МНОГОЗОННЫЙ МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
MULTIZONE MATRIX FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного тока и системах питания электропривода.
Известен непосредственный матричный преобразователь частоты, состоящий из девяти двунаправленных ключей, объединенных в три группы соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенными в каждой группе одними своими зажимами ключей в звезду, а вторыми зажимами ключей соответственно объединенными в группы и образующими выход преобразователя. Кроме того, непосредственный преобразователь содержит три сглаживающих реактора, одними концами соединенными с выходом преобразователя, а другими подключенными к трехфазной нагрузке (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск, НГТУ, 2009). В таком преобразователе в качестве ключей используются либо включенные встречно-параллельно запираемые тиристоры, либо транзисторы.
Однако указанный преобразователь имеет плохую энергетическую совместимость с сетью, невысокий коэффициент передачи по напряжению и невозможность его использования в мощных высоковольтных цепях.
Известен также многозонный матричный преобразователь частоты, являющийся прототипом (Yong Shi, Xu Yang, Qun He, and Zhaoan Wang. Research on a Novel Capacitor Clamped Multilevel Matrix Converter, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.20, NO.5, September 2005). Он содержит двунаправленные ключи, объединенные в n ячеек (n равно числу входных фаз преобразователя), в каждой ячейке находятся два последовательно соединенных двунаправленных ключа, соединенные n ячеек образуют секцию многозонного матричного преобразователя частоты, где число секций m - число фаз выходного m-фазного напряжения, по выходу ячейки соединены параллельно и образуют выходной зажим преобразователя, а по входу ячейки соединены параллельно с ячейками других секций и образуют n фазный вход преобразователя, в каждой секции в диагональ ячеек между двумя последовательно соединенными ключами включены n-1 накопительных конденсаторов, m фильтрующих реакторов соединены одним концом последовательно к m выходным зажимам преобразователя, а другим подключены к m-фазному выходу непосредственного преобразователя. Такой преобразователь позволяет создать дополнительные уровни питающего напряжения, в результате можно получить более качественное выходное напряжение по сравнению с обычными непосредственными преобразователями.
Однако указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, что обусловлено, во-первых, ухудшением качества выходного напряжения при снижении тока нагрузки, т.к. перезаряд накопительных конденсаторов делается током нагрузки, во-вторых, значением коэффициента преобразования по напряжению менее единицы, что ограничивает возможности частотного электропривода в составе с таким преобразователем.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей многозонного матричного преобразователя частоты путем обеспечения независимого от тока нагрузки качества выходного напряжения и увеличенного значения коэффициента преобразования по напряжению, а также улучшенного использования ключей по напряжению.
Это достигается тем, что многозонный матричный преобразователь частоты, содержащий полупроводниковые ключи, объединенные в секции, где число секций m равно числу фаз выходного m-фазного напряжения, первые выходные зажимы секций образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые выходные зажимы всех секций соединены между собой, при этом каждая секция состоит из ячеек, число n которых равно числу входных фаз преобразователя, ячейки в секции по своим выходным зажимам соединены параллельно между собой и представляют собой выходные зажимы секции, отличающийся тем, что в него введены трансформатор, однонаправленные полупроводниковые ключи и диоды, при этом каждая ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа, входные зажимы которого представляют собой выходные зажимы ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей, а другое - из двух диодов, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста, входные зажимы ячеек в секции являются входными зажимами секции, трансформатор, имеющий n первичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, выводы которых представляют вход многозонного матричного преобразователя частоты, и m групп вторичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, по две последовательно соединенных обмотки каждой из n фаз в группе, каждые два вывода последовательно соединенных обмоток в группе соединены с соответствующими входными зажимами n ячеек одной секции.
На фиг.1 предоставлена схема предлагаемого многозонного преобразователя, рассматриваемого на примере преобразователя трехфазного (n=3) входного напряжения в трехфазное выходное напряжение (m=3), т.е. m=n, а на фиг.2 - диаграммы его работы.
Предлагаемый многозонный матричный преобразователь частоты (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 со схемой соединения обмоток звезда-звезда, который имеет три первичных обмотки, образующие вход многозонного матричного преобразователя частоты, и восемнадцать вторичных, объединенных в три группы, по две последовательно соединенных обмотки каждой из трех фаз в группе, и три секции 2, первые выходные зажимы которых образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые выходные зажимы всех секций соединены параллельно между собой, при этом каждая секция состоит из трех ячеек 3. Ячейки в секции по каждому своему выходному зажиму соединены параллельно между собой и представляют выходные зажимы секции. Входные зажимы каждой ячейки в секции соединены с двумя выходами последовательно соединенных вторичных обмоток в группе трансформатора. Входные зажимы ячеек одной секции представляют собой входные зажимы секции. Каждая ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа 4, входные зажимы которого представляют собой выходные зажимы ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей 5, а другое - из двух диодов 6, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста.
Многозонный матричный преобразователь частоты работает следующим образом. На управляющие входы ключей подаются импульсы так, чтобы сформировать кривую выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения применяется широтно-импульсная модуляция. На входе преобразователя формируется кривая входного тока, близкая к синусоидальной. На диаграмме (фиг.2,а) представлены напряжение и ток питающей сети. На диаграмме (фиг.2,б) показаны напряжение и ток на нагрузке.
Таким образом, из диаграмм видно, что в выходном напряжении появились дополнительные уровни, обусловленные двухзонным питанием преобразователя, что повышает качество преобразования напряжения, Также увеличивается коэффициент передачи по напряжению, в данной схеме он равен 1,58, в то время как в матричном преобразователе прототипа он меньше единицы. Кроме того, улучшается использование ключей по напряжению, т.к. уровень напряжения на ключах сравним с напряжением на вторичной обмотке трансформатора (фазное напряжение), в то время как в преобразователе-прототипе напряжение на ключах определяется линейным напряжением.