摘 要 :本文揭示和描述了一种新型的矩阵级联型高压变频器,并着重阐述了它的拓扑形式、组成原理、实现方法和研究内容等。矩阵级联式高压变频器具有矩阵变频器、交—交变频器和H桥级联型高压变频器的三重特点,采用虚拟的多重化整流和PWM逆变技术,不需要电容器组,具有体积小,效率高,低谐波,长寿命等特点,所以对它进行深入的研究将具有十分重要的意义。本文对比了矩阵变频器、交—交变频器和H桥级联型高压变频器的拓扑原理、技术特点和优缺点等。 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. 关键词: H桥 级联 矩阵 变频器 变流器 1 引言 近几年,H桥级联式高压变频器得到了很快的推广和普及,其“xx无谐波”的特点,被更多的人所赞誉和接受,这主要归功于一个简单的思路,即:用相对独立的低压变换单元,通过串联的办法来解决高压问题。思路很简单,但实现起来方法却各有不同。本文就提出了一种将矩阵变换器引入H桥级联型高压变频器的新方法,并替换其中的H桥功率单元,舍弃了直流环节和串、并联电解电容器组,实现了交—交形式的直接变换,因此大大延长了变频器的使用寿命,体积也可以减小许多。
2 拓扑结构及其特点 虚线框内为矩阵开关,由两支反串联的IGBT构成,也可以由两支反并联的晶闸管构成,它的作用是实现电流的双向控制。 (1)特点: ● 可以实现四象限运行; ● 无需电解电容器; ● 无需电力变压器; ● 体积小,重量轻; ● 效率高。 (2)缺点: ● 开关型功率器件数量多; ● 功率器件需要能耗型吸收电路; ● 采用IGBT时,受器件耐压限制,高电压变换难于实现。 2.2 交—交变频器 交—交型变频器,主要由电力变压器和三个单相交—交变换器共同组成,一般通过星形连接形成三相输出,电路拓扑结构如图2所示。 虚线框内为单相交—交变换器功率单元,由数支反并联的晶闸管构成,作用也是实现可换向整流控制。但是需要说明的是,晶闸管的关断需要依赖电源交流电压的自然换向才能实现。 (1)特点: ● 可以实现四象限运行; ● 无需电解电容器; ● 效率较高。 (2)缺点: ● 需要电力变压器,体积大,较重; ● 晶闸管数量多,需要能耗型吸收电路; ● 晶闸管的关断依赖电源的交流电压; ● 输出谐波较大; ● 输出频率范围因谐波原因受到较大的限制。 2.3 H桥级联型高压变频器 H桥级联型高压变频器,主要由移相式输入变压器和多个H桥单相逆变单元共同组成,单元与单元之间串联,并最终进行星形连接,从而实现三相输出。如图3所示,是一个3kV H桥级联型高压变频器的电路拓扑形式,它的每一个相电压由3个H桥单元串联而成。 虚线框内为H桥单相逆变单元,由三相输入整流、滤波电容组和H桥逆变电路(全桥)共同组成,本质是一个AC-DC-AC变换器。 (1)特点: ● 功率因数高; ● 输入、输出电流波形接近正弦波,谐波小; ● 效率较高; ● 高电压变换容易实现。 (2)缺点: ● 需要复杂的电力变压器; ● 体积大,较重; ● 功率器件数量多; ● 依赖直流电容器,如果采用电解电容器,还需要定期维护。 2.4 矩阵级联型高压变频器 本文提出的矩阵级联型高压变频器,主要由移相式输入变压器和多个矩阵单相变换单元共同组成,它是在H桥级联型变频器基础上,将矩阵变换单元引入并替代H桥单相逆变单元而形成的,其单元与单元之间也采取串联及星形连形式,并最终实现三相输出的。拓扑结构如图4所示,是一个3kV矩阵级联型高压变频器的电路形式,它的每一个相电压由3个3×2矩阵变换单元串联而成,三相共需要9个这样的单元。 虚线框内为3×2矩阵变换单元,通过虚拟整流技术及可三电平输出的PWM控制技术,实现了三相交流电输入和单相三电平交流电的输出,可以适应感性负载的变化。 (1)特点: ● 可以实现四象限运行; ● 无需电解电容器,寿命较长; ● 变流器的体积较H桥单元的小; ● 输入、输出电流波形接近正弦波,谐波小; ● 功率因数高; ● 效率较高; ● 高电压变换容易实现; ● 输出频率范围宽。 (2)缺点: ● 需要复杂的电力变压器,体积大,较重; ● 功率器件数量多; ● 功率器件需要能耗型吸收电路。
3 矩阵级联型变频器的实现方法 3.2 换向技术 换向技术,是通过可换向虚拟整流技术实现的,可以设计一个逻辑转换电路接收由控制器发出的输出方向给定信号,可以在任意时刻改变虚拟整流电路的输出方向,仿真波形如图6所示。 3.3 PWM斩波控制 对虚拟整流波形进行斩波控制,便可以得到占空比可任意调节的PWM波形。如图7所示,是通过SPWM控制得到的输出波形图。可以看出它的包络就是虚拟整流得到的波形。 3.4 三电平控制 虽然经过上述过程实现了输出的斩波控制,但是它仅仅实现了通和断的转换,并不能为负载提供续流能力。而变频器应对的都是感性的负载,因此矩阵变换单元必须具备输出续流环节,为此考虑采用三电平控制策略是必须的。
4 矩阵级联型变频器的系统仿真 图8所示逻辑电路,其作用是完成三电平的转换和安全机制的处理,限于篇幅的原因不做进一步的分解。 讨论如何建立矩阵级联型变频器系统xxxx,应首先讨论如何建立单相矩阵级联模型。 4.1 单相矩阵级联 以图4所示的A相为例,建立由3个矩阵变换单元串联而成的xxxx,将电网输入电压相互相移20°,每个变换单元在产生SPWM控制信号之前,将三角波参照自身互相相移120°,其他部分xx相同。把变换单元A1、A2和A3尾首相连,A1的首和A3的尾悬空并用于测量。于是得到单相串联输出波形图如图9所示,参照图4,它们分别是:变换单元A1输入三相电压、A1输出单相电压、A2输出单相电压、A3输出单相电压、A相总输出单相电压波形,以及A相给定的基波电压。 通过上述xxxx得出的结果,不难看出由3个具有三电平输出能力的矩阵变换单元,可以通过串联得到3×2+1=7个电平数,这与H桥级联型变频器的情况相类似,不同的是矩阵级联变换器输出的电平是虚拟整流波形的包络。值得说明的是,矩阵变换单元串联的越多,其输入电压和调制三角波的相移角度也会选择的越紧密,系统输出就越接近正弦波。 4.2 三相矩阵级联 将单相矩阵级联串组合成星形连接,便形成了三相输入三相输出的交流电。如图10所示,它们分别是A相单台矩阵变换单元输出电压、A相输出总电压、B相输出总电压和A-B总输出线电压的波形图。
5 研究内容及研究方向 |