CN103956912B - 一种直接串联三相矩阵式中高压变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，降压变压器T1有n个副边，并且副绕组相位相同，无相位差；三相—三相矩阵阵列A1‑An由n个三相—三相矩阵变换器单元组成1列n行的阵列，阵列中每一行与降压变压器的每组副边对应连接，每一个三相—三相矩阵的每相输出均经过RC滤波和电阻R平衡，然后直接串联在一起，从而形成交流三相输出。控制器负责控制调节整个***的工作。本发明可以由低压小功率的三相—三相矩阵变换器或是高压IGBT组成的三相—三相矩阵变换器经过RC滤波和平衡电阻网络R11‑R1n，R21‑R2n，R31‑R3n直接串联得到幅值、频率可调的高压电源，实现输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数接近1，且能量可双向流动，具备四象限运行能力等优点，适用于中、高压交流电动机传动领域。

Description

一种直接串联三相矩阵式中高压变频器

技术领域

本发明涉及到一种变频器，尤其涉及一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，属于电力电子设备技术领域。

背景技术

中高压大功率交流电力传动领域，目前已经应用的电力电子变换器方案主要包括：1、功率开关或功率单元直接串联的交直交高压变频器；2、二极管钳位的三电平交直交逆变器及电容飞跨的多电平交直交变频器；3、两电平电流型交直交变频器。但在实际应用中，这三类中高压变频器都不可避免的存在缺陷：1类变频器存在功率器件数量众多、设备庞大、能量双向流动困难；2类变频器存在谐波大、功率因数低、效率低下；3类变频器du/dt冲击大、谐波及无功影响大、对电机绝缘影响大。基于以上情况，需要一种新型的中高压电力电子变换器出现，其必备以下特征：无需电解电容或自愈式电容的使用；电网和变换器之间能够实现四象限运行能力；单个变换器单元的容量包括耐压能力和电流能力能适合目前的主流器件要求。这样的变频器不仅输出电压幅值可以调节，输入电流呈现正弦波，功率因数接近1，其高压供电的降压变压器副边绕组结构简单，可以设计相同。因此，整个***成本低、寿命长、可靠性高、性能优良，适合未来中高压电力电子变频器的发展方向。能够满足以上条件的中高压变频器为高压——低压——高压类型的级联多重化交交变频器，直接串联三相矩阵式中高压变频器就是其中一种，目前，尚未有相关技术公开报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，其具有四象限运行能力，输出交流电压和频率连续可调，输入电流和输出电压为正弦波，输入功率因数基本为1，谐波影响可以忽略不计，其结构简单，维护成本低、***通用性强、可靠性高、性能好、节能，具有广阔的应用前景。

本发明解采用以下技术方案来解决现有的技术问题。

一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，包括：进线滤波器LC、降压变压器T1、三相——三相变换器阵列A1-An、平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n和总控制器；

所述进线滤波器LC)由三只电感L1-L3和三只滤波电容(C1-C3)构成，三只滤波电感分别串接在三相输入线路中，其输入端与电网相连，输出端与降压变压器的输入端相连，三只滤波电容的一端分别连接到三只滤波电感的输出端，电容的另一端相互连接形成一个公共端，公共端接地；

所述的降压变压器T1具有n个副边，当采用高压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器只要3个副边，当采用低压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器需要5到8个副边，降压变压器所有副边的相位相同，无相位差；

所述三相——三相矩阵阵列A1-An是由n个三相——三相矩阵变换器组成的1列n行的矩阵阵列，其中每一个三相——三相矩阵变换器对应于降压变压器的一个副边，每一个三相——三相矩阵变换器的三相输出经过RC滤波和平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n平衡后，直接串联在一起，形成三相高压电压输出，每个矩阵变换器与控制器连接，由控制器统一控制调节；

所述的三相——三相矩阵变换器是由输入滤波器LC1、三相——三相矩阵、滤波RC回路R1C1-R3C3组成，所述输入滤波器LC1由3只电感和3只电容分别串联，同时电感的另一端连接在降压变压器副边，电容的另一端短接在一起，并且接地；

所述三相——三相矩阵由9组双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33组成，形成3*3的矩阵，所述双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33有共4种结构；

所述RC滤波回路直接并联在三相——三相矩阵变换单元的U-V,V-W,W-U之间分别为R1C1、R2C2、R3C3，他们和平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n、R31-R3n配合使用。

所述的总控制器，包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路，同步电压检测控制板通过降压变压器网端采集同步电压信号；电流电压检测板通过每个矩阵单元的进出线侧的霍尔元件检测电流、电压实时信号；速度检测板通过电动机上的光电编码器检测电动机的速度信号；所有信号汇集到CPU运算控制板，控制板通过计算，经过脉冲驱动隔离板驱动矩阵整列中的双向开关。从而保证变频器最终输出电压为负载需要的幅值和频率可调的三相正弦交流电，保证输入电流为三相交流正弦波。同时，保证能量能够双向流动。

进一步，降压变压器输入高压三相交流电压，输出隔离的低压或对应于功率器件的次高压三相交流电压，每组副边三相交流电压对应于一个副边三相次级绕组，三相副边绕组的连接组别或相位完全相同，三相——三相变换器单元的输入分别对应于降压变压器的副边，其输入为三相交流电压，输出为电压和频率可调的三相交流电压。降压变压器副边绕组的数量和矩阵变换器阵列中的三相——三相变换器单元的数量一一对应，所有变换器单元组成1列n行的变换器阵列，每个矩阵变换器单元都是三相矩阵变换器，每个矩阵变换器单元的三相输出通过RC滤波和平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n直接串联，电阻网络中第一个电阻的一边连接在一起，它的另一端和其他电阻依次串联起来，这样，最终输出电压和频率可调的三相交流电压，获得倍增的输出电压能力，同时不影响输出电压波形，变换器单元数量越多，输出的交流电压幅值也就越大。

进一步，输入滤波器为常规高压LC滤波器，在网侧和降压变压器之间，对输入电压和电流进行滤波，每个三相矩阵变换单元包括一个低压滤波器、一个3*3的三相矩阵，低压滤波器主要是对矩阵调制时的进线电压进行滤波，同时它和进线滤波器共地，进一步提高抗干扰能力，所有三相矩阵变换单元的调制矩阵完全相同，这样***控制极大的简化，每相每个矩阵单元输出电压幅值、相位相同，经过RC滤波和平衡电阻R并联在一起，平衡电阻为高压无感电阻，他们依次串联，整体上接成三相星型的平衡电阻网络，这样，输出电压串联冲击小，输出电压波形为可调的正弦波。

进一步，控制器采集同步电压，每个矩阵单元变换器的进、出线电压电流，同时检测电动机的速度和电流，通过控制运算，通过脉冲驱动隔离板，驱动矩阵单元中的双向功率开关，这样，根据负载高压交流电动机传动的需要，三相矩阵变换器阵列能够输出三相对称的基波幅值和频率连续可调的高压SPWM(正弦脉宽调制)电压,满足负载电动机***的传动需要，同时在电网输入端获得正弦波形的输入电流波形。***对电网无谐波电流污染，在平衡电阻网络与变换器阵列、变换器阵列与降压变压器、降压变压器与电网之间均实现了电能双向流动的能力。

进一步，所述的三相矩阵变换器阵列A1-An中所有的三相矩阵变换器单元组成1列n行的阵列结构，降压变压器的副边绕组分别与三相矩阵变换器单元相连，每一个变换器单元的功率输出端经过RC滤波后，并联在平衡电阻R上，平衡电阻再依次串联在一起，整体上接成星型的平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n，平衡电阻网络中星型的公共点形成输出三相交流电压的中性点，平衡电阻网络中依次串联，最终三个输出接线形成三相交流电压输出，使用时与高压电动机的三相输入端相连，每个矩阵变换器单元分别通过光纤与驱动控制板相连，然后通过电缆接到控制器上。

进一步，所述的矩阵变换器是三相——三相矩阵变换器，输入三相交流电压，同时输出也是三相交流电压，9组双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33形成3*3的矩阵，三相输入电压为Ua、Ub、Uc,三相输出电压为Uu、Uv、Uw,那么有如下公式：那么有如下公式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\σ}11& \mathrm{\σ}12& \mathrm{\σ}12\\ \mathrm{\σ}21& \mathrm{\σ}22& \mathrm{\σ}23\\ \mathrm{\σ}31& \mathrm{\σ}32& \mathrm{\σ}33\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ua}\\ \mathrm{Ub}\\ \mathrm{Uc}\end{array}\right]$ 其中， $\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\σ}11& \mathrm{\σ}12& \mathrm{\σ}13\\ \mathrm{\σ}21& \mathrm{\σ}22& \mathrm{\σ}23\\ \mathrm{\σ}31& \mathrm{\σ}32& \mathrm{\σ}33\end{array}\right]$ 是调制矩阵，它是时间的函数，每个元素在每个开关周期中都是不同的，而且直接串联的矩阵变换器的所有调试矩阵完全相同，调制方法完全一致。

本发明所述RC滤波器，是低压常规RC滤波器，它是一个滤波电容C1，C2，C3和一个滤波电阻R1，R2，R3直接串联在一起，然后他们分别并联在三相——三相矩阵变换器单元的三相电压输出接线端上。RC滤波器主要是为了在矩阵动作过程中，滤去输出的谐波；同时，他还和平衡电阻网络配合，起到保证所有三相——三相矩阵变换器单元输出或反馈的电压平衡。

进一步，所述平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n中，每个平衡电阻分别并联在三相——三相矩阵变换器单元的三相电压输出接线端上，和RC滤波器并联在一起，三相平衡电阻中，每相平衡电阻依次串联在一起，三相中第一个平衡电阻的非串联端相互连接在一起，形成公共端，这样平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n整体上接成星型模式，三相输出幅值叠加而相位和单位输出相位相同的三相交流电压，平衡电阻网络中，所有的电阻均是高压无感电阻，电阻阻值完全相同。

本发明所述控制器，包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路，同步电压检测控制板通过降压变压器网端采集同步电压信号；电流电压检测板通过每个矩阵单元的进出线侧的霍尔元件检测电流、电压实时信号；速度检测板通过电动机上的光电编码器检测电动机的速度信号；所有信号汇集到CPU运算控制板，控制板通过计算，经过脉冲驱动隔离板驱动矩阵整列中的双向开关。从而保证变频器最终输出电压为负载需要的幅值和频率可调的三相正弦交流电，保证输入电流为三相交流正弦波。同时，保证能量能够双向流动。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，具有如下突出优点：1、本发明为交交矩阵式直接变频，输出电压为幅值和频率可以连续调节的三相正弦交流电压，输入电流也为三相交流正弦电流，功率因数基本为1；2、本发明实现的高压变频器，能量可以双向流动，***能够四象限运行，***结构简单，节能效果显著；3、本发明中的降压变压器结构简单，副边组别完全相同，相位相同。如果采用高压IGBT做双向功率开关器件的话，降压变压器副边仅需要3组，可以进一步简化降压变压器结构；4、本发明中不需要直流环节，这样省去了大量的电解电容或自愈式电容，***体积小，而且降低损耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中三相矩阵变换器单元的原理图；

图3为图2中共集电极IGBT双向功率开关原理图；

图4为图2中共发射极IGBT双向功率开关原理图；

图5为图2中IGBT桥式双向功率开关原理图；

图6为图2中逆阻型IGBT双向功率开关原理图；

图7为输入滤波器原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。

以本发明设计的带3次副边降压变压器为例进行说明，结构如图1所示。由输入滤波器LC、降压变压器T1、矩阵变换阵列A1-A3、平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n和控制器组成，控制器与人机接口通讯组成。

输入滤波器LC,原理图如图7所示，由三只滤波电感和三只滤波电容组成，三只滤波电感的输入端连接在电网上，其输出端连接降压变压器T1的三相原边，三只滤波电容的一端分别与三只滤波电感的输出端连接，另一端相互连接，并接地。

降压变压器T1见图1，由一个三相原边和三个三相副边绕组组成，变压器连接组别为(Yd11,d11,d11)或是(Dy11,y11,y11),三相原边与输入滤波器LC中的滤波电感的三个输出端相连，三相副边绕组分别连接到矩阵变换阵列(A1-A3)的三相输入端。降压变压器的3个副边绕组连接组别相同，相位相同，电压相同。

如图1和图2，矩阵变换阵列A1-A3由1列*3行＝3个三相——三相矩阵变换器单元组成，每个变换器单元的三相输入端与降压变压器的一个副边三相输出端相连，每个三相矩阵变换器的三相输出通过RC滤波后，分别并联在平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n中对应的平衡电阻上，平衡电阻每相依次串联，3行矩阵变换器单元输出经滤波和平衡电阻后，三相整体采用Y型接法，分别形成三相高压交流输出端和一个中性点N，这样，就构成了直接串联三相矩阵式高压变频器。其中，如图2，矩阵变换器单元是三相矩阵变换器，由低压滤波器、三相——三相矩阵组成，低压滤波器LC1，由常规低压LC滤波器构成，三只滤波电感和三只滤波电容分别串联，同时电感的一端分别与三相——三相矩阵的输入端相连，电容的另一端短接在一起，并且接地。三相——三相矩阵变换器输入三相交流电压，同时输出也是三相交流电压，由9组双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33组成，形成3*3的矩阵，三相输入电压为Ua、Ub、Uc,三相输出电压为Uu、Uv、Uw,那么有如下公式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\σ}11& \mathrm{\σ}12& \mathrm{\σ}12\\ \mathrm{\σ}21& \mathrm{\σ}22& \mathrm{\σ}23\\ \mathrm{\σ}31& \mathrm{\σ}32& \mathrm{\σ}33\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ua}\\ \mathrm{Ub}\\ \mathrm{Uc}\end{array}\right];$ 其中， $\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\σ}11& \mathrm{\σ}12& \mathrm{\σ}13\\ \mathrm{\σ}21& \mathrm{\σ}22& \mathrm{\σ}23\\ \mathrm{\σ}31& \mathrm{\σ}32& \mathrm{\σ}33\end{array}\right]$ 是调制矩阵，它是时间的函数，每个元素在每个开关周期中都是不同的。而且直接串联的矩阵变换器的所有调试矩阵完全相同，调制方法完全一致。

双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33有如图3、图4、图5、图6共四种不同的结构，其中图3是由2只续流二极管和2只IGBT组成的共集电极双向功率开关原理图，图4是由2只续流二极管和2只IGBT组成的共发射极双向功率开关原理图，图5是由4只二极管和1只IGBT及1只续流二极管组成的桥式双向功率开关原理图，图6是由2只IGBT组成的逆阻型IGBT双向功率开关原理图。

RC滤波回路是低压常规RC滤波器，它是一个滤波电容C1，C2，C3和一个滤波电阻R1，R2，R3直接串联在一起，然后他们分别并联在三相—三相矩阵变换器单元的三相电压输出接线端上。RC滤波器主要是为了在矩阵动作过程中，滤去输出的谐波；同时，他还和平衡电阻网络配合，起到保证所有三相—三相矩阵变换器单元输出或反馈的电压平衡。

平衡电阻网络R11-R13,R21-R23,R31-R33中，每个平衡电阻分别并联在三相—三相矩阵变换器单元的三相电压输出接线端上，和RC滤波器并联在一起，三相平衡电阻中，每相平衡电阻依次串联在一起，三相中第一个平衡电阻的非串联端相互连接在一起，形成公共端，这样平衡电阻网络R11-R13,R21-R23,R31-R33整体上接成星型模式，三相输出幅值叠加而相位和单位输出相位相同的三相交流电压。平衡电阻网络中，所有的电阻均是高压无感电阻，电阻阻值完全相同。

控制器包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路等组成。同步电压检测控制板通过降压变压器网端采集同步电压信号；电流电压检测板通过每个矩阵单元的进出线侧的霍尔元件检测电流、电压实时信号；速度检测板通过电动机上的光电编码器检测电动机的速度信号；所有信号汇集到CPU运算控制板，控制板通过计算，经过脉冲驱动隔离板驱动矩阵整列中的双向开关。从而保证变频器最终输出电压为负载需要的幅值和频率可调的三相正弦交流保证输入电流为三相交正弦波。同时，保证能量能够双向流动。

本发明中的输入滤波器、降压变压器、三相矩阵阵列、串联隔离变压器和控制器等为密不可分的组成部分，不能简单的单独分析，从而构成直接串联三相矩阵式中、高压变频器。

本发明的工作原理如下：采用成熟的矩阵式交交变频控制算法控制直接串联三相——三相矩阵变换矩阵阵列。矩阵阵列中各个串联三相——三相矩阵变换单元的输入电压幅值和相位完全一致，同时采用相同的调制矩阵，保证每相直接串联时其电压幅值相同，相位相同。这样，进线高压电压通过滤波后，经过降压，然后通过三相——三相矩阵变换单元相同模式的调制后，生成幅值和相位一致的三相交流正弦电压，在经过隔离变压器直接串联，叠加成相位不变幅值成倍叠加的高压三相交流电压。由于本高压变频器采用矩阵阵列，同时使用同相位同幅值的低压三相正弦交流电压叠加，而且还有进线滤波和低压滤波环节，所以输出电压波形几乎无畸变，输出电压为幅值和频率连续可调节的三相交流正弦电压，输入电流为三相交流正弦电流，电压、电流谐波小，du/dt非常小，功率因数接近1，能量可双向流动，能四象限运行，可以直接驱动中高压交流电动机。内部无整流滤波环节，不需要大容量的电解电容或自愈式电容，***变流效率高。综上所述，本发明的直接串联三相矩阵式中高压变频器可以应用在中高压交流电动机传动领域，包括电动机的2象限、4象限运行、软启动运行，适用于高压大功率应用场合，具有***功率因数高、可以4象限运行、输出电压谐波含量低、输出电压幅值频率连续可调的特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种直接串联三相矩阵式中高压变频器，其特征在于：包括进线滤波器LC、降压变压器T1、三相—三相矩阵变换器、平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n和总控制器；

所述进线滤波器LC由三只滤波电感和三只滤波电容构成，三只滤波电感分别串接在三相输入线路中，其输入端与电网相连，输出端与降压变压器T1的输入端相连，三只滤波电容的每一个的一端分别连接到三只滤波电感每一个的输出端，每只滤波电容的另一端相互连接形成一个公共端，公共端接地；三相—三相矩阵变换器由低压滤波器、三相—三相矩阵组成，低压滤波器LC1由常规低压LC滤波器构成，常规低压LC滤波器中的三只滤波电感和三只滤波电容分别串联，同时每只滤波电感的一端分别与三相—三相矩阵的输入端相连，每只滤波电容的另一端短接在一起，并且接地，三相—三相矩阵变换器输入三相交流电压，同时输出也是三相交流电压，由9组双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33组成，形成3*3的矩阵，三相输入电压为Ua、Ub、Uc，三相输出电压为Uu、Uv、Uw，有如下公式：

$\left[\begin{array}{c}Uu\\ Uv\\ Uw\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\σ}11& \mathrm{\σ}12& \mathrm{\σ}13\\ \mathrm{\σ}21& \mathrm{\σ}22& \mathrm{\σ}23\\ \mathrm{\σ}31& \mathrm{\σ}32& \mathrm{\σ}33\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Ua\\ Ub\\ Uc\end{array}\right];$

其中，是调制矩阵，它是时间的函数，每个元素在每个开关周期中都是不同的，而且直接串联的三相—三相矩阵变换器的所有调制矩阵完全相同，调制方法完全一致，

所述降压变压器T1具有n个副边，当采用高压IGBT做为三相—三相矩阵变换器的双向开关器件，降压变压器只要3个副边，当采用低压IGBT做为三相—三相矩阵变换器的双向开关器件，降压变压器需要5到8个副边，降压变压器所有副边的相位相同，无相位差；

三相—三相矩阵变换器阵列A1-An是由n个三相—三相矩阵变换器组成的1列n行的矩阵阵列，其中每一个三相—三相矩阵对应于降压变压器的一个副边，每一个三相—三相矩阵变换器的三相输出经过RC滤波回路和平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n平衡后，直接串联在一起，形成三相高压电压输出，每个三相—三相矩阵变换器与总控制器连接，由总控制器统一控制调节；

双向开关器件S11、S12、S13；S21、S22、S23；S31、S32、S33有共4种结构；RC滤波回路直接并联在三相—三相矩阵变换器的U-V,V-W,W-U之间，其分别为R1C1、R2C2、R3C3，并且和平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n、R31-R3n配合使用；

所述总控制器，包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路，所述平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n分别并联在三相—三相矩阵变换器的三相输出接线端，平衡电阻网络R11-R1n、R21-R2n及R31-R3n阻值完全相同，电阻为高压无感大电阻，它与每个三相—三相矩阵变换器的RC滤波回路配合，所述平衡电阻网络R11-R1n,R21-R2n,R31-R3n中，每个平衡电阻网络分别并联在三相—三相矩阵变换器的三相电压输出接线端上，和RC滤波回路并联在一起，三相平衡电阻网络中，每相平衡电阻网络依次串联在一起，三相中每相第一个平衡电阻网络的非串联端相互连接在一起，形成公共端。