矩阵变换器应用于三级式同步电机起动阶段励磁的方法

摘要

本发明公开了一种矩阵变换器应用于三级式同步电机起动阶段励磁的方法，属于航空起动发电系统电力变换技术领域。该方法采用三相LC滤波器与三相-单相矩阵变换器构成三相输入、单相输出的电力变换结构，所述三相-单相矩阵变换器是由六个双向开关管构成的三相全桥电路结构，其单相输出端连接三级式同步电机主励磁机的励磁绕组。本方法采用空间矢量调制策略(SVPWM)结合正弦脉宽调制策略(SPWM)，输入电源可采用三相交流输入或者直流输入，输出端可输出直流电流、正负对称方波电流和单相正弦交流电流，实现功能复用。本发明将整流器与逆变器合二为一，控制方便，且不含大电容储能环节，可靠性高，具有较高的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三级式同步电机起动阶段励磁的电力变换电路，尤其涉及一种矩阵变换 器应用于三级式同步电机起动阶段励磁的方法，属于航空起动发电系统电力变换技术领域。

背景技术

矩阵变换器(MC)不含储能电容，具有结构紧凑、体积重量小、稳定性高、使用寿命长 等优点，能够在恶劣的环境下工作。三相-单相矩阵变换器减少了开关管的数量，同时保持了 传统矩阵变换器的优点，在三相输入、单相输出的场合具有良好的应用价值，例如三相整流、 三相-单相交交变换以及电机的直流励磁和交流励磁等。

航空供电系统中常用三级式同步电机构成起动发电一体化系统，而三级式同步电机起动 阶段由于电机转子处于静止状态，不能产生励磁电流，故需要外接电源给主励磁机定子绕组 供电，先通单相交流电，后通直流电，起动完成后撤去外接电源，由副励磁机为主励磁机励 磁绕组提供直流电。飞机起飞前可使用地面电源车(Ground Power Unit)或者机载蓄电池供 电励磁，目前飞机上采用的励磁供电装置为单相逆变器或者交-直-交变换器。单相逆变器只 能采用机载蓄电池供电，而不能采用地面电源车供电；交-直-交变换器的直流侧存在储能大 电容，增加了装置的体积重量，降低了装置的可靠性。

发明内容

本发明针对三级式同步电机的起动阶段，而提出一种矩阵变换器应用于三级式同步电机 起动阶段励磁的方法，以满足三相交流电或直流电到单相交流电和直流电的转换需要。

该方法所采用的电路结构包括三相LC滤波器和三相-单相矩阵变换器，所述三相-单相矩 阵变换器是由六个双向开关管构成的三相全桥电路结构，输入电源通过三相LC滤波器连接 三相-单相矩阵变换器的三相输入端，三相-单相矩阵变换器的单相输出端连接三级式同步电 机主励磁机的励磁绕组。

该方法的控制策略如下：

I、三相交流输入，包括如下三种情况：

①直流电流输出：

直接采用输入电流空间矢量调制策略，三相对称输入电流经Clark变换，得到一个旋转 且模值恒定的电流矢量，根据每个调制周期内旋转电流矢量所处的电流扇区，计算两个相邻 电流矢量的导通占空比，再结合零电流矢量，采用七分法分配开关管导通状态，通过调节电 流调制比来控制输出电流的幅值；

②正负对称方波电流输出：

通过控制开关管的导通，实现电流正向与反向流动，通过调节电流调制比来控制输出电 流的幅值，通过重复改变输出电流的方向来控制输出方波电流的频率；

③正弦交流电流输出：

将开关管导通占空比的计算过程分为方波电流控制过程和正弦化过程：

i)方波电流控制过程采用正负对称方波电流输出的控制方法，计算出每个调制周期内各个 开关管对应的导通占空比；

ii)正弦化过程是通过在每个开关管对应的导通占空比上乘以一个小于等于1的系数，使 输出电流的幅值随时间呈正弦变化，通过控制过程i)中方波电流的频率和幅值来控制输出电 流的频率和幅值；

II、直流输入，直流电源的正、负极连接三相输入中的任意两相，包括如下三种情况：

①直流电流输出：

通过控制开关管的导通，使直流电流从正输出端流出；将直流电源正极所连接相的桥臂 上的开关管同时导通，励磁绕组短路；通过改变上述两种开关管导通状态的占空比来调节输 出直流电流的幅值；

②正负对称方波电流输出：

通过控制开关管的导通，实现电流正向与反向流动；将直流电源正极所连接相的桥臂上 的开关管同时导通，励磁绕组短路；通过改变上述三种开关管导通状态的占空比来控制输出 方波电流的幅值和频率；

③正弦交流电流输出：

采用正弦脉宽调制策略，用单位幅值的调制波和载波交截，以交点作为开关管的切换信 号，通过调整调制波和载波的幅值比来控制输出电流的幅值，通过改变调制波的频率来控制 输出电流的频率。

技术效果：

1、电路结构的直流侧不含储能电容，体积重量小，可靠性高，使用寿命长。

2、只需六个开关控制信号，开关管控制信号较少，控制方便。

3、电路可采用三相交流电或直流电输入，并可输出单相正弦交流电流、正负对称方波电 流以及直流电流，实现了功能复用。

4、摈弃了输出侧的储能大电容，输出方式切换响应快。

附图说明

图1为采用三相交流输入时本发明的工作电路拓扑图，图中标号名称：1、三相LC滤波 器；2、三相-单相矩阵变换器；3、三级式同步电机主励磁机的励磁绕组；S_AP、S_BP、S_CP分别 为三相(A、B、C相)上桥臂的双向开关管；S_AN、S_BN、S_CN分别为三相(A、B、C相)下桥 臂的双向开关管。

图2为采用直流输入时本发明的工作电路拓扑图。

图3为图2的简化工作电路拓扑图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本发明所采用的电路结构可参见图1，包括三相LC滤波器1和三相-单相矩阵变换器2， 输入电源通过三相LC滤波器1连接三相-单相矩阵变换器2的三相输入端，三相-单相矩阵变 换器2的单相输出端连接三级式同步电机主励磁机的励磁绕组3。其中：输入电源可采用三 相交流输入或者直流输入，三相交流输入来自于机场的地面电源车(Ground Power Unit， GPU)，直流输入来自于机载蓄电池；三相LC滤波器1作为输入滤波器，每相串联一个电感， 并且每两相之间并联一个电容；三相-单相矩阵变换器2是由六个双向开关管S_AP、S_BP、S_CP、 S_AN、S_BN、S_CN构成的三相全桥电路结构，每两个双向开关管串联构成一个桥臂，每个桥臂的 两个双向开关管串联的公共端作为三相输入端中的一相，三个桥臂所对应的两组输出端分别 构成单相输出的两端，所述双向开关管是由两个带反并联二极管的IGBT共射极串联而成，其 可流过双向电流；三级式同步电机主励磁机的励磁绕组3作为负载，其是带有一定阻尼的电 感。

三相交流输入时，三相-单相矩阵变换器的输入侧采用电流空间矢量调制(SVPWM)策 略；直流输入时，三相-单相矩阵变换器演变成单相-单相矩阵变换器，控制策略采用正弦脉 宽调制(SPWM)策略。

下面对控制方式进行详细说明：

I、三相交流输入，如图1所示，由GPU提供三相交流电源，包括如下三种情况：

①直流电流输出：

直接采用输入电流空间矢量调制策略，假设输出端直流电流恒定，六个双向开关管的不 同开关状态对应六个互差60°的电流矢量以及两个零电流矢量，每两个相邻的电流矢量构成 一个输入电流扇区。三相对称输入电流经Clark变换，得到一个旋转的电流矢量，其模值恒 定。根据每个调制周期内旋转电流矢量所处的电流扇区，计算两个相邻电流矢量的导通占空 比，再结合零电流矢量，根据减小谐波的原则采用七分法分配开关管导通状态。输出电流的 幅值通过调节电流调制比加以控制。

输出的直流电流幅值可控，输入电流可以保持正弦，输入功率因数可控制为1。

②正负对称方波电流输出：

由三相-单相矩阵变换器的拓扑结构可知，输出侧的两端是完全对称的，因此输出电流可 以从任意一端流出。通过控制开关管的导通，实现电流正向与反向流动，需电流反向时，将 原导通开关管同一桥臂的互补管导通即可。输出电流的幅值通过调节电流调制比控制，输出 方波电流的频率通过重复改变输出电流的方向实现控制。

输出的正负对称方波电流幅值和频率可控，输入电流可以保持正弦，输入功率因数可控 制为1。

③正弦交流电流输出：

将开关管导通占空比的计算过程分为方波电流控制过程和正弦化过程：

i)方波电流控制过程采用正负对称方波电流输出的控制方法，计算出每个调制周期内各个 开关管对应的导通占空比；

ii)正弦化过程的控制目标是将正负对称方波电流的波形正弦化，通过在每个开关管对应 的导通占空比上乘以一个小于等于1的系数，使得输出电流的幅值随时间呈正弦变化。得到 最终的占空比后，选择让输出侧短路的零电流矢量，再采用七分法分配开关管导通状态。控 制过程i)中方波电流的频率和幅值即可控制输出电流的频率和幅值。

输出的正弦交流电流幅值和频率可控，但是输入电流不能保证正弦。

II、直流输入，由机载蓄电池提供直流电源，直流电源的正、负极连接三相输入中的任 意两相，如图2所示，直流电源的正极连接A相，负极连接B相，C相所连接的两个双向开 关管处于常开状态，直流输入时的简化工作电路拓扑如图3所示。直流输入也包括如下三种 情况：

①直流电流输出：

通过控制开关管的导通，使直流电流从正输出端流出(正向流动)，在图2中，即控制S_AP、 A_BN导通，直流电流从矩阵变换器的上输出端流出；将直流电源正极所连接相的桥臂上的开关 管同时导通，在图2中，即控制S_AP、S_AN导通，励磁绕组被短路。改变上述两种开关管导通 状态的占空比即可调节输出直流电流的幅值。

②正负对称方波电流输出：

通过控制开关管的导通，实现电流正向与反向流动，在图2中，即控制S_AP、S_BN导通， 电流正向流动，控制S_AN、S_BP导通，实现电流反向；将直流电源正极所连接相的桥臂上的开 关管同时导通，在图2中，即控制S_AP、S_AN导通，励磁绕组被短路。改变上述三种开关管导 通状态(电流正向流动、电流反向流动、励磁绕组短路三种状态)的占空比即可控制输出方 波电流的幅值和频率。

③正弦交流电流输出：

采用正弦脉宽调制策略，用单位幅值的调制波(正弦波)和载波(等腰三角波)交截， 以交点作为开关管的切换信号。调整调制波和载波的幅值比即可控制输出电流的幅值，改变 调制波的频率即可控制输出电流的频率。

将三相-单相矩阵变换器应用于航空起动发电系统中三级式同步电机起动阶段的励磁，起 动初期控制三相-单相矩阵变换器输出单相正弦交流电流，到一定阶段后再输出直流电流，直 到起动过程结束。