CN1738172A - 一种矩阵式中、高压变频电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矩阵式中、高压变频电源，其结构特点是：由多段移相变压器(1)、矩阵式功率变换单元(2)组成；所述多段移相变压器(1)为移相式、分段式或均压型变压器，它采用了Δ－Δ或Δ－Y0曲折绕法，使所述变压器的副边输出绕组相位互差60°/N；所述矩阵式功率变换单元(2)为矩阵式拓扑结构、由若干个IGBT双向开关构成，所构成的矩阵式功率变换单元(2)为桥式矩阵变换单元或零式矩阵变换单元；采用多级矩阵式功率变换单元串联形成多矩阵输出，形成A、B、C三相输出端。本发明直接通过双向可控开关组成多矩阵式变换电路，降低了系统损耗、提高了变换效率，实现能量的双向流动，是一种高效柔性的电力变换电源。

Description

一种矩阵式中、高压变频电源
技术领域
本发明涉及一种矩阵式中、高压变频电源，是一种矩阵式中高压大功率交-交直接变频电源，适用于1kV-10kV中高压电机的变频调速。属于电力电子和电源设备技术领域。
背景技术
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率，高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为电动机驱动最有发展前途的节能方式。交流变频调速又分为直接变频和间接变频，就目前现有的几种类型的中高压变频调速器而言，其问题及缺陷如下：
1、直接变频又称交-交变频器，由于变频产生的谐波影响，传统的交-交变频装置的调频范围较窄，只能在0～1/3、0～1/2工频下运行。受其调频范围的影响，其使用范围受到了限制，且这种变频装置价格贵、装置复杂、采用模拟电路的控制方式可靠性低，对电网的谐波污染极大，因此需要附加昂贵且庞大的电网滤波装置，现一般只在大型轧钢及船舰上有所应用。
2、间接变频即交-直-交变频，中、小功率技术比较成熟，在工业及民用行业已广泛的应用，采用器件直接串联的高压变频器也已问世，但该类型变频器的谐波对电网的影响是一大弊端；尤其是现在间接变频器大都采用二极管不可控整流，能量不能回馈电网而以电阻发热的形式消耗掉，造成能源浪费。
3、采用不同的功率器件及拓扑结构，现在高压大功率间接变频器已逐步进入调速节能领域。但电流压型高压变频器内部采用大型电抗器作为滤波环节，体积庞大，装置笨重；而就市场较多见的电压型高压变频器来说，其内部整流环节一般使用大量的电解电容，由于使用过程中电解电容进行能量交换发热量大，电解液会蒸发干涸；在变频器的使用寿命内不得不更换电解电容以确保系统性能，这就增加了系统成本却降低了系统的可靠性、增加了系统维护费用。同时由于系统存在整流、滤波、变频环节，系统功耗增加降低了系统效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，即本发明的目的，是为了提供一种矩阵式中、高压变频电源，具有功耗低、效率高的优点。
本发明的技术问题可以通过采取如下技术方案解决：
一种矩阵式中、高压变频电源，其结构特点是：由多段移相变压器、矩阵式功率变换单元组成；
1)所述多段移相变压器为移相式、分段式或均压型变压器，它采用了Δ-Δ或Δ-Y0曲折绕法，使所述变压器的副边输出绕组相位互差60°/N，所述矩阵式功率变换单元由若干个IGBT双向开关构成，所构成的矩阵式功率变换单元为桥式矩阵变换单元或零式矩阵变换单元；
2)所述变压器的副边输出绕组分别连接每一个矩阵式功率变换单元，采用多级矩阵式功率变换单元串联形成多矩阵输出，形成A、B、C三相输出端。
本发明的技术问题进一步还可通过采取如下技术方案解决：
所述桥式矩阵变换单元包括A1～An、B1～Bn和C1～Cn三组桥式矩阵变换单元，由各组桥式矩阵变换单元为IGBT双向开关组成桥式拓扑结构。结合同步电路、逻辑分析电路、驱动保护电路、输出滤波器、采用PWM控制输出交流单相电压；桥式矩阵功率单元采用IGBT双向功率管组成矩阵式变换拓扑，通过矩阵式交交变频控制算法和逻辑控制将输入的三相交流电源变换为单相交流输出。经小型输出滤波器Lf、Cf滤波形成标准单相正弦电源。根据不同的电压等级每相由多个桥式矩阵变换单元串联形成中高压输出，由三串多个桥式矩阵变换单元2组成三相输出，构成桥式多矩阵中高压大功率变频装置。
所述零式矩阵变换单元包括A1～An、B1～Bn和C1～Cn三组零式矩阵变换单元，每组零式矩阵变换单元由三组IGBT双向开关组成桥式拓扑结构。结合同步电路、逻辑分析电路、驱动保护电路、输出滤波器、采用PWM控制输出所需的交流单相电压；矩阵功率单元采用IGBT双向功率管组成矩阵式变换拓扑，通过矩阵式交交变频控制算法和逻辑控制将输入的三相交流电源变换为单相交流输出。经小型输出滤波器Lf、Cf滤波形成标准单相正弦电源。根据不同电压等级每相由多个桥式矩阵变换单元串联形成中高压输出，由三串零式矩阵变换单元组成三相输出，构成零式多矩阵中高压大功率变频装置。
所述IGBT双向开关可采用以下几种形式：由四只二极管与一只IGBT管组成的桥式IGBT双向开关、由二只二极管与二只IGBT管组成的共集电极IGBT双向开关、二只二极管与二只IGBT管组成的共发射集IGBT双向开关或二只IGBT管组成的逆阻型IGBT双向开关。
与现有技术相比较，本发明具有如下突出有益效果：
1、本发明舍弃了现有中高压大功率变换器的电压型高压变频器的大容量电容及电流型高压变频器的大型电抗器，而直接通过双向可控开关组成多矩阵式变换电路，不仅降低了系统损耗、提高了变换效率，并且可以实现能量的双向流动，是一种高效的柔性的电力变换电源。
2、本发明采用双向可控开关为基础的矩阵式变换器，而矩阵式变换器电能双向流动、四象限运行是一种柔性电力变换器，可演化拓扑成AC/DC矩阵变换器、AC/AC三相-三相矩阵变换器和AC/AC三相-一相矩阵变换器。不但能作为低压系统中矩阵式变换器，而且可作为高压大功率矩阵式变换器，通过多矩阵变换形成中高压大功率变频输出，是一种中高压大功率柔性变换装置。
3、本发明的多段移相主变压器具有高功率因数、低谐波特性，不但具有降压隔离作用，还可降低装置对电网的谐波污染，可取代昂贵的电网滤波器。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1中功率单元的电气原理图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4是图2中功率单元的电气原理图。
图5是IGBT桥式双向开关的电气原理图。
图6是共集电极IGBT双向开关的电气原理图。
图7是共发射极IGBT双向开关的电气原理图。
图8是逆阻型IGBT双向开关的电气原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体描述。
具体实施例1：
图1、图2构成本发明的具体实施例1。本实施例构成桥式多矩阵中高压大功率变频调速装置。
由图1可知，桥式多矩阵中高压大功率变频调速装置由多段移相变压器1、桥式矩阵变换单元2构成，桥式矩阵变换单元2包括A1～An、B1～Bn和C1～Cn三组桥式矩阵变换单元。
本实施例中：所述多段移相主变压器1为三相错相、均压多重移相变压器。它采用了Δ-Δ或Δ-Y0曲折绕法，使变压器的副边输出绕组的相位互差60°/N(根据系统电压需求确定N值)三相电压，这种变压器具有高功率因数、低谐波特性，不但具有降压隔离作用，还可消除对电网谐波污染，可取代昂贵的电网滤波器。
变压器输出端联接桥式矩阵功率单元2，经过小型的输出滤波器Lf、Cf滤波，形成标准单相正弦电源。三组桥式矩阵功率单元2串联后一端短接作为输出电源中性点，另一端分别作为中高压变频电源输出，由于多级桥式矩阵功率单元的交流输入互差一定的角度使得交流输入电流更接近于正弦波，谐波含量非常小；同时多级串联电压叠加形成中高压输出。
所述桥式矩阵变换单元由六组IGBT双向开关组成桥式拓扑结构。结合同步电路、逻辑分析电路、驱动保护电路、输出滤波器、采用PWM控制输出交流单相电压；根据不同的电压等级每相由多个桥式矩阵变换单元串联形成中高压输出，由三串多个桥式矩阵变换单元2组成三相输出，构成桥式多矩阵中高压大功率变频装置。
从图5至图8可知，所述的IGBT双向开关可以采用IGBT桥式双向开关、共集电极IGBT双向开关、共发射极IGBT双向开关或逆阻型IGBT双向开关。
工作原理：
采用成熟的矩阵式交交变频控制算法逻辑控制桥式矩阵功率变换单元2，触发相应的双向开关导通，桥式矩阵功率变换单元2输出单相交流脉冲电压，经过多个桥式矩阵功率变换单元2的串联叠加形成近正弦的中高交流输出电压。由于本装置采用低电压叠加技术，输出电压、电流谐波非常小，并且dv/dt非常很小，所以输出电压接近正弦波，可以直接拖动中高压电机。由于输入侧采用多重化整流技术，输入谐波大大减小，功率因数提高，能够满足国家电能质量的要求。内部不含整流滤波环节，不需大容量的滤波电解电容或大容量的滤波电抗器，并且双向开关器件可以实现能量双向流动，可实现四象限运行。
具体实施例2：
图3、图4构成本发明的实施例2。本实施例为零式多矩阵中高压大功率变频调速装置。
由图3可知，零式多矩阵中高压大功率变频调速装置由多段移相主变压器1、零式矩阵变换单元2构成，零式矩阵变换单元2包括A1～An、B1～Bn、C1～Cn三组零式矩阵变换单元。
本实施例中：所述多段移相主变压器1为三相错相、均压多重移相变压器。它采用了Δ-Y曲折绕法，使主变压器的副边输出绕组相位互差60°/N(根据系统电压需求确定N值)三相电压，这种变压器具有高功率因数、低谐波特性，不但具有降压隔离作用，还可消除对电网谐波污染，可取代昂贵的电网滤波器。
变压器输出端联接零式矩阵功率单元2，经过小型的输出滤波器Lf、Cf滤波，形成标准单相正弦电源。三串零式矩阵功率单元2串联后一端短接作为输出电源中性点，另一端分别作为变频电源的输出端，由于多级零式矩阵功率单元的交流输入互差一定的角度使得交流输入电流更接近于正弦波，谐波含量非常小；同时多级串联电压叠加形成中高压输出。
所述零式矩阵变换单元由三组IGBT双向开关组成零式拓扑结构。结合同步电路、逻辑分析电路、驱动保护电路、输出滤波器、采用PWM控制输出交流单相电压；根据不同的电压等级每相由多个零式矩阵变换单元串联形成中高压输出，由三串多个零式矩阵变换单元2组成三相输出，构成零式多矩阵中高压大功率变频装置。
工作原理：
采用成熟的矩阵式交交变频控制算法逻辑控制零式矩阵功率变换单元2，触发相应的双向开关导通，零式功率变换单元2输出单相交流脉冲电压，经过零式功率变换单元2的串联叠加形成近正弦的中高交流输出电压。由于本装置采用低电压叠加技术，输出电压、电流谐波非常小，并且dv/dt非常很小，所以输出电压接近正弦波，可以直接拖动中高压电机。由于输入侧采用多重化整流技术，输入谐波大大减小，功率因数提高，能够满足国家电能质量的要求。内部不含整流滤波环节，不需大容量的滤波电解电容或大容量的滤波电抗器，并且双向开关器件可以实现能量双向流动，可实现四象限运行。
综上所述，本发明根据功率变换单元拓扑回路的不同分为桥式多矩阵中高压大功率交-交直接变频电源和零式多矩阵中高压大功率交-交直接变频电源。

Claims (4)

1、一种矩阵式中、高压变频电源，其特征是：由多段移相变压器(1)、矩阵式功率变换单元(2)组成；
1)所述多段移相变压器(1)为移相式、分段式或均压型变压器，它采用了Δ-Δ或Δ-Y0曲折绕法，使所述变压器的副边输出绕组相位互差60°/N，所述矩阵式功率变换单元(2)由若干个IGBT双向开关构成，所构成的矩阵式功率变换单元(2)为桥式矩阵变换单元或零式矩阵变换单元；
2)所述变压器的副边输出绕组分别连接每一个矩阵式功率变换单元，采用多级矩阵式功率变换单元串联形成多矩阵输出，形成A、B、C三相输出端。
2、根据权利要求1所述的一种矩阵式中、高压变频电源，其特征是：所述桥式矩阵变换单元包括A1～An、B1～Bn和C1～Cn三组桥式矩阵变换单元，由各组桥式矩阵变换单元为IGBT双向开关组成桥式拓扑结构。
3、根据权利要求1所述的一种矩阵式中、高压变频电源，其特征是：所述零式矩阵变换单元包括A1～An、B1～Bn和C1～Cn三组零式矩阵变换单元，每组零式矩阵变换单元由三组IGBT双向开关组成桥式拓扑结构。
4、根据权利要求2或3所述的一种矩阵式中、高压变频电源，其特征是：所述IGBT双向开关采用以下几种结构：由四只二极管与一只IGBT管组成的桥式IGBT双向开关、由二只二极管与二只IGBT管组成的共集电极IGBT双向开关、二只二极管与二只IGBT管组成的共发射集IGBT双向开关或二只IGBT管组成的逆阻型IGBT双向开关。
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