一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动／发电系统，属交流电机起动／发电系统。该系统包括无刷直流电机和双级式矩阵变换器，双级矩阵变换器包括三角形压敏电阻保护电路，逆阻型全桥变换器，电容滤波电路，三相四桥臂变换器，输出滤波电路。该系统除了综合交－直－交（Ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋ）变换器输入输出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小的优点外，还具有“机－电优势互补”的优点：功率因数校正环节容易实现；省去输入测滤波器；两步换流思想；整流级开关频率的降低。该系统改变了目前国内外高速电机起动／发电系统研究集中在交－直－交变换器和传统矩阵式变换器的格局。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术基于双级式矩阵变换器的无刷直流电机起动/发电系统，属交流电机类的起动发电系统。
技术介绍
众所周知，高速电机起动发电系统在工业应用中有着很重要的地位。随着生产的 需要，对高速、大容量的电力驱动与发电设备有了很大的需求，如高速高精度机 床，涡轮分子泵，高速离心机、压縮机，分布式电源系统中的高速涡轮发电机及 飞轮储能(机电电池)应用等。特别是在微型燃气轮机发电机组的应用近年来越 来越受到关注。起动/发电系统常用的一种变换器拓扑是交-直-交 (Back-to-back)电压型变换器，如附图1所示，交-直-交(Back-to-back)电 压型变换器的整流级电路和逆变级电路分别由两个三相全桥电路构成。这种电路 结构应用广泛，它的优缺点如下优点(1)由于直流环节的存在，可以使得整流级电路和逆变级电路实现解耦控制， 减小了相互影响，提高了输入侧和输出侧的电能质量。 缺点(1) 这种变换器虽然充分利用了电力电子器件，但其开关损耗较高；(2) 由于每相桥臂需要切换直流电压，使得输入侧三相升压(Boost)电感容量 较大。(3) 输入侧需要进行高频SPWM整流控制以实现高功率因数，为获得很好的控制 性能，开关管开关频率很高，这将带来很大的电磁干扰，而当输入频率进一步提 高时，控制性能和功率因数将会下降(在Capstone C30样机中，电机额定转速 为96000rpm，整流输入频率高达1600Hz，要想获得理想的控制精度就对开关管 和数字控制芯片提出了苛刻的要求)，即使有可能使用更高性能的开关管和更高 速度的数字控制芯片，即使不计成本，如此高的开关频率，如此大功率，将带来 不可忽视的发热、损耗和电磁干扰，系统的可靠性和效率都会降低，严重影响了 超高转速和更大功率的扩容。交-交功率变换的另一种常用拓扑为矩阵变换器。矩阵变换器是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置。狭义的矩阵式变换器仅指 普通三相-三相矩阵式变换器，它的拓扑如附图2所示，由9个双向开关组成， 每个双向开关均具有双向导通和双向关断的功能。9个双向开关按照3x3的矩阵 进行排列，通过双向开关的导通于关断，三相交流输入中的任意一相可以直接连 接至三相交流输出中的任意一相。矩阵式变换器的输入侧还需要三相电感电容 (LC)滤波器，以滤除输入电流中有开关动作引起的高频谐波。由于自身的结构特点，它具有很多优于传统交流电力变换装置的特性，如(1) 电能的直接双向流动，可以实现真正的四象限运行；(2) 输入与输出电流波形均为正弦波，谐波含量少；(3) 对任意负载均可实现输入侧功率因数为1;(4) 不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。 缺点如下(1) 三相-三相式矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换 流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；(2) 矩阵式变换器由于不具有直储能环节，负载侧的干扰可以直接反映到输入 侧。在变频调速过程中，某些工作频率时输出侧谐波含量较大，这会直接影响输 入侧电能质量，增大输入电流总谐波畸变率(THD)，严重时会造成对电网的谐波 污染。矩阵式变换器中，消除电流输入侧谐波起主要作用的是LC滤波器，但输 入滤波器的参数设计比较困难，这使得矩阵式变换器的电磁兼容不够理想，有待 改进；(3) 相对于交-直-交电压型变频器，矩阵式变换器的电压利用率低，其最大值 只有86. 6%，如果需要得到更高的电压利用率，必须在输入波形中注入谐波成分， 从而必然会降低输出波形的质量，也会影响输入侧的电能质量；(4) 矩阵式变换器是直接型的交流电力变换装置，省去了直流大电容或大电感， 虽带来了一系列好处，但也使得矩阵式变换器在电网电压非正常工况下的控制非 常困难。当电网电压出现输入不平衡、波形畸变、电压跌落甚至是瞬时断电时， 在交-直-交电压型变频器中可以利用直流电容的储能作用，维持直流电压的稳 定，保证变频器的正常输出。但在矩阵式变换器中，当上述非正常工况发生时， 只能依赖对输入电压的检测，根据一定的调制算法控制变换器正常工作，其及时 性和可靠性均不理想。特别是在交流电机调速系统中，当电网瞬时断电后，还需 检测负载电动机的状态，才能恢复系统的正常运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种集合传统的交-直-交(Back-to-back)变换器输入输 出解耦和矩阵变换器效率高、损耗小优点的起动/发电系统，利用永磁无刷直流 电机效率高、功率密度高、特别是高转速时功率因数易于控制(相对于永磁同步 电机)的优势，从电机-变换器一体化最优(控制策略、可靠性、开关损耗、整 机效率、电磁干扰)的角度解决高速、大容量交流电机及其功率变换系统得基础 理论和运行控制技术。一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动/发电系统，包括无刷直流 电机和双级矩阵变换器，所述双级矩阵变换器包括保护电路，整流级电路， 电容滤波电路，逆变级电路，输出滤波电路，无刷直流电机经保护电路连于整流 级电路，整流级电路经电容滤波电路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波 电路相连，其特征在于，所述的保护电路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电 阻保护电路，三角形保护电路的三个联接点分别与无刷直流电机的三相相连；所 述的整流级电路采用逆阻型IGBT全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型IGBT组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相；所述的逆 变级电路为三相四桥臂变换器电路，其中一个桥臂的两个开关管的串联节点连于 三个输出滤波电容一端的公共点，另三个桥臂的两个开关管的串联节点分别经一 个输出滤波电感连于一个输出滤波电容的另一端。本专利技术改变了目前国内外高速电机起动/发电系统研究集中在交-直-交变换 器和传统矩阵式变换器的格局，既集合了传统的交-直-交变换器输入输出解耦和 矩阵变换器效率高、损耗小的特点，同时又利用了永磁无刷直流电机效率高，功 率密度高，特别是高转速时功率因数易于控制的优势，所以本专利技术具有开关损耗 低，效率高，电磁干扰小，可靠性高，易于控制等优点。 附图说明附图1交-直-交(Back-to-back)变换器拓扑附图2普通三相-三相矩阵式变换器拓扑附图3基于双级矩阵式变换器的无刷直流电机起动发电系统附图4逆阻型IGBT反并联结构具体实施方式本专利技术提出如附图3所示的基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机的起动/ 发电系统。该系统由无刷直流电机、逆阻型IGBT全桥变换器、三相四桥臂变换 器、输出LC滤波电路组成。无刷直流电机经保护电路连于整流级电路，保护电 路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电阻保护电路，三角形保护电路的三个联 接点分别与无刷直流电机的三相相连，利用压敏电阻出现过压时其内阻急剧下降 并迅速导通的特性，在过电压时给浪涌电流提供通路。整流级电路经电容滤波电 路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波电路相连，整流级电路的功能是把 电机输出的三相电压整流成直流电，同时保持电机的高功率因数。整流级电路采 用逆阻型IGBT全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型IGBT 组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相，便于控制电机相电流波形以 提高功率因数；逆变级电路为三相四桥臂变换器电路，其本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于双级式矩阵变换器的高速无刷直流电机起动／发电系统，包括无刷直流电机和双级矩阵变换器，所述双级矩阵变换器包括保护电路，整流级电路，电容滤波电路，逆变级电路，输出滤波电路，无刷直流电机经保护电路连于整流级电路，整流级电路经电容滤波电路连于逆变级电路，逆变级电路再与输出滤波电路相连，其特征在于，所述的保护电路采用三个压敏电阻联接成三角形压敏电阻保护电路，三角形保护电路的三个联接点分别与无刷直流电机的三相相连；所述的整流级电路采用逆阻型ＩＧＢＴ全桥变换器电路，每相桥臂的每个整流开关由两个逆阻型ＩＧＢＴ组成反向并联结构的整流开关，实现强制全控换相；所述的逆变级电路为三相四桥臂变换器电路，其中一个桥臂的两个开关管的串联节点连于三个输出滤波电容一端的公共点，另三个桥臂的两个开关管的串联节点分别经一个输出滤波电感连于一个输出滤波电容的另一端。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，邓智泉，王晓琳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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