[发明专利]矩阵式变流器的工作方法及实施该方法的矩阵式变流器

说明书

技术领域

本发明涉及功率电子学领域及尤其是使用工作在同步电网频率以上的同步发电机的发电，以及可变速的同步电动机及感应电动机的驱动。

本发明涉及根据权利要求1前序部分的矩阵式变流器的工作方法，并还涉及用于实施该方法的矩阵式变流器。

现有技术

在发电时给定功率情况下涡轮机转速的升高将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发电的涡轮机就已需要通过变速机构与发电机相连接，以便实现高转速。随着功率增高，变速机构的使用由于安全性的原因将变得愈加困难。涡轮机则要以同步转速运行。

当使用变速机构时，将得到以下的缺点：·固定的变速比；·对于40MW噪声电平超过100db而对于70MW噪声电平超过115db；·与相应的负载无关的机械损耗；及·对于冷却及油润滑的要求高；

一种变换方式是使用静止式变频器(功率电子学)。所预期的优点是：·在符合体积与转速恒定乘积的情况下减小了发电机的成本；·使用50或60Hz的标准发电机；·可调节转速，这可实现涡轮机部分负载效率的恢复；·相对变速机构至少在部分负载时降低了损耗；·噪声显著地减小；·清洁的(无油)冷却；·无可能的功率上限，由此通过涡轮机体积的减小可显著减小成本，而变速机构不能提供相同的可能性；及·可使用发电机作为起动电动机(在应用燃气轮机时)。

无论是发电还是驱动，静止式变频器损耗的减小引起了成本显著地节省。损耗的减小首先影响了投资成本，因为冷却意味着变频器总成本中重要的一部分。

此外，对冷却要求的降低提供了这样的可能性：电子部分的结构可更紧凑，及由此大功率电子部分易于组合在电厂设备中或甚至组合在发电机单元中。大功率电子部分靠近地组合在发电机单元中具有附加的优点：连接导线短，公共使用的冷却设备及总的体积小(建筑上得以节省)。

并且，在高至10MW的大功率传动的范围中由损耗的减小也得到这些优点，及与涡轮机的直接机械传动相比可得到有竞争力的优点。

静止式变频器即可使用间接AC/DC/AC的变流也可使用直接的AC/AC的变流。

间接变流(AC/DC/AC)通过由三相电源(用于电动机的电网，用于发电的发电机)产生整流的直流电流或整流的直流电压来工作。该直流电流或直流电压然后通过逆变器再转换成交流电。

在中间回路中连接电感(电流型变流器)或电容器组(电压型变流器)，以使电流波动或电压峰值减小。

现在的变流器使用晶闸管，当晶闸管可以自然换流时变流器中的损耗可以减小。但感应电动机吸收无功功率。为了能由电网提供该无功功率，应可以在变流器预定臂中在任意时刻关断电流。在此情况下，出现了强迫换流及由此增加了损耗。在电机(发电机或电动机)中相电流为脉动的直流电流。电枢反应不是以恒定速度及幅值转动，而是根据换流周期不断跳动。一个6脉冲或12脉冲的变流器对于电枢反应具有6个或12个不同的角度位置。由此在电机中得到脉动大的转矩及大的附加损耗，它将导致电机恶化。在12脉冲变流器中该效应比6脉冲变流器中小4倍。

电压型变流器使用具有固有高开关损耗的GTOs及IGBTs或IGCTs。这每种元件具有比晶闸管小的功率，以致对于预定电压或预定电流需要多个元件。电压型变流器可从使用脉宽调制技术得到好处，该脉宽调制技术可改善电流波形及减小谐波。除考虑损耗及介电疲劳外，其中开关频率愈高，效果愈好。电流的波形在很大程度上可为正弦形，由此避免了电机的功率下降。

直接的变流(AC/AC)可通过所谓的周波变换器实现。对于电机侧它具有显著的优点，因为电流或多或少是正弦波及不是脉动的直流电流。它减小了电机内部附加产生的损耗值及避免了脉动的转矩。

当使用周波变换器时，可实现的频率范围被限制在0-1/3的输入频率上。超过1/3界限时，由于不平衡的工作将导致高到3倍的过尺寸。

直接变流的另一可能性由所谓的矩阵式变流器给出，其中一个多相电源(发电机或电网)的每相与一个多相负载(电网，无源负载，电动机，等)的每相各通过一个双向开关相连接或可相连接(例如参见N.Mohan等人著的“功率电子学”第二版，John Wiley & Sons出版，纽约，第11-12页)。该电路由足够多的晶闸管组成，以经受各相之间的电压差及相电流，及实现电流反向。它们可作为纯粹的双向元件被使用，也具有这样的可能性，即公共使用附加的连接如缓冲器或用于反向并联元件控制脉冲的电源。