Autor: Sun Jinghua, Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt einen neuartigen Matrix-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichter vor und beschreibt ihn. Im Fokus stehen seine Topologie, sein Aufbauprinzip, seine Implementierungsmethode und die Forschungsinhalte. Der Matrix-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichter vereint die dreifachen Eigenschaften von Matrix-Frequenzumrichtern, AC/AC-Frequenzumrichtern und H-Brücken-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichtern. Er nutzt virtuelle Multiplex-Gleichrichtung und PWM-Wechselrichtertechnologie, wodurch Kondensatorbänke überflüssig werden. Dank seiner geringen Größe, seines hohen Wirkungsgrads, seiner niedrigen Oberwellen und seiner langen Lebensdauer ist seine weitere Erforschung von großer Bedeutung. Der Artikel vergleicht die Topologie, die technischen Merkmale sowie die Vor- und Nachteile von Matrix-Frequenzumrichtern, AC/AC-Frequenzumrichtern und H-Brücken-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichtern. Englische Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt einen Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichter, einschließlich seiner Topologiestruktur, Komponenten, des Schaltplans, des Implementierungsverfahrens und der Forschungsinhalte. Der Matrix-Kaskaden-Wechselrichter weist im Vergleich zu Matrix-, AC-AC- oder H-Brücken-Kaskaden-Wechselrichtern dreifache Vorteile auf. Er verwendet einen Dummy-Mehrprozessgleichrichter und PWM. Aufgrund seiner Abhängigkeit von der Aluminium-Elektrolytkapazität zeichnet er sich zudem durch geringe Kubatur und Langlebigkeit aus. In diesem Beitrag wird das Modell eines Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichters emuliert. Schlüsselwörter: H-Brücken-Kaskaden-Matrix-Wechselrichter, Umrichter. 1 Einleitung: In den letzten Jahren haben sich H-Brücken-Kaskaden-Hochspannungswechselrichter rasant verbreitet und etabliert. Ihre nahezu perfekt harmonischen Eigenschaften werden weithin gelobt und akzeptiert. Dies ist hauptsächlich auf ein einfaches Prinzip zurückzuführen: die Verwendung relativ unabhängiger Niederspannungs-Umrichtereinheiten in Reihe zur Lösung von Hochspannungsproblemen. Das Prinzip ist einfach, die Umsetzungsmethoden jedoch vielfältig. Dieser Artikel schlägt eine neue Methode zur Integration eines Matrixumrichters in einen kaskadierten H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichter vor. Dadurch wird die H-Brücken-Leistungseinheit ersetzt, der Zwischenkreis sowie die Reihen- und Parallelschaltung von Elektrolytkondensatoren entfallen, und eine direkte Wechselstrom-Wechselstrom-Wandlung wird realisiert. Dies verlängert die Lebensdauer des Frequenzumrichters erheblich und reduziert seine Größe. 2 Topologie und Eigenschaften 2.1 Matrix-Frequenzumrichter Der Matrixumrichter besteht hauptsächlich aus Matrixschaltern in einer m×n-Anordnung. Bei Verwendung als Motorantrieb sind m und n jeweils 3, wodurch ein Matrix-Frequenzumrichter entsteht. Die Schaltungstopologie ist in Abbildung 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1 Matrixumrichter [/ALIGN] Der gestrichelte Kasten enthält den Matrixschalter, der aus zwei anti-seriell geschalteten IGBTs oder zwei anti-parallelen Thyristoren besteht. Seine Funktion ist die bidirektionale Stromregelung. (1) Eigenschaften: ● Vierquadrantenbetrieb möglich; ● Keine Elektrolytkondensatoren erforderlich; ● Keine Leistungstransformatoren erforderlich; ● Kleine Größe und geringes Gewicht; ● Hoher Wirkungsgrad. (2) Nachteile: ● Große Anzahl an Schaltnetzteilen; ● Leistungsnetzteile benötigen energieintensive Absorptionsschaltungen; ● Bei Verwendung von IGBTs ist die Hochspannungswandlung aufgrund der Spannungsfestigkeit der Bauelemente schwierig zu realisieren. 2.2 AC/AC-Frequenzumrichter Der AC/AC-Frequenzumrichter besteht hauptsächlich aus einem Leistungstransformator und drei einphasigen AC/AC-Umrichtern. Er ist üblicherweise in Sternschaltung angeschlossen, um einen dreiphasigen Ausgang zu erzeugen. Die Schaltungstopologie ist in Abbildung 2 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2 AC/AC-Frequenzumrichter[/ALIGN] Der gestrichelte Kasten stellt die Leistungseinheit des einphasigen AC/AC-Umrichters dar, die aus mehreren antiparallelen Thyristoren besteht. Ihre Funktion besteht auch in der Realisierung der kommutativen Gleichrichtungssteuerung. Es ist jedoch zu beachten, dass das Abschalten der Thyristoren von der natürlichen Kommutierung der Wechselspannung der Stromversorgung abhängt. (1) Vorteile: ● Vierquadrantenbetrieb möglich; ● Keine Elektrolytkondensatoren erforderlich; ● Hoher Wirkungsgrad. (2) Nachteile: ● Erfordert einen großen und schweren Leistungstransformator; ● Erfordert eine große Anzahl von Thyristoren, was einen energieintensiven Absorptionsschaltkreis bedingt; ● Die Abschaltgeschwindigkeit der Thyristoren ist von der Wechselspannung der Stromversorgung abhängig; ● Die Ausgangsoberwellen sind relativ hoch; ● Der Ausgangsfrequenzbereich ist aufgrund der Oberwellen stark eingeschränkt. 2.3 Kaskadierter H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichter Der kaskadierte H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichter besteht im Wesentlichen aus einem Phasenschieber-Eingangstransformator und mehreren einphasigen H-Brücken-Wechselrichtern. Die Wechselrichter sind in Reihe geschaltet und anschließend sternförmig verbunden, um einen dreiphasigen Ausgang zu erzielen. Abbildung 3 zeigt die Schaltungstopologie eines 3-kV-kaskadierten H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichters. Jede Phasenspannung setzt sich aus drei in Reihe geschalteten H-Brücken zusammen. [align=center] Abbildung 3: Kaskadierter H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichter[/align] Der gestrichelte Kasten stellt die einphasige H-Brücken-Wechselrichtereinheit dar. Diese besteht aus einem dreiphasigen Eingangsgleichrichter, einer Filterkondensatorbank und einer H-Brücken-Wechselrichterschaltung (Vollbrücke). Es handelt sich im Wesentlichen um einen AC-DC-AC-Wandler. (1) Vorteile: ● Hoher Leistungsfaktor; ● Eingangs- und Ausgangsstromkurven ähneln Sinuswellen mit geringen Oberschwingungen; ● Hoher Wirkungsgrad; ● Hohe Spannungswandlung ist einfach zu realisieren. (2) Nachteile: ● Erfordert komplexe Leistungstransformatoren; ● Große Abmessungen und hohes Gewicht; ● Viele Leistungshalbleiter; ● Verwendet Gleichstromkondensatoren. Bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren ist regelmäßige Wartung erforderlich. 2.4 Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichter Der in diesem Beitrag vorgestellte Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichter besteht im Wesentlichen aus einem Phasenverschiebungstransformator am Eingang und mehreren Matrix-Einphasen-Umrichtereinheiten. Er entsteht durch die Einführung von Matrix-Umrichtereinheiten und den Ersatz von H-Brücken-Einphasen-Wechselrichtereinheiten auf Basis eines H-Brücken-Kaskadenwechselrichters. Die Einheiten sind in Reihen- und Sternschaltung verbunden und erzeugen so einen dreiphasigen Ausgang. Die Topologie ist in Abbildung 4 dargestellt; sie zeigt den Schaltplan eines 3-kV-Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichters. Jede Phasenspannung wird durch drei in Reihe geschaltete 3×2-Matrix-Umrichtereinheiten erzeugt. Insgesamt werden neun solcher Einheiten für die drei Phasen benötigt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Matrix-Kaskaden-Hochspannungswechselrichter [/ALIGN] Der gestrichelte Kasten enthält eine 3×2-Matrix-Umrichtereinheit. Durch virtuelle Gleichrichtung und PWM-Steuerung mit dreistufigem Ausgang realisiert er einen dreiphasigen Wechselstromeingang und einen einphasigen dreistufigen Wechselstromausgang, der sich an Änderungen der induktiven Last anpassen kann. (1) Merkmale: ● Vierquadrantenbetrieb möglich; ● Keine Elektrolytkondensatoren erforderlich, längere Lebensdauer; ● Kompaktere Baugröße als bei H-Brücken-Umrichtern; ● Sinusförmige Eingangs- und Ausgangsstromkurven mit geringen Oberschwingungen; ● Hoher Leistungsfaktor; ● Hoher Wirkungsgrad; ● Einfache Hochspannungsumwandlung; ● Breiter Ausgangsfrequenzbereich. (2) Nachteile: ● Erfordert einen komplexen Leistungstransformator, der groß und schwer ist; ● Viele Leistungshalbleiter; ● Leistungshalbleiter benötigen energieintensive Absorptionsschaltungen. 3. Implementierungsmethode des Matrix-Kaskaden-Frequenzumrichters : Der Matrix-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichter verwendet 3×2 in Reihe geschaltete Matrix-Umrichtereinheiten zur Erzeugung einer Hochspannung. Er weist ähnliche Eigenschaften wie der H-Brücken-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichter auf und bietet zusätzlich die Vierquadranten-Betriebsfähigkeit eines Matrix- und eines AC/AC-Umrichters. Das Implementierungsverfahren ist wie folgt: Dreiphasiger Hochspannungswechselstrom wird heruntertransformiert, isoliert und mittels eines Phasenschiebertransformators phasenverschoben, um dreiphasigen Wechselstrom mit einer bestimmten Phasenverschiebung zu erzeugen. Dieser dreiphasige Wechselstrom wird dann an jede Matrixumrichtereinheit weitergeleitet, wo er eine virtuelle Gleichrichtung, Kommutierung, PWM-Chopper-Steuerung und eine dreistufige Wandlung durchläuft, um einphasigen Wechselstrom zu erhalten. Durch die Reihenschaltung der Ausgänge mehrerer Matrixumrichtereinheiten in Sternkonfiguration wird dreiphasiger Wechselstrom erzeugt, der direkt einen Hochspannungsmotor antreiben kann. Jede Matrixumrichtereinheit empfängt Befehle und PWM-Signale vom Controller über zwei Glasfasern und kann außerdem Status- und Alarminformationen an den Controller senden. Die Matrixumrichtereinheit nutzt die virtuelle Gleichrichtungstechnologie, wodurch der echte Zwischenkreis und die Notwendigkeit von Glättungskondensatoren entfallen. Dies verlängert die Lebensdauer, reduziert den Wartungsaufwand und ermöglicht sogar die Entwicklung wartungsfreier Produkte. 3.1 Virtuelle Gleichrichtungstechnologie Die virtuelle Gleichrichtungstechnologie wird hauptsächlich durch die Erfassung eines Synchronisationssteuersignals mittels einer dreiphasigen Synchronerkennungsschaltung realisiert. Anschließend werden Leistungshalbleiter so angesteuert, dass sie eine Diodenbrückengleichrichterschaltung simulieren, um die dreiphasige Wechselspannung zu gleichrichten und gleichzeitig Kurzschlüsse zwischen den dreiphasigen Eingangswechselspannungen zu verhindern. Das Prinzip ist in Abbildung 9 dargestellt; es handelt sich um eine virtuelle Gleichrichterschaltung mit fester Ausgangsrichtung. Die Simulationswellenformen sind in Abbildung 5 dargestellt. Sie zeigen die dreiphasige Eingangsspannung der Matrixumrichtereinheit, das 6-Kanal-Synchronisationssignal und die nach der virtuellen Gleichrichtung erhaltene Ausgangsspannungswellenform. [ALIGN=CENTER] Abbildung 5: Simulationswellenformen der virtuellen Gleichrichtung mit fester Richtung[/ALIGN] 3.2 Kommutierungstechnologie Die Kommutierungstechnologie wird durch kommutierbare virtuelle Gleichrichtungstechnologie realisiert. Eine Logikwandlungsschaltung kann so ausgelegt werden, dass sie das vom Controller vorgegebene Signal zur Ausgangsrichtung empfängt und somit die Änderung der Ausgangsrichtung der virtuellen Gleichrichterschaltung jederzeit ermöglicht. Die Simulationswellenform ist in Abbildung 6 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 6: Ausgangssignal mit Kommutierung und virtueller Gleichrichtung[/ALIGN] 3.3 PWM-Chopper-Steuerung Durch Choppern des virtuell gleichgerichteten Signals lässt sich ein PWM-Signal mit einstellbarem Tastverhältnis erzeugen. Abbildung 7 zeigt das durch SPWM-Steuerung erzeugte Ausgangssignal. Dessen Hüllkurve entspricht dem Signal, das durch virtuelle Gleichrichtung erzeugt wurde. [ALIGN=CENTER] Abbildung 7: Ausgangssignal nach SPWM-Chopper-Steuerung[/ALIGN] 3.4 Dreistufige Steuerung Obwohl die Chopper-Steuerung des Ausgangssignals durch das oben beschriebene Verfahren erreicht wird, ermöglicht sie lediglich das Umschalten zwischen Ein und Aus und bietet keine Freilauffunktion für die Last. Da der Frequenzumrichter induktive Lasten verarbeitet, benötigt die Matrixumrichtereinheit eine Freilaufstufe am Ausgang. Daher ist der Einsatz einer dreistufigen Steuerungsstrategie erforderlich. 4 Systemsimulation eines Matrix-Kaskaden-Frequenzumrichters Die im Matrix-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichter verwendete Matrixumrichtereinheit ist im Wesentlichen ein dreiphasiger Eingangs- und einphasiger Ausgangs-Wechselstrom-Wechselstrom-Umrichter (AC-AC-Umrichter), d. h. der in Abbildung 4 gestrichelt dargestellte Bereich. Das spezifische Schaltungsprinzip der Simulation ist in Abbildung 8 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 8: Simulationsschema der Matrix-Transformatoreinheit[/ALIGN] Die in Abbildung 8 dargestellte Logikschaltung dient der Durchführung der dreistufigen Wandlung und der Verarbeitung des Sicherheitsmechanismus. Aus Platzgründen wird sie hier nicht weiter detailliert dargestellt. Um zu erörtern, wie ein Simulationsmodell eines Matrix-Kaskaden-Frequenzumrichtersystems erstellt wird, muss zunächst die Erstellung eines einphasigen Matrix-Kaskadenmodells erläutert werden. 4.1 Einphasige Matrix-Kaskade Am Beispiel der in Abbildung 4 dargestellten Phase A wird ein Simulationsmodell erstellt, das aus drei in Reihe geschalteten Matrix-Transformationseinheiten besteht. Die Netzeingangsspannung ist um 20° phasenverschoben. Vor der Erzeugung des SPWM-Steuersignals verschiebt jede Transformationseinheit die Dreieckswelle um 120° relativ zu sich selbst. Die übrigen Komponenten bleiben unverändert. Die Enden der Transformationseinheiten A1, A2 und A3 sind miteinander verbunden. Der Anfang von A1 und das Ende von A3 bleiben offen und werden für Messungen verwendet. Die einphasigen Serienausgangssignale sind in Abbildung 9 dargestellt. Gemäß Abbildung 4 handelt es sich dabei um: die dreiphasige Eingangsspannung der Konvertereinheit A1, die einphasige Ausgangsspannung von A1, die einphasige Ausgangsspannung von A2, die einphasige Ausgangsspannung von A3, das gesamte einphasige Ausgangsspannungssignal der Phase A und die vorgegebene Grundspannung der Phase A. [ALIGN=CENTER] Abbildung 9: Simulationssignale der einphasigen Matrixkaskade[/ALIGN] Aus den Ergebnissen des obigen Simulationsmodells geht hervor, dass drei Matrix-Konvertereinheiten mit dreistufiger Ausgangsleistung in Reihe geschaltet werden können, um 3 × 2 + 1 = 7 Stufen zu erzielen. Dies ähnelt dem Fall von H-Brücken-Kaskadenfrequenzumrichtern. Der Unterschied besteht darin, dass der Ausgangspegel des Matrix-Kaskadenumrichters der Hüllkurve der virtuellen gleichgerichteten Wellenform entspricht. Es ist zu beachten, dass mit zunehmender Reihenschaltung mehrerer Matrixumrichter die Phasenverschiebung zwischen Eingangsspannung und Modulationsdreieckswelle immer besser übereinstimmt und sich die Systemausgangsspannung einer Sinuswelle annähert. 4.2 Dreiphasige Matrix-Kaskade: Durch die Sternschaltung einphasiger Matrix-Kaskaden entsteht eine dreiphasige Wechselstromversorgung. Abbildung 10 zeigt die Wellenformen der Ausgangsspannung einer einzelnen Matrixumrichtereinheit in Phase A, der Gesamtausgangsspannung von Phase A, der Gesamtausgangsspannung von Phase B und der Gesamtausgangsspannung der Phasen AB. [ALIGN=CENTER] Abbildung 10 Dreiphasen-Matrixkaskaden-Spannungsausgangsdiagramm [/ALIGN] 5 Forschungsinhalte und -richtungen Diese Arbeit beschränkte sich auf Simulationen und Untersuchungen zum grundlegenden Topologieprinzip der Matrixkaskade. Deren negative Auswirkungen bedürfen weiterer Forschung. Zukünftige Forschungsinhalte und -richtungen im Bereich der Matrixkaskaden-Frequenzumrichter umfassen: ● Matrix-Steuerungsstrategie; ● Bypass-Technologie für Matrixeinheiten; ● Schutz vor kurzzeitigen Stromausfällen; ● Automatische Wiederherstellungsfunktion bei weichen Fehlern; ● Anlaufprobleme während der Motorrotation; ● Störungsfreies Umschalten zwischen Netzfrequenz und Frequenzumrichter; ● Sensorlose Direktvektorsteuerung; ● Selbstoptimierung der Motorparameter; ● Sanftes Schalten und sanfte Absorption von Leistungselektronik; ● Einfluss der Pumpspannung auf Matrixumrichter; ● Oberwellenunterdrückung; ● Vorwärtskompensationstechnologie von Matrixeinheiten usw. 6. Schlussfolgerung In diesem Beitrag wird eine neue Matrix-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichtertopologie vorgestellt, die die Eigenschaften von Matrixumrichtern, AC/AC-Umrichtern und H-Brücken-Kaskaden-Hochspannungs-Frequenzumrichtern kombiniert. Die Machbarkeit dieser Topologie wird durch die Erstellung eines Simulationsmodells verifiziert.