電流型阻抗源交流/交流變頻器及其控制迴路的控制方法

2023-05-02 06:17:41

專利名稱：電流型阻抗源交流/交流變頻器及其控制迴路的控制方法
技術領域：
本發明涉及交流/交流變頻器，特別涉及一種電流型阻抗源交流/交流變頻器及其控制迴路的控制方法。
背景技術：
目前的變頻器大多數是間接式變頻器，即交-直-交式變頻器，其缺點是需要經過整流和逆變兩級功率變換，具有中間直流環節，效率較低，體積和重量較大。傳統的交流/交流變頻器是基於晶閘管的，採用相控式控制方式，其缺點是控制電路複雜，容易產生失控，輸入側功率因數較低，輸出電壓頻率只能低於輸入電壓頻率。傳統的交流/交流矩陣式變頻器通常採用由4個或9個雙向電力電子開關組成的開關矩陣，將交流電源和負載耦合在一起，同時通過複雜的控制算法來實現直接變壓、變頻的功能，輸入側功率因數可以達到接近於1，功率流可以雙向流動，但是存在以下缺點 輸出電壓調節範圍小，電壓增益小於1 ；眷由於電力電子器件的開關時間或電磁幹擾的影響，接於負載同一相的電力電子開關若共態導通則會造成交流電源的短路，若共態關斷會導致電感性負載情況下的開路， 從而造成電力電子器件發生損壞；·電力電子開關的換流困難； 用於電機傳動時無法提供電源斷電時的電機渡越能力；·電路的EMI問題嚴重。近年來人們對傳統交流/交流矩陣式變頻器的電路拓撲進行了大量研究、優化， 出現了稀疏型、特別稀疏型矩陣式變頻器，但是它們在減少了開關數目的同時，帶來了控制的更加複雜化，而前述缺點並沒有得到根本性的克服，有的方案甚至還犧牲了電路的雙向功率傳輸特性。由單相逆變器模塊作為雙向開關的矩陣式變換器拓撲，雖然可以實現輸出電壓的二電平、三電平，可以實現升/降壓功能，但是控制更為複雜，所用開關器件數目增加了一倍，並且每個模塊分別需要一個電容器，結構也更加龐大。近年來，國內外提出過基於阻抗源思想的矩陣式變頻器，但是它們都是電壓型電路，未見有電流型阻抗源變頻器的報導。本案發明者於2009年國際會議IEEE ASEMD2009發表了論文，其中有關於三相電流型阻抗源矩陣變換器的描述，但是僅僅給出了其主電路拓撲和分析，並未對其控制裝置進行描述，也未給出其控制電路。

發明內容
本發明的目的是克服上述缺陷，提供一種基於阻抗源變換器與傳統矩陣變流器相結合，電流型阻抗源交流/交流變頻器，可以無級調節輸出電壓幅值和頻率，同時避免雙向電力電子開關共態關斷時受到損壞，電路結構簡單，體積小、重量輕、可靠性高。為達到上述目的，本發明提供的一種單相電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括構成主迴路的單相交流電壓源、交流電力電子開關、交流電力電子開關矩陣和交流負載，以及構成控制迴路的電流型逆變器控制器DSP或FPGA，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA 用於將輸出的零狀態信號接至所述交流電力電子開關的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關的導通，所述主迴路還包括一阻抗源網絡，控制迴路還包括與所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA相連的邏輯電路，其中所述阻抗源網絡為由兩個電感和兩個電容器構成的對稱性X型網絡，所述交流電力電子開關並聯於所述阻抗源網絡與所述交流電壓源之間，所述交流電力電子開關矩陣連接於所述阻抗源網絡與所述交流負載之間，所述交流電力電子開關矩陣由第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關陣列而成；所述邏輯電路包括一交流電力電子開關控制電路和一交流電力電子開關矩陣控制電路，所述交流電力電子開關控制電路包括第一與門、第二與門和第一或門，電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端和第二輸出端接至第一與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第三輸出端和第四輸出端接至第二與門的輸入端，第一與門和第二與門的輸出端接至第一或門的輸入端，第一或門輸出零狀態信號；交流電力電子開關矩陣控制電路包括第一非門和第三與門至第六與門，所述零狀態信號接至第一非門的輸入端， 第一非門的輸出端分別接至第三與門至第六與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP 或FPGA的第一輸出端至第四輸出端分別接至第三與門至第六與門的另一輸入端，第三與門至第六與門的輸出端在電源電流的每個正、負半周裡，將輸出信號分別輪流接至所述第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關各自的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關矩陣的導通。本發明單相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述交流電力電子開關為由4 個功率二極體橋構成的雙向開關。本發明單相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述交流電力電子開關為一共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關。本發明單相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述交流電壓源的輸出端與所述交流電力電子開關的輸入端連接有電感器。為達到上述目的，本發明提供的一種單相電流型阻抗源交流/交流變頻器控制迴路的邏輯控制方法，該方法設置交流電力電子開關控制電路和交流電力電子開關矩陣控制電路，所述交流電力電子開關控制電路包括第一與門、第二與門和第一或門，交流電力電子開關矩陣控制電路包括第一非門和第三與門至第六與門，該方法包括(1)將電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端至第四輸出端經第一與門和第二與門接至第一或門的輸入端，通過第一或門獲取零狀態信號，並將輸出的零狀態信號接至所述交流電力電子開關的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關的導通；(2)將所述零狀態信號接至第一非門的輸入端，第一非門的輸出端分別接至第三與門至第六與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端至第四輸出端分別對應接至第三與門至第六與門的另一輸入端，通過第三與門至第六與門獲取4路輸出信號，並分別對應接至所述第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關各自的驅動電路輸入端，以在電源電流的每個正、負半周裡控制所述交流電力電子開關矩陣的導通。為達到上述目的，本發明提供的一種三相電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括構成主迴路的三相交流電壓源、三相交流電力電子開關、三相交流電力電子開關矩陣和三相交流負載，以及構成控制迴路的三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA用於將輸出的三相零狀態信號接至所述三相交流電力電子開關的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關的導通，所述主迴路還包括三相阻抗源網絡和三相嵌位電路，控制迴路還包括與所述開關矩陣空間矢量控制器DSP或 FPGA相連的邏輯電路，其中所述三相阻抗源網絡為由3個電感和3個電容器構成的對稱性X型網絡，所述三相交流電力電子開關並聯於所述三相阻抗源網絡與所述三相交流電壓源之間，所述三相交流電力電子開關矩陣連接於所述三相阻抗源網絡與所述三相交流負載之間，所述三相交流電力電子開關矩陣由第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關陣列而成，三相嵌位電路連接於所述三相交流電力電子開關矩陣與所述三相交流負載之間；所述邏輯電路包括三相交流電力電子開關控制電路和三相交流電力電子開關矩陣控制電路，所述三相交流電力電子開關控制電路包括第七與門、第八與門、第九與門和第二或門，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端接至第七與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第四輸出端、第五輸出端和第六輸出端接至第八與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第七輸出端、第八輸出端和第九輸出端接至第九與門的輸入端，第七與門、 第八與門和第九與門的輸出端接至第二或門的輸入端，第二或門輸出三相零狀態信號；三相交流電力電子開關矩陣控制電路包括第二非門和第十與門至第十八與門，所述三相零狀態信號接至第二非門的輸入端，第二非門的輸出端分別接至第十與門至第十八與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端至第九輸出端分別對應接至第十與門至第十八與門的另一輸入端，第十與門至第十八與門的輸出端分別接至所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關各自的驅動電路輸入端，以控制所述三相交流電力電子開關矩陣的導通。本發明三相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述三相交流電力電子開關為由6個功率二極體橋構成的雙向開關，所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關分別為由4個功率二極體橋構成的雙向開關。本發明三相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述三相交流電力電子開關為由6個功率二極體橋構成的雙向開關，所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關分別為共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關。本發明三相電流型阻抗源交流/交流變頻器，其中所述三相交流電壓源的輸出端與所述三相交流電力電子開關的輸入端連接有三相電感器。為達到上述目的，本發明提供的一種三相電流型阻抗源交流/交流變頻器控制迴路的邏輯控制方法，該方法設置三相交流電力電子開關控制電路和三相交流電力電子開關矩陣控制電路，所述三相交流電力電子開關控制電路包括第七與門、第八與門、第九與門和第二或門，三相交流電力電子開關矩陣控制電路包括第二非門和第十與門至第十八與門， 該方法包括(1)將三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端至第九輸出端經第七與門、第八與門、第九與門接至第二或門的輸入端，通過第二或門獲取三相零狀態信號，並將輸出的三相零狀態信號接至所述三相交流電力電子開關的驅動電路輸入端，以控制所述三相交流電力電子開關的導通；(2)將所述三相零狀態信號接至第二非門的輸入端，第二非門的輸出端分別接至第十與門至第十八與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端至第九輸出端分別對應接至第十與門至第十八與門的另一輸入端，通過第十與門至第十八與門獲取9路輸出信號，並分別對應接至所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關各自的驅動電路輸入端，以控制所述三相交流電力電子開關矩陣的導通。本發明電流型阻抗源交流/交流變頻器及其控制迴路的控制方法的優點和積極效果在於由於電流型阻抗源交流/交流變頻器中設置了阻抗源網絡和邏輯控制電路，電路具有非常高的可靠性，可以避免交流電力電子開關矩陣中開關共態導通或共態關斷時損壞電力電子器件。由於交流電力電子開關的工作頻率遠高於電源和輸出電壓的頻率，阻抗源網絡的無源元件值很小，整個電路的結構簡單，體積小、重量輕、可靠性高。本發明還提供了控制迴路的邏輯控制方法，該方法為實現上述電路的可靠性和避免交流電力電子開關矩陣中開關共態導通或共態關斷時損壞電力電子器件提供了基礎。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明。


圖1是本發明電流型阻抗源交流/交流變頻器的方框圖；圖2是單相電流型阻抗源交流/交流變頻器的電路結構圖；圖3是三相電流型阻抗源交流/交流變頻器的電路結構圖；圖4是功率二極體橋構成的雙向開關的電路結構圖；圖5共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關的電路結構圖；圖6(a)是單相電流型阻抗源交流-交流變頻器非開路零狀態等效電路圖；圖6(b)是單相電流型阻抗源交流-交流變頻器開路零狀態等效電路圖；圖7是單相交流電力電子開關矩陣和交流負載部分的電路圖；圖8是單相電流型阻抗源交流-交流變頻器電壓增益關於開路零狀態佔空比關係的曲線圖；圖9是單相電流型阻抗源交流/交流變頻器DSP或FPGA和邏輯電路的電路結構圖；圖10是三相電流型阻抗源交流/交流變頻器DSP或FPGA和邏輯電路的電路結構圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括構成主迴路的交流電壓源或交流負載、交流電力電子開關、阻抗源網絡、交流電力電子開關矩陣和交流負載或交流電壓源，交流電力電子開關並聯於阻抗源網絡與交流電壓源之間，交流電力電子開關矩陣接於阻抗源網絡與負載之間，阻抗源網絡為由若干電感器和電容器構成的對稱性X型網絡。本發明電流型阻抗源交流/交流變頻器，還包括構成控制迴路的電流型逆變器控制器DSP或FPGA和邏輯電路，電流型逆變器控制器DSP或FPGA用於將輸出的零狀態信號接至交流電力電子開關的驅動電路輸入端，以控制交流電力電子開關的導通。邏輯電路用於在電源電流的每一個固定的周期裡，分配控制電力電子開關矩陣的控制信號，將該控制信號分別接至交流電力電子開關矩陣中各個交流電力電子開關的驅動電路輸入端。採用正弦脈寬調製SPWM、空間矢量控制SVPWM等控制策略，利用電流型逆變器控制器DSP或FPGA產生電流型開關控制信號，邏輯電路包括一與門和或門電路以及一非門和與門電路，與門和或門電路與電流型逆變器控制器DSP或FPGA輸出信號相連，用於輸出零狀態信號；非門和與門電路將傳統零狀態信號取反後和電流型逆變器控制器DSP或FPGA輸出信號相與，用於輸出對交流電力電子開關矩陣的控制信號。本發明的交流/交流變頻器，交流電壓源的輸出端與交流電力電子開關的輸入端連接有電感器L，用於使電源側相當於電流源或在功率流反向時作為濾波器。阻抗源網絡的輸出端與交流電力電子開關矩陣的輸入端連接有電流檢測、轉換和濾波裝置，用於獲取電流的基波分量。本發明的交流/交流變頻器，通過交流電力電子開關的規律性的高頻開關工作， 阻抗源網絡的無源元件周期性地充放電，來實現輸出電壓幅值和頻率的升高或降低。實施例一，單相電流型參照圖2，包括構成主迴路的單相交流電壓源U、交流電力電子開關S1、交流電力電子開關矩陣S11-S22，一個由兩個電感LpL2和兩個電容器CpC2構成的阻抗源網絡和交流負載Z，以及構成控制迴路的電流型逆變器控制器DSP或FPGA。交流電力電子開關S1並聯於阻抗源網絡與交流電壓源u之間，交流電壓源u的輸出端與交流電力電子開關S1的輸入端連接有電感器L。交流電力電子開關矩陣Sn-^連接於阻抗源網絡與交流負載Z之間。交流電力電子開關矩陣由第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關S11-^2陣列而成。 五個交流電力電子開關Sp S11-S22均由4個功率二極體構成的整流橋和一個全控型電力電子器件組成，五個交流電力電子開關S1、S11-S22工作在高頻開關狀態。由於五個交流電力電子開關Sp S11-S22均工作在高頻開關狀態，阻抗源網絡元件的電壓和電流均為高頻脈衝信號，所需要的電感量和電容量很小。例如，一個5kW的單相電流型阻抗源交流-交流變頻器， 其阻抗源網絡電感器LpL2的電感量在lmH，電容器CpC2的電容量在20 μ F左右時即可取得不錯的效果。輸入側電感器L的主要作用是濾波和使輸入側成為電流源，因為雙向開關都工作在高頻開關狀態，輸入側電感器L所需要的電感量也很小。五個交流電力電子開關S1A11-^可以採用現有雙向電力電子開關的所有結構，其中較好的結構有兩種結構形式，即功率二極體橋構成的雙向開關和共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關。參照圖4和圖5，前者僅含一個全控型功率器件，控制簡單，但電流方向不可控，每一時刻有三個功率器件導電，損耗相對較大；後者多用一個全控型功率器件， 但是電流方向可控，每一時刻有兩個功率器件參與導電，損耗相對較小，並且與共發射極雙向開關相比，所需隔離式驅動電源個數較少。該主電路的工作過程單相電流型阻抗源交流-交流變頻器電路的功率流可以雙向流動，通過對電路中五個交流電力電子開關Si、S11-S22的合理控制可以實現電源側功率因數的調節。由於是對電路中的電流進行相應控制，電路的動態響應更快。單相電流型阻抗源交流-交流變頻器的阻抗源網絡也是對稱的，也就是說，電感器L1、L2具有相同的電感量，電容器C1、C2具有相同的電容量。因此，有iL1 = iL2 = iL = ILsin (ω t+ Φ L),icl = iC2 = ic = Icsin (ω t+ Φ c),vcl = vC2 = vc = Vcsin(cot+(i)c-90° )(1)其中，是電感！LpL2電流的初相位，Φ。是電容器Cp C2電流的初相位。傳統矩陣變換器的控制方法，如SPWM或SVPWM，也能應用於單相電流型阻抗源交流-交流變頻器。由於獨特的結構，本電路有一個額外的工作狀態開路零狀態，當交流電力電子開關矩陣S11-S22的所有開關都關斷時，阻抗源網絡的輸出端開路。傳統的矩陣變換器沒有開路零狀態，因為那將導致感性負載的開路。從阻抗匹配的角度看，一般電源側為電壓源，負載側應為電感性，即電流源；電源側為電流源，負載側應為電容性，即電壓源。因此，對於電流型阻抗源交流-交流變頻器，由於其負載側往往有電容性的濾波環節，開路零狀態的存在是合理可行的。對稱性的阻抗源網絡的存在，使在電路工作在開路零狀態下時開關矩陣輸入側電流存在續流通路，即電容器既可以續流，同時也可以起到電壓嵌位作用，減少開關器件的電壓應力，保護開關器件。更為重要的是阻抗源網絡的存在，為電路電壓增益的增大提供了可能性。在一個開關周期中，單相電流型阻抗源交流-交流變頻器具有以下三個工作狀態(1)有效工作狀態，交流電力電子開關矩陣S11-S22中S11和S22或S21和S12同時導通，交流電力電子開關S1關斷，電源的能量能夠傳輸到負載；(2)傳統零狀態，交流電力電子開關矩陣S11-^2中S11和S12或S21和S22同時導通， 交流電力電子開關S1關斷，電源的能量不能傳輸到負載；(3)開路零狀態，交流電力電子開關矩陣中的4個開關S11^22均關斷，交流電力電子開關S1導通，負載仍然得不到能量。由於負載側往往並聯有濾波電容器，在一個開關周期內負載可視為電壓源。上述第二種工作狀態下，同一橋臂上下兩個開關直通，電路輸出可以看作零值電壓源。因此，在非開路零狀態的(1)和( 兩種工作狀態下，我們可以用同一個等效電路描述單相電流型阻抗源交流-交流變頻器，如圖6(a)所示，開路零狀態下的等效電路如圖6(b)所示。圖6中i」 iZi和、分別為電源側輸入電流、阻抗源網絡輸入側和輸出側電流，阻抗源網絡輸出側電流即開關矩陣輸入側電流。設上述電流的基波分量為^=1--(^1), iZrl =1ZrlX^t-(PZr) 'iZol =1Zolm ~ Ψζο)。其中，Iilm、IZilm、IZolm 為相應電流的幅值，Oi 為其角頻率，(Pi、φΖι、φ&*相應電流的初相位。對於圖6(a)，有 ic = iZi-iL, izo = 2iL-iZi, iZi = Ii,(2)在此過程中電感器充電，電容器放電，電路工作在此狀態的時間為(l-D)T，D為開關S的導通佔空比，T為開關周期。對於圖6(b)，有 ic = iL，= 0，iZi = 2iL(3)在此過程中電感器放電，電容器充電，電路工作在此狀態的時間為DT。在穩定工作狀態下，電容器電流在一個電源周期內的平均值應該為0，從(2)和 (3)可以得到Ic =TL = \[iL-DT + (/；.-/J-(1-D)T]it = 0
或者
權利要求
1.一種單相電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括構成主迴路的單相交流電壓源(U)、 交流電力電子開關(S1)、交流電力電子開關矩陣(Sn、S12, S21、S22)和交流負載(Z)，以及構成控制迴路的電流型逆變器控制器DSP或FPGA，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA用於將輸出的零狀態信號接至所述交流電力電子開關(S1)的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關(S1)的導通，其特徵在於所述主迴路還包括一阻抗源網絡，控制迴路還包括與所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA相連的邏輯電路，其中所述阻抗源網絡為由兩個電感(LjPL2)和兩個電容器(C1和C2)構成的對稱性X型網絡，所述交流電力電子開關(S1)並聯於所述阻抗源網絡與所述交流電壓源(u)之間，所述交流電力電子開關矩陣(Sn、S12、S21、&2)接於所述阻抗源網絡與所述交流負載(Z)之間，所述交流電力電子開關矩陣(Sn、S12、S21、&2)由第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關(Sn、S12、S21、&2)陣列而成；所述邏輯電路包括一交流電力電子開關控制電路和一交流電力電子開關矩陣控制電路，所述交流電力電子開關控制電路包括第一與門、第二與門和第一或門，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端(a)和第二輸出端(b)接至第一與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第三輸出端(c)和第四輸出端(d)接至第二與門的輸入端，第一與門和第二與門的輸出端接至第一或門的輸入端，第一或門輸出零狀態信號；交流電力電子開關矩陣控制電路包括第一非門和第三與門至第六與門，所述零狀態信號接至第一非門的輸入端，第一非門的輸出端分別接至第三與門至第六與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端(a)至第四輸出端(d)分別接至第三與門至第六與門的另一輸入端，第三與門至第六與門的輸出端在電源電流的每個正、負半周裡，將輸出信號分別輪流接至所述第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關(Sn、S12, S21, S22) 各自的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關矩陣(Sn、S12、S21、&2)的導通。
2.根據權利要求1所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述交流電力電子開關(S1)為由4個功率二極體橋構成的雙向開關。
3.根據權利要求1所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述交流電力電子開關(S1)為一共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關。
4.根據權利要求1或2或3所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述交流電壓源(U)的輸出端與所述交流電力電子開關(S1)的輸入端連接有電感器(L)。
5.一種單相電流型阻抗源交流/交流變頻器控制迴路的邏輯控制方法，該方法設置交流電力電子開關控制電路和交流電力電子開關矩陣控制電路，所述交流電力電子開關控制電路包括第一與門、第二與門和第一或門，交流電力電子開關矩陣控制電路包括第一非門和第三與門至第六與門，該方法包括(1)將電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端(a)至第四輸出端(d)經第一與門和第二與門接至第一或門的輸入端，通過第一或門獲取零狀態信號，並將輸出的零狀態信號接至所述交流電力電子開關(S1)的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關 (S1)的導通；(2)將所述零狀態信號接至第一非門的輸入端，第一非門的輸出端分別接至第三與門至第六與門的輸入端，所述電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端(a)至第四輸出端(d)分別對應接至第三與門至第六與門的另一輸入端，通過第三與門至第六與門獲取4路輸出信號，並分別對應接至所述第一交流電力電子開關至第四交流電力電子開關(Sn、 S12> S21, S22)各自的驅動電路輸入端，以在電源電流的每個正、負半周裡控制所述交流電力電子開關矩陣(sn、s12、s21、&2)的導通。
6.一種三相電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括構成主迴路的三相交流電壓源(uA、 uB、uc)、三相交流電力電子開關(S2)、三相交流電力電子開關矩陣(S11-S33)和三相交流負載 (ZA, ZB, Zc)，以及構成控制迴路的三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA用於將輸出的三相零狀態信號接至所述三相交流電力電子開關( )的驅動電路輸入端，以控制所述交流電力電子開關(S2)的導通，其特徵在於所述主迴路還包括三相阻抗源網絡和三相嵌位電路O!)，控制迴路還包括與所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA相連的邏輯電路，其中所述三相阻抗源網絡為由3個電感(LpL2和L3)和3個電容器(CpC2和C3)構成的對稱性X型網絡，所述三相交流電力電子開關(S2)並聯於所述三相阻抗源網絡與所述三相交流電壓源(uA、uB、uc)之間，所述三相交流電力電子開關矩陣(S11-S33)連接於所述三相阻抗源網絡與所述三相交流負載(ZA、ZB、ZC)之間，所述三相交流電力電子開關矩陣(S11I33)由第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關(S11-S33)陣列而成，三相嵌位電路(Q)連接於所述三相交流電力電子開關矩陣(S11-S33)與所述三相交流負載之間；所述邏輯電路包括三相交流電力電子開關控制電路和三相交流電力電子開關矩陣控制電路，所述三相交流電力電子開關控制電路包括第七與門、第八與門、第九與門和第二或門，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端(e)、第二輸出端(f)和第三輸出端(g)接至第七與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA 的第四輸出端(h)、第五輸出端(i)和第六輸出端(j)接至第八與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第七輸出端(k)、第八輸出端⑴和第九輸出端(m) 接至第九與門的輸入端，第七與門、第八與門和第九與門的輸出端接至第二或門的輸入端， 第二或門輸出三相零狀態信號；三相交流電力電子開關矩陣控制電路包括第二非門和第十與門至第十八與門，所述三相零狀態信號接至第二非門的輸入端，第二非門的輸出端分別接至第十與門至第十八與門的輸入端，所述三相電流型逆變器控制器DSP或FPGA的第一輸出端(e)至第九輸出端(m)分別對應接至第十與門至第十八與門的另一輸入端，第十與門至第十八與門的輸出端分別接至所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關 (S11-S33)各自的驅動電路輸入端，以控制所述三相交流電力電子開關矩陣(S11-S33)的導通。
7.根據權利要求6所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述三相交流電力電子開關(S2)為由6個功率二極體橋構成的雙向開關，所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關(S11-S33)分別為由4個功率二極體橋構成的雙向開關。
8.根據權利要求6所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述三相交流電力電子開關(S2)為由6個功率二極體橋構成的雙向開關，所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關(S11-S33)分別為共集電極絕緣柵雙極電晶體IGBT雙向開關。
9.根據權利要求6或7或8所述的交流/交流變頻器，其特徵在於其中所述三相交流電壓源(UA、uB、uc)的輸出端與所述三相交流電力電子開關(S2)的輸入端連接有三相電感器(La、Lb、Lc)。
10.一種三相電流型阻抗源交流/交流變頻器控制迴路的邏輯控制方法，該方法設置三相交流電力電子開關控制電路和三相交流電力電子開關矩陣控制電路，所述三相交流電力電子開關控制電路包括第七與門、第八與門、第九與門和第二或門，三相交流電力電子開關矩陣控制電路包括第二非門和第十與門至第十八與門，該方法包括(1)將三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端(e)至第九輸出端(m) 經第七與門、第八與門、第九與門接至第二或門的輸入端，通過第二或門獲取三相零狀態信號，並將輸出的三相零狀態信號接至所述三相交流電力電子開關(S2)的驅動電路輸入端， 以控制所述三相交流電力電子開關(S2)的導通；(2)將所述三相零狀態信號接至第二非門的輸入端，第二非門的輸出端分別接至第十與門至第十八與門的輸入端，所述三相開關矩陣空間矢量控制器DSP或FPGA的第一輸出端(e)至第九輸出端(m)分別對應接至第十與門至第十八與門的另一輸入端，通過第十與門至第十八與門獲取9路輸出信號，並分別對應接至所述第一交流電力電子開關至第九交流電力電子開關(S11-S33)各自的驅動電路輸入端，以控制所述三相交流電力電子開關矩陣 (S11-S33)的導通。
全文摘要
本發明電流型阻抗源交流/交流變頻器，包括交流電壓源或交流負載、交流電力電子開關、阻抗源網絡、交流電力電子開關矩陣和交流負載或交流電壓源，交流電力電子開關並聯於阻抗源網絡與交流電壓源之間，交流電力電子開關矩陣接於阻抗源網絡與負載之間，阻抗源網絡為由電感器和電容器構成的對稱性X型網絡。本發明還提供了電流型阻抗源交流/交流變頻器控制迴路的邏輯控制方法。其優點是避免了交流電力電子開關矩陣在開關共態導通或共態關斷時損壞電力電子器件。阻抗源網絡的無源元件值很小，增大了電路的電壓增益。交流電力電子開關工作頻率遠高於電源和輸出電壓頻率，電路具有非常高的可靠性，結構簡單，體積小，重量輕。
文檔編號H02M5/06GK102163924SQ20111006547
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者房緒鵬, 曹茂永 申請人:山東科技大學