一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构制造技术

本发明专利技术提供一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，包括主回路、控制回路、检测回路、Sjk和S2，与现有技术相比，本发明专利技术具有如下的有益效果：机理上使三相矩阵式变换器的电压传输比能够突破0.866的瓶颈，使其可以达到和超过1，实现了提升电压比的目的，同时由于其拓扑结构实现了电压传输比调节电路和波形调制变频电路的合二为一，从而在一个开关周期内，实现了边提高电压边调制波形的功能，将高频升压与斩波调制协调配合，真正达到升压与变频的一步化，保证变频升压电路中的各组双向功率开关在一个周期内均只开通关断一次，简化了其多个双向开关间的频繁换流步骤，增强了换流的可靠性，实现了开关间的安全切换。

One step three phase boost matrix converter and its topology structure

The invention provides a one-step Three-Phase Boost matrix converter and its topology structure, including the main circuit, control circuit, detection circuit, Sjk and S2. Compared with the prior art, the invention has the following beneficial effects: the voltage transfer ratio of the three-phase matrix converter can break through the bottleneck of 0.866 in mechanism, so that it can be used. To achieve and exceed 1, to achieve the purpose of raising the voltage ratio, and because of its topology to achieve voltage transfer ratio regulation circuit and waveform modulation frequency conversion circuit into one, thus in a switching cycle, to achieve the function of improving the voltage while modulating waveform, high-frequency boost and chopper modulation coordination, truly To achieve the step of boost and frequency conversion, ensure that the bi-directional power switches in the inverter boost circuit are only turned on and off once in a cycle, simplify the frequent commutation steps between multiple bi-directional switches, enhance the reliability of commutation, and realize the safe switching between switches.

【技术实现步骤摘要】
一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构
本专利技术是一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，涉及一种三相矩阵变换器的拓扑结构以及其相应的控制策略和换流策略。
技术介绍
如今，交流调速已成为电气传动系统实现自动化和节能的重要手段，在工业生产中扮演着越来越重要的角色。而交流变换技术作为交流调速系统的核心，已成为电力电子学和运动控制技术最重要的研究方向之一。矩阵变换器是一种先进的电能变换器，它具有输出频率任意调节，能量双向流动，无需大容量储能元件的优点，并能够任意控制输入电流、输出电压的相位，使得输入功率因数任意可调，起到无功补偿的作用。但其也存在最高电压传输比仅为0.866，以及换流复杂的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，以解决上述
技术介绍
中提出的问题,本专利技术使用方便，便于操作，稳定性好，可靠性高。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，包括主回路、控制回路和检测回路，所述主回路由功率开关驱动电路、一步式矩阵变换器变频升压电路和输出滤波电路及负载构成，所述控制回路由DSP实时占空比计算系统、CPLD换流逻辑控制系统构成，所述检测回路由电压电流检测电路以及电流方向检测电路构成，其中电压电流检测电路与DSP实时占空比计算系统相连接，电流方向检测电路与CPLD换流逻辑控制系统相连接，其中CPLD换流逻辑控制系统与功率开关驱动电路相连接，所述主回路与三相电源输入以及检测回路相连接，所述控制回路与主回路相连接，所述检测回路与电压输出端以及控制回路相连接。进一步地，一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的拓扑结构，包括Sjk和S2，所述Sjk({j＝u,v,w},{k＝a,b,c})为传统矩阵式变换器的9组双向开关，在电路中同时承担升压和变频的任务，所述S2为3组双向开关，在电路中起到续流的作用，Sjk与S2均为由两个IGBT器件反向串联所构成的双向导通功率开关器件。本专利技术的有益效果：本专利技术的一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，突破了传统的矩阵式电力变换器拓扑结构，研究并设计了一种具有升压作用的三相－三相矩阵式电力变换器，从机理上解决了传统矩阵变换器电压传输比较低的问题，同时实现了电压传输比调节电路和波形调制变频电路的合二为一，从而在一个开关周期内，实现了边提高电压比边调制波形的功能，真正达到升压与变频的一步化，采用坐标变换法调制策略，保证了在输入三相波形不对称的情况下能够有较好的输出性能，根据国内无双向开关器件的现状，采用IGBT组合成双向开关，通过四步换流策略，解决其多个双向开关间的频繁换流问题，实现开关间的安全切换。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的一步式三相升压型矩阵变换器结构示意图；图2为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的一步式三相升压型矩阵变换器的拓扑结构示意图；图3为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的一步式三相升压型矩阵变换器的拓扑结构中Sjk和S2的开关控制脉冲波形；图4为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的输入电压为100V,50hz,q＝0.4,输出频率为60hz,不同ds时的输出波形对比图；图5为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的输入电压为100V,50hz,q＝0.4,ds＝0.79,不同输出频率时的输出波形对比图；图6为本专利技术一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的输入电压为100V,50hz,ds＝0.79,输出频率为40hz,不同q时的输出波形对比图；具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。请参阅图1至图6，本专利技术提供一种技术方案：一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构，包括主回路、控制回路和检测回路，所述主回路由功率开关驱动电路、一步式矩阵变换器变频升压电路和输出滤波电路及负载构成，所述控制回路由DSP实时占空比计算系统、CPLD换流逻辑控制系统构成，所述检测回路由电压电流检测电路以及电流方向检测电路构成，其中电压电流检测电路与DSP实时占空比计算系统相连接，电流方向检测电路与CPLD换流逻辑控制系统相连接，其中CPLD换流逻辑控制系统与功率开关驱动电路相连接，所述主回路与三相电源输入以及检测回路相连接，所述控制回路与主回路相连接，所述检测回路与电压输出端以及控制回路相连接。一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构的拓扑结构，包括Sjk和S2，所述Sjk({j＝u,v,w},{k＝a,b,c})为传统矩阵式变换器的9组双向开关，在电路中同时承担升压和变频的任务，所述S2为3组双向开关，在电路中起到续流的作用，Sjk与S2均为由两个IGBT器件反向串联所构成的双向导通功率开关器件。一步式矩阵变换器的工作原理如下：第一阶段：在时间t1内，双向开关Sjk根据控制策略相应导通，S2断开，电源电压经9组双向开关后改变频率，电源电压经变频后给电感L1充电，且同时与电容C1串联向负载供电，并给电容C2充电。第二阶段：在时间t2内，双向开关Sjk全部断开，S2导通续流，电感L1释放能量，给电容C1充电，同时电容C2释放能量给负载供电。由此可见，9组双向开关Sjk即起到了改变频率的作用，又充当了类似于“泵”的作用提升了电压，所以选择适当的t1和t2，就可以使负载两端电压在一个周期内始终高于电源电压，从而达到升压的目的。一步式矩阵变换器的控制策略策略采用坐标变换法，实时计算占空比，控制9组功率开关Sjk，具体调制策略如下：其中Uim为输入电压幅值，wi为输入电压角频率。期望的三相输出电压其中Uim为输出电压角频率，wo为输出电压角频率，为相位角。输出电压与输入电压满足：Uo＝M*Ui其中mij({i＝1,2,3},{j＝1,2,3})为一步式矩阵变换器9组双向开关Sjk的占空比调制函数。m11＝m22＝m33＝(1+2qcos(wmt))/3；其中wm＝wo-wi,即输出与输入电压的频率差。q＝Uom/Uim,即电压传输比。0＜q≤0.5所以电压经过9组双向功率开关后，频率发生改变。同时电压也会发生变化，输出电压与输入电压的传输比为q。一步式矩阵变换器的电压传输比方程如下：在一个斩波周期T内Sjk的工作状态可分为Ton和Toff，Ton即对应了之前的t1，Toff即对应了之前的t2。设在一个采样周期内，对于电感L1，根据电磁感应定律得到以下关系式：①式中为L1在整个周期内的电流平均值，在一个采样周期内，当工作进入稳态后，一个开关周期中，电感的储存能量与释放能量应该相等，即不在变化。所以根据①式可以得到ds*E(t)*q-Uc1(t)*(1-ds)＝0②同样在一个采样周期内，对于电感L2，根据电磁感应定律得到以下关系式：式中为L2在整个周期内的电流平均值在一个采样周期内，当工作进入稳态后，一个开关周期中，电感的储存能量与释放能量应该相等，即不在变化。把②式代入③式中可得：④式即为一步式矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一步式三相升压型矩阵变换器，包括主回路、控制回路和检测回路，其特征在于：其中，一步式是指所述矩阵变换器实现了电压传输比调节电路和波形调制变频电路的合二为一，从而在一个开关周期内，实现了边提高电压比边调制波形的功能，真正达到升压与变频的一步化；所述主回路由功率开关驱动电路、一步式矩阵变换器变频升压电路和输出滤波电路及负载构成，所述负载包括三相输出负载，所述一步式矩阵变换器变频升压电路包括传统矩阵式变换器的9组双向开关Sjk，以及在电路中起到续流作用的3组双向开关S2，Sjk与S2均为由两个IGBT器件反向串联所构成的双向导通功率开关器件，9组双向开关Sjk分别电连接在三相输入端和三相输出负载的相与相之间，9组双向开关Sjk的控制端与功率开关驱动电路电连接；3组双向开关S2与三相输出负载并联，所述输出滤波电路包括与三相输出负载串联的三相电感L2和与三相输出负载并联的三相电容C2；所述控制回路由DSP实时占空比计算系统、CPLD换流逻辑控制系统构成，所述检测回路由电压电流检测电路以及电流方向检测电路构成，其中电压电流检测电路与DSP实时占空比计算系统相连接，电流方向检测电路与CPLD换流逻辑控制系统相连接，其中CPLD换流逻辑控制系统与功率开关驱动电路相连接，所述主回路与三相电源输入以及检测回路相连接，所述控制回路与主回路相连接，所述检测回路与电压输出端以及控制回路相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种一步式三相升压型矩阵变换器，包括主回路、控制回路和检测回路，其特征在于：其中，一步式是指所述矩阵变换器实现了电压传输比调节电路和波形调制变频电路的合二为一，从而在一个开关周期内，实现了边提高电压比边调制波形的功能，真正达到升压与变频的一步化；所述主回路由功率开关驱动电路、一步式矩阵变换器变频升压电路和输出滤波电路及负载构成，所述负载包括三相输出负载，所述一步式矩阵变换器变频升压电路包括传统矩阵式变换器的9组双向开关Sjk，以及在电路中起到续流作用的3组双向开关S2，Sjk与S2均为由两个IGBT器件反向串联所构成的双向导通功率开关器件，9组双向开关Sjk分别电连接在三相输入端和三相输出负载的相与相之间，9组双向开关Sjk的控制端与功率开关驱动电路电连接；3组双向开关S2与三相输出负载并联，所述输出滤波电路包括与三相输出负载串联的三相电感L2和与三相输出负载并联的三相电容C2；所述控制回路由DSP实时占空比计算系统、CPLD换流逻辑控制系统构成，所述检测回路由电压电流检测电路以及电流方向检测电路构成，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：万衡，胡凯敏，陈文博，邹元威，金晶，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，上海应鑫电气自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31