一种间接串联三相矩阵式中高压变频器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，降压变压器T1有n个副边，并且副绕组相位相同，无相位差；三相——三相矩阵阵列A1-An由n个三相—三相矩阵变换器单元组成1列n行的阵列，阵列中每一行与降压变压器的每组副边对应连接，每一个三相——三相矩阵的每相输出均经过隔离变压器耦合串联在一起，从而形成交流三相输出，控制器负责控制调节整个系统的工作。本发明可以由低压小功率的三相——三相矩阵变换器或是高压IGBT组成的三相——三相矩阵变换器经过隔离变压器耦合串联得到幅值、频率可调的高压电源，实现输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数接近1，且能量可双向流动，具备四象限运行能力等优点，适用于中、高压交流电动机传动领域。
【专利说明】一种间接串联三相矩阵式中高压变频器
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种变频器，尤其涉及一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，属于电力电子设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]中高压大功率交流电力传动领域，目前已经应用的电力电子变换器方案主要包括:1、功率开关或功率单元直接串联的交直交高压变频器；2、二极管钳位的三电平交直交逆变器及电容飞跨的多电平交直交变频器；3、两电平电流型交直交变频器。但在实际应用中，这三类中高压变频器都不可避免的存在缺陷:1类变频器存在功率器件数量众多、设备庞大、能量双向流动困难；2类变频器存在谐波大、功率因数低、效率低下；3类变频器du/dt冲击大、谐波及无功影响大、对电机绝缘影响大。基于以上情况，需要一种新型的中高压电力电子变换器出现，其必备以下特征:无需电解电容或自愈式电容的使用；电网和变换器之间能够实现四象限运行能力；单个变换器单元的容量包括耐压能力和电流能力能适合目前的主流器件要求。这样的变频器不仅输出电压幅值可以调节，输入电流呈现正弦波，功率因数接近1，其高压供电的降压变压器副边绕组结构简单，可以设计相同。因此，整个系统成本低、寿命长、可靠性高、性能优良，适合未来中高压电力电子变频器的发展方向。能够满足以上条件的中高压变频器为高压一低压一高压类型的级联多重化交交变频器，间接串联三相矩阵式中高压变频器就是其中一种，目前，尚未有相关技术公开报道。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，其具有四象限运行能力，输出交流电压和频率连续可调，输入电流和输出电压为正弦波，输入功率因数基本为1，谐波影响可以忽略不计，其结构简单，维护成本低、系统通用性强、可靠性高、性能好、节能，具有广阔的应用前景。
[0004]本发明解采用以下技术方案来解决现有的技术问题。
[0005]一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，包括:进线滤波器LC，、降压变压器Tl、三相一三相变换器阵列Al-An、串联隔离变压器T1-T3和总控制器。
[0006]所述进线滤波器LC由三只电感L1-L3和三只滤波电容C1-C3构成，三只滤波电感分别串接在三相输入线路中，其输入端与电网相连，输出端与降压变压器的输入端相连，三只滤波电容的一端分别连接到三只滤波电感的输出端，电容的另一端相互连接形成一个公共端，公共端接地；
[0007]所述降压变压器Tl包括I个初级绕组和η个次级绕组，其具有η个副边，当采用高压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器只要3个副边；当采用低压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器需要5到8个副边，降压变压器所有副边的相位相同，无相位差;
[0008]所述的三相一三相矩阵阵列Al-An是由η个三相——三相矩阵变换器组成的I列η行的矩阵阵列，其中每一个三相一三相矩阵对应于降压变压器的一个副边，每一个三相一三相矩阵变换器的三相输出经过三相隔离变压器隔离变换后，其副边串联在一起，形成三相高压电压输出，每个矩阵变换器与控制器连接，由控制器统一控制调节，所述的三相一三相矩阵变换器是由输入滤波器LC1、三相一三相矩阵组成，所述的输入滤波器LCl的3只电感和3只电容分别串联，电感的另一端连接在降压变压器副边，电容的另一端短接在一起，并且接地，所述三相一三相矩阵由9组双向开关器件S11、S12、S13 ;S21、S22、S23 ；S31、S32、S33组成，其形成3*3的矩阵，所述双向开关器件SlU S12、S13 ;S21、S22、S23 ；S31、S32、S33 有 4 种结构；
[0009]所述的串联隔离变压器的原边都是三角形接法，其中Tl副边为星型接法，其他的副边为三相独立出线，所有隔离变压器原副边电压均相同，没有相位差。
[0010]所述的总控制器，包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路，同步电压检测控制板通过降压变压器网端采集同步电压信号；电流电压检测板通过每个矩阵单元的进出线侧的霍尔元件检测电流、电压实时信号；速度检测板通过电动机上的光电编码器检测电动机的速度信号；所有信号汇集到(PU运算控制板，控制板通过计算，经过脉冲驱动隔离板驱动矩阵整列中的双向开关。从而保证变频器最终输出电压为负载需要的幅值和频率可调的三相正弦交流电，保证输入电流为三相交流正弦波。同时，保证能量能够双向流动。
[0011]进一步，所述的降压变压器输入高压三相交流电压，输出隔离的低压对应于功率器件的次高压三相交流电压，所述的每组副边三相交流电压对应于一个副边三相次级绕组，三相副边绕组的连接组别(或相位)完全相同，所述的三相一三相变换器单元的输入分别对应于降压变压器的副边，输入为三相交流电压，输出为电压和频率可调的三相交流电压，所述的降压变压器副边绕组的数量和矩阵变换器阵列中的三相一三相变换器单元的数量一一对应，所有变换器单元组成I列η行的变换器阵列，每个矩阵变换器单元都是三相矩阵变换器。每个矩阵变换器单元的三相输出通过三相隔离变压器耦合输出，变压器的三相副边分别相互串联，同时第一个变压器副边星型连接。
[0012]进一步，每个三相矩阵变换单元包括一个低压滤波器、一个3*3的三相矩阵，所有三相矩阵变换单元的调制矩阵完全相同，控制器采集同步电压，检测每个矩阵单元变换器的进、出线电压电流，同时检测电动机的速度和电流，通过控制运算，通过脉冲驱动隔离板，驱动矩阵单元中的双向功率开关，这样，根据负载高压交流电动机传动的需要，三相矩阵变换器阵列能够输出三相对称的基波幅值和频率连续可调的高压SPWM(正弦脉宽调制)电压，满足负载电动机系统的传动需要，同时在电网输入端获得正弦波形的输入电流波形。系统对电网无谐波电流污染，在隔离变压器与变换器阵列、变换器阵列与降压变压器、降压变压器与电网之间均实现了电能双向流动的能力。
[0013]进一步，所述的降压变压器其中三相高压初级绕组分别与输入三相滤波器的电感输出端相连，每个三相次级绕组分别与矩阵变换器整列中的一个三相一三相矩阵变换器单元相连。
[0014]进一步，所述的三相矩阵变换器阵列Al-An与降压变压器副边的数量相同，其中所有的三相矩阵变换器单元组成I列η行的阵列结构，降压变压器的副边绕组分别与三相矩阵变换器单元相连，每一个变换器单元的功率输出端经过三相隔离变压器耦合后第一个三相隔离变压器二次绕组的一端连接在一起，形成输出三相交流电压的中性点，第一个三相隔离变压器的另一端分别与其他隔离变压器二次绕组各相的一次串联，从而形成三相交流电压输出，每个矩阵变换器单元分别通过光纤与驱动控制板相连，然后通过电缆接到控制器上。
[0015]本发明所述矩阵变换器单元由低压滤波器、三相一三相矩阵组成，低压滤波器LCl由常规低压LC滤波器构成，三只滤波电感和三只滤波电容分别串联，同时电感的一端分别与三相——三相矩阵的输入端相连，电容的另一端短接在一起，并且接地。
[0016]本发明所述矩阵变换器是三相一三相矩阵变换器，输入是三相交流电压，输出也是三相交流电压，9组双向开关器件S11、S12、S13 ;S21、S22、S23 ;S31、S32、S33形成3*3的矩阵，三相输入电压为Ua、Ub、Uc，三相输出电压为Uu、Uv、Uw，那么有如下公式:
[0017]
【权利要求】
1.一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，其特征在于:结构包括进线滤波器LC、降压变压器Tl、三相一三相变换器阵列Al-An、串联隔离变压器T1-T3和总控制器；所述进线滤波器LC由三只电感L1-L3和三只滤波电容C1-C3构成，三只滤波电感分别串接在三相输入线路中，其输入端与电网相连，输出端与降压变压器的输入端相连，三只滤波电容的一端分别连接到三只滤波电感的输出端，电容的另一端相互连接形成一个公共端，公共端接地； 所述降压变压器Tl具有η个副边，当采用高压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器只要3个副边；当采用低压IGBT做为矩阵阵列的双向开关，降压变压器需要5到8个副边，降压变压器所有副边的相位相同，无相位差； 所述的三相一三相矩阵阵列Al-An是由η个三相——三相矩阵变换器组成的I列η行的矩阵阵列，其中每一个三相一三相矩阵对应于降压变压器的一个副边，每一个三相一三相矩阵变换器的三相输出经过三相隔离变压器隔离变换后，其副边串联在一起，形成三相高压电压输出，每个矩阵变换器与控制器连接，由控制器统一控制调节，所述的三相一三相矩阵变换器是由输入滤波器LC1、三相一三相矩阵组成，所述的输入滤波器LCl的3只电感和3只电容分别串联，电感的另一端连接在降压变压器副边，电容的另一端短接在一起，并且接地，所述三相一三相矩阵由9组双向开关器件S11、S12、S13 ;S21、S22、S23 ；S31、S32、S33组成，其形成3*3的矩阵，所述双向开关器件SlU S12、S13 ;S21、S22、S23 ；S31、S32、S33 有 4 种结构； 所述的串联隔离变压器的原边都是三角形接法，其中Tl副边为星型接法，其他的副边为三相独立出线，所有隔离变压器原副边电压均相同，没有相位差； 所述的总控制器，包含同步电压检测控制板、CPU运算控制板、脉冲驱动隔离板、电流电压检测板、速度检测板和逻辑电路。
2.根据权利要求1所述的一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，其特征在于:所述的降压变压器输入高压三相交流电压，输出隔离的低压对应于功率器件的次高压三相交流电压，所述的每组副边三相交流电压对应于一个副边三相次级绕组，三相副边绕组的连接组别(或相位)完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，其特征在于:所述的降压变压器其中三相高压初级绕组分别与输入三相滤波器的电感输出端相连，每个三相次级绕组分别与矩阵变换器整列中的一个三相一三相矩阵变换器单元相连。
4.根据权利要求1所述的一种间接串联三相矩阵式中高压变频器，其特征在于:所述的每个三相矩阵变换单元包括一个低压滤波器、一个3*3的三相矩阵，所有三相矩阵变换单元的调制矩阵完全相同，控制器采集同步电压，检测每个矩阵单元变换器的进、出线电压电流，同时检测电动机的速度和电流。
【文档编号】H02M5/275GK103956910SQ201410203918
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】周雨松, 李天平, 赵志强, 董颖, 孙凯, 郭博 申请人:西安利雅得电气股份有限公司