CN203278663U - 一种高压矩阵变换器 - Google Patents

Abstract

一种高压矩阵变换器，涉及一种变频器。目前，变频器成本高，体积大，寿命短，输出电压谐波严重，功率因素低。本实用新型包括移相隔离变压器、矩阵变换单元阵列和总控制器，所述移相隔离变压器具有3n个三相次级绕组；所述变换器阵列由3n个矩阵变换单元排成3列×n行的阵列结构构成；矩阵变换单元阵列中，每一列矩阵变换单元的功率输出端依次串联；所述矩阵变换单元由输入滤波器、功率开关阵列和分控制器组成；所述分控制器电源线与功率开关阵列中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器信号线与功率开关阵列相连。本技术方案成本低、体积小，寿命长，易于实现能量反馈，变频器工作安全、稳定，成本低。

Description

一种高压矩阵变换器

技术领域

本实用新型涉及一种变频器。 

背景技术

随着电力电子技术，控制技术的日益发展，交流变频调速也应用得越来越广泛。交流变频调速***按原理分可分成交－直－交变频***与交－交变频***。交－直－交变频***按电平又可以分为三电平，五电平和多电平，这三种拓扑结构都有中间直流贮能环节，因而成本高，体积大，寿命短。而传统的交－交变频***通常工作于相控方式，其输出电压谐波严重，功率因素低，输出频率不宜高于输入电压频率的一半。 

矩阵变换器是一种新型的交－交变频器，其已较广泛应用于低压变频器，但在高压变频器仅限于概念提出阶段，并无实际产品推广。公开号为CN102185490A的中国专利《交交直接变换的中压变频器》提出了一种交交直接变换的变频器拓扑结构，可以实现交流到交流的直接变频，但是它需要升压和降压变压器，增加了体积和成本。公开号为CN102545644的中国专利《一种矩阵式交-交高压变频器的拓扑结构》提出多个H桥功率单元串联替代传统的双向开关，存在单元间直流侧短路的风险，控制难度极高。公开号为CN1988353A的中国专利《级联多重化间接矩阵变换器》提出的矩阵变换器包括总输入滤波器、移相变压器、矩阵变换单元阵列和总控制器，其矩阵变换单元又包括输入滤波器和开关阵列，总输入滤波器是高压滤波器，体积庞大，成本又高，而且其矩阵变换单元的开关也是采用双向开关或逆阻型开关，控制很复杂。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提出一种新的一种高压矩阵变换器结构，通过对矩阵变换单元输入滤波器的优化和移相变压器本身阻抗的利用，再加上移相PWM技术，不必在高压前端配置输入滤波器就可以控制输入电流谐波。为此，本实用新型采取以下技术方案。 

一种高压矩阵变换器，其特征在于包括移相隔离变压器、矩阵变换单元阵列和总控制器，所述移相隔离变压器具有3n个三相次级绕组，n为自然数，每3个次级绕组为一组，同组的次级绕组的相位相同，次级绕组组相位依次递增，初始相位为0°，相邻次级绕组之间相位差为60/n度；所述矩阵变换单元阵列由3n个矩阵变换单元排成3列×n行的阵列结构构成，移相隔离变压器次级绕组组分别与矩阵变换单元阵列中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换单元一一对应相连；矩阵变换单元阵列中，每一列矩阵变换单元的功率输出端依次串联，形成一相交流电压输出，三列变换单元输出采用Y接法形成三相交流电压输出，每个变换单元分别通过信号光纤与总控制器连接；所述矩阵变换单元由输入滤波器、功率开关阵列和分控制器组成，所述输入滤波器由三只滤波电阻R1、R2、R3 、三只滤波电容C1、C2、C3构成，三只滤波电阻R1、R2、R3一端分别与功率开关阵列的输入端相连，另一端分别与三只滤波电容C1、C2、C3的一端串联，三只滤波电容C1、C2、C3的另一端相互连接；所述分控制器电源线与功率开关阵列中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器信号线与功率开关阵列相连实现检测、保护、驱动。一种高压矩阵变换器，包括移相隔离变压器、矩阵变换单元阵列和总控制器，移相隔离变压器具有3n个三相次级绕组，n为自然数，每3个次级绕组为一组且具有相同的相位，次级绕组组相位依次递增，初始相位为0°，相邻之间相位差为60/n度；三相高压交流电通过移相隔离变换压器输出3的整倍数组隔离低压三相交流电，为变换单元阵列供电，矩阵变换单元阵列由3n个矩阵变换单元排成3列×n行的阵列结构构成，移相隔离变压器次级绕组组分别与矩阵变换单元阵列中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换单元一一对应相连；矩阵变换单元阵列中，每一列矩阵变换单元的功率输出端依次串联，形成一相频率幅值都可调的交流电压输出，同时获得叠加的输出电压能力，三列变换单元输出采用Y接法形成三相交流电压输出，每个变换单元分别通过信号光纤与总控制器连接；矩阵变换单元由输入滤波器、功率开关阵列和分控制器组成，所述输入滤波器由串接在移相隔离变压器的次级绕组与功率开关阵列的输入端之间，输入侧的多重化移相变压器的内阻抗与输入滤波器共同作用滤除输入电流中由于开关动作而产生的高频电流谐波成分，减小对输入电源侧的高频谐波污染，并提高输入功率因数。分控制器电源线与功率开关阵列中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器信号线与功率开关阵列相连实现检测、保护、驱动等功能。次级绕组组相位依次递增。 

本技术方案中的矩阵变换器为交－交结构，无中间贮能环节，相比现有的单元级联型高压变频器功率单元交－直－交变频器，具有成本低、体积小，寿命长的优点。且矩阵变换器输入可双向控制，因而能量可双向流动，易于实现能量反馈，电机可四象限运行；移相隔离变压器起到降压隔离作用，避免传统矩阵变换器直流回路短路风险，使变频器工作安全、稳定。移相PWM技术降低了输入电流谐波和输出电压谐波，工作稳定、可靠。 

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型还包括以下附加技术特征。 

所述功率开关阵列由前级三相桥式整流电路和后级单相逆变电路构成，前级整流电路为3H桥结构，两只带反并联二极管的单向可控开关S1、S4串联连接构成第一个桥臂，两只带反并联二极管的单向可控开关S2、S5串联连接构成第二个桥臂，两只带反并联二极管的单向可控开关S3、S6串联连接构成第三个桥臂，第一第二第三个桥臂中点分别与输入滤波器中的滤波电感的输出端相连，后级单相逆变电路为2H桥结构，两只带反并联二极管的单向可控开关S7、S9串联连接构成第五个桥臂，另两只带反并联二极管的单向可控开关S8、S10串联连接构成第六个桥臂，第五、第六两桥臂的中点形成两个交流输出端a1、a2， 第五、第六两桥臂的上端与前级整流电路3H桥的上端相连，第五、第六两桥臂的下端与前级整流电路3H桥的下端相连。功率开关阵列由前级三相桥式整流电路和后级单相逆变电路构成，前级整流电路为3H桥结构，每个桥臂由两只带反并联二极管的单向可控开关串联连接构成，分控制器对输入线电压进行采样电压和电压过零点来判断输入电压所处的扇区从而分别控制单向可控开关动作，通过带反并联二极管的单向可控开关的电流双向流动特性实时的将负载的瞬时无功功率回馈至电网，省去了大容量的直流母线储能电容。后级单相逆变2H结构电路，每个桥臂也是由两只带反并联二极管的单向可控开关串联连接构成，主控制器通过控制矩阵变换单元阵列的后级单相逆变2H电路的单向可控开关实现多电平移相SPWM，同一组矩阵变换单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开120o电角度，叠加输出的电压非常接近正弦波．等效于输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，输出电压谐波含量低于3%。 

功率开关阵列包括六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16，每相输入分别通过两个双向开关与输出相连，通过控制六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16实现三相交流输出。。 

有益效果：1、本技术方案中的矩阵变换器为交－交结构，无中间贮能环节，相比现有的单元级联型高压变频器功率单元交－直－交变频器，具有成本低、体积小，寿命长的优点。2、矩阵变换器输入可双向控制，因而能量可双向流动，易于实现能量反馈，电机可四象限运行。3、移相隔离变压器起到降压隔离作用，避免传统矩阵变换器直流回路短路风险，使变频器工作安全、稳定。4、移相PWM技术降低了输入电流谐波和输出电压谐波，工作稳定、可靠，不必在高压前端配置输入滤波器就可以控制输入电流谐波，减少设备，进一步降低成本。 

附图说明

图1是本实用新型的电路原理理图。 

图2是本实用新型的矩阵变换单元电路原理图。 

图3是本实用新型中矩阵变换单元的另一种电路原理图。 

图中：1-移相隔离变压器；2-矩阵变换单元阵列；3-总控制器；4-矩阵变换单元； 5-输入滤波器；6-开关阵列；7-分控制器。 

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。 

实施例一： 

如图1所示， 高压矩阵变换器包括1个移相隔离变压器1、一个矩阵变换单元阵列2和一个总控制器3。移相隔离变压器1具有15个三相次级绕组，每3个次级绕组为一组且具有相同的相位，次级绕组组相位依次递增，初始相位为0°，相邻之间相位差为12度；三相高压交流电通过移相隔离变换压器1输出15组隔离低压三相交流电，为变换单元阵列2供电，矩阵变换单元阵列2由15个矩阵变换单元排成3列×5行的阵列结构构成，移相隔离变压器1次级绕组组分别与矩阵变换单元阵列2中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换单元一一对应相连；矩阵变换单元阵列2中，每一列矩阵变换单元4的功率输出端依次串联，形成一相频率幅值都可调的交流电压输出，同时获得叠加的输出电压能力，三列变换单元输出采用Y接法形成三相交流电压输出，每个变换单元分别通过信号光纤与总控制器连接；如图2所示，矩阵变换单元4由输入滤波器5、功率开关阵列6和分控制器7组成，所述输入滤波器5由三只滤波电阻R1、R2、R3 、三只滤波电容C1、C2、C3构成，三只滤波电阻R1、R2、R3一端分别与功率开关阵列6的输入端相连，另一端分别与三只滤波电容C1、C2、C3的一端串联，三只滤波电容C1、C2、C3的另一端相互连接；所述分控制器7电源线与功率开关阵列6中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器7信号线与功率开关阵列6相连实现检测、保护、驱动等功能；分控制器电源线与功率开关阵列中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器信号线与功率开关阵列相连实现检测、保护、驱动等功能。

功率开关阵列由前级三相桥式整流电路和后级单相逆变电路构成，前级整流电路为3H桥结构，每个桥臂由两只带反并联二极管的单向可控开关串联连接构成，分控制器对输入线电压进行采样电压和电压过零点来判断输入电压所处的扇区从而分别控制单向可控开关动作，通过带反并联二极管的单向可控开关的电流双向流动特性实时的将负载的瞬时无功功率回馈至电网，省去了大容量的直流母线储能电容。后级单相逆变2H结构电路，每个桥臂也是由两只带反并联二极管的单向可控开关串联连接构成，主控制器通过控制矩阵变换单元阵列的后级单相逆变2H电路的单向可控开关实现多电平移相SPWM，同一组矩阵变换单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开120o电角度。 

实施例二： 

与实施例一不同之处在于矩阵变换单元4的功率开关阵列6的部分，如图3所示，功率开关阵列6包括六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16，每相输入分别通过两个双向开关与输出相连，通过控制六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16实现三相交流输出。

以上所述，仅为本实用新型的具体实例，并不以此限定本实用新型的保护范围。在上述矩阵变换单元的功率开关阵列6的前后级间加任何形式的吸收滤波装置均为本实用新型的延伸范围，本领域技术人员基于本实用新型技术方案所作的任何等效变换，均属于本实用新型的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种高压矩阵变换器，其特征在于包括移相隔离变压器（1）、矩阵变换单元阵列（2）和总控制器（3），所述移相隔离变压器（1）具有3n个三相次级绕组，n为自然数，每3个次级绕组为一组，同组的次级绕组的相位相同，次级绕组组相位依次递增，初始相位为0°，相邻次级绕组之间相位差为60/n度；所述矩阵变换单元阵列（2）由3n个矩阵变换单元（4）排成3列×n行的阵列结构构成，移相隔离变压器（1）次级绕组组分别与矩阵变换单元阵列（2）中的行对应，每组中的三个次级绕组分别与每行中的三个变换单元一一对应相连；矩阵变换单元阵列（2）中，每一列矩阵变换单元的功率输出端依次串联，形成一相交流电压输出，三列变换单元输出采用Y接法形成三相交流电压输出，每个变换单元分别通过信号光纤与总控制器（3）连接；所述矩阵变换单元（4）由输入滤波器（5）、功率开关阵列（6）和分控制器（7）组成，所述输入滤波器（5）由三只滤波电阻R1、R2、R3 、三只滤波电容C1、C2、C3构成，三只滤波电阻R1、R2、R3一端分别与功率开关阵列（6）的输入端相连，另一端分别与三只滤波电容C1、C2、C3的一端串联，三只滤波电容C1、C2、C3的另一端相互连接；所述分控制器（7）电源线与功率开关阵列（6）中的前级三相桥式整流电路的输入端中的任意两相或三相相连，同时分控制器（7）信号线与功率开关阵列（6）相连实现检测、保护、驱动。

2.根据权利要求1一种高压矩阵变换器，其特征在于：所述功率开关阵列（6）由前级三相桥式整流电路和后级单相逆变电路构成，前级整流电路为3H桥结构，两只带反并联二极管的单向可控开关S1、S4串联连接构成第一个桥臂，两只带反并联二极管的单向可控开关S2、S5串联连接构成第二个桥臂，两只带反并联二极管的单向可控开关S3、S6串联连接构成第三个桥臂，第一第二第三个桥臂中点分别与输入滤波器（5）中的滤波电感的输出端相连，后级单相逆变电路为2H桥结构，两只带反并联二极管的单向可控开关S7、S9串联连接构成第五个桥臂，另两只带反并联二极管的单向可控开关S8、S10串联连接构成第六个桥臂，第五、第六两桥臂的中点形成两个交流输出端a1、a2， 第五、第六两桥臂的上端与前级整流电路3H桥的上端相连，第五、第六两桥臂的下端与前级整流电路3H桥的下端相连。

3.根据权利要求1一种高压矩阵变换器，其特征在于：功率开关阵列（6）包括六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16，每相输入分别通过两个双向开关与输出相连，通过控制六个双向开关S11、S12、S13、S14、S15、S16实现三相交流输出。

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