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。

[page]
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jiao變bian換huan器qi功gong率lv單dan元yuan，由you數shu支zhi反fan並bing聯lian的de晶jing閘zha管guan構gou成cheng
，作zuo用yong也ye是shi實shi現xian可ke換huan向xiang整zheng流liu控kong製zhi。但dan是shi需xu要yao說shuo明ming的de是shi，晶jing閘zha管guan的de關guan斷duan需xu要yao依yi賴lai電dian源yuan交jiao流liu電dian壓ya的de自zi然ran換huan向xiang才cai能neng實shi現xian。

(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。

[page]
(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。

[page]
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、PWMzhanbokongzhihesandianpingzhuanhuan，dedaodanxiangdejiaoliudianshuchu。jiangshutaijuzhenbianhuandanyuandeshuchuduanchuanlianqilai，bingzuhechengxingxing

，biandedaolekezhijiequdonggaoyadiandongjidesanxiangjiaoliudian。meitaijuzhenbianhuandanyuantongguoyiduiguangxianjieshoukongzhiqidezhilinghePWM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
虛xu擬ni整zheng流liu技ji術shu的de實shi現xian，主zhu要yao通tong過guo三san相xiang同tong步bu檢jian測ce電dian路lu取qu得de同tong步bu控kong製zhi信xin號hao，然ran後hou控kong製zhi功gong率lv器qi件jian來lai模mo擬ni二er極ji管guan橋qiao式shi整zheng流liu電dian路lu對dui三san相xiang交jiao流liu電dian進jin行xing整zheng流liu
，同tong時shi防fang止zhi輸shu入ru的de三san相xiang交jiao流liu電dian相xiang間jian短duan路lu。其qi原yuan理li如ru圖tu9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

[page]
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。
[page]
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Hqiaojilianxingbianpinqideqingkuangxiangleisi，butongdeshijuzhenjilianbianhuanqishuchudedianpingshixunizhengliuboxingdebaoluo。zhideshuomingdeshi，juzhenbianhuandanyuanchuanliandeyueduo，qishurudianyahetiaozhisanjiaobodexiangyijiaoduyehuixuanzedeyuejinmi
，xitongshuchujiuyuejiejinzhengxianbo。

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PWMnibianjishu，buxuyaodianrongqizu

，juyoutijixiao
，xiaolvgao，dixiebo
，changshoumingdengtedian，suoyiduitajinxingshenrudeyanjiujiangjuyoushifenzhongyaodeyiyi。benwenduibilejuzhenbianpinqi
、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。