專利名稱：具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流電機控制器，具體的說是一種新型的具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器。
背景技術(shù)：
具有直流勵磁功能的交流電機可以通過控制直流勵磁電流，從而方便地調(diào)節(jié)電機磁場。該類電機作電動機使用時，具有更廣的調(diào)速范圍和良好的控制性能；作為發(fā)電機使用時，通過調(diào)節(jié)勵磁磁場，保證發(fā)電機在負(fù)載變化時，維持正常的輸出電壓。另外，該類電機在作發(fā)電運行時具有自滅磁功能，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。該類電機從電機結(jié)構(gòu)分為電勵磁結(jié)構(gòu)與混合勵磁結(jié)構(gòu)。前者已經(jīng)在諸多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域得到了廣闊的應(yīng)用前景；后者屬于新興的電機結(jié)構(gòu)，其具備了電勵磁電機與永磁電機的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及良好的應(yīng)用前景。
從電機控制器角度而言，一般采用交直交結(jié)構(gòu)的變換器，即先整流后逆變的方式，其具有良好的調(diào)速性能，并得到了廣泛應(yīng)用。但是該結(jié)構(gòu)也存在一些固有的缺陷，如斬波所引起的輸入電流中含有高次諧波，能量難以實現(xiàn)雙向流動等。而矩陣式交交變換器是一種新型的既有優(yōu)良控制性能和優(yōu)良輸入電流品質(zhì)而又成本低、結(jié)構(gòu)緊湊可靠的交交變換器。與傳統(tǒng)的交交變頻器及交直交變頻器相比，矩陣式交交變換器具有以下幾個顯著特點1.控制自由度大，輸出電壓可調(diào)，輸出頻率理論上可為任意值——以功率開關(guān)為理想開關(guān)和控制器處理速度足夠快為前提。
2.輸入功率因素可任意調(diào)節(jié)，可超前、可滯后，可調(diào)至極其逼近于1。
3.輸入電流波形好，無低次諧波，波形失真度小。
4.能量可雙向流動，無中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。
基于交交矩陣式變換器的勵磁電機控制系統(tǒng)采用交交直接變換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對交流電機的控制，同時使勵磁電路融合到主控制電路中，實現(xiàn)了一體化設(shè)計，具備了兩者上述的優(yōu)點，具有體積重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、諧波小及效率高等特點，不失為一種具有良好應(yīng)用前景的電機控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明目的是結(jié)合三相交交式矩陣變換器提供一種新型的具有直流勵磁功能的交流電機控制器。
2、技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器，該控制器包括三相交交式矩陣變換器電路、過壓吸收電路和直流勵磁調(diào)節(jié)電路。三相交交式矩陣變換器電路的三個輸入端與電源連接，三個輸出端與交流電機連接，三相交交式矩陣變換器電路由9個雙向開關(guān)組成，所謂雙向開關(guān)指導(dǎo)通時能流過雙向電流，關(guān)斷時能阻斷雙向電壓且具有自關(guān)斷能力的開關(guān)。9個雙向開關(guān)呈3*3矩陣狀排列構(gòu)成三相交交式矩陣變換器電路，每個輸入相與每個輸出相都有且僅有一個雙向開關(guān)連接。
過壓吸收電路由箝位電容、泄放電阻與兩組整流橋組成，作用是為防止在開關(guān)切換過程中產(chǎn)生的高壓尖峰，保證電路的可靠性。兩組整流橋輸出同相端相連，正負(fù)極間連接箝位電容，泄放電阻與箝位電容并聯(lián)，泄放電路的過壓能量，兩組整流橋的三路輸入及輸出分別連接三相交交式矩陣變換器電路的輸入端和輸出端。
直流勵磁電路將過壓吸收電路中箝位電容兩端電壓引出。本發(fā)明中直流勵磁調(diào)節(jié)電路的功能是調(diào)節(jié)勵磁繞組電流，起輔助控制作用，選擇范圍寬廣，常用的勵磁調(diào)節(jié)電路如全橋、半橋、不對稱半橋都能使用。
控制器工作的主要原理是通過調(diào)節(jié)三相交交式矩陣變換器控制其輸出電壓，間接控制電機繞組電流。勵磁繞組的電流通過直流勵磁調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)，起輔助控制作用，其能量主要從過壓吸收電路獲得。
3、有益效果本發(fā)明采用三相交交式矩陣變換器作為電機控制器的主要組成部分實現(xiàn)了交交直接變換，避免了中間直流環(huán)節(jié)，減小了控制器體積重量，提高了系統(tǒng)效率，并且能量可以雙向流動，能實現(xiàn)電機的四象限工作。本發(fā)明中勵磁繞組供能沒有使用額外的電源，而是利用了過壓吸收電路中的直流電能，從而進(jìn)一步縮小了控制器的體積重量，降低了成本。
四

圖1混合勵磁電機的控制器拓?fù)鋱D；圖2三相交交式矩陣變換器電路拓?fù)鋱D；圖3三相交交式矩陣變換器電路另一種拓?fù)鋱D；圖4過壓吸收電路拓?fù)鋱D；圖5三相交交式矩陣變換器電路的幾種典型開關(guān)狀態(tài)圖；圖6過壓吸收與勵磁電路。
五具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的一種具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器，其包括三相交交式矩陣變換器電路、過壓吸收電路和直流勵磁調(diào)節(jié)電路，交流電機與電源通過三相交交式矩陣變換器電路連接，過壓吸收電路與矩陣變換器的兩端相連，直流勵磁電路將過壓吸收電路電容兩端電壓引出。
本發(fā)明中三相交交式矩陣變換器作為電機控制器的主要部分，其拓?fù)淙鐖D2，圖3所示，三相交交式矩陣變換器電路由9個雙向開關(guān)組成，9個雙向開關(guān)呈3*3矩陣狀排列，每個輸入相與每個輸出相都有且僅與一個雙向開關(guān)連接。其輸入側(cè)接三相交流電源，輸出側(cè)接電機的三相繞組。因為三相交交式矩陣變換器工作時須滿足輸入側(cè)不能短路，輸出側(cè)不能開路，故有27種開關(guān)狀態(tài)，圖5列舉了其幾種典型的開關(guān)狀態(tài)。采用合適的調(diào)制方法完全能夠完成對電機的控制。
理想情況下三相交交式矩陣變換器開關(guān)切換是在瞬時完成的，但現(xiàn)實中開關(guān)的導(dǎo)通存在導(dǎo)通時間，開關(guān)的關(guān)斷存在關(guān)斷時間，又因為電機是感性負(fù)載，電流不能突變，所以開關(guān)通斷切換瞬間會形成高壓尖峰。為保護(hù)雙向開關(guān)不受損壞，對三相交交式矩陣變換器設(shè)置過壓吸收電路抑制高壓尖峰，以及為電機故障狀態(tài)提供能量泄放回路，電路拓?fù)淙鐖D4所示。
本發(fā)明主要提出利用過壓吸收電路的能量供給勵磁繞組工作，過壓吸收電路由箝位電容、泄放電阻與兩組整流橋組成，兩組整流橋輸出同相端相連，正負(fù)極間連接箝位電容，而泄放電阻與箝位電容并聯(lián)，如圖6所示。過壓吸收電路整流橋二極管的導(dǎo)通情況按導(dǎo)通原因可以分為非過壓和過壓兩種情況。非過壓情況時，由于三相交交式矩陣變換器最大電壓傳輸比為0.866，所以輸入側(cè)線電壓最大相對應(yīng)的兩個二極管導(dǎo)通，輸出側(cè)二極管全部截至。此時電容C作為小型濾波電容，僅起平滑電壓波形的作用。過壓情況產(chǎn)生的原因主要是因為三相交交式矩陣變換器開關(guān)切換存在死區(qū)，導(dǎo)致電壓尖峰。此時三相交交式矩陣變換器出現(xiàn)過壓的相所對應(yīng)過壓吸收電路的二極管橋臂導(dǎo)通，即輸出側(cè)對應(yīng)的整流橋二極管橋臂亦有可能導(dǎo)通。此時電容C的起電壓箝位作用，能夠抑制電壓尖峰，保護(hù)三相交交式矩陣變換器主電路雙向開關(guān)。因為過壓吸收與勵磁電路的負(fù)載僅由勵磁繞組構(gòu)成，呈大電感負(fù)載，所以過壓吸收與勵磁電路的箝位電容并不起儲能的作用，無須采用大電容，因此過壓吸收與勵磁電路的體積很小。與常用的泄放回路一樣，過壓吸收電路也可以通過在泄放電阻兩端并聯(lián)一個低阻值電阻，通過功率開關(guān)控制，提高故障狀態(tài)泄放速度。
權(quán)利要求
1.一種具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器，其特征是該控制器包括三相交交式矩陣變換器電路、過壓吸收電路和直流勵磁調(diào)節(jié)電路，其中三相交交式矩陣變換器電路的三個輸入端與電源連接，三個輸出端與交流電機連接，三相交交式矩陣變換器電路由9個雙向開關(guān)組成，9個雙向開關(guān)呈3*3矩陣狀排列，每個輸入相與每個輸出相都有且僅與一個雙向開關(guān)連接；過壓吸收電路由筘位電容、泄放電阻與兩組整流橋組成，兩組整流橋輸出的同相端相連，其正負(fù)極間連接箝位電容，泄放電阻與筘位電容并聯(lián)，兩組整流橋的三路輸入及輸出分別連接三相交交式矩陣變換器電路的輸入端和輸出端，直流勵磁電路將過壓吸收電路中箝位電容兩端電壓引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器，其特征是直流勵磁調(diào)節(jié)電路是全橋、半橋或不對稱半橋調(diào)節(jié)電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器，該控制器中的三相交交式矩陣變換器的三個輸入和輸出端分別與電源及交流電機連接，矩陣變換器由9個雙向開關(guān)呈3*3矩陣狀排列，每個輸入、輸出相都有且僅與一個雙向開關(guān)連接；過壓吸收電路中兩組整流橋輸出同相端相連，其正負(fù)極間連接箝位電容，泄放電阻與箝位電容并聯(lián)，兩組整流橋的三路輸入及輸出分別連接矩陣變換器電路的輸入輸出端，直流勵磁電路將過壓吸收電路中箝位電容兩端電壓引出。本發(fā)明采用三相交交式矩陣變換器實現(xiàn)了交交直接變換，避免了中間直流環(huán)節(jié)，減重增效，且能量雙向流動能實現(xiàn)電機的四象限工作。勵磁繞組利用過壓吸收電路中的直流電，更縮小了控制器的體積重量。
文檔編號H02M5/02GK101026350SQ200710020639
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者仇紅奎, 周波, 張紹 申請人:南京航空航天大學(xué)