制系数M_c和开关管(S_pr，S_nr)的调制系数满足一定的数学关系，就可保证直流母线电压为没有低频脉动分量，而此时脉动功率在一个脉动周期内对储能电容进行充放电，而不会对输入侧功率造成影响。而开关(S_pt，S_nt)根据开关(S_ps，S_ns)和开关(S_pr，S_nr)开关状态得到其开关信号。需要注意的是，为了防止滤波电容和储能电容短路，同一桥臂上的开关不能同时导通，如(S_pt，S_ps)不能同时导通。

在恒定的输入功率条件下，两者的关系为

但是在输入功率变化时，此时I_dc就会发生变化，因此两者的关系为

补偿电容完全吸收脉动功率的能量，其容值可由输出功率和输出频率来确定，其表达式为：

$C_c=\frac{P_o}{{\mathrm{\πf}}_o{U_{\mathrm{cc}\max }}^2}---\left(3\right)$

式中：P_o为变换器输出功率，f_o为变换器输出频率，U_ccmax为补偿电容承受的最高电压。

调制波均由控制器生成，控制器为DSP芯片。检测电路测得的的三相输入电压和和三相电流均是指相电压和相电流，测得的电压值和电流值送入DSP中经过计算得到控制输入电流的电流指令，从而由控制指令得到矩阵变换器各个开关管的驱动PWM波。虚拟逆变器调制波的控制框图如图5所示。

图4(a)是不同输出功率下补偿电容容值与其需承受最高电压的曲线图，当变换器输出频率f_o恒定为50Hz时，变换器输出功率P_o为2kW或者1kW或者500W时，补偿电容承受的最高电压都随着补偿电容值的增大而减小。输出功率P_o越小，补偿电容值越小。

图4(b)是不同输出频率下补偿电容值与其需承受最高电压的曲线图。当变换器输出功率P_o恒定为1kW时，变换器输出频率f_o为50Hz或者100Hz或者400Hz时，补偿电容承受的最高电压都随着补偿电容值的增大而减小。输出频率f_o越大，补偿电容值越小。

综合图4(a)和图4(b)可知，在变换器输出功率越小，输出频率越大时补偿电容的容值可以取得越小。而在实际电路中，除了需要考虑上述两个因素外，还需要考虑电容的最大耐压值，这时要进行折中的选取才能保证选取的是合理的补偿电容。

对于虚拟整流级：三相电压型PWM整流器的调制方法常用的有两种，分别为SPWM调制和SVPWM调制。本发明采用的是SVPWM调制策略，虚拟整流器的6个开关管有8种工作方式，其中6种开关状态构成6个基本矢量，另外2种开关状态构成零矢量，空间矢量算法就是根据整流器交流侧所需的电压指令确定开关管工作状态，当实际的整流器交流侧电压跟随交流侧指令电压旋转变化时，输出的虚拟直流母线电流在除去高次谐波后就为一恒流源，也同时能够保证输入电流相位和输入电压相位一致。

需要注意的是：在三相-单相矩阵变换器中由于整流侧和逆变侧是通过虚拟直流母线直接相连的，没有储能元件(如大容量电解电容)使整流器的输出阻抗很小，而使逆变器的输入阻抗很大，并且，虚拟直流母线上的又富含较高幅值的高频分量，因此在实际电路中，为了获得更好的整流器(VSR)和逆变器(CSI)的输入、输出性能，整流侧的开关频率要比逆变侧的开关频率高且不为逆变侧开关频率的整数倍。

最后把虚拟整流侧和虚拟逆变侧的开关状态进行合成，得到本发明中九个双向开关的状态。

下表是本发明中给出的一个具体实例参数：

参数名称	数值	参数名称	数值
				相电压有效值Ui	30V	输出滤波电容Co	10μF
输入频率fi	20Hz	补偿电容Cc	40uF
				输出频率fo	50Hz	负载RL	40Ω
额定功率PN	1KW	整流侧载波频率fs	10KHz
				输出电感Lo	2mH	逆变侧载波频率fc	7kHz
输入电感Lre	4mH	输出电压Uo	200V

综上所述：三相输入滤波电路和单相脉动功率吸收电路的结合控制使得输入电流与输入电压的相位一致，保证了变换器输入有功功率最大，无功损耗接近为零；在传统的桥式三相-单相矩阵变换器的开关管上增加了一组开关管后构成单相脉动功率吸收电路，使得输入与输出功率解耦，因此省去了直流母线上连接大容量电解电容。

Claims (2)

1.一种三相-单相矩阵变换器，其特征在于包括：三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中：

所述开关矩阵包括三个开关组：第一开关组、第二开关组、第三开关组；所述第一开关组、第二开关组、第三开关组分别包括三相双向开关，在每个开关组中，每相双向开关的一端分别与其他两个开关组中相对应的那相双向开关的一端连接，形成三个连接点；

所述三相滤波电感的一端分别与三相交流输入源连接，三相滤波电感的另一端分别与所述三个连接点连接；

所述补偿电容的两极分别与第二开关组中每相双向开关的另一端、第三开关组中每相双相开关的另一端连接；

所述滤波器包括：滤波电容、滤波电感；其中：所述滤波电容的一极、第一开关组中每相双向开关的另一端分别与滤波电感的一端连接，滤波电容的另一极极与第二开关组中每相双向开关的另一端连接，滤波电感的另一端与滤波电容的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端；

所述检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接；

所述控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。

2.根据权利要求1所述的三相-单相矩阵变换器，其特征在于：所述每个开关组中的每相双向开关均由两个反向串联的IBGT管组成。

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