CN102931851A - 基于z源的三相-五相双级矩阵变换器 - Google Patents

Abstract

基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，属于电力电子变换器技术领域。为了克服传统五相电压源逆变器的体积大，输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重，变频器的使用寿命受限和现有的矩阵式变换器的电压传输比低的问题。本发明包括双级矩阵式变换器，还包括Z源网络，所述双级矩阵式变换器由整流级电路和逆变级电路组成；Z源网络串联在整流级电路和逆变级电路之间。Z源网络的第一电容的一端与第一电感的一端相连后作为第一输入端，该第一电感的另一端与第二电容的一端相连后作为第一输出端，该第二电容的另一端与第二电感的一端相连后作为第二输入端，该第二电感的另一端与第一电容的另一端相连后作为第二输出端。该发明适用于驱动五相电机。

Description

基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器

技术领域

本发明涉及的三相-五相双级矩阵变换器，属于电力电子变换器。

背景技术

多相交流电机(多于三相)作为变频调速电机的优点已得到公认。除了增加转矩脉动频率，降低转矩脉动幅值之外，还因为总输出电流的增加而提高了整个变流调速系统的输出功率，对变流器功率器件的容量要求也降低了。此外，增加的相数还有利于提高低速区的调速特性。容错性能好也是这类电机的一个特点。当多相中的一相或几相发生故障时，通过适当的容错策略，电机仍可以降额继续运行，无需停机或系统重组。目前，多相电机主要由两电平电压源逆变器来驱动，而这种交-直-交型PWM变频器由于含有大电容或大电感作为直流储能环节，具有体积大，输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重，变频器的使用寿命受限等缺点。

矩阵式变换器MC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，可以产生交流或直流电压。间接型矩阵式变换器是利用传统矩阵变换器的间接调制原理构成的一类新型的三相-三相交流电力变换拓扑，包括基于双向开关的整流级电路和普通逆变级电路，但中间不包括大电容或大电感等直流储能元件。而双级矩阵变换器作为间接型矩阵变换器典型拓扑结构中的一种，如图1所示，它采用了交-直-交型的双级变换结构，整流级电路由6个双向开关组成，而逆变级电路与传统的三相全桥逆变器结构相同。这种双级矩阵变换器不仅在功能上可与传统的矩阵式变换器相媲美，而且可以克服传统矩阵式变换器的缺点，是一种很有发展潜力的新型交-交变换器。但矩阵式变换器的电压传输比较低一直是限制矩阵式变换器发展的一个重要原因。为了提高矩阵式变换器的电压传输比，主要从两个方面进行，一是采用过调制，二是采用附加升压电路。而前一种方法是在输入输出电压、电流中引入大量谐波为代价，并且提高电压传输比的能力是有限的。

发明内容

为了克服传统五相电压源逆变器的体积大，输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重，变频器的使用寿命受限和现有的矩阵式变换器的电压传输比低的问题，提出了一种基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器。

基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，它包括双极矩阵式变换器，它还包括Z源网络，

所述双极矩阵式变换器由整流级电路和逆变级电路组成；Z源网络串联在整流级电路和逆变级电路之间。

本发明是将间接式矩阵变换器应用到五相电机驱动系统当中，为提高传统的矩阵式变换器的电压传输比，本发明克服了现有技术领域的技术偏见，采用附加升压电路的方法，首次将Z源网络引入到提出的三相-五相双级矩阵变换器电路拓扑结构中，组成了一种基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，本发明在增加较少元件的同时，既可以实现电压传输比和输出频率的任意调节，也可以抑制非正常输入对输出性能的影响、对电网谐波污染小；本发明具有较高的输入功率因数，对任意负载输入功率因数为1；中间直流环节无需大电感或大电容等储能元件，钳位电路简单(只需一个二极管和一个小容量电容)，体积小，寿命长；可实现能量双向传输；利用Z源网络的直通特性来提高电压传输比，引入Z源网络之前，三相-五相双级矩阵变换器的电压传输比为0.7886。而基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的电压传输比为0.7886B(B≥1)，B为Z源网络的升压因子，

其中t₀为直通零电压状态时间，T_s为一个开关周期。

附图说明

图1是现有的间接型矩阵变换器基本结构；

图2是具体实施方式一所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的电路拓扑结构图；

图3是具体实施方式一所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器结构框图；

图4是具体实施方式二所述的双向开关结构示意图；

图5是具体实施方式五所述的逆变级电路工作于直通状态下的电路结构示意图；

图6是具体实施方式五所述的逆变级电路工作于非直通状态下的电路结构示意图；

图7是本发明中的整流级电路的结构示意图；

图8是本发明中的Z源网络的结构示意图；

图9是本发明的逆变电路的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，它包括双极矩阵式变换器，它还包括Z源网络3，

所述双极矩阵式变换器由整流级电路1和逆变级电路2组成；Z源网络3串联在整流级电路1和逆变级电路2之间。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的不同点在于，所述整流级电路1是由6个双向开关Sap、San、Sbp、Sbn、Scp和Scn组成的三相全桥整流电路。

具体实施方式三：结合图4和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的不同点在于，所述双向开关均由两个IGBT和两个功率二极管组成，所述两个IGBT为共发射极式连接，并且每个IGBT均并联一个功率二极管，其中功率二极管的阳极端与IGBT的发射极相连，二极管的阴极端与IGBT的集电极相连。

所述每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力。但是，目前市场上尚未出现能够直接实现上述功能的电力电子开关器件，因此在双极矩阵式变换器的研发中，需要采用分立的开关器件来组成双向开关。目前在研究中，通常采用分立的电力电子器件IGBT来实现双极矩阵式变换器的双向开关，共有三种构成方式：二极管桥式、共集电极式和共射极式，另外也可以采用新型器件逆阻式IGBT反并联构成双向开关。本专利申请书中整流级双向开关采用的是共发射极式双向开关结构，如图4所示。

具体实施方式四：结合图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的不同点在于，所述Z源网络3是由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁和第二电容C₂组成的X型Z源网络，第一电容C₁的一端与第一电感L₁的一端相连后作为Z源网络3的第一输入端，该第一电感L₁的另一端与第二电容C₂的一端相连后作为Z源网络3的第一输出端，该第二电容C₂的另一端与第二电感L₂的一端相连后作为Z源网络3的第二输入端，该第二电感L₂的另一端与第一电容C₁的另一端相连后作为Z源网络3的第二输出端。

所述Z源网络3的第一输入端和第二输入端与整流级电路1的输出端连接，Z源网络3的第一输出端和第二输出端与逆变级电路2的输入端连接。

具体实施方式五：结合图9说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器的不同点在于，所述逆变级电路2是由五相逆变桥构成。

所述五相逆变桥的的上桥臂的五个开关管的集电极连于一起，组成逆变电路2的第一输入端，五相逆变桥的的下桥臂的五个开关管的发射极连于一起构成逆变级电路2的第二输入端，

所述逆变级电路2的第一输入端和第二输入端与Z源网络3的输出端连接，逆变级电路2的输出端输出五相逆变信号。

本发明所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器与现有技术的主要区别在于增加了Z源网络，利用Z源网络的直通特性来提高电压传输比，其工作原理为：

整流级电路采用无零矢量的空间矢量调制方法，其直流侧输出平均电压表达式为

$U_r=\frac{{3U}_i}{2\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}$ (1)

$\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\max \left(\right|\cos \left({\mathrm{\θ}}_a\right)|,|\cos \left({\mathrm{\θ}}_b\right)|,|\cos \left({\mathrm{\θ}}_c\right)\left|\right)$

式中，U_i为输入电压的有效值，θ_i为输入电压的相位角，U_r直流输出平均电压，θ_a、θ_b和θ_c分别是a、b和c三相输入电压角。

若第一电感L₁、第二电感L₂和第一电容C₁、第二电容C₂分别相同，则Z源网络为对称网络。

U_L1＝U_L2＝U_L

U_C1＝U_C2＝U_C(2)式中，U_L1为第一电感L₁的端电压，U_L2为第二电感L₂的端电压，U_C1为第一电容C₁的端电压，U_C2第二为电容C₂的端电压，由于第一电感L₁、第二电感L₂和第一电容C₁、第二电容C₂分别相同，后面公式中的第一电感L₁的端电压和第二电感L₂的端电压均用U_L表示，第一电容C₁的端电压和第二为电容C₂的端电压均用U_C表示。

逆变级电路工作有两种状态，分别是直通和非直通状态。当逆变级电路工作在图5所示直通状态时，可以得到如下关系：

U_L＝U_C；U_dc1＝2U_C；U_dc2＝0                        (3)

其中为U_dc1为Z源网络输入电压，U_dc2为逆变器的母线电压。

当逆变级电路工作于图6所示的非直通状态时，可以得到：

U_L＝U_r-U_C；U_dc1＝U_R；U_dc2＝U_C-U_L＝2U_C-U_dc1                     (4)由于在一个开关周期T中，电感两端的平均电压为0，由式(3)和(4)得：

$\stackrel{\‾}{U_L}=\frac{t_0{U}_C+(T_s-t_0)(U_r-U_C)}{T_s}=0---\left(5\right)$

其中t₀为直通零电压状态时间，T_s为一个开关周期，表示电感两端平均电压。

故

$\frac{U_C}{U_r}=\frac{T_s-t_0}{T_s-2t_0}---\left(6\right)$

加在逆变级电路的峰值直流环节电压为

$U_{\mathrm{dc}2}=U_C-U_L=2U_C-U_r=\frac{T_s}{T_s-2t_0}{U}_r={\mathrm{BU}}_r---\left(7\right)$

上式中 $B=\frac{T_S}{T_S-2t_0}\≥1$ 为升压因子。

双极矩阵式变换器引入了Z源网络，将主变换电路和电源或者负载耦合在一起能够允许直通状态的存在，而直通短路状态的存在将逆变器直流母线电压提高为U_dc2＝BU_r，提高了矩阵变换器的电压传输比。

Claims (5)

1.基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，它包括双极矩阵式变换器，其特征在于：它还包括Z源网络(3)，

所述双极矩阵式变换器由整流级电路(1)和逆变级电路(2)组成；Z源网络(3)串联在整流级电路(1)和逆变级电路(2)之间。

2.根据权利要求1所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，其特征在于：所述整流级电路(1)是由6个双向开关(Sap、San、Sbp、Sbn、Scp和Scn)组成的三相全桥整流电路。

3.根据权利要求2所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，其特征在于：所述双向开关由两个IGBT和两个功率二极管组成，所述两个IGBT为共发射极式连接，每个IGBT均并联一个功率二极管，其中功率二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。

4.根据权利要求1所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，其特征在于，所述Z源网络(3)是由第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第一电容(C₁)和第二电容(C₂)组成的X型Z源网络，第一电容(C₁)的一端与第一电感(L₁)的一端相连后作为Z源网络(3)的第一输入端，该第一电感(L₁)的另一端与第二电容(C₂)的一端相连后作为Z源网络(3)的第一输出端，该第二电容(C₂)的另一端与第二电感(L₂)的一端相连后作为Z源网络(3)的第二输入端，该第二电感(L₂)的另一端与第一电容(C₁)的另一端相连后作为Z源网络(3)的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的基于Z源的三相-五相双级矩阵变换器，其特征在于：所述逆变级电路(2)采用由五相逆变桥实现。

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