[發(fā)明專利]矩陣式變流器的工作方法及實施該方法的矩陣式變流器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01142759.0
• 申請日: 2001-10-16
• 公開（公告）號: CN1357965A
• 公開（公告）日: 2002-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·拉卡策;S·圖里
• 申請（專利權(quán)）人: 阿爾斯托姆電力有限公司
• 主分類號: H02M5/27
• 分類號: H02M5/27
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張志醒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率電子學領(lǐng)域及尤其是使用工作在同步電網(wǎng)頻率以上的同步發(fā)電機的發(fā)電，以及可變速的同步電動機及感應(yīng)電動機的驅(qū)動。

本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的矩陣式變流器的工作方法，并還涉及用于實施該方法的矩陣式變流器。

現(xiàn)有技術(shù)

在發(fā)電時給定功率情況下渦輪機轉(zhuǎn)速的升高將引起尺寸及成本的下降。并且效率也可得到改善。用于高至70MW發(fā)電的渦輪機就已需要通過變速機構(gòu)與發(fā)電機相連接，以便實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。隨著功率增高，變速機構(gòu)的使用由于安全性的原因?qū)⒆兊糜永щy。渦輪機則要以同步轉(zhuǎn)速運行。

當使用變速機構(gòu)時，將得到以下的缺點：·固定的變速比；·對于40MW噪聲電平超過100db而對于70MW噪聲電平超過115db；·與相應(yīng)的負載無關(guān)的機械損耗；及·對于冷卻及油潤滑的要求高；

一種變換方式是使用靜止式變頻器(功率電子學)。所預(yù)期的優(yōu)點是：·在符合體積與轉(zhuǎn)速恒定乘積的情況下減小了發(fā)電機的成本；·使用50或60Hz的標準發(fā)電機；·可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這可實現(xiàn)渦輪機部分負載效率的恢復(fù)；·相對變速機構(gòu)至少在部分負載時降低了損耗；·噪聲顯著地減小；·清潔的(無油)冷卻；·無可能的功率上限，由此通過渦輪機體積的減小可顯著減小成本，而變速機構(gòu)不能提供相同的可能性；及·可使用發(fā)電機作為起動電動機(在應(yīng)用燃氣輪機時)。

無論是發(fā)電還是驅(qū)動，靜止式變頻器損耗的減小引起了成本顯著地節(jié)省。損耗的減小首先影響了投資成本，因為冷卻意味著變頻器總成本中重要的一部分。

此外，對冷卻要求的降低提供了這樣的可能性：電子部分的結(jié)構(gòu)可更緊湊，及由此大功率電子部分易于組合在電廠設(shè)備中或甚至組合在發(fā)電機單元中。大功率電子部分靠近地組合在發(fā)電機單元中具有附加的優(yōu)點：連接導(dǎo)線短，公共使用的冷卻設(shè)備及總的體積小(建筑上得以節(jié)省)。

并且，在高至10MW的大功率傳動的范圍中由損耗的減小也得到這些優(yōu)點，及與渦輪機的直接機械傳動相比可得到有競爭力的優(yōu)點。

靜止式變頻器即可使用間接AC/DC/AC的變流也可使用直接的AC/AC的變流。

間接變流(AC/DC/AC)通過由三相電源(用于電動機的電網(wǎng)，用于發(fā)電的發(fā)電機)產(chǎn)生整流的直流電流或整流的直流電壓來工作。該直流電流或直流電壓然后通過逆變器再轉(zhuǎn)換成交流電。

在中間回路中連接電感(電流型變流器)或電容器組(電壓型變流器)，以使電流波動或電壓峰值減小。

現(xiàn)在的變流器使用晶閘管，當晶閘管可以自然換流時變流器中的損耗可以減小。但感應(yīng)電動機吸收無功功率。為了能由電網(wǎng)提供該無功功率，應(yīng)可以在變流器預(yù)定臂中在任意時刻關(guān)斷電流。在此情況下，出現(xiàn)了強迫換流及由此增加了損耗。在電機(發(fā)電機或電動機)中相電流為脈動的直流電流。電樞反應(yīng)不是以恒定速度及幅值轉(zhuǎn)動，而是根據(jù)換流周期不斷跳動。一個6脈沖或12脈沖的變流器對于電樞反應(yīng)具有6個或12個不同的角度位置。由此在電機中得到脈動大的轉(zhuǎn)矩及大的附加損耗，它將導(dǎo)致電機惡化。在12脈沖變流器中該效應(yīng)比6脈沖變流器中小4倍。

電壓型變流器使用具有固有高開關(guān)損耗的GTOs及IGBTs或IGCTs。這每種元件具有比晶閘管小的功率，以致對于預(yù)定電壓或預(yù)定電流需要多個元件。電壓型變流器可從使用脈寬調(diào)制技術(shù)得到好處，該脈寬調(diào)制技術(shù)可改善電流波形及減小諧波。除考慮損耗及介電疲勞外，其中開關(guān)頻率愈高，效果愈好。電流的波形在很大程度上可為正弦形，由此避免了電機的功率下降。

直接的變流(AC/AC)可通過所謂的周波變換器實現(xiàn)。對于電機側(cè)它具有顯著的優(yōu)點，因為電流或多或少是正弦波及不是脈動的直流電流。它減小了電機內(nèi)部附加產(chǎn)生的損耗值及避免了脈動的轉(zhuǎn)矩。

當使用周波變換器時，可實現(xiàn)的頻率范圍被限制在0-1/3的輸入頻率上。超過1/3界限時，由于不平衡的工作將導(dǎo)致高到3倍的過尺寸。

直接變流的另一可能性由所謂的矩陣式變流器給出，其中一個多相電源(發(fā)電機或電網(wǎng))的每相與一個多相負載(電網(wǎng)，無源負載，電動機，等)的每相各通過一個雙向開關(guān)相連接或可相連接(例如參見N.Mohan等人著的“功率電子學”第二版，John?Wiley?&?Sons出版，紐約，第11-12頁)。該電路由足夠多的晶閘管組成，以經(jīng)受各相之間的電壓差及相電流，及實現(xiàn)電流反向。它們可作為純粹的雙向元件被使用，也具有這樣的可能性，即公共使用附加的連接如緩沖器或用于反向并聯(lián)元件控制脈沖的電源。