CN1357965A

CN1357965A - 矩阵式变流器的工作方法及实施该方法的矩阵式变流器

Info

Publication number: CN1357965A
Application number: CN01142759A
Authority: CN
Inventors: A·拉卡策; S·图里
Original assignee: AHLSTROM ELECTRIC POWER Co Ltd
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2002-07-10
Also published as: EP1199794A2; ATE268956T1; DE10051222A1; JP2002165455A; RU2001127977A; KR20020030261A; EP1199794A3; DE50102522D1; US6519170B2; JP3893265B2; US20020093840A1; EP1199794B1; CZ20013697A3

Abstract

在一种矩阵式变流器(10)的工作方法中,一个输出电源(11)的m相(G1,…,G6)交流电压与一个负载(12)的n相(L1,...,L3)通过设置成一个(m×n)矩阵的多个可控双向开关交替地连接;为了实现在减小成本的同时改善功率,将采取以下的措施:从电源(11)的第一相(Gk)到电源(11)的第二相(G1)的转换仅当下列条件被满足时才能进行:I_k·(V_k－V_l)·K_ijkl<0，式中I_k及V_k为第一相(Gk)的电流及电压,V_l为第二相(G₁)的电压,及K_ijkl是对于电源(11)的各相(G1,…,G6)之间互感及负载(12)的电感的特征常数。

Description

矩阵式变流器的工作方法及实施该方法的矩阵式变流器

技术领域

本发明涉及功率电子学领域及尤其是使用工作在同步电网频率以上的同步发电机的发电，以及可变速的同步电动机及感应电动机的驱动。

本发明涉及根据权利要求1前序部分的矩阵式变流器的工作方法，并还涉及用于实施该方法的矩阵式变流器。

现有技术

在发电时给定功率情况下涡轮机转速的升高将引起尺寸及成本的下降。并且效率也可得到改善。用于高至70MW发电的涡轮机就已需要通过变速机构与发电机相连接，以便实现高转速。随着功率增高，变速机构的使用由于安全性的原因将变得愈加困难。涡轮机则要以同步转速运行。

当使用变速机构时，将得到以下的缺点：·固定的变速比；·对于40MW噪声电平超过100db而对于70MW噪声电平超过115db；·与相应的负载无关的机械损耗；及·对于冷却及油润滑的要求高；

一种变换方式是使用静止式变频器(功率电子学)。所预期的优点是：·在符合体积与转速恒定乘积的情况下减小了发电机的成本；·使用50或60Hz的标准发电机；·可调节转速，这可实现涡轮机部分负载效率的恢复；·相对变速机构至少在部分负载时降低了损耗；·噪声显著地减小；·清洁的(无油)冷却；·无可能的功率上限，由此通过涡轮机体积的减小可显著减小成本，而变速机构不能提供相同的可能性；及·可使用发电机作为起动电动机(在应用燃气轮机时)。

无论是发电还是驱动，静止式变频器损耗的减小引起了成本显著地节省。损耗的减小首先影响了投资成本，因为冷却意味着变频器总成本中重要的一部分。

此外，对冷却要求的降低提供了这样的可能性：电子部分的结构可更紧凑，及由此大功率电子部分易于组合在电厂设备中或甚至组合在发电机单元中。大功率电子部分靠近地组合在发电机单元中具有附加的优点：连接导线短，公共使用的冷却设备及总的体积小(建筑上得以节省)。

并且，在高至10MW的大功率传动的范围中由损耗的减小也得到这些优点，及与涡轮机的直接机械传动相比可得到有竞争力的优点。

静止式变频器即可使用间接AC/DC/AC的变流也可使用直接的AC/AC的变流。

间接变流(AC/DC/AC)通过由三相电源(用于电动机的电网，用于发电的发电机)产生整流的直流电流或整流的直流电压来工作。该直流电流或直流电压然后通过逆变器再转换成交流电。

在中间回路中连接电感(电流型变流器)或电容器组(电压型变流器)，以使电流波动或电压峰值减小。

现在的变流器使用晶闸管，当晶闸管可以自然换流时变流器中的损耗可以减小。但感应电动机吸收无功功率。为了能由电网提供该无功功率，应可以在变流器预定臂中在任意时刻关断电流。在此情况下，出现了强迫换流及由此增加了损耗。在电机(发电机或电动机)中相电流为脉动的直流电流。电枢反应不是以恒定速度及幅值转动，而是根据换流周期不断跳动。一个6脉冲或12脉冲的变流器对于电枢反应具有6个或12个不同的角度位置。由此在电机中得到脉动大的转矩及大的附加损耗，它将导致电机恶化。在12脉冲变流器中该效应比6脉冲变流器中小4倍。

电压型变流器使用具有固有高开关损耗的GTOs及IGBTs或IGCTs。这每种元件具有比晶闸管小的功率，以致对于预定电压或预定电流需要多个元件。电压型变流器可从使用脉宽调制技术得到好处，该脉宽调制技术可改善电流波形及减小谐波。除考虑损耗及介电疲劳外，其中开关频率愈高，效果愈好。电流的波形在很大程度上可为正弦形，由此避免了电机的功率下降。

直接的变流(AC/AC)可通过所谓的周波变换器实现。对于电机侧它具有显著的优点，因为电流或多或少是正弦波及不是脉动的直流电流。它减小了电机内部附加产生的损耗值及避免了脉动的转矩。

当使用周波变换器时，可实现的频率范围被限制在0-1/3的输入频率上。超过1/3界限时，由于不平衡的工作将导致高到3倍的过尺寸。

直接变流的另一可能性由所谓的矩阵式变流器给出，其中一个多相电源(发电机或电网)的每相与一个多相负载(电网，无源负载，电动机，等)的每相各通过一个双向开关相连接或可相连接(例如参见N.Mohan等人著的“功率电子学”第二版，John Wiley & Sons出版，纽约，第11-12页)。该电路由足够多的晶闸管组成，以经受各相之间的电压差及相电流，及实现电流反向。它们可作为纯粹的双向元件被使用，也具有这样的可能性，即公共使用附加的连接如缓冲器或用于反向并联元件控制脉冲的电源。

该电路在m相电源及n相负载的情况下配置成一个(m×n)的矩阵。这形成了输入相及输出相之间任意连接的可能性，但同时具有缺点：不可能允许有矩阵确定的开关状态，因为否则例如出现短路。此外希望的是，从一个相到另一相的换流这样地进行，以致产生尽可能小的损耗。

在US-A-5,594,636中描述了一种矩阵式变流器及它的工作方法，其中各相之间的换流部分地作为自然换流进行，但当自然换流不可能时也作为强迫换流进行。虽然由于自然换流在该类型控制中可减小开关损耗，但还具有在强迫换流时形成的开关损耗。此外，由于可能的强迫换流在矩阵的所有位置上必需使用可关断的元件，由此使电路成本显著增加。

本发明概述

本发明的任务是，给出一种矩阵式变流器的工作方法及矩阵式变流器，它可避免公知的矩阵式变流器方案的缺点及可实现各相之间完整的自然换流。

该任务将通过权利要求1及4的所有特征来解决。本发明的核心在于，从一个相到另一相的换流仅当它可作为自然换流进行时才被允许，及给出对此的条件，该条件以简单的方式用易于测量的矩阵式变流器的量来表达。

根据本发明方法的一个优选构型的特征在于，

附图的简短说明

以下将借助实施例并结合附图来详细描述本发明。附图为：图1：在一个具有4个输入相及3个输出相的变流器中换流的概要示图，它用来推导根据本发明的换流条件，及

图2：根据本发明的一个优选实施例的具有6个输入相及3个输出相的一个矩阵式变流器的原理图。

本发明的实施方式

在图2中表示根据本发明的一个优选实施例的具有6个输入相及3个输出相的矩阵式变流器的原理图。矩阵式变流器10在一个时间序列中将作为电源的一个发电机11的6个相G1，...，G6连接到一个负载的3个相L1，...，L3。为此所需的功率部分13包括18个反向并联晶闸管形式的双向开关14(通常情况下，对于m个输入/电源相及n个输出/负载相需要有m×n个开关)。开关14被配置成一个(6×3)的矩阵。对于开关14的控制设置了控制部分17，它从一个时针接收时间信号18(时钟频率)。开关14的开关状态(接通，关断)被监测及通过第一信号导线20传送给控制部分17。开关14通过控制导线19被控制部分17控制。

在发电机11的各个相G1，...，G6中各设有一个电流测量装置15，它通过第二信号导线21将相电流的符号传送给控制部分17。此外在发电机11的各个相G1，...，G6之间设有电压测量装置16，它通过第三信号导线22将相应的相电压差的符号传送给控制部分17。

在发电机11中定子产生一个频率为f_s的旋转磁场，它与转子转速f_r、极对数p、相之间的换流频率f_c及相数有关。当定子允许有z相时，则z相的的连接回路通过旋转来换流，即，(1) fc＝z.[f_r/p-f_s]

由此得到两个换流之间的时间t_c：t_c＝1/f_c。

对于矩阵式变流器10内部的换流将在下面推导换流准则，该准则实质上基于待关断的相及待导通的相之间的相电压差及待关断相中的相电流之间的乘积。当该乘积为负时，允许这两个相之间的换流；否则禁止换流。当在时间给定值后需要换流及满足换流准则时，该换流将由控制部分17触发。

因为对于换流需要发电机11的一个“自由”相及为了避免短路每个确定的开关14不能***作，故控制部分17在每个时刻必需知道哪个相G1，...，G6是“自由”的，即哪个相G1，...，G6中所属的所有开关14是断开的及不带有电流。

对于一个5相的发电机11(负载12为3相)可以有最多两个同时换流，对于6相的发电机(见图2)甚至有最多三个同时换流。当允许不多于两个换流时，相应的开关14同时***作。三个同时换流基本上不被允许。但当头两个换流结束及上述换流准则满足时，可进行第三个换流。

这些边界条件允许：矩阵式变流器10借助开关14或晶闸管对可以无困难地实现频率变化。控制部分17确定出必需导通的晶闸管，其方式是评价以下的信息：·转子的速度及输出端所需的频率确定相之间换流必需发生的时刻；·发电机11的各相G1，...，G6中的电流的符号或电流的消失及相电压差允许知道：

·哪个相“自由”及哪个相“被占用”，

·是否满足换流准则，及

·多少相被占用，以避免三个同时的换流；

·由被导通的晶闸管能够知道：发电机11的哪个相与负载12的哪个相连接。

上述的换流是根据物理的考虑，发电机11两个相之间的自然换流要成功地进行仅有当：在换流时刻t₀换流开始的相Gx的电流i_Gx的绝对值将下降，而换流到达的相Gy的电流i_Gy的绝对值将上升：(2) |i_Gx+(t₀+ε)|-|i_Gx(t₀)|＜0 und|i_Gx(t₀+ε)|-|i_Gy(t₀)|＞0，ε∈]0，δt₀[.

该必要的条件意味着，换流到达的相比换流开始的相具有大些的电动势及相同的方向。因为电动势仅在空载时可测量，该准则应使用易于提供或测量的量来建立。

以下将对于图1中所示的最简单情况来确立它，其中发电机具有4个相G1，...，G4，及负载具有3个相L1，...，L3。这4个相G1，...，G4在输入侧连接成星形电路。在换流前(相G4的开关S打开)相G1，...，G3与相L1，...，L3相连接，相G4为“自由”的。随着换流(通过开关S的闭合)应从相G3换流到相G4。当负载具有电阻R_L，电感L_L和电容C及发电机4相的自电感和互电感可通过下列矩阵来描述：

(3) [\begin{matrix} L & M_{12} & M_{13} & M_{14} \\ M_{12} & L & M_{23} & M_{24} \\ M_{13} & M_{23} & L & M_{34} \\ M_{14} & M_{24} & M_{34} & L \end{matrix}]

及相电压为V₁，...，V₄，以及此外还有：(4) V_α(t₀+ε)＝V_α(t₀)+δV_αund

(5) \frac{d I_{α} (t_{0} + ϵ)}{dt} = \frac{d I_{α} (t_{0})}{dt} + \frac{dδ I_{α}}{dt}, α = 1, . ., 4

时，可建立以下的方程组，其中使用一般的下标i，j，k，l来代替下标1，...，4：

或

(7) - - - - [A_{ij}] \cdot [\begin{matrix} \frac{d {δI}_{i}}{dt} \\ \frac{d {δI}_{j}}{dt} \\ \frac{dδ I_{k}}{dt} \\ \frac{d {δI}_{l}}{dt} \end{matrix}] = (V_{k} - V_{l}) [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] .

在矩阵[A_jj]不是奇异时，该方程组可解为：

(8) - - - - [\begin{matrix} \frac{{dδI}_{i}}{dt} \\ \frac{{dδI}_{j}}{dt} \\ \frac{{dδI}_{k}}{dt} \\ \frac{{dδI}_{l}}{dt} \end{matrix}] = (V_{k} - V_{l}) \cdot {[A_{ij}]}^{- 1} [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] .

具有这样一个常数K_ijkl，它符合形式：

(9) - - - - \frac{dδ I_{k}}{dt} = (V_{k} - V_{l}) \cdot K_{ijkl}

其中该常数K_ijkl与发电机相的互感及负载的电感相关。

为了能成功地进行自然换流，必需使应被换流的相电流I_k在换流后通过零。这用下列条件表达：

(10) - - - - \frac{dδ I_{k}}{dt} \cdot \frac{d I_{k}}{dt} < 0 .

它与式(9)一起最后得到换流准则：(11) I_k·(V_k-V_l)·K_ijkl＜0.

当由发电机的自感和互感及负载确定的常数K_ijkl已知时，通过易于测量的量即相电流I_k及相电压差V_k-V_l可以确定出任何时间的符号，或是可以进行发电机的相k及l之间预定的自然换流或是不可以进行(在该例中下标i及j涉及不参与相k及l之间的换流过程的两个相；在多于4相时得到相应多的下标)。该条件或规则(11)在此情况下仅与电流及电压的符号有关，但与其实际的值无关。因此用于换流条件的必要信息可用很简单的检测器或测量装置来获得。

通过依次换流的组合定子电流的路径将绕发电机轴转动。电枢反应以恒定的模数，即电网频率50或60Hz转动。定子电流的转动加上50/60Hz的转动将导致电枢反应以明显的另一频率转动，该频率可通过换流速率的改变来调节。由此既可实现同步的也可实现异步的运行。

在根据图2的矩阵式变流器上导致对开关14进行控制的决定程序是很简单的：

首先时钟18通知控制部分：何时根据最理想的频率及必要时的反馈信息应发生一次新的换流，即何时三个现在与负载12相连接的相将通过另外的相来代替。

通过对开关14及相G1，...，G6持续地监测，控制部分17将知道哪些相是自由的或不流过电流的，及至哪些相是可安全换流的。当可以有一个或两个换流时，使所属的开关14触发，如果预定的换流时刻不能满足条件(11)，换流将推迟进行，直到条件一旦被满足为止。如上所述，将避免三个相的同时换流。第二换流(本身是可以的)及第三换流将被推迟，直到它们可安全进行时为止。与矩阵变流器10相连接的同步电机可既作为电动机又作为发电机运行。它可从电动机运行转换到发电机运行及由此作为起动电动机运行。无论是超前的还是滞后的运行可不用改变控制方法地进行。并且也可进行一种独立的运行，其中电压通过发电机的励磁来确定及频率的控制在发电机11及变流器之间分配。

在感应电机情况下，在起动过程时必需对电压进行观察。平均电压可通过在电流反向时晶闸管的延迟触发来减小。

在驱动电动机情况下，具有同一原理变换的两种可能性：一种可能性是使用具有两个次级绕组的变压器，以便从3相电网产生出6相。另一可能性是使用直接连接到电网的n相电动机。

当仅允许两个相邻的相之间的换流时，谐波干扰被减小。在现有的相数小时允许换流的几率减小及相应地可达到的频率范围受到限制。但当在非相邻的相之间也允许换流时，仅在4相时可达到整个频率范围。当相数增大时，谐波干扰也将减小。由此得到允许换流的多个机会及频率范围将被加宽。因为变流器的成本与相数紧密联系，必需在相数及滤波成本之间寻找一种理性的折衷。

通过上面给出的矩阵式变流器可使正向导通损耗相对传统变流器以两倍减小。换流损耗的减小与相应的应用相关。对于一个6相85Hz的发电机变换到3相50Hz的情况，与一个12相的整流器/逆变器相比大于2倍地减小。

以上所提出的矩阵变流器不具有固有的无功功率损耗。周期变换器也可进行直接的AC/AC转换，但由于达到正弦波电压所需的触发过程它具有很小的功率因数。间接变流器由于安全角度及对于直流电流的脉动所需的磁化功率也体现出功率因数的下降。

总地，使用本发明将具有以下的优点：

(1)相对周期变换器：·变流器的功率因数接近于1而非0.7，以使得输入功率、元件功率及损耗功率减小。·与功率因素改善无关地该新的变流过程使固有损耗以两倍减小及冷却***易于实现并价廉。·输出频率不被限制在输入频率的1/3上。·控制电子部分非常简单。

(2)相对间接的AC/DC/AC变流器：·输入侧及输出侧功率因数相等，因此元件的输入功率及功率范围减小。·工作是完全可逆的。·不具有任何能量中间存储器，这就引起成本的节约及损耗减小。·不具有脉动的转矩，仅有很小的谐波成分及在输入端没有由于脉动直流电流引起的功率下降。·损耗功率小。

因此，该新的变流器构思具有其优势，它进一步地增加了静止式变流器方案的吸引力。

Claims

1.矩阵式变流器(10)的工作方法，其中一个输出电源(11)的m相(G1，...，G6)交流电压与一个负载(12)的n相(L1，...，L3)通过设置成一个(m×n)矩阵的多个可控双向开关交替地连接，其特征在于：从电源(11)的第一相(Gk)到电源(11)的第二相(G1)的转换仅当下列条件被满足时才能进行：

I_k·(V_k-V_l)·K_ijkl＜0

式中I_k及V_k为第一相(Gk)的电流及电压，V_l为第二相(G1)的电压，及K_ijkl是对于电源(11)的各相(G1，...，G6)之间互感及负载(12)的电感的特征常数。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：为了检验条件：

I_k·(V_k-V_l)·K_ijkl＜0

持续地监测或测量开关(14)的开关状态，各相(G1，...，G6)的连接状态，电源(11)的各相(G1，...，G6)中的电流及各相之间的电压差，以便预给定一个时刻，在该时刻进行转换，及仅当在该时刻对于被选出的相能满足该条件，一个或多个被选出的相的转换才在该预给定时刻上进行，否则在条件能被满足的推迟时刻上进行转换。

3.根据权利要求1及2中一项的方法，其特征在于：该电源是一个发电机(11)，及发电机(11)的相数大于负载(12)的相数。

4.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：双向开关(14)使用反向并联的晶闸管。

5.实施以上方法的矩阵式变流器(10)，包括设置成一个(m×n)矩阵的多个可控双向开关(14)，它们用由控制装置(17)控制地使m个输入端选择地与n个输出端连接，其特征在于：设有用于确定输入端中电流的符号的第一装置(15)及用于确定输入端之间电压的符号的第二装置(16)，及第一及第二装置(15及16)与控制装置(17)形成功能连接。

6.根据权利要求5的矩阵式变流器，其特征在于：开关(14)与控制装置(17)通过信号导线(20)形成连接，通过该信号导线向控制装置(17)发送关于开关(14)的开关状态的信息。

7.根据权利要求5及6中一项的矩阵式变流器，其特征在于：双向开关(14)包括反向并联的晶闸管。