解析矩阵式变频技术驱动的原理

相信大家都熟知衡水电力变压器的作用，但说起最近的矩阵式变频技术等新技术可能大家不是很了解，那么今天我们就来了解下这项新的变频技术。

传统衡水电力变压器

尽管具有能源节约和延长设备使用寿命方面的优势，衡水电力变压器有时也会对邻近电气设备造成意想不到的影响。从常规设计方案的本质上来讲，衡水电力变压器是非线性电力负载，也就意味着，它们的输入电流不随衡水电力变压器电压的正弦波形而变化。

传统衡水电力变压器，利用输入的交流电(AC)电压，为电容器充电，建立直流(DC)总线电压。驱动控制机制随后生成两个内部波形——载波和输出。载波为三角波形，其频率远高于驱动衡水电力变压器所用的频率，通常约为8 kHz到15 kHz。输出频率是一个模拟的正弦波，频率为期望衡水电力变压器转速所需的频率。

衡水电力变压器为衡水电力变压器提供电压，采用脉宽调制(PWM)调节其输出频率。由于输出电压来自于直流衡水电力变压器总线，衡水电力变压器利用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来形成模拟的正弦波输出电压：当载波电平小于输出频率水平时开启直流电压，在载波电平高于输出频率水平时关闭直流电压。

衡水电力变压器电感过滤PWM波形，所以它运行在模拟正弦波上。在运行过程中，衡水电力变压器改变脉冲的时间和宽度，提供驱动衡水电力变压器运行在负载所需转速上的频率。

由于衡水电力变压器消耗能源，它会拉低直流总线上的电负荷，随后电容从交流衡水电力变压器充电。尽管总线电压水平随着负载的不同而有所波动，直流总线只是在正弦波的峰值时才会拉低充电电流。这些电流脉冲，在保持为直流总线充电并保持衡水电力变压器可运行的同时，可能会导致衡水电力变压器谐波方面问题。

谐波电流发生的频率为基波频率的倍数，美国的基波为60Hz。图1显示的是基波(一阶)和五阶谐波电流之和。在实践中，额外谐波会进一步造成电流波形的失真，只是程度较轻而已。谐波电流(在这种情况下，五阶× 60 Hz = 300 Hz)不能用于实际工作，只能转换成废热或机械能。

图1：此图说明了总电流和一阶与五阶谐波的总和。图片来源：安川

谐波会引起电缆过热、断路器跳闸，并对上游变压器造成压力。较大的谐波电流，会对衡水电力变压器提供优质输出电流的能力造成负面影响，进而会导致电压畸变、设备中断和电力公司的罚款。

衡水电力变压器矩阵设计与运行

一个相对较新的衡水电力变压器设计，是利用矩阵排列的九个双向绝缘栅双极晶体管来代替直流母线，直接从交流输入产生变频交流输出。无需对直流母线充电，就不需要相关的非线性输入电流。图2显示了矩阵拓扑结构。

对使用矩阵设计的衡水电力变压器，在任何时间，任何输入相位都可以直接连接到任何输出相。驱动矩阵操作的关键是在正确的时间把双向进行切换以产生运行衡水电力变压器所需的适当的输出电压和频率的能力。

内置到衡水电力变压器矩阵设计的控制，可连续监测三个输入相电压之间的电压差。这些相电压差异，使衡水电力变压器矩阵设计可以为衡水电力变压器提供一个连续可调的电压，还具有利用九个绝缘栅双极晶体管在任何时刻任何输入相的能力。同时采用脉宽调制，产生适当频率、适当电压的衡水电力变压器来驱动负载所需的衡水电力变压器。

此外，可用电压的范围，使衡水电力变压器矩阵设计逐步建立脉冲，从而减少尖峰电压对衡水电力变压器轴承电流以及对衡水电力变压器长引线的反射波所造成的影响。

除了超低谐波和接近单位功率因数，衡水电力变压器矩阵设计还通过再生实现能源节省。当衡水电力变压器由负载驱动，而不是直驱动负载，它就是一个发衡水电力变压器，回送电压至衡水电力变压器。这样的例子有泵、千斤顶等，负载在衡水电力变压器和再生之间波动，向下的传输带则是一个连续的再生状态(见图3)。

图3：本图所示为传统衡水电力变压器与用于能量再生的安川矩阵衡水电力变压器的比较。

在传统驱动中，动态制动电阻将再生能量从衡水电力变压器转移，以防止直流母线过电压。矩阵设计的驱动则利用九个双向绝缘栅双极晶体管来将再生电压回送至衡水电力变压器，从而可以抵扣用户的电费。

衡水电力变压器的主要优点是将定速衡水电力变压器以变频的方式运行。然而，某些应用，在某段时间内的大部分时间都是全速运转。在这些情况下，矩阵设计可以关闭相应的绝缘栅双极晶体管，直接将输入作为输出连接到衡水电力变压器，从而可以最大限度地提高效率，而不需要使用通过接触器旁路驱动的传统衡水电力变压器。.

由于在保证稳定开/关状态时，绝缘栅双极晶体管可以“休息”，所以这种模式也延长了衡水电力变压器的寿命。

用于监测的衡水电力变压器

矩阵设计的衡水电力变压器可以用几种方法检测衡水电力变压器，提供及时反馈以节约能源。如果提供每千瓦时的美元结算价格，衡水电力变压器的显示屏可以按需选择以下信息：

功率输出

功率消耗

再生能源

节省的电能

电费账单

矩阵设计衡水电力变压器的优势

也可以通过其它方式来降低衡水电力变压器的谐波。这些方法包括有源前端和多脉冲变压器，它需要大量的附加组件与衡水电力变压器)配合，所有这一切都意味着增加体积、成本以及导线连接。矩阵设计的衡水电力变压器在衡水电力变压器内实现低谐波：三线进，三线出。尽管矩阵设计衡水电力变压器的价格要高于传统衡水电力变压器，但价格通常与其它低谐波解决方案相当甚至更低。

矩阵设计衡水电力变压器的电压和功率额定值的范围较宽，通常在240伏时可达到100马力，在480伏时可达到350马力或更高。具体可参照美国安全检测实验室公司(UL)、加拿大标准协会(CSA)、CE和RoHS认证和支持的感应、表面永磁、内部永磁衡水电力变压器。

用户期望从传统的衡水电力变压器获得的所有特性和功能，矩阵设计衡水电力变压器都能够提供，且还具有其它优势。对持续性的较高要求，以及为了满足IEEE 519-2014标准的要求，矩阵衡水电力变压器提供了一种经济高效、节省空间并且节省能源的方法。

所以随着时代的发展，变频技术必定是不断提高衍生，未来的矩阵式变频技术相信仅仅只是一个开始。