專(zhuān)利名稱(chēng)：基于z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，屬于電力電子變換器。
背景技術(shù)：
多相交流電機(jī)(多于三相)作為變頻調(diào)速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)已得到公認(rèn)。除了增加轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值之外，還因?yàn)榭傒敵鲭娏鞯脑黾佣岣吡苏麄€(gè)變流調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率，對(duì)變流器功率器件的容量要求也降低了。此外，增加的相數(shù)還有利于提高低速區(qū)的調(diào)速特性。容錯(cuò)性能好也是這類(lèi)電機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)多相中的一相或幾相發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)策略，電機(jī)仍可以降額繼續(xù)運(yùn)行，無(wú)需停機(jī)或系統(tǒng)重組。目前，多相電機(jī)主要由兩電平電壓源逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)，而這種交-直-交型PWM變頻器由于含有大電容或大電 感作為直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，具有體積大，輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，變頻器的使用壽命受限等缺點(diǎn)。矩陣式變換器MC是一種基于雙向開(kāi)關(guān)并采用脈寬調(diào)制得到期望輸出電壓的電力變換裝置，可以產(chǎn)生交流或直流電壓。間接型矩陣式變換器是利用傳統(tǒng)矩陣變換器的間接調(diào)制原理構(gòu)成的一類(lèi)新型的三相-三相交流電力變換拓?fù)?，包括基于雙向開(kāi)關(guān)的整流級(jí)電路和普通逆變級(jí)電路，但中間不包括大電容或大電感等直流儲(chǔ)能元件。而雙級(jí)矩陣變換器作為間接型矩陣變換器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種，如圖I所示，它采用了交-直-交型的雙級(jí)變換結(jié)構(gòu)，整流級(jí)電路由6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，而逆變級(jí)電路與傳統(tǒng)的三相全橋逆變器結(jié)構(gòu)相同。這種雙級(jí)矩陣變換器不僅在功能上可與傳統(tǒng)的矩陣式變換器相媲美，而且可以克服傳統(tǒng)矩陣式變換器的缺點(diǎn)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒?交變換器。但矩陣式變換器的電壓傳輸比較低一直是限制矩陣式變換器發(fā)展的一個(gè)重要原因。為了提高矩陣式變換器的電壓傳輸比，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是采用過(guò)調(diào)制，二是采用附加升壓電路。而前一種方法是在輸入輸出電壓、電流中引入大量諧波為代價(jià)，并且提高電壓傳輸比的能力是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)五相電壓源逆變器的體積大，輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，變頻器的使用壽命受限和現(xiàn)有的矩陣式變換器的電壓傳輸比低的問(wèn)題，提出了一種基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器?；赯源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，它包括雙極矩陣式變換器，它還包括Z源網(wǎng)絡(luò)，所述雙極矩陣式變換器由整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路組成；Z源網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路之間。本發(fā)明是將間接式矩陣變換器應(yīng)用到五相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，為提高傳統(tǒng)的矩陣式變換器的電壓傳輸比，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)偏見(jiàn)，采用附加升壓電路的方法，首次將Z源網(wǎng)絡(luò)引入到提出的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，組成了一種基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，本發(fā)明在增加較少元件的同時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)電壓傳輸比和輸出頻率的任意調(diào)節(jié)，也可以抑制非正常輸入對(duì)輸出性能的影響、對(duì)電網(wǎng)諧波污染??；本發(fā)明具有較高的輸入功率因數(shù)，對(duì)任意負(fù)載輸入功率因數(shù)為I;中間直流環(huán)節(jié)無(wú)需大電感或大電容等儲(chǔ)能元件，鉗位電路簡(jiǎn)單(只需一個(gè)二極管和一個(gè)小容量電容)，體積小，壽命長(zhǎng)；可實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸；利用Z源網(wǎng)絡(luò)的直通特性來(lái)提高電壓傳輸比，引入Z源網(wǎng)絡(luò)之前，三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的電壓傳輸比為O. 7886。而基于Z源的三相-五相雙級(jí)
矩陣變換器的電壓傳輸比為O. 7886B(B彡I)，B為Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓因子JM，其中
to為直通零電壓狀態(tài)時(shí)間，Ts為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。


圖I是現(xiàn)有的間接型矩陣變換器基本結(jié)構(gòu)； 圖2是具體實(shí)施方式
一所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3是具體實(shí)施方式
一所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器結(jié)構(gòu)框圖；圖4是具體實(shí)施方式
二所述的雙向開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是具體實(shí)施方式
五所述的逆變級(jí)電路工作于直通狀態(tài)下的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是具體實(shí)施方式
五所述的逆變級(jí)電路工作于非直通狀態(tài)下的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明中的整流級(jí)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明中的Z源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的逆變電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，它包括雙極矩陣式變換器，它還包括Z源網(wǎng)絡(luò)3，所述雙極矩陣式變換器由整流級(jí)電路I和逆變級(jí)電路2組成；Z源網(wǎng)絡(luò)3串聯(lián)在整流級(jí)電路I和逆變級(jí)電路2之間。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的不同點(diǎn)在于，所述整流級(jí)電路I是由6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)Sap、San、Sbp> Sbn> Scp和Scn組成的三相全橋整流電路。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖4和圖7說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的不同點(diǎn)在于，所述雙向開(kāi)關(guān)均由兩個(gè)IGBT和兩個(gè)功率二極管組成，所述兩個(gè)IGBT為共發(fā)射極式連接，并且每個(gè)IGBT均并聯(lián)一個(gè)功率二極管，其中功率二極管的陽(yáng)極端與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極端與IGBT的集電極相連。所述每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)都具有雙向?qū)ê碗p向關(guān)斷的能力。但是，目如市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)能夠直接實(shí)現(xiàn)上述功能的電力電子開(kāi)關(guān)器件，因此在雙極矩陣式變換器的研發(fā)中，需要采用分立的開(kāi)關(guān)器件來(lái)組成雙向開(kāi)關(guān)。目前在研究中，通常采用分立的電力電子器件IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極矩陣式變換器的雙向開(kāi)關(guān)，共有三種構(gòu)成方式二極管橋式、共集電極式和共射極式，另外也可以采用新型器件逆阻式IGBT反并聯(lián)構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)。本專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)中整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)采用的是共發(fā)射極式雙向開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖8說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的不同點(diǎn)在于，所述Z源網(wǎng)絡(luò)3是由第一電感U、第二電感L2、第一電容C1和第二電容C2組成的X型Z源網(wǎng)絡(luò),第一電容C1的一端與第一電感!^的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)3的第一輸入端,該第一電感L1的另一端與第二電容C2的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)3的第一輸出端,該第二電容C2的另一端與第二電感L2的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)3的第二輸入端，該第二電感L2的另一端與第一電容C1的另一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)3的第二輸出端。所述Z源網(wǎng)絡(luò)3的第一輸入端和第二輸入端與整流級(jí)電路I的輸出端連接，Z源網(wǎng)絡(luò)3的第一輸出端和第二輸出端與逆變級(jí)電路2的輸入端連接。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖9說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述 的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器的不同點(diǎn)在于，所述逆變級(jí)電路2是由五相逆變橋構(gòu)成。所述五相逆變橋的的上橋臂的五個(gè)開(kāi)關(guān)管的集電極連于一起，組成逆變電路2的第一輸入端，五相逆變橋的的下橋臂的五個(gè)開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連于一起構(gòu)成逆變級(jí)電路2的第二輸入端，所述逆變級(jí)電路2的第一輸入端和第二輸入端與Z源網(wǎng)絡(luò)3的輸出端連接，逆變級(jí)電路2的輸出端輸出五相逆變信號(hào)。本發(fā)明所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器與現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別在于增加了 Z源網(wǎng)絡(luò)，利用Z源網(wǎng)絡(luò)的直通特性來(lái)提高電壓傳輸比，其工作原理為整流級(jí)電路采用無(wú)零矢量的空間矢量調(diào)制方法，其直流側(cè)輸出平均電壓表達(dá)式為
3U.Ur=-— (I)
2 cos ⑷)cos(6^) = max(jcos(見(jiàn))|,Icos(A)I5Icos(^7)I)式中，Ui為輸入電壓的有效值，Θ i為輸入電壓的相位角，14直流輸出平均電壓，Θ a、0)3和Θ。分別是a、b和c三相輸入電壓角。若第一電感L1、第二電感L2和第一電容C1、第二電容C2分別相同,則Z源網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)。Uli = Ul2 = UlUci = Uc2 = Uc (2)式中，Uli為第一電感L1的端電壓，Ul2為第二電感L2的端電壓，Uci為第一電容C1的端電壓，Uc2第二為電容C2的端電壓，由于第一電感L1、第二電感L2和第一電容C1、第二電容C2分別相同，后面公式中的第一電感L1的端電壓和第二電感L2的端電壓均用Ul表不,第一電容C1的端電壓和第二為電容C2的端電壓均用Uc表不。逆變級(jí)電路工作有兩種狀態(tài)，分別是直通和非直通狀態(tài)。當(dāng)逆變級(jí)電路工作在圖5所示直通狀態(tài)時(shí)，可以得到如下關(guān)系Ul = Uc ；Udcl = 2UC ；Udc2 = O(3)其中為Udcl為Z源網(wǎng)絡(luò)輸入電壓，Udc2為逆變器的母線電壓。當(dāng)逆變級(jí)電路工作于圖6所示的非直通狀態(tài)時(shí)，可以得到
Ul = Ur-Uc ；Udcl = Ue ；Udc2 = Uc-Ul = 2UC-Udcl(4)由于在一
個(gè)開(kāi)關(guān)周期T中，電感兩端的平均電壓為0，由式(3)和(4)得
權(quán)利要求
1.基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，它包括雙極矩陣式變換器，其特征在于它還包括Z源網(wǎng)絡(luò)(3)，所述雙極矩陣式變換器由整流級(jí)電路(I)和逆變級(jí)電路(2)組成；Z源網(wǎng)絡(luò)(3)串聯(lián)在整流級(jí)電路⑴和逆變級(jí)電路⑵之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，其特征在于所述整流級(jí)電路(I)是由6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)(Sap、San、Sbp> Sbn> Scp和Sen)組成的三相全橋整流電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，其特征在于所述雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)IGBT和兩個(gè)功率二極管組成，所述兩個(gè)IGBT為共發(fā)射極式連接，每個(gè)IGBT 均并聯(lián)一個(gè)功率二極管，其中功率二極管的陽(yáng)極與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極與 IGBT的集電極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，其特征在于，所述Z 源網(wǎng)絡(luò)⑶是由第一電感(LJ、第二電感(L2)、第一電容(C1)和第二電容(C2)組成的X型 Z源網(wǎng)絡(luò),第一電容(C1)的一端與第一電感(L1)的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)(3)的第一輸入端，該第一電感(L1)的另一端與第二電容(C2)的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)(3)的第一輸出端，該第二電容(C2)的另一端與第二電感(L2)的一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)(3)的第二輸入端，該第二電感(L2)的另一端與第一電容(C1)的另一端相連后作為Z源網(wǎng)絡(luò)(3)的第二輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，其特征在于所述逆變級(jí)電路(2)采用由五相逆變橋?qū)崿F(xiàn)。
全文摘要
基于Z源的三相-五相雙級(jí)矩陣變換器，屬于電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域。為了克服傳統(tǒng)五相電壓源逆變器的體積大，輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，變頻器的使用壽命受限和現(xiàn)有的矩陣式變換器的電壓傳輸比低的問(wèn)題。本發(fā)明包括雙級(jí)矩陣式變換器，還包括Z源網(wǎng)絡(luò)，所述雙級(jí)矩陣式變換器由整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路組成；Z源網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路之間。Z源網(wǎng)絡(luò)的第一電容的一端與第一電感的一端相連后作為第一輸入端，該第一電感的另一端與第二電容的一端相連后作為第一輸出端，該第二電容的另一端與第二電感的一端相連后作為第二輸入端，該第二電感的另一端與第一電容的另一端相連后作為第二輸出端。該發(fā)明適用于驅(qū)動(dòng)五相電機(jī)。
文檔編號(hào)H02M5/40GK102931851SQ20121048663
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者劉洪臣, 于海龍, 王國(guó)立, 孫立山 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)