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

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↓［１］为第二相（Ｇ↓［１］）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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术涉及根据权利要求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。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。该任务将通过权利要求1及4的所有特征来解决。本专利技术的核心在于，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。根据本专利技术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专利技术。附图为附图说明图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，它用来推导根据本专利技术的换流条件，及图2根据本专利技术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。本专利技术的实施方式在图2中表示根据本专利技术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fs的旋转磁场，它与转子转速fr、极对数p、相之间的换流频率fc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.由此得到两个换流之间的时间tctc＝1/fc。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不能被操作，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)可以有最多两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（Ｇｌ）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（Ｇｌ）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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A拉卡策，S图里，
申请(专利权)人：阿尔斯托姆瑞士有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]