電抗器與矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的實(shí)現(xiàn)

前  言:
      變頻器用電抗器主要有：進(jìn)線電抗器(輸入電抗器，英文簡(jiǎn)寫B(tài)ACL)、出線電抗器(輸出電抗器,英文簡(jiǎn)寫B(tài)OCL)、直流電抗器(平波電抗器,英文簡(jiǎn)寫B(tài)DCL)，常州(江蘇)博邦電氣是專業(yè)研發(fā)制造電抗器、串聯(lián)電抗器、進(jìn)線電抗器、鋁殼電阻、制動(dòng)電阻、制動(dòng)單元、變壓器、濾波器的大型生產(chǎn)廠家。依托德國(guó)技術(shù),專注于為全球變頻器產(chǎn)業(yè)提供專業(yè)而人性化的產(chǎn)品、服務(wù)和一站式綜合解決方案。

摘　要：
      本文揭示和描述了一種新型的矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，并著重闡述了它的拓?fù)湫问健⒔M成原理、實(shí)現(xiàn)方法和研究?jī)?nèi)容等。矩陣級(jí)聯(lián)式高壓變頻器具有矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級(jí)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(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，所以對(duì)它進(jìn)行深入的研究將具有十分重要的意義。本文對(duì)比了矩陣變頻器、交—交變頻器和H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的拓?fù)湓�理、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)等。

關(guān)鍵詞：電抗器　變頻器　變流器 　　

1 引 言　　
      近幾年,H橋級(jí)聯(lián)式高壓變頻器得到了很快的推廣和普及,其“完美無(wú)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(jiǎn)單的思路，即：用相對(duì)獨(dú)立的低壓變換單元,通過(guò)串聯(lián)的辦法來(lái)解決高壓?jiǎn)栴}。思路很簡(jiǎn)單,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(jí)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)以m×n陣列形式構(gòu)成，當(dāng)用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(wú)需電解電容器；　　
● 無(wú)需電力變壓器；　　
● 體積小，重量輕；　　
● 效率高。　　

（2）缺點(diǎn)：　　
● 開(kāi)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)。

2.2 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(guò)星形連接形成三相輸出，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　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(shuō)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(wú)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(jí)聯(lián)型高壓變頻器　　
      H橋級(jí)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(jí)聯(lián)型高壓變頻器的電路拓?fù)湫问剑�它的每一個(gè)相電壓由3個(gè)H橋單元串聯(lián)而成。

      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，諧波小；　　
● 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(jí)聯(lián)型高壓變頻器　　
      本文提出的矩陣級(jí)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(jí)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(jí)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)3×2矩陣變換單元串聯(lián)而成，三相共需要9個(gè)這樣的單元。

　虛線框內(nèi)為3×2矩陣變換單元，通過(guò)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(wú)需電解電容器，壽命較長(zhǎng)；　　
● 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(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(jí)聯(lián)型變頻器的實(shí)現(xiàn)方法　　
      矩陣級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，采用3×2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(jí)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(tái)矩陣變換單元的輸出端串聯(lián)起來(lái)，并組合成星形，便得到了可直接驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)的三相交流電。每臺(tái)矩陣變換單元通過(guò)一對(duì)光纖接受控制器的指令和PWM信號(hào)，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(méi)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(zhǎng)，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。

       另外，高壓變頻器配上電抗器后其性能可達(dá)到最佳！