电抗器与矩阵级联型高压变频器的实现

电抗器与矩阵级联型高压变频器的实现

变频器用电抗器主要有:进线电抗器(输入电抗器,英文简写BACL)、出线电抗器(输出电抗器,英文简写BOCL)、直流电抗器(平波电抗器,英文简写BDCL),常州(江苏)博邦电气是专业研发制造电抗器、串联电抗器、进线电抗器、铝壳电阻、制动电阻、制动单元、变压器、滤波器的大型生产厂家。依托德国技术,专注于为全球变频器产业提供专业而人性化的产品、服务和一站式综合解决方案。

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。

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。

● 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。

● 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。

● 可以实现四象限运行;

● 无需电解电容器;

● 效率较高。

● 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。

● 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。

● 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。

● 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。

● 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。

另外,高压变频器配上电抗器后其性能可达到最佳!

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