中心議題：

• 矩陣級聯型變頻器的拓撲結構及其特點
• 矩陣級聯型變頻器的實現方法
• 矩陣級聯型變頻器的係統仿真

解決方案：

• 將矩陣變換器引入H橋級聯型高壓變頻器

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
，被更多的人所讚譽和接受，這主要歸功於一個簡單的思路
，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
，並替換其中的H橋功率單元，舍棄了直流環節和串、並聯電解電容器組，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，也可以由兩支反並聯的晶閘管構成
，它的作用是實現電流的雙向控製。

(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，受器件耐壓限製，高電壓變換難於實現。

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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—jiaobianhuanqigonglvdanyuan

，youshuzhifanbingliandejingzhaguangoucheng
，zuoyongyeshishixiankehuanxiangzhengliukongzhi。danshixuyaoshuomingdeshi，jingzhaguandeguanduanxuyaoyilaidianyuanjiaoliudianyadeziranhuanxiangcainengshixian。

(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；
• 輸出頻率範圍因諧波原因受到較大的限製。

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，並最終進行星形連接
，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。

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(2)缺點：

• 需要複雜的電力變壓器
  ；
• 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並替代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
，並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控製技術，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；
• 輸出頻率範圍寬。

(2)缺點：

• 需要複雜的電力變壓器，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。

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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(zhan)波(bo)控(kong)製(zhi)和(he)三(san)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)，得(de)到(dao)單(dan)相(xiang)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)輸(shu)出(chu)。將(jiang)數(shu)台(tai)矩(ju)陣(zhen)變(bian)換(huan)單(dan)元(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)
，並(bing)組(zu)合(he)成(cheng)星(xing)形(xing)，便(bian)得(de)到(dao)了(le)可(ke)直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)高(gao)壓(ya)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)。每(mei)台(tai)矩(ju)陣(zhen)變(bian)換(huan)單(dan)元(yuan)通(tong)過(guo)一(yi)對(dui)光(guang)纖(xian)接(jie)受(shou)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)指(zhi)令(ling)和(he)PWM信xin號hao，同tong時shi也ye能neng向xiang控kong製zhi器qi傳chuan送song狀zhuang態tai和he告gao警jing信xin息xi。矩ju陣zhen變bian換huan單dan元yuan
，采cai用yong虛xu擬ni整zheng流liu技ji術shu，沒mei有you真zhen正zheng的de直zhi流liu環huan節jie

，不bu需xu要yao平ping波bo電dian容rong器qi，所suo以yi使shi用yong壽shou命ming得de到dao延yan長chang，可ke以yi減jian少shao維wei護hu量liang，甚shen至zhi可ke以yi設she計ji出chu免mian維wei護hu的de產chan品pin。

3.1 虛擬整流技術
xunizhengliujishudeshixian
，zhuyaotongguosanxiangtongbujiancedianluqudetongbukongzhixinhao，ranhoukongzhigonglvqijianlaimonierjiguanqiaoshizhengliudianluduisanxiangjiaoliudianjinxingzhengliu，tongshifangzhishurudesanxiangjiaoliudianxiangjianduanlu。qiyuanlirutu9所示，是一個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後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
換huan向xiang技ji術shu

，是shi通tong過guo可ke換huan向xiang虛xu擬ni整zheng流liu技ji術shu實shi現xian的de，可ke以yi設she計ji一yi個ge邏luo輯ji轉zhuan換huan電dian路lu接jie收shou由you控kong製zhi器qi發fa出chu的de輸shu出chu方fang向xiang給gei定ding信xin號hao，可ke以yi在zai任ren意yi時shi刻ke改gai變bian虛xu擬ni整zheng流liu電dian路lu的de輸shu出chu方fang向xiang，仿fang真zhen波bo形xing如ru圖tu6所示。

圖6 輸出可換向的虛擬整流波形

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3.3 PWM斬波控製
對虛擬整流波形進行斬波控製，便可以得到占空比可任意調節的PWM波形。如圖7所示，是通過SPWM控製得到的輸出波形圖。可以看出它的包絡就是虛擬整流得到的波形。

圖7 輸出經SPWM斬波控製的輸出波形

3.4 三電平控製
suiranjingguoshangshuguochengshixianleshuchudezhanbokongzhi
，danshitajinjinshixianletongheduandezhuanhuan，bingbunengweifuzaitigongxuliunengli。erbianpinqiyingduidedoushiganxingdefuzai，yincijuzhenbianhuandanyuanbixujubeishuchuxuliuhuanjie
，weicikaolvcaiyongsandianpingkongzhicelveshibixude。

4  矩陣級聯型變頻器的係統仿真

矩陣級聯型高壓變頻器采用的矩陣變換單元,本質上是一個三相輸入,單相輸出的AC-AC變換器,即圖4虛線框內所指的部分,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換和安全機製的處理，限於篇幅的原因不做進一步的分解。

討論如何建立矩陣級聯型變頻器係統仿真模型，應首先討論如何建立單相矩陣級聯模型。
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4.1 單相矩陣級聯
以圖4所示的A相為例

，建立由3個矩陣變換單元串聯而成的仿真模型，將電網輸入電壓相互相移20°

，每個變換單元在產生SPWM控製信號之前，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的尾懸空並用於測量。於是得到單相串聯輸出波形圖如圖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 單相矩陣級聯的仿真波形

通過上述仿真模型得出的結果
，不難看出由3個具有三電平輸出能力的矩陣變換單元
，可以通過串聯得到3×2+1=7個電平數
，這與H橋(qiao)級(ji)聯(lian)型(xing)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)相(xiang)類(lei)似(si)，不(bu)同(tong)的(de)是(shi)矩(ju)陣(zhen)級(ji)聯(lian)變(bian)換(huan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)平(ping)是(shi)虛(xu)擬(ni)整(zheng)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)包(bao)絡(luo)。值(zhi)得(de)說(shuo)明(ming)的(de)是(shi)，矩(ju)陣(zhen)變(bian)換(huan)單(dan)元(yuan)串(chuan)聯(lian)的(de)越(yue)多(duo)

，其(qi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)和(he)調(tiao)製(zhi)三(san)角(jiao)波(bo)的(de)相(xiang)移(yi)角(jiao)度(du)也(ye)會(hui)選(xuan)擇(ze)的(de)越(yue)緊(jin)密(mi)
，係(xi)統(tong)輸(shu)出(chu)就(jiu)越(yue)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)。

4.2 三相矩陣級聯
將單相矩陣級聯串組合成星形連接，便形成了三相輸入三相輸出的交流電。如圖10所示

，

圖10 三相矩陣級聯電壓輸出圖

它們分別是A相單台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 結論

本文揭示和描述了一種新型的矩陣級聯型高壓變頻器，並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(ni)變(bian)技(ji)術(shu)
，不(bu)需(xu)要(yao)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)，具(ju)有(you)體(ti)積(ji)小(xiao)，效(xiao)率(lv)高(gao)，低(di)諧(xie)波(bo)，長(chang)壽(shou)命(ming)等(deng)特(te)點(dian)，所(suo)以(yi)對(dui)它(ta)進(jin)行(xing)深(shen)入(ru)的(de)研(yan)究(jiu)將(jiang)具(ju)有(you)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。本(ben)文(wen)對(dui)比(bi)了(le)矩(ju)陣(zhen)變(bian)頻(pin)器(qi)、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。