Převaděč řídkých matic - Sparse matrix converter

The Převaděč řídkých matic je AC / AC převodník který nabízí snížený počet komponent, modulační schéma s nízkou složitostí a nízké úsilí při realizaci.[1][2][3][4] Vynalezl v roce 2001 prof Johann W. Kolář[5]„Převaděče řídkých matic se vyhýbají postupu vícenásobného komutace konvenčního převaděče matic, což zvyšuje spolehlivost systému v průmyslových provozech. Jeho hlavní aplikace je ve vysoce kompaktních integrovaných střídavých jednotkách.

Vlastnosti[6]

  • Kvazi-přímá konverze AC-AC bez prvků pro ukládání energie meziobvodu
  • Sinusový vstupní proud ve fázi se síťovým napětím
  • Schéma komutace proudu nulového stejnosměrného meziobvodu vede k nižší složitosti modulace a velmi vysoké spolehlivosti
  • Nízká složitost výkonových obvodů / výkonových modulů k dispozici
  • Převodník Ultra-Sparse Matrix Converter, vykazuje velmi nízké realizační úsilí, v případě, že lze akceptovat jednosměrný tok energie (přípustné posunutí 30 ° základního a vstupního napětí základního a vstupního napětí, jakož i základního výstupního napětí a výstupního proudu), podle toho, možnou aplikační oblastí by byly PSM pohony s proměnnou rychlostí a nízkou dynamikou.

Topologie

Maticový převodník

Maticový převodník je zařízení, které převádí vstupní napájení střídavým proudem na požadované proměnné střídavé napájení jako výstup bez jakéhokoli přechodného procesu převodu, zatímco v případě střídače, který převádí střídavý proud na stejnosměrný proud, který bere více dalších komponent jako diodové usměrňovače, filtry, nabíjecí obvod, ale ne potřebné v případě převaděčů matic.

Převaděč řídkých matic

Charakteristiky topologie převaděče Sparse Matrix Converter jsou 15 tranzistorů, 18 diod a 7 izolovaných potenciálů ovladače. Ve srovnání s Přímý převaděč matice tato topologie poskytuje identickou funkcionalitu, ale se sníženým počtem výkonových spínačů a možností použití vylepšeného schématu komutace proudu nulového stejnosměrného meziobvodu, které poskytuje nižší složitost řízení a vyšší bezpečnost a spolehlivost.

Převaděč velmi řídkých matic

Obr. 2: Topologie velmi řídké matice.

Charakteristiky topologie Very Sparse Matrix Converter jsou 12 tranzistorů, 30 diod a 10 izolovaných potenciálů ovladače. Ve srovnání s Direct Matrix Converter a Sparse Matrix Converter neexistují žádná omezení funkčnosti. Ve srovnání s převodníkem Sparse Matrix Converter je méně tranzistorů, ale vyšší ztráty vodivostí v důsledku zvýšeného počtu diod ve vodivých cestách.

Ultra Sparse Matrix Converter

Obr. 3: Topologie ultra řídké matice.

Charakteristiky topologie převodníku Ultra Sparse Matrix Converter jsou 9 tranzistorů, 18 diod a 7 izolovaných potenciálů ovladače. Významným omezením této topologie převodníku ve srovnání s převodníkem Sparse Matrix Converter je omezení jeho maximálního fázového posunu mezi vstupním napětím a vstupním proudem, které je omezeno na ± 30 °.

Vícestupňová komutace

Obrázek 4: Vícekroková komutace vstupního stupně usměrňovače Sparse Matrix Converter.

Toto je komutační schéma, znázorněné na obr. 4. Pro daný spínací stav vstupního stupně usměrňovače musí být komutace výstupního stupně měniče provedena stejným způsobem jako komutace běžného měniče stejnosměrného napětí. Základní struktura komutujících mostních ramen převodníku Sparse Matrix Converter je znázorněna na obr. 4 (a). Sekvence spínačů pro změnu připojení kladné napěťové sběrnice stejnosměrného meziobvodu ze vstupu a na vstup b je znázorněna na obr. 4 (b) a obr. 4 (c). Na obr. 4 (b) je předpokladem komutace nezávislá na proudu s uab> 0. Na obr. 4 (c) je předpokladem komutace nezávislá na napětí s i> 0.

Aby se zabránilo zkratu napětí stejnosměrného meziobvodu, musí být implementována mrtvá doba mezi vypnutím a zapnutím výkonových tranzistorů ramene můstku. Chcete-li změnit stav spínání vstupního stupně usměrňovače Sparse Matrix Converter pro daný stav spínání střídače, musíte se ujistit, že mezi dvěma vstupními linkami není žádné obousměrné spojení. Tím je zaručeno, že nemůže dojít ke zkratu vstupního napětí mezi linkami. Navíc musí být průběžně poskytována aktuální cesta. Proto vícekroková komutační schémata využívající komutaci nezávislou na napětí a proudu, jak je známo u konvenčního převaděče přímé matice [7], lze zaměstnat.

Aktuální komutace nulového meziobvodu

Obr. 5: Komutace proudu nulového stejnosměrného meziobvodu zobrazená pro převodník Sparse Matrix Converter.

Nevýhodou vícestupňové komutace popsané dříve je její složitost. Převaděče nepřímé matice, jako je převodník Sparse Matrix Converter, poskytují stupeň svobody řízení, který není pro konvenční převodník přímých matic k dispozici. To lze použít ke zjednodušení složitého problému komutace. Bylo navrženo [8] přepnout stupeň měniče do stavu volnoběžky a poté komutovat stupeň usměrňovače nulovým stejnosměrným meziobvodem. To je znázorněno na obr.

Obr. 5 (a) ukazuje řízení výkonových tranzistorů v jedné mostní větvi převodníku Sparse Matrix Converter. Obr. 5 (b) ukazuje sekvenci spínacího stavu, kde s0; s7 = 1 označuje činnost volnoběžky stupně měniče. Dále je zobrazen proud i meziobvodu.

Schéma komutace proudu nulového stejnosměrného meziobvodu poskytuje další výhodu spočívající ve snížení spínacích ztrát vstupního stupně. Je třeba pouze zajistit, aby nedocházelo k překrývání intervalů zapnutí výkonových tranzistorů v polovině můstku, protože by to vedlo ke zkratu vstupního napětí mezi linkami.

Obr. 6: Charakteristická napětí a proudy a spínací stavy převodníku Sparse Matrix Converter během doby zapnutí.

Obr.6 ukazuje vznik napětí stejnosměrného meziobvodu u a proudu stejnosměrného meziobvodu i během jedné spínací periody Dále ukazuje jako příklad spínací funkce stupně usměrňovače a měniče pro v intervalu a v intervalu . Přepínání vstupního stupně probíhá při nulovém proudu stejnosměrného meziobvodu. Proud stejnosměrného meziobvodu má konstantní průměrnou hodnotu v rámci a . Funkce spínacího stavu jsou uvedeny jako , a . Zvlnění spínací frekvence a je zanedbáván.

Reference

  1. ^ JW Kolar, M. Baumann, F. Stögerer, F. Schafmeister, H. Ertl, „Nový třífázový střídač AC-DC-AC Sparse Matrix Converter, část I - derivace, základní princip činnosti, modulace vesmírného vektoru, dimenzování, část II - Experimentální analýza převaděče velmi řídkých matic “, Proceedings of the 17th IEEE APEC'02, Dallas, USA, Vol. 2, str. 777 - 791, 10. - 14. března 2002.
  2. ^ L. Wei, T. A. Lipo, H. Chan, „Topologies Matrix Converter s redukovaným počtem přepínačů“, ve sborníku VPEC’02, Blacksburg, USA, s. 125 - 130, 14. - 18. dubna 2002.
  3. ^ F. Schafmeister, „Sparse und Indirekte Matrix Konverter“, disertační práce č. 17428, ETH Zürich, Švýcarsko, 2007.
  4. ^ J. W. Kolar, F. Schafmeister, S. D. Round a H. Ertl, „Novel Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters“, Transaction Power Electronics, sv. 22, č. 5, s. 1649–1661, 2007.
  5. ^ J. W. Kolar, „Vorrichtung Zur Quasi-Direkten Pulsbreitengesteuerten Energieumformung Zwischen Dreiphasennetzen“, 27. července 2001, rakouská patentová přihláška (v němčině), podaná
  6. ^ Java-Animation of the functions of the Sparse Matrix Converter, iPES (Interactive Power Electronics Seminar) at www.ipes.ethz.ch
  7. ^ P. Wheeler, J. Rodriguez, J. Clare, L. Empringham, A. Weinstein, „Matrix Converters: A Technology Review“, IEEE Transactions on Industrial Electronics, sv. 49, č. 2, str. 276–288, duben 2002.
  8. ^ J. Holtz, U. Boelkens, „Přímý frekvenční měnič se sinusovými síťovými proudy pro střídavé motory s proměnnými otáčkami“, IEEE Transactions on Industrial Electronics, sv. 36, č. 4, str. 475 - 478, listopad 1989.