具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器制造技术

本发明专利技术公布了一种具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器，由双向功率开关组成的三相桥式结构、缓冲电路、单向功率开关管组成的五桥臂结构级联于两条等效直流母线之间组成。本发明专利技术具有体积小、重量轻、结构紧凑、谐波含量小和效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】

专利技术涉及一种具有直流励^磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器， 属于交流电机控制的变换器的

技术介绍
具有直流励磁功能的交流电机可以通过控制直流励磁电流，从而方便地 调节电机内磁场。该类电机作电动机使用时，具有更广的调速范围和良好的控制性能；作为发电机使用时，通过调节励磁磁场，保证发电机在负载变化 时，维持正常的输出电压。另夕卜，该类电机在作发电运行时具有自灭磁功肯L 提高了系统运行的可靠性。该类电机从电机结构分为电励磁结构与混合励磁 结构。电励磁结构电机中除电枢绕组外，还有一套励磁绕组，通过调节励磁 绕组中流过的励磁电流可方便的调节电机内的磁通，从而实现对电机的控 制。混合励磁结构的电机兼有电励磁结构电机励磁可控的优势与永磁电机高 效率的优点，具有广阔的工业应用前景。从电机控制角度而言， 一般釆用交直交结构的变换器，即先整流后逆变 的方式，其具有良好的调速性能，并得到了广泛应用。但是该结构也存在一 些固有的缺陷，如不控整流使输入功率因数降低，能量难以实现双向流动等。交流电机励磁方式有多种选择，如自励，他励等。目前，大多数交流电 机控制系统设计时将励磁绕组调节电路与主功率变换电路分离开来独立设计，这样不但增加了励磁源，同时也增加了系统的体积、重量，降低了系统 可靠性。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种具有直流励磁调节和 电压频率变换的双级式矩阵变换器。本专利技术为实现上述目的，釆用如下技术方案本专利技术具有直流励^兹调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器，其特征 在于包括两条等效直流母线、三相桥式结构、緩冲电路、五桥臂结构，其中 三相桥式结构、緩冲电路、五桥臂结构依次并联与两条等效直流母线之间， 三相输入交流电连接于三相桥式结构中各桥臂的中点，五桥臂结构中有两个 桥臂的输出端连接励磁绕组，五桥臂结构中其余三个桥臂输出经功率变换后 的三相交流电。矩阵变换器是一种新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质，同时 又具有结构紧凑、可靠等优点的交交变换器。与传统的交交变频器及交直交 变频器相比，矩阵变换器具有以下几个显著特点(1) 控制自由度大，输出电压可调，输出频率理论上可为任意值_一以功 率开关为理想开关和控制器处理速度足够快为前提。(2) 输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，可调至极其逼近于l。(3) 输入电流波形好，无低次谐波，波形失真度小。(4) 能量可双向流动，无中间直流环节，结构紧凑，体积小。本专利技术解决了传统交直交变换器输入功率因数低的缺点，省去了储能电 容提高了系统的可靠性与使用寿命；同时也省去了励磁电源，为交流电机提供了一种新的自励方案。本专利技术釆用矩阵变换器作为交流电机主功率电路实现了交交直接变换， 避免了中间储能环节，提高了系统的功率密度，并且能量可以双向流动，能 实现电机的四象限工作。本专利技术中没有使用额外的电源为交流电机提供励》兹 能量，将功率变换电路及励磁电路一体化使系统设计得到简化。本专利技术所提 出的具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器不仅具有传统 矩阵变换器的优点，还能够实现电机的励磁控制，提高了系统的集成度和可 靠性。附图说明图1具有直流励磁调节和输入输出电压频率变换双功能的双级式矩阵变换器拓朴图2四种基本的双向开关结构示意图3该拓朴应用于直流励磁的交流电机的结构框图。具体实施例方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明如图1所示，本专利技术所述的一种具有直流励》兹调节和输入输出电压频率变换双功能的双级式矩阵变换器拓朴。该拓朴具有等效的直流母线，乂人输入 侧到输出侧连接于直流母线两端的依次为双向开关(&、 &、 ^、 & 、 & 、 s )组成的三相全桥结构l、用与电压尖峰抑制的緩沖电路2和单向开关(s 、"簡 "。p&、 &、 s。 、 & 、 sCT、 S/1、 s/2、 s/3、 s/4)与续流二极管( 、 、 、 Z)、A、"、Z)、D、D、D )组成的五桥臂结构3。该专利技术中所述的双向开关(^、 l、 l、 l、 sv 、 & )一般有四种结构如图2所示。所述的双向功率开关组成的三相桥式结构1由三个并联的桥 臂组成，其中每个桥臂都由两个双向开关串联组成，各桥臂的中点连接三相 專t入交流电。该专利技术中所述的单向功率开关组成的五桥臂结构(3)由五个并联的桥 臂组成，其中每个桥臂包括两个功率开关管和两个反并二极管，等效直流母 线的正端连接第一功率开关管的集电极和第一反并二极管的阴极；等效直流 母线的负端连接第二功率开关管的发射极和第二反并二极管的阳极；第一功 率开关管的发射极分别与第二功率开关管的集电极、第一反并二极管的阳 极、第二反并二极管的阴极连接形成该桥臂的输出端。如图l中单向功率开关组成的五桥臂结构3中j;,+ 、 [/,输出端连接励^f兹绕组，a、 6、 c输出经功率变换后的三相交流电。该专利技术应用于电机控制中的结构框图如图3所示，将双向功率开关组成 的三相桥式结构1电路工作在P丽整流模式下得到等效的中间直流环节；由 二极管D和电容C组成的緩沖电路2,用于吸收电路中因开关切换产生的电 压尖峰；单向开关组成的五桥臂结构3中连接励磁绕组的两个桥臂利用等效 的中间直流环节提供励磁电流，连接输出端的三个桥臂工作在PWM逆变模式 下，输出三相互差120。的正弦电压。本专利技术所述是一种具有直流励磁功能的矩阵变换器电路拓朴，该拓朴的 具体实现为，双向开关组成的三相全桥结构1采用合适的调制策略使输入输 出满足式(1),由等效直流母线的正负两端得到等效的直流电压。<formula>formula see original document page 6</formula>单向开关组成的五桥臂结构3中连接励磁绕组的两个桥臂用于控制励i兹 电流，当需要正向励磁电流时&、力4导通，当需要反向励磁电流时5/2、力3导 通。通过控制^、 、4同时导通或力2、 s"同时导通的占空比D,可控制所需幅 值和方向的励磁电流。单向开关组成的单相桥式结构2的控制满足式(2) 和式(3 )。式(2) 式(3)单向开关组成的五桥臂结构3中连接输出端的三个桥臂通过采用合适的 调制策略使其输入输出满足式(4 ),将等效直流母线正负两端得到等效的直 流电压逆变为三相互差120°的正弦电压。<formula>formula see original document page 7</formula>式(4)本专利技术说明书中所公开的拓朴中双向开关组成的三相全桥结构1和单向 开关组成的五桥臂结构3中连接输出端的三个桥臂须在在统一的时钟基准下 进行。单向开关组成的五桥臂结构3中连接励磁绕组的两个桥臂则可釆用滞 环控制或PI控制方法实现输出所需的励磁电流，其时钟基准可独立于前者。本专利技术所提出的电路拓朴省去了励磁电源与储能电容，提供了 一种电机 与电力电子集成化设计的解决方案，提高了系统的功率密度。权利要求1、一种具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器，其特征在于包括两条等效直流母线、三相桥式结构(1)、缓冲电路(2)、五桥臂结构(3)，其中三相桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器，其特征在于包括两条等效直流母线、三相桥式结构（１）、缓冲电路（２）、五桥臂结构（３），其中三相桥式结构（１）、缓冲电路（２）、五桥臂结构（３）依次并联于两条等效直流母线之间，三相输入交流电连接于三相桥式结构（１）中各桥臂的中点，五桥臂结构（３）中有两个桥臂的输出端连接励磁绕组，五桥臂结构（３）中其余三个桥臂输出经功率变换后的三相交流电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史明明，周波，魏佳丹，李全春，毛怡然，
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]