Конвертер разреженной матрицы - Sparse matrix converter

В Конвертер разреженной матрицы является Преобразователь AC / AC который предлагает меньшее количество компонентов, простую схему модуляции и низкие затраты на реализацию.^[1][2][3][4] Изобретен в 2001 году профессором Иоганн В. Колар^[5]преобразователи с разреженными матрицами позволяют избежать многоступенчатой ​​процедуры коммутации, как в обычных преобразователях матриц, что повышает надежность системы в промышленных условиях. Его основное применение - компактные интегрированные приводы переменного тока.

Характеристики^[6]

• Квазипрямое преобразование переменного тока в переменный без элементов накопления энергии в звене постоянного тока
• Синусоидальный входной ток в фазе с сетевым напряжением
• Схема коммутации с нулевым током в звене постоянного тока, что снижает сложность модуляции и очень высокую надежность
• Доступна невысокая сложность силовой цепи / силовых модулей
• Ультра-разреженный матричный преобразователь действительно демонстрирует очень низкие затраты на реализацию, если может быть принят однонаправленный поток мощности (допустимое смещение на 30 ° основной частоты входного тока и входного напряжения, а также основной гармоники выходного напряжения и выходного тока), соответственно, Возможной областью применения могут быть приводы PSM с регулируемой скоростью и низкой динамикой.

Топологии

Конвертер матриц

Матричный преобразователь представляет собой устройство, которое преобразует входной источник переменного тока в требуемый переменный источник переменного тока в качестве выхода без какого-либо промежуточного процесса преобразования, тогда как в случае инвертора, который преобразует переменный ток в постоянный ток в переменный ток, требуется больше дополнительных компонентов, таких как диодные выпрямители, фильтры, схема зарядки, но не они нужны были в случае матричных преобразователей.

Конвертер разреженной матрицы

Характеристики топологии преобразователя с разреженной матрицей: 15 транзисторов, 18 диодов и 7 изолированных потенциалов драйвера. По сравнению с Прямой преобразователь матрицы эта топология обеспечивает идентичную функциональность, но с меньшим количеством переключателей питания и возможностью использования улучшенной схемы коммутации нулевого тока в звене постоянного тока, которая обеспечивает меньшую сложность управления и более высокую безопасность и надежность.

Конвертер очень разреженной матрицы

Рис. 2: Топология очень разреженной матрицы.

Характеристики топологии преобразователя с очень разреженной матрицей: 12 транзисторов, 30 диодов и 10 изолированных потенциалов драйвера. Нет никаких ограничений в функциональности по сравнению с Direct Matrix Converter и Sparse Matrix Converter. По сравнению с преобразователем с разреженной матрицей меньше транзисторов, но выше потери проводимости из-за увеличенного числа диодов на путях проводимости.

Конвертер ультра разреженной матрицы

Рис. 3: Топология сверхразреженной матрицы.

Характеристики топологии преобразователя с ультра разреженной матрицей: 9 транзисторов, 18 диодов и 7 изолированных потенциалов драйвера. Существенным ограничением этой топологии преобразователя по сравнению с преобразователем с разреженной матрицей является ограничение его максимального фазового сдвига между входным напряжением и входным током, который ограничен до ± 30 °.

Многоступенчатая коммутация

Рис. 4: Многоступенчатая коммутация входного каскада выпрямителя с разреженным матричным преобразователем.

Это схема коммутации, изображенная на рис. 4. Для данного состояния переключения входного каскада выпрямителя коммутация выходного каскада инвертора должна выполняться идентично коммутации обычного преобразователя напряжения постоянного тока. Базовая структура переключающих ветвей моста преобразователя разреженной матрицы показана на рис. 4 (а). Последовательность переключения для изменения подключения шины положительного напряжения постоянного тока p с входа a на вход b показана на рисунках 4 (b) и 4 (c). На рис. 4 (b) предполагается, что коммутация не зависит от тока с uab> 0. На рис. 4 (c) предполагается независимая от напряжения коммутация с i> 0.

Необходимо предусмотреть мертвое время между выключением и включением силовых транзисторов плеча моста, чтобы избежать короткого замыкания напряжения в звене постоянного тока. Чтобы изменить состояние переключения входного каскада выпрямителя преобразователя разреженной матрицы для данного состояния переключения инвертора, необходимо убедиться, что нет двунаправленного соединения между любыми двумя входными линиями. Это гарантирует невозможность короткого замыкания входного линейного напряжения. Дополнительно должен быть обеспечен постоянный путь тока. Поэтому схемы многоступенчатой ​​коммутации, использующие независимую от напряжения и независимую от тока коммутацию, известную для обычного прямого матричного преобразователя. ^[7], можно использовать.

Коммутация нулевого тока в звене постоянного тока

Рис. 5: Коммутация нулевого тока промежуточного контура, показанная для преобразователя с разреженной матрицей.

Недостатком описанной выше многоступенчатой ​​коммутации является ее сложность. Непрямые преобразователи матриц, такие как преобразователь разреженных матриц, обеспечивают степень свободы управления, недоступную для обычного прямого преобразователя матриц. Это можно использовать для упрощения сложной задачи коммутации. Было предложено ^[8] для переключения каскада инвертора в состояние холостого хода, а затем для коммутации каскада выпрямителя с нулевым током в звене постоянного тока. Это показано на рис.5.

На рис. 5 (а) показано управление силовыми транзисторами в одной ветви моста преобразователя с разреженной матрицей. Рис. 5 (b) показывает последовательность состояний переключения, где s0; s7 = 1 указывает на холостой ход ступени инвертора. Кроме того, отображается ток i в звене постоянного тока.

Схема коммутации нулевого тока промежуточного звена дает дополнительное преимущество в виде снижения коммутационных потерь входного каскада. Нужно только убедиться, что не происходит перекрытия интервалов включения силовых транзисторов в половине моста, поскольку это может привести к короткому замыканию входного линейного напряжения.

Рис. 6: Характерные напряжения и токи, а также состояния переключения преобразователя разреженной матрицы во время периода включения.

На рис. 6 показано формирование напряжения u в звене постоянного тока и тока i в звене постоянного тока в течение одного периода переключения. Кроме того, в качестве примера показаны функции переключения каскада выпрямителя и инвертора для ${displaystyle phi _{1}}$ в интервале ${displaystyle (0...pi /6)}$и ${displaystyle phi _{2}}$ в интервале ${displaystyle (0...pi /6)}$. Переключение входного каскада происходит при нулевом токе в звене постоянного тока. Ток в звене постоянного тока имеет постоянное среднее значение. ${displaystyle {ar {i}}}$ в пределах ${displaystyle au _{ac}}$ и ${displaystyle au _{ab}}$. Функции состояния переключения представлены как ${displaystyle s_{A},s_{B}}$, и ${displaystyle s_{C}}$. Пульсации частоты коммутации ${displaystyle u_{ac},u_{ab},i_{A}}$ и ${displaystyle i_{C}}$ пренебрегается.

использованная литература

1. Колар, М. Бауман, Ф. Стегерер, Ф. Шафмайстер, Х. Эртль, «Новый трехфазный преобразователь разреженной матрицы переменного тока в постоянный и переменный ток, часть I - вывод, основной принцип работы, пространственная векторная модуляция, определение размеров, часть II - Экспериментальный анализ преобразователя очень разреженной матрицы », в трудах 17-го IEEE APEC'02, Даллас, США, Vol. 2. С. 777 - 791, 10 - 14 марта 2002 г.
2. Л. Вэй, Т. А. Липо, Х. Чан, «Топологии матричных преобразователей с уменьшенным числом переключателей», в Proceedings of the VPEC’02, Blacksburg, USA, стр. 125–130, 14–18 апреля 2002 г.
3. Ф. Шафмайстер, «Конвертер разреженных и независимых матриц», докторская диссертация № 17428, ETH Zürich, Швейцария, 2007.
4. Дж. У. Колар, Ф. Шафмайстер, С. Д. Раунд и Х. Эртл, «Новые трехфазные преобразователи переменного тока в переменный с разреженной матрицей», Transactions Power Electronics, Vol. 22, № 5, с. 1649–1661, 2007.
5. J. W. Kolar, «Vorrichtung Zur Quasi-Direkten Pulsbreitengesteuerten Energieumformung Zwischen Dreiphasennetzen», 27 июля 2001 г., подана заявка на патент Австрии (на немецком языке)
6. Java-анимация функциональности преобразователя разреженных матриц, iPES (интерактивный семинар по силовой электронике) на www.ipes.ethz.ch
7. П. Уилер, Дж. Родригес, Дж. Клэр, Л. Эмпрингем, А. Вайнштейн, «Матричные преобразователи: обзор технологий», IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 2, pp. 276–288, апрель 2002 г.
8. J. Holtz, U. Boelkens, «Прямой преобразователь частоты с синусоидальными линейными токами для двигателей переменного тока с регулируемой скоростью», IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 36, No. 4, pp. 475–478, ноябрь 1989 г.