一种矩阵级联型高压变频器的研究

图5  方向固定的虚拟整流仿真波形
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。

图6  输出可换向的虚拟整流波形
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。

图7  输出经SPWM斩波控制的输出波形
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
    矩阵级联型高压变频器采用的矩阵变换单元,本质上是一个三相输入,单相输出的AC-AC变换器,即图4虚线框内所指的部分,仿真的具体电路原理如图8所示。

图8  矩阵变换单元电路仿真原理图
    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仿真模型，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仿真模型，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°,其他部分完全相同。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。

图9  单相矩阵级联的仿真波形
    通过上述仿真模型得出的结果，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。

图10  三相矩阵级联电压输出图  

5  研究内容及研究方向
    本文仅仅从基本的矩阵级联的拓扑原理上做了些仿真和研究工作，而对于它的负面影响尚需做进一步的研究。
    在矩阵级联型变频器方面，今后研究的内容和方向主要有：
    ● 矩阵控制策略；
    ● 矩阵单元的旁路技术；
    ● 防电网瞬时掉电功能；
    ● 软故障的自动恢复功能；
    ● 电机旋转过程中的起动问题；
    ● 工频与变频间的“无扰”切换能力；
    ● 无速度传感器直接矢量控制技术；
    ● 电机参数自整定技术；
    ● 功率器件的软开关和软吸收技术；
    ● 泵升电压对矩阵变换器的影响；
    ● 谐波的消除技术；
    ● 矩阵单元的前馈补偿技术等等。

6  结束语
    本文结合矩阵变换器、交—交变频器和H桥级联型高压变频器各自的特点，提出了新的矩阵级联型高压变频器拓扑形式，并经过仿真模型的建立，验证了它的可行性。

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