一種矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的研究

摘 要 ：本文揭示和描述了一種新型的矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，并著重闡述了它的拓?fù)湫问健⒔M成原理、實(shí)現(xiàn)方法和研究?jī)?nèi)容等。矩陣級(jí)聯(lián)式高壓變頻器具有矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的三重特點(diǎn)，采用虛擬的多重化整流和PWM逆變技術(shù)，不需要電容器組，具有體積小，效率高，低諧波，長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，所以對(duì)它進(jìn)行深入的研究將具有十分重要的意義。本文對(duì)比了矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的拓?fù)湓怼⒓夹g(shù)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)等。

英文摘 要 ：The paper describes a type of Matrix-cascade High Voltage Inverter, about topology structure, component, schema circuit,
implementation procedure, and research. The type of Matrix-cascade Inverter have threefold characteristic comparing the type of Matrix, AC-AC or H-bridge cascade inverter. It introduce dummy multiprocess rectifier, and PWM. Don抰 depend on aluminium electrolytic capacity, so it also introduce little cubage, longevity.
The paper have emulated the model of a Matrix-cascade High Voltage Inverter.

關(guān)鍵詞： H橋 級(jí)聯(lián) 矩陣 變頻器 變流器

1 引言
近幾年,H橋級(jí)聯(lián)式高壓變頻器得到了很快的推廣和普及,其“完美無(wú)諧波”的特點(diǎn)，被更多的人所贊譽(yù)和接受,這主要?dú)w功于一個(gè)簡(jiǎn)單的思路，即：用相對(duì)獨(dú)立的低壓變換單元,通過(guò)串聯(lián)的辦法來(lái)解決高壓?jiǎn)栴}。思路很簡(jiǎn)單,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)方法卻各有不同。本文就提出了一種將矩陣變換器引入H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的新方法,并替換其中的H橋功率單元,舍棄了直流環(huán)節(jié)和串、并聯(lián)電解電容器組,實(shí)現(xiàn)了交—交形式的直接變換,因此大大延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命,體積也可以減小許多。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
2.1 矩陣變頻器
矩陣式變換器，主要由矩陣開(kāi)關(guān)以m×n陣列形式構(gòu)成，當(dāng)用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)m和n的值都取3，組成矩陣變頻器，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。

虛線框內(nèi)為矩陣開(kāi)關(guān)，由兩支反串聯(lián)的IGBT構(gòu)成，也可以由兩支反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，它的作用是實(shí)現(xiàn)電流的雙向控制。
（1）特點(diǎn)：
● 可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；
● 無(wú)需電解電容器；
● 無(wú)需電力變壓器；
● 體積小，重量輕；
● 效率高。
（2）缺點(diǎn)：
● 開(kāi)關(guān)型功率器件數(shù)量多；
● 功率器件需要能耗型吸收電路；
● 采用IGBT時(shí),受器件耐壓限制,高電壓變換難于實(shí)現(xiàn)。
2.2 交—交變頻器
交—交型變頻器，主要由電力變壓器和三個(gè)單相交—交變換器共同組成，一般通過(guò)星形連接形成三相輸出，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

虛線框內(nèi)為單相交—交變換器功率單元，由數(shù)支反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，作用也是實(shí)現(xiàn)可換向整流控制。但是需要說(shuō)明的是，晶閘管的關(guān)斷需要依賴電源交流電壓的自然換向才能實(shí)現(xiàn)。
（1）特點(diǎn)：
● 可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；
● 無(wú)需電解電容器；
● 效率較高。
（2）缺點(diǎn)：
● 需要電力變壓器，體積大，較重；
● 晶閘管數(shù)量多，需要能耗型吸收電路；
● 晶閘管的關(guān)斷依賴電源的交流電壓；
● 輸出諧波較大；
● 輸出頻率范圍因諧波原因受到較大的限制。
2.3 H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器
H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，主要由移相式輸入變壓器和多個(gè)H橋單相逆變單元共同組成，單元與單元之間串聯(lián)，并最終進(jìn)行星形連接，從而實(shí)現(xiàn)三相輸出。如圖3所示，是一個(gè)3kV H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的電路拓?fù)湫问剑拿恳粋€(gè)相電壓由3個(gè)H橋單元串聯(lián)而成。

虛線框內(nèi)為H橋單相逆變單元，由三相輸入整流、濾波電容組和H橋逆變電路（全橋）共同組成，本質(zhì)是一個(gè)AC-DC-AC變換器。
（1）特點(diǎn)：
● 功率因數(shù)高；
● 輸入、輸出電流波形接近正弦波，諧波小；
● 效率較高；
● 高電壓變換容易實(shí)現(xiàn)。
（2）缺點(diǎn)：
● 需要復(fù)雜的電力變壓器；
● 體積大，較重；
● 功率器件數(shù)量多；
● 依賴直流電容器，如果采用電解電容器，還需要定期維護(hù)。
2.4 矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器
本文提出的矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，主要由移相式輸入變壓器和多個(gè)矩陣單相變換單元共同組成，它是在H橋級(jí)聯(lián)型變頻器基礎(chǔ)上，將矩陣變換單元引入并替代H橋單相逆變單元而形成的，其單元與單元之間也采取串聯(lián)及星形連形式，并最終實(shí)現(xiàn)三相輸出的。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，是一個(gè)3kV矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的電路形式，它的每一個(gè)相電壓由3個(gè)3×2矩陣變換單元串聯(lián)而成，三相共需要9個(gè)這樣的單元。

虛線框內(nèi)為3×2矩陣變換單元，通過(guò)虛擬整流技術(shù)及可三電平輸出的PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三相交流電輸入和單相三電平交流電的輸出，可以適應(yīng)感性負(fù)載的變化。
（1）特點(diǎn)：
● 可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；
● 無(wú)需電解電容器，壽命較長(zhǎng)；
● 變流器的體積較H橋單元的小；
● 輸入、輸出電流波形接近正弦波，諧波小；
● 功率因數(shù)高；
● 效率較高；
● 高電壓變換容易實(shí)現(xiàn)；
● 輸出頻率范圍寬。
（2）缺點(diǎn)：
● 需要復(fù)雜的電力變壓器，體積大，較重；
● 功率器件數(shù)量多；
● 功率器件需要能耗型吸收電路。

3 矩陣級(jí)聯(lián)型變頻器的實(shí)現(xiàn)方法
矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)了高電壓的輸出，具有與H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器相似的特點(diǎn)，同時(shí)又具備矩陣、交—交變換器的四象限運(yùn)行能力。
其實(shí)現(xiàn)方法是：三相高壓交流電經(jīng)移相變壓器的降壓、隔離和相移，形成互差一定角度的三相交流電。將該三相交流電分別送到各個(gè)矩陣變換單元，經(jīng)虛擬整流、換向、PWM斬波控制和三電平轉(zhuǎn)換，得到單相的交流電輸出。將數(shù)臺(tái)矩陣變換單元的輸出端串聯(lián)起來(lái)，并組合成星形，便得到了可直接驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)的三相交流電。每臺(tái)矩陣變換單元通過(guò)一對(duì)光纖接受控制器的指令和PWM信號(hào)，同時(shí)也能向控制器傳送狀態(tài)和告警信息。矩陣變換單元，采用虛擬整流技術(shù)，沒(méi)有真正的直流環(huán)節(jié)，不需要平波電容器，所以使用壽命得到延長(zhǎng)，可以減少維護(hù)量，甚至可以設(shè)計(jì)出免維護(hù)的產(chǎn)品。
3.1 虛擬整流技術(shù)
虛擬整流技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)三相同步檢測(cè)電路取得同步控制信號(hào)，然后控制功率器件來(lái)模擬二極管橋式整流電路對(duì)三相交流電進(jìn)行整流，同時(shí)防止輸入的三相交流電相間短路。其原理如圖9所示，是一個(gè)輸出方向固定的虛擬整流電路。仿真波形如圖5所示，它們分別是矩陣變換單元的三相輸入電壓、6路同步信號(hào)和虛擬整流后得到的輸出電壓波形。

3.2 換向技術(shù)
換向技術(shù)，是通過(guò)可換向虛擬整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，可以設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換電路接收由控制器發(fā)出的輸出方向給定信號(hào)，可以在任意時(shí)刻改變虛擬整流電路的輸出方向，仿真波形如圖6所示。

3.3 PWM斬波控制
對(duì)虛擬整流波形進(jìn)行斬波控制，便可以得到占空比可任意調(diào)節(jié)的PWM波形。如圖7所示，是通過(guò)SPWM控制得到的輸出波形圖。可以看出它的包絡(luò)就是虛擬整流得到的波形。

3.4 三電平控制
雖然經(jīng)過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了輸出的斬波控制，但是它僅僅實(shí)現(xiàn)了通和斷的轉(zhuǎn)換，并不能為負(fù)載提供續(xù)流能力。而變頻器應(yīng)對(duì)的都是感性的負(fù)載，因此矩陣變換單元必須具備輸出續(xù)流環(huán)節(jié)，為此考慮采用三電平控制策略是必須的。

4 矩陣級(jí)聯(lián)型變頻器的系統(tǒng)仿真
矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器采用的矩陣變換單元,本質(zhì)上是一個(gè)三相輸入,單相輸出的AC-AC變換器,即圖4虛線框內(nèi)所指的部分,仿真的具體電路原理如圖8所示。

圖8所示邏輯電路，其作用是完成三電平的轉(zhuǎn)換和安全機(jī)制的處理，限于篇幅的原因不做進(jìn)一步的分解。
討論如何建立矩陣級(jí)聯(lián)型變頻器系統(tǒng)仿真模型，應(yīng)首先討論如何建立單相矩陣級(jí)聯(lián)模型。
4.1 單相矩陣級(jí)聯(lián)
以圖4所示的A相為例，建立由3個(gè)矩陣變換單元串聯(lián)而成的仿真模型，將電網(wǎng)輸入電壓相互相移20°，每個(gè)變換單元在產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)之前，將三角波參照自身互相相移120°,其他部分完全相同。把變換單元A1、A2和A3尾首相連，A1的首和A3的尾懸空并用于測(cè)量。于是得到單相串聯(lián)輸出波形圖如圖9所示，參照?qǐng)D4,它們分別是：變換單元A1輸入三相電壓、A1輸出單相電壓、A2輸出單相電壓、A3輸出單相電壓、A相總輸出單相電壓波形,以及A相給定的基波電壓。

通過(guò)上述仿真模型得出的結(jié)果，不難看出由3個(gè)具有三電平輸出能力的矩陣變換單元，可以通過(guò)串聯(lián)得到3×2+1=7個(gè)電平數(shù)，這與H橋級(jí)聯(lián)型變頻器的情況相類似，不同的是矩陣級(jí)聯(lián)變換器輸出的電平是虛擬整流波形的包絡(luò)。值得說(shuō)明的是，矩陣變換單元串聯(lián)的越多，其輸入電壓和調(diào)制三角波的相移角度也會(huì)選擇的越緊密，系統(tǒng)輸出就越接近正弦波。
4.2 三相矩陣級(jí)聯(lián)
將單相矩陣級(jí)聯(lián)串組合成星形連接，便形成了三相輸入三相輸出的交流電。如圖10所示，它們分別是A相單臺(tái)矩陣變換單元輸出電壓、A相輸出總電壓、B相輸出總電壓和A-B總輸出線電壓的波形圖。

5 研究?jī)?nèi)容及研究方向
本文僅僅從基本的矩陣級(jí)聯(lián)的拓?fù)湓砩献隽诵┓抡婧脱芯抗ぷ鳎鴮?duì)于它的負(fù)面影響尚需做進(jìn)一步的研究。
在矩陣級(jí)聯(lián)型變頻器方面，今后研究的內(nèi)容和方向主要有：
● 矩陣控制策略；
● 矩陣單元的旁路技術(shù)；
● 防電網(wǎng)瞬時(shí)掉電功能；
● 軟故障的自動(dòng)恢復(fù)功能；
● 電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的起動(dòng)問(wèn)題；
● 工頻與變頻間的“無(wú)擾”切換能力；
● 無(wú)速度傳感器直接矢量控制技術(shù)；
● 電機(jī)參數(shù)自整定技術(shù)；
● 功率器件的軟開(kāi)關(guān)和軟吸收技術(shù)；
● 泵升電壓對(duì)矩陣變換器的影響；
● 諧波的消除技術(shù)；
● 矩陣單元的前饋補(bǔ)償技術(shù)等等。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合矩陣變換器、交—交變頻器和H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器各自的特點(diǎn)，提出了新的矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)湫问剑⒔?jīng)過(guò)仿真模型的建立，驗(yàn)證了它的可行性。