摘 要：本文揭示和描述了一種新型的矩陣級聯型高壓變頻器，并著重闡述了它的拓撲形式、組成原理、實現方法和研究內容等。矩陣級聯式高壓變頻器具有矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級聯型高壓變頻器的三重特點，采用虛擬的多重化整流和PWM逆變技術，不需要電容器組，具有體積小，效率高，低諧波，長壽命等特點，所以對它進行深入的研究將具有十分重要的意義。本文對比了矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級聯型高壓變頻器的拓撲原理、技術特點和優缺點等。
關鍵詞：H橋 級聯 矩陣 變頻器 變流器
1 引言
近幾年,H橋級聯式高壓變頻器得到了很快的推廣和普及,其“完美無諧波”的特點，被更多的人所贊譽和接受,這主要歸功于一個簡單的思路，即：用相對獨立的低壓變換單元,通過串聯的辦法來解決高壓問題。思路很簡單,但實現起來方法卻各有不同。本文就提出了一種將矩陣變換器引入H橋級聯型高壓變頻器的新方法,并替換其中的H橋功率單元,舍棄了直流環節和串、并聯電解電容器組,實現了交—交形式的直接變換,因此大大延長了變頻器的使用壽命,體積也可以減小許多。
2 拓撲結構及其特點
2.1 矩陣變頻器
矩陣式變換器，主要由矩陣開關以m×n陣列形式構成，當用作電機驅動時m和n的值都取3，組成矩陣變頻器，其電路拓撲如圖1所示。
圖1 矩陣變換器
虛線框內為矩陣開關，由兩支反串聯的IGBT構成，也可以由兩支反并聯的晶閘管構成，它的作用是實現電流的雙向控制。
（1）特點：
● 可以實現四象限運行；
● 無需電解電容器；
● 無需電力變壓器；
● 體積小，重量輕；
● 效率高。
（2）缺點：
● 開關型功率器件數量多；
● 功率器件需要能耗型吸收電路；
● 采用IGBT時,受器件耐壓限制,高電壓變換難于實現。
2.2 交—交變頻器
交—交型變頻器，主要由電力變壓器和三個單相交—交變換器共同組成，一般通過星形連接形成三相輸出，電路拓撲結構如圖2所示。
圖2 交—交變頻器
虛線框內為單相交—交變換器功率單元，由數支反并聯的晶閘管構成，作用也是實現可換向整流控制。但是需要說明的是，晶閘管的關斷需要依賴電源交流電壓的自然換向才能實現。
（1）特點：
● 可以實現四象限運行；
● 無需電解電容器；
● 效率較高。
（2）缺點：
● 需要電力變壓器，體積大，較重；
● 晶閘管數量多，需要能耗型吸收電路；
● 晶閘管的關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橋級聯型高壓變頻器
H橋級聯型高壓變頻器，主要由移相式輸入變壓器和多個H橋單相逆變單元共同組成，單元與單元之間串聯，并最終進行星形連接，從而實現三相輸出。如圖3所示，是一個3kV H橋級聯型高壓變頻器的電路拓撲形式，它的每一個相電壓由3個H橋單元串聯而成。
圖3 H橋級聯型高壓變頻器
虛線框內為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，本質是一個AC-DC-AC變換器。
（1）特點：
● 功率因數高；
● 輸入、輸出電流波形接近正弦波，諧波小；
● 效率較高；
● 高電壓變換容易實現。
（2）缺點：
● 需要復雜的電力變壓器；
● 體積大，較重；
● 功率器件數量多；
● 依賴直流電容器，如果采用電解電容器，還需要定期維護。
2.4 矩陣級聯型高壓變頻器
本文提出的矩陣級聯型高壓變頻器，主要由移相式輸入變壓器和多個矩陣單相變換單元共同組成，它是在H橋級聯型變頻器基礎上，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及星形連形式，并最終實現三相輸出的。拓撲結構如圖4所示，是一個3kV矩陣級聯型高壓變頻器的電路形式，它的每一個相電壓由3個3×2矩陣變換單元串聯而成，三相共需要9個這樣的單元。
圖4 矩陣級聯型高壓變頻器
虛線框內為3×2矩陣變換單元，通過虛擬整流技術及可三電平輸出的PWM控制技術，實現了三相交流電輸入和單相三電平交流電的輸出，可以適應感性負載的變化。
（1）特點：
● 可以實現四象限運行；
● 無需電解電容器，壽命較長；
● 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；
● 功率因數高；
● 效率較高；
● 高電壓變換容易實現；
● 輸出頻率范圍寬。
（2）缺點：
● 需要復雜的電力變壓器，體積大，較重；
● 功率器件數量多；
● 功率器件需要能耗型吸收電路。
3 矩陣級聯型變頻器的實現方法
矩陣級聯型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯而成，實現了高電壓的輸出，具有與H橋級聯型高壓變頻器相似的特點，同時又具備矩陣、交—交變換器的四象限運行能力。
其實現方法是：三相高壓交流電經移相變壓器的降壓、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矩陣變換單元，經虛擬整流、換向、PWM斬波控制和三電平轉換，得到單相的交流電輸出。將數臺矩陣變換單元的輸出端串聯起來，并組合成星形，便得到了可直接驅動高壓電動機的三相交流電。每臺矩陣變換單元通過一對光纖接受控制器的指令和PWM信號，同時也能向控制器傳送狀態和告警信息。矩陣變換單元，采用虛擬整流技術，沒有真正的直流環節，不需要平波電容器，所以使用壽命得到延長，可以減少維護量，甚至可以設計出免維護的產品。
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