一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑的制作方法

本发明涉及直驱一体机领域，尤其涉及一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑。

背景技术：

1、目前，我国矿下常用的电机驱动系统由异步电机匹配液力耦合器、软启动器等辅助设备，这种系统效率低，空间占用大，而新兴的永磁同步电机与电机驱动一体化的系统则避免了电机与驱动之间距离过长导致的谐波干扰，显著提升系统效率，增大功率密度。目前中高压三相-三相电机驱动拓扑有以下两种结构：

2、(1)如图1所示为两电平串联式电流型高压三相-三相变换器拓扑，该拓扑首先采用高压多重移相变压器，其一次侧接电网高电压，二次侧采用三重绕组进行移相调压得到所需电压等级，然后经过整流模块得到直流电，再经平波电抗以及两重逆变器变换为电机驱动的三相交流电。

3、(2)如图2所示为基于多电平模块化变换器(modular multilevel converter，mmc)的三相-三相变换器拓扑，其输入三相交流电不控整流桥以及滤波电感变换为直流电，然后直流电经过mmc变换为电机驱动的三相交流电。mmc三相六个桥臂(每相分上、下两个桥臂)的每个桥臂由n个子模块和一个电感串联而成，每个子模块包含一个双开关管的半桥变换器以及一个电容。

4、上述两种三相-三相变换器拓扑结构，其技术特点为：

5、针对两电平串联式电流型高压三相-三相变换器拓扑，其输出侧两重逆变器的设计可以满足中高压电机驱动需求，输入侧可采用全控器件如igbt进行pwm整流，此种设计可以满足能量回收的条件，但需要引入高压多重移相变压器，增加了成本且体积大。

6、针对基于mmc的三相-三相变换器拓扑，通过调整子模块的数量能够适配较宽的电压等级，增多其子模块数量可以使mmc合成近似完全正弦的输出波形，有效降低系统谐波含量。但mmc系统工作时内部存在环流且当mmc工作在较低频率时，为了使功率器件工作在安全的电压范围内，需要电容具有较高的容值，导致变换器的体积和成本大幅增加。

7、通过对比分析，中高压应用场合中，两电平串联式电流型高压三相-三相变换器拓扑使用功率器件个数较少，但高压移相变压器成本高，占用空间大。而基于mmc的三相-三相变换器拓扑，使用大量的功率器件，造成直驱一体机体积和重量过大。

8、另外，申请人已经提出了单向-三相隔离非隔离混合拓扑结构，如公开号为cn117543993a、名称为“一种单相-三相隔离非隔离混合拓扑结构”的发明专利申请，其输入单相高压、输出三相低压，相当于降压变压器，主要应用于车载牵引变流器中，无法满足矿用直驱一体场景下输入输出均为三相幅值相等的高压需求。进一步地，即使将该单向-三相隔离非隔离混合拓扑结构修改为级联拓扑应用于直驱一体机领域，此时单个变流器包括两个隔离模块和一个非隔离模块，对应地电机控制的矢量平面图如图3所示，满矢量平面的矢量点均可用，应用于直驱一体机领域将造成较大的浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，包括第一单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器、第二单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器和第三单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输入端分别与变压器二次侧的三相电连接，变压器的一次侧与电网连接，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输出端分别与电机的三相绕组连接；

3、基于减少用于电机控制的边缘矢量点对单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的拓扑结构进行设计，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器采用相同拓扑结构，均包括级联的第一非隔离变换模块、第二非隔离变换模块和隔离变换模块；两个非隔离变换模块的结构相同，包括串联的第一前级整流器和第一后级逆变器，隔离变换模块包括串联的第二前级整流器、中间级隔离直流-直流变换器和第二后级逆变器，第一后级逆变器、第二后级逆变器与控制器连接，用于接收pwm调制信号；

4、当pwm调制信号的调制度m小于2/3时，电机在任意输入输出相角差下均可运行；当pwm调制信号的调制度m大于2/3时，根据运行条件动态调整调制度m进而满足输入输出相角差

5、在一示例中，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输入端均经电感与变压器的二次侧的三相电连接。

6、在一示例中，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输出端均经电感与电机的三相绕组连接。

7、在一示例中，第一前级整流器、第二前级整流器、第一后级逆变器、第二后级逆变器、中间级隔离直流-直流变换器中任一拓扑为全桥或者半桥拓扑。

8、在一示例中，所述第一前级整流器与第一后级逆变器之间并联有电容。

9、在一示例中，所述第二前级整流器与中间级隔离直流-直流变换器之间并联有电容，和/或，中间级隔离直流-直流变换器与第二后级逆变器之间并联有电容。

10、在一示例中，所述中间级隔离直流-直流变换器为双有源电路，包括顺次连接的输入侧整流桥、变压器以及输出侧整流桥。

11、需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

12、与现有技术相比，本发明有益效果是：

13、基于减少用于电机控制的边缘矢量点对单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的拓扑结构进行设计，此时存在不可用的边缘矢量点，在功率较小对应的调制度小于2/3时，混合拓扑可以满足直驱一体机的任意变频调速需求，任意相角差下均可运行；在较大功率负载工况下(调制度大于2/3时)，直驱一体机需根据运行条件动态调整调制度进而满足输入输出相角差，从而实现大功率下直驱一体机的调速需求，不会造成直驱一体机工作过程中大量矢量点浪费的问题。同时，本发明不依赖高压移相变压器，占主要部分的非隔离变换模块取消了dc-dc变换器，能量传输级数少、功率密度高，相较于基于mmc的拓扑大大减少了功率器件的用量，成本低、体积小。

技术特征：

1.一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，包括第一单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器、第二单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器和第三单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输入端分别与变压器二次侧的三相电连接，变压器的一次侧与电网连接，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输出端分别与电机的三相绕组连接；

2.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输入端均经电感与变压器的二次侧的三相电连接。

3.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，三个单相-单相隔离非隔离混合电力电子变压器的输出端均经电感与电机的三相绕组连接。

4.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，第一前级整流器、第二前级整流器、第一后级逆变器、第二后级逆变器、中间级隔离直流-直流变换器中任一拓扑为全桥或者半桥拓扑。

5.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述第一前级整流器与第一后级逆变器之间并联有电容。

6.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述第二前级整流器与中间级隔离直流-直流变换器之间并联有电容，和/或，中间级隔离直流-直流变换器与第二后级逆变器之间并联有电容。

7.根据权利要求1所述的一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述中间级隔离直流-直流变换器为双有源电路，包括顺次连接的输入侧整流桥、变压器以及输出侧整流桥。

技术总结
本发明公开了一种矿用直驱一体机的隔离非隔离混合拓扑，属于直驱一体机领域，包括三个电力电子变压器，各电力电子变压器均包括级联的第一非隔离变换模块、第二非隔离变换模块和隔离变换模块；两个非隔离变换模块均包括串联的第一前级整流器和第一后级逆变器，隔离变换模块包括串联的第二前级整流器、中间级隔离直流‑直流变换器和第二后级逆变；当调制信号的调制度m小于2/3时，电机在任意输入输出相角差下均可运行，能够满足直驱一体机的任意变频调速需求；当调制信号的调制度大于2/3时，根据运行条件动态调整调制度进而满足输入输出相角差，从而实现大功率下直驱一体机的调速需求，不会造成直驱一体机工作过程中大量矢量点浪费的问题。

技术研发人员：孟令辉,邓健辉,舒泽亮,宋鹏
受保护的技术使用者：四川航天烽火伺服控制技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/18