一種矩陣級聯(lián)型高壓變頻器的研究.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除一種矩陣級聯(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聯(lián)型高壓變頻器，并著重闡述了它的拓?fù)湫问?、組成原理、實(shí)現(xiàn)方法和研究內(nèi)容等。矩陣級聯(lián)式高壓變頻器具有矩陣變頻器、交交變頻器和H橋級聯(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，長壽命等特點(diǎn)，所以對它進(jìn)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(lián)型高壓變頻器的拓?fù)湓?、技術(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 級聯(lián) 矩陣 變頻器 變流器 1 引言近幾年,H橋級聯(lián)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(diǎn)，被更多的人所贊譽(yù)和接受,這主要?dú)w功于一個(gè)簡單的思路，即：用相對獨(dú)立的低壓變換單元,通過串聯(lián)的辦法來解決高壓問題。思路很簡單,但實(shí)現(xiàn)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(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，主要由矩陣開關(guān)以mn陣列形式構(gòu)成，當(dāng)用作電機(jī)驅(qū)動時(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。圖1 矩陣變換器虛線框內(nèi)為矩陣開關(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(diǎn)： 開關(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)。/P2.2 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，一般通過星形連接形成三相輸出，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 交交變頻器虛線框內(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橋級聯(lián)型高壓變頻器H橋級聯(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橋級聯(lián)型高壓變頻器的電路拓?fù)湫问?，它的每一個(gè)相電壓由3個(gè)H橋單元串聯(lián)而成。圖3 H橋級聯(lián)型高壓變頻器虛線框內(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??； 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 矩陣級聯(lián)型高壓變頻器本文提出的矩陣級聯(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)32矩陣變換單元串聯(lián)而成，三相共需要9個(gè)這樣的單元。圖4 矩陣級聯(lián)型高壓變頻器/P虛線框內(nèi)為32矩陣變換單元，通過虛擬整流技術(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； 無需電解電容器，壽命較長； 變流器的體積較H橋單元的?。?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 矩陣級聯(lián)型變頻器的實(shí)現(xiàn)方法矩陣級聯(lián)型高壓變頻器，采用32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)臺矩陣變換單元的輸出端串聯(lián)起來，并組合成星形，便得到了可直接驅(qū)動高壓電動機(jī)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(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，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)，主要通過三相同步檢測電路取得同步控制信號，然后控制功率器件來模擬二極管橋式整流電路對三相交流電進(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路同步信號和虛擬整流后得到的輸出電壓波形。圖5 方向固定的虛擬整流仿真波形3.2 換向技術(shù)換向技術(shù)，是通過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，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。圖6 輸出可換向的虛擬整流波形3.3 PWM斬波控制對虛擬整流波形進(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SPWM控制得到的輸出波形圖?？梢钥闯鏊陌j(luò)就是虛擬整流得到的波形。圖7 輸出經(jīng)SPWM斬波控制的輸出波形/P3.4 三電平控制雖然經(jīng)過上述過程實(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 矩陣級聯(lián)型變頻器的系統(tǒng)仿真矩陣級聯(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 矩陣變換單元電路仿真原理圖圖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聯(lián)模型。4.1 單相矩陣級聯(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的尾懸空并用于測量。于是得到單相串聯(lián)輸出波形圖如圖9所示，參照圖4,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。圖9 單相矩陣級聯(lián)的仿真波形通過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，可以通過串聯(lián)得到32+1=7個(gè)電平數(shù)，這與H橋級聯(lián)型變頻器的情況相類似，不同的是矩陣級聯(lián)變換器輸出的電平是虛擬整流波形的包絡(luò)。值得說明的是，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 三相矩陣級聯(lián)將單相矩陣級聯(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。圖10 三相矩陣級聯(lián)電壓輸出圖 5 研究內(nèi)容及研究方向本文僅僅從基本的矩陣級聯(lián)的拓?fù)湓砩献隽诵┓抡婧脱芯抗ぷ?，而對于它的?fù)面影響尚需做進(jìn)一步的研究。在矩陣級聯(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；