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。
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“完美无谐波”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
2.1 矩阵变频器
矩阵式变换器，主要由矩阵开关以m×n阵列形式构成，当用作电机驱动时m和n的值都取3，组成矩阵变频器，其电路拓扑如图1所示。
图1 矩阵变换器
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。
图2 交—交变频器
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。
图3 H桥级联型高压变频器
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。
图4 矩阵级联型高压变频器
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
矩阵级联型高压变频器，采用3×2矩阵变换单元相互串联而成，实现了高电压的输出，具有与H桥级联型高压变频器相似的特点，同时又具备矩阵、交—交变换器的四象限运行能力。
其实现方法是：三相高压交流电经移相变压器的降压、隔离和相移，形成互差一定角度的三相交流电。将该三相交流电分别送到各个矩阵变换单元，经虚拟整流、换向、PWM斩波控制和三电平转换，得到单相的交流电输出。将数台矩阵变换单元的输出端串联起来，并组合成星形，便得到了可直接驱动高压电动机的三相交流电。每台矩阵变换单元通过一对光纤接受控制器的指令和PWM信号，同时也能向控制器传送状态和告警信息。矩阵变换单元，采用虚拟整流技术，没有真正的直流环节，不需要平波电容器，所以使用寿命得到延长，可以减少维护量，甚至可以设计出免维护的产品。
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