專利名稱：具有勵磁功能的三相四橋臂矩陣式變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種矩陣式變換器，特別涉及一種具有勵磁功能的三相四橋臂矩陣式變換器， 屬于功率變換器領域。
背景技術：
交流電機是實現電能與機械能轉換的電機。工農業及閂常生活所用的電能一般均為RI步 發電機供給，同步電機發電運行時，電機輸出電壓與電機磁場相關，通過調節勵磁磁場，可 以實現對電機輸出電壓的控制。電勵磁同歩電機中，除電樞繞組外，還附有一套勵磁繞組。 調節勵磁繞組中流過的勵磁電流即可方便地調節勵磁磁場，從而實現對電機輸出電壓的控制。 該類電機勵磁可控，具有良好的調節特性，滅磁簡單，提高了系統運行的可靠性。此外，將 電勵磁與永磁勵磁相結合構成新型混合勵磁同步電機，兼具電勵磁電機勵磁可控的優點與永 磁電機高效率的優點，具有廣闊的應用領域及良好的應用前景。
同步電機輸出電能通常需要經過頻率和電壓的變換后在提供給特定的負載。交流電力變 換器通常可分為交-直-交型和交-交型兩種形式。交-直-交型電力變頻裝置因其具有良好的變 頻性能，得到了廣泛應用。但是，它存在輸入側功率因素低、對電網諧波污染嚴重、能量難
以實現雙向流動等問題。矩陣變換器是一種能夠實現從m相輸入直接變換到n相輸出的電力 變換裝置，能夠實現AC-AC、 AC-DC等多種變換。與傳統的交-直-交型電力變換裝置相比，矩 陣式變換器具有輸入功率因素高、輸入電流波形好、能量可雙向流動、可實現四象限運行、 無中間直流儲能環節、電路結構緊湊、體積小等優點。因此，矩陣式變換器是交流電機實現 電力變換的優選方案之一。
交流同歩電機勵磁方式有多種選擇，如自勵，他勵等。目前，大多數交流同步電機控制 系統設計時將勵磁繞組調節電路與主功率變換電路分離開來獨立設計，這樣不但增加了系統 的體積、重量，同時增加了系統的復雜性及成本，降低了系統可靠性。
發明內容
本發明為了設計一種結合功率變換器與勵磁電路一體化的電路而提出一種具有勵磁功能 的三相四橋臂矩陣式變換器。
一種具有勵磁功能的二相四橋臂矩陣式變換器，包括混合勵磁同步電機、三相四橋臂矩
陣式變換器和箝位保護電路，其中混合勵磁同歩電機的三相輸出端分別連接三相四橋臂矩 陣式變換器的三相輸入端和箝位保護電路的三相輸入端，三相四橋臂矩陣式變換器的第一至 第三橋臂輸出端既分別連接箝位保護電路的三相輸出端，又分別連接二相電網絡或三相負載， 二相四橋臂矩陣式變換器的第四橋臂輸出端連接混合勵磁同歩電機的勵磁繞組的輸入端，混 合勵磁同歩電機的勵磁繞組的輸出端連接并聯在箝位保護電路母線間的雙向選通開關的固定 端o
本發明是利用二相四橋臂矩陣式變換器輸出四橋臂中的三相實現三相輸入交流電交-交 電力變換，利用第四橋臂實現電機勵磁繞組勵磁電流的調節，不僅具有傳統三相交-交矩陣變 換器的優點，同時能夠實現電機勵磁控制。功率變換電路及勵磁電路一體化使系統設計得到 簡化，結構緊湊有利于系統集成。勵磁回路工作時只有一個功率開關管及一個功率二極管處 于導通狀態，可以降低系統的勵磁損耗，提卨系統效率。
圖1是本發明的電路結構拓撲圖，圖中標號名稱1、混合勵磁同步電機，2、三相四橋 臂矩陣式變換器，3、箝位保護電路。
圖2是本發明選通開關接箝位保護電路正極性直流母線調制周期勵磁回路工作狀態圖 (a)開關&/開通時勵磁問路工作狀態圖；(b)開關&/開通時勵磁冋路丁作狀態圖；(c)開 關&/開通時勵磁回路工作狀態圖。
圖3是本發明選通開關接箝位保護電路負極性直流母線調制周期勵磁回路工作狀態圖-(a)開關5V開通時勵磁回路工作狀態圖；(b)開關&/開通時勵磁回路工作狀態圖；(c)開 關&/開通時勵磁回路工作狀態圖。
具體實施例方式
如圖1所示， 一種具有勵磁功能的二相四橋臂矩陣式變換器，包括混合勵磁同歩電機l、
三相四橋臂矩陣式變換器2和箝位保護電路3，其中混合勵磁同步電機1的三相輸出端分
別連接三相四橋臂矩陣式變換器2的三相輸入端和箝位保護電路3的三相輸入端，三相四橋 臂矩陣式變換器2的第一至第二橋臂輸出端既分別連接箝位保護電路3的三相輸出端，又分 別連接三相電網絡或二相負載，三相四橋臂矩陣式變換器2的第四橋臂輸出端連接混合勵磁 同歩電機1的勵磁繞組的輸入端，混合勵磁同歩電機1的勵磁繞組的輸出端連接并聯在箝位 保護電路3母線間的雙向選通開關S的固定端。
本發明中二相四橋臂矩陣式變換器2拓撲由12個雙向開關構成，每個雙向開關均具有雙 向導通和雙向關斷的功能。12個雙向開關成3X4矩陣式排列。每個輸入相與每個輸出相都 有且僅與一個雙向開關連接。采用合適的調制方法，對12個雙向開關采用脈寬調制便可得到 期望輸出電壓。三相四橋臂矩陣式變換器2輸入輸出關系可表示為
《 仏
其中，三相四橋臂矩陣式變換器2的三相輸出電壓^、 "、 t7c通過控制雙向開關&>狀態 0'e{a,6,c},A:e{A&C})，由輸入三相電壓[/。、仏、^合成得到，如式
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具體控制方式類同于常規三相-三相矩陣式變換器。
為保護雙向開關不受損壞，木變換器需要設置箝位保護電路3抑制高壓尖峰，箝位保護 電路3由箝位電容、泄放電阻和兩組整流橋組成。箝位電容起電壓箝位作用，抑制電壓尖峰， 保護三相交-交式矩陣變換器主電路雙向開關。iT.常情況下，輸入側二極管整流橋中輸入線電 壓幅值最大相對應的兩個二極管導通，輸出側二極管全部截止。
本發明中，利用三相四橋臂矩陣式變換器2的第四橋臂輸出端連接混合勵磁同步電機1 的勵磁繞組的輸入端，混合勵磁同歩電機1的勵磁繞組的輸出端連接并聯在箝位保護電路3 母線間的雙向選通開關S的固定端來構成勵磁lHj路，雙向選通開關S起著對勵磁電流方向進 行控制的作用。根據雙向選通開關S與箝位保護電路3連接的方式，勵磁回路分兩種工作情 況
(1)如圖2所示，雙向選通開關S與箝位保護電路3母線正極性端相連接，此時因箝位保護 電路3輸入側整流橋共陰極連接的二極管中與輸入電壓最大相連接的二極管導通，勵磁繞組 的一端與輸入側三相電壓中幅值最大相相連，控制開關S。/、 &/、 &/開通關斷，即可控制勵磁 繞組兩端的電壓。為避免出現輸入側短路及勵磁回路出現斷路情況，任何時刻雙向開關5V、
45V、 Sc/中有且只有一個處于導通狀態。以三相輸入電壓中a相電壓幅值"最大時為例介紹勵 磁回路的工作原理，此時箝位保護電路3中對應導通的二極管為D,，當5V開通時，勵磁回路 工作模態如圖2 (a)所示，勵磁繞組兩端的電壓為0;當&,開通時，勵磁回路工作模態如圖 2 (b)所示，勵磁繞組兩端的電壓為C/w當&/開通時，勵磁回路工作模態如圖2 (c)所示, 勵磁繞組兩端的電壓為C/。c。對&/、 5V、 S《采用脈寬調制，勵磁繞組電壓"/由輸入三相電壓 [/。、仏、K合成得到，如式c/。
設定一個調制周期中Sa/、 ~、 &/導通占空比分別為A、力、^，則(//=^*f/aA+^*[/ac。通過 設定對應丌關管的占空比，就能夠實現對勵磁繞組電壓的調節，進而實現對勵磁電流的調節。 其它輸入電壓情況下勵磁回路的工作情況與此類似。
(2)如圖3所示，雙向選通開關S與箝位保護電路3母線負極性端相連，此時因箝位保護電 路3輸入側整流橋共陽極連接的二極管中與輸入電壓最小相連接的二極管導通，勵磁繞組的
端與輸入側三相電壓中屯壓最小相相連，同樣控制開關&/、 5V、 sv丌通關斷，即可控制勵 磁繞組兩端的電壓。以三相輸入電壓中a相電壓仏幅值最小情況為例介紹勵磁回路的工作原 理，此箝位保護電路屮對應導通的二極管為D2，當&/開通時，勵磁回路工作模態如圖3 (a) 所示，勵磁繞組兩端的電壓為0;當^/開通時，勵磁回路工作模態如圖3 (b)所示，勵磁繞 組兩端的電壓為L^;當&/開通時，勵磁回路工作模態如圖3 (c)所示，勵磁繞組兩端的電 壓為仏c。同樣，對&/、 &/、 &/采用脈寬調制，設定一個調制周期中&/、 &/、 &/導通占空比 分別為^'、 "/、 4'，則合成后勵磁繞組兩端的電壓為L^d/*t/。c，因為^<^, 7"< f/c，所以有^/。6<0， [4<0，則f//〈0。勵磁電壓為負，勵磁電流反向流動。
實際應用中，雙向選通丌關S的連接方式決定了勵磁電流方向，勵磁橋臂丌關管的有效 導通占空比決定了勵磁繞組電流的大小，該控制方式簡潔實用，能夠實現電機的雙向可控勵 磁。
權利要求
1、一種具有勵磁功能的三相四橋臂矩陣式變換器，包括混合勵磁同步電機(1)、三相四橋臂矩陣式變換器(2)和箝位保護電路(3)，其中混合勵磁同步電機(1)的三相輸出端分別連接三相四橋臂矩陣式變換器(2)的三相輸入端和箝位保護電路(3)的三相輸入端，三相四橋臂矩陣式變換器(2)的第一至第三橋臂輸出端既分別連接箝位保護電路(3)的三相輸出端，又分別連接三相電網絡或三相負載，其特征在于三相四橋臂矩陣式變換器(2)的第四橋臂輸出端連接混合勵磁同步電機(1)的勵磁繞組的輸入端，混合勵磁同步電機(1)的勵磁繞組的輸出端連接并聯在箝位保護電路(3)母線間的雙向選通開關(S)的固定端。
全文摘要
本發明公開了一種具有勵磁功能的三相四橋臂矩陣式變換器，屬于功率變換器領域。其結構主要包括混合勵磁同步電機、三相四橋臂矩陣式變換器和箝位保護電路。該變換器是利用三相四橋臂矩陣式變換器的第四橋臂輸出端連接混合勵磁同步電機的勵磁繞組的輸入端，混合勵磁同步電機的勵磁繞組的輸出端連接并聯在箝位保護電路母線間的雙向選通開關的固定端來構成勵磁回路，實現了功率變換器與勵磁電路一體化設計。本發明不僅具有傳統三相交-交矩陣變換器的優點，同時實現了電機勵磁控制，降低了系統的勵磁損耗，提高了系統的效率。
文檔編號H02P9/14GK101420181SQ200810243078
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者史明明, 波 周, 姜田貴, 毛怡然 申請人:南京航空航天大學