矩陣式變頻電路及變頻器-矩陣變頻器

矩陣式變頻電路及變頻器|矩陣變頻器矩陣式交-交變頻器姓名摘要：本文介紹了矩陣式變頻電路及變頻器的工作原理和調(diào)制策略，文中遵循理論和實(shí)際相結(jié)合的原則，對(duì)變頻器的工作原理和調(diào)制策略作了詳細(xì)的分析。關(guān)鍵詞：變頻、工作原理、調(diào)制策略引言：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件從20世紀(jì)60年代的SCR （晶閘管）發(fā)展到HVIGBT （耐高壓絕緣柵雙極型晶體管）。繼VVVF 變頻之后出現(xiàn)了矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻，其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，直流回路需要耐高壓大容量的儲(chǔ)能電容，再生能量不能回饋電網(wǎng)。矩陣式交交變頻能克服以上不足，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。 矩陣式變頻器是一種交-交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小; 其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓; 矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展矩陣變換器的電路拓?fù)湫问皆?976年由L.Gyllglli 提出。直到1979年，M.Venturini 和A.Alesina7首先提出了由9個(gè)功率開關(guān)組成的矩陣式交交變換器結(jié)構(gòu)，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調(diào)節(jié)的，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無(wú)關(guān)。由于矩陣式變換器的主回路采用9個(gè)雙向開關(guān)，還存在著雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與保護(hù)問題，其難點(diǎn)在于開關(guān)換流時(shí)，既不能有死區(qū)又不能有交疊，否則，任何一種情況都將導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。為了實(shí)現(xiàn)安全換流，N.Burany 提出了一種四步換流策略，可實(shí)現(xiàn)半軟開關(guān)換流。矩陣變換器最初提出時(shí)指的是M 相輸入變換到N 相輸出的一般化結(jié)構(gòu)，因此曾被稱為通用變換器。根據(jù)M 、N 取值的不同及輸入輸出端電源性質(zhì)的不同，人們提出了許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）由三相交流變換到兩組直流，或者一組可變換極性的直流；（2）從三相交流變換到單相交流；（3）從單一直流變換到三相交流，也就是通常所說的逆變器；（4）由交流三相變換到交流三相，它的輸入輸出端之間采用雙向開關(guān)互相連接，即9開關(guān)矩陣變換器，它是研究得最多的一種拓?fù)?；?）由交流三相變換到交流三相，但輸入輸出端之間采用3個(gè)全控橋進(jìn)行連接，稱為電壓源型矩陣變換器。它的結(jié)構(gòu)比9開關(guān)矩陣變換器復(fù)雜，但性能更優(yōu)。二、矩陣式變頻電路的基本工作原理（1）利用單相輸入對(duì)單相交流電壓us 進(jìn)行斬波控制，即進(jìn)行PWM 控制時(shí)，輸出電壓u o 為式中T c 開關(guān)周期；t on 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；占空比不同的開關(guān)周期中采用不同的s ，可得到與Us 頻率和波形都不同的Uo單相交流Us 波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有單相電壓陰影部分，因此Uo 將受到很大局限，無(wú)法得到所需輸出波形。（2）利用三相相電壓把輸入改為三相，就可利用三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分，理論上所構(gòu)造的Uu 的頻率可不受限制，但如uu 必須為正弦波，則其最大幅值僅為輸入相電壓ua 幅值的0.5倍。（3）利用三相線電壓用圖1-a 中第一行和第二行的6個(gè)開關(guān)共同作用來(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv ，可利用6個(gè)線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分，當(dāng)uuv 必須為正弦波時(shí)，最大幅值就可達(dá)到輸入線電壓幅值的0.866倍，正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上輸出輸入電壓比最大。圖1 矩陣式變頻電路的主電路拓?fù)浼捌溟_關(guān)單元a) 矩陣式變頻電路的主電路拓?fù)?b) 一種常用的開關(guān)單元以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制，利用對(duì)開關(guān)S11、S12和S13的控制構(gòu)造輸出電壓uu ，為防止輸入電源短路，任何時(shí)刻只能有一個(gè)開關(guān)接通，負(fù)載一般是阻感，負(fù)載電流具有電流源性質(zhì)，為使負(fù)載不開路，任一時(shí)刻必須有一個(gè)開關(guān)接通。圖2 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a) 單相輸入 b) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓u 相輸出電壓uu 和各相輸入電壓的關(guān)系為式中11、12和13一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)S11、S12、S13的導(dǎo)通占空比對(duì)于三相有uo=s uiU oUi稱為調(diào)制矩陣矩陣中各元素確定后，輸入電流ia 、ib 、ic 和輸出電流iu 、iv 、iw 的關(guān)系也就確定了ii =T*io式中 iiio即是矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關(guān)系式。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。式中Uim 、Iom 輸入電壓和輸出電流的幅值；wi 、wo 輸入電壓和輸出電流的角頻率；jo 相應(yīng)于輸出頻率的負(fù)載阻抗角。變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為式中 Uom 、Iim 輸出電壓和輸入電流的幅值；i 輸入電流滯后于電壓的相位角 當(dāng)期望的輸入功率因數(shù)為1時(shí)，i =0。把這幾個(gè)式子結(jié)合，可得如能求得滿足式(4-35)和式(4-36)的s ，就可得到希望的輸出電壓和輸入電流。三、矩陣式變頻器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的交直交變頻器和交交變頻器相比，矩陣式變頻器有如下幾方面的顯著特點(diǎn)：（1）輸出電壓幅值和頻率可獨(dú)立控制，輸出頻率可以高于、低于輸入頻率，理論上可以達(dá)到任意值；（2）在某些控制規(guī)律下，輸入功率因數(shù)角能夠靈活調(diào)節(jié)達(dá)到0.99以上，并可自由調(diào)節(jié)，可超前、滯后或調(diào)至接近于單位功率因數(shù)角；（3）采用四象限開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)；（4）沒有中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高；（5）輸入電流波形好，無(wú)低次諧波；（6）具有較強(qiáng)的可控性。矩陣變換器的控制策略包括開關(guān)函數(shù)S 的確定、實(shí)現(xiàn)和安全換流，開關(guān)函數(shù)的確定方法有直接變換法、空間矢量調(diào)制法1和滯環(huán)電流跟蹤法，目前空間矢量調(diào)制法研究的比較成熟。在換流方法的研究上有四步法、三步法、兩步法、軟開關(guān)換流。四、矩陣式變換器調(diào)制策略目前，矩陣變換器的調(diào)制策略常用開關(guān)函數(shù)矩陣來(lái)描述，開關(guān)函數(shù)的確定即矩陣式變換器調(diào)制策略主要有以下三種方法：（1）直接變換法是通過對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波來(lái)合成輸出電壓，它可分為坐標(biāo)變換法、諧波注入法、雙電壓瞬時(shí)值控制法。這些方法雖各有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也存在其不足，如坐標(biāo)變換法矩陣變換器的輸出電壓偏低；諧波注入法計(jì)算量大，開關(guān)狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求很高。（2）間接變換法此法可稱為交直交等效變換法、空間矢量調(diào)制法。目前在矩陣式變換器中研究較多也較為成熟。它將交交變換虛擬為交直和直交變換，等效為整流和逆變，其具體實(shí)現(xiàn)時(shí)整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制。其控制方案較為復(fù)雜，缺少有效的動(dòng)態(tài)分析支持。在此基礎(chǔ)上，丹麥學(xué)者ChristianKlumpner 等人研究出一種多邊形磁鏈調(diào)制法，這也是一種基于間接調(diào)制模型的新型調(diào)制方法。在采樣期間，只用到逆變階段的一個(gè)有效矢量和一個(gè)零矢量，使得定子磁鏈誤差達(dá)到最?。欢谡麟A段，按照輸入電流參考矢量角誤差最小的原則，只選單個(gè)電流矢量。因此，在采樣期間，就可以減少開關(guān)的次數(shù)，尤其在低頻調(diào)制階段，可以提高輸出電壓的精度；同時(shí)又可以對(duì)輸入電流矢量進(jìn)行直接控制。該方法由于磁鏈按多邊形投影，而多邊形非常接近圓，因而使得電機(jī)漏磁減到最少。其主要優(yōu)點(diǎn)有可以準(zhǔn)確估計(jì)輸入電流；直接控制輸入電流矢量角；減少開關(guān)次數(shù)，提高脈沖分辨率；提高輸入端開關(guān)頻率。（3）電流控制法它以輸出電壓為控制目標(biāo)，一般要求電流為對(duì)稱正弦量，因此變換器輸出電流要跟蹤給定電流呈正弦變化。它有兩種基本實(shí)現(xiàn)方法：滯環(huán)電流控制法和預(yù)測(cè)電流控制法。滯環(huán)電流跟蹤法是將三相輸出電流信號(hào)與實(shí)測(cè)的輸出電流信號(hào)相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當(dāng)前的開關(guān)電源狀態(tài)決定開關(guān)動(dòng)作，它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)頻率不夠穩(wěn)定，諧波隨機(jī)分布，且輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波等。 預(yù)測(cè)電流控制法的基本思想是利用變換器下一開關(guān)周期的期望電流值和當(dāng)前的實(shí)際電流值可以計(jì)算出符合電流變化的變換器輸出電壓矢量，然后在變換器的虛擬逆變器中運(yùn)用空間矢量法合成這一輸出電壓矢量，就可以達(dá)到跟蹤輸出電流的目的，但復(fù)雜性和計(jì)算量將有所增加。以上所有這些調(diào)制策略均各有其優(yōu)越性，不同程度地存在問題，而影響這些方法研究應(yīng)用的深度和廣度，在不同的場(chǎng)合下側(cè)重點(diǎn)不同，應(yīng)采用不同的調(diào)制策略來(lái)進(jìn)行研究。五、矩陣變頻器的應(yīng)用前景矩陣變換器由于具有輸入電流為正弦量、雙向功率流動(dòng)、輸入功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)越性能，其應(yīng)用研究與前景可從幾個(gè)方面來(lái)探討：（1）應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較低的傳動(dòng)系統(tǒng)矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，在輸出頻率較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出電壓不足的現(xiàn)象，不太適合調(diào)速范圍較高的場(chǎng)合；它不需要更換電解電容的，因而可以在低頻大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。（2）作為電源產(chǎn)品與目前的電源產(chǎn)品相比，矩陣變換器有一定優(yōu)越性，如功率因數(shù)高、無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)緊湊壽命長(zhǎng)，在這方面，矩陣式變換器的研究有良好的市場(chǎng)前景。（3）用于高壓大功率變換在需要高壓的場(chǎng)合，可以將矩陣式變換器串聯(lián)使用，達(dá)到高壓大功率輸出的目的。（4）用于功率因數(shù)校正由于矩陣式變換器的輸入功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，其調(diào)制策略和實(shí)現(xiàn)技術(shù)在某些場(chǎng)合可以用于校正電路的功率因數(shù)。由于它具有柔性變換能力，可以作為一種通用的電力變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)提高電網(wǎng)利用率。矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電、熱電機(jī)組直流電源、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速、電力系統(tǒng)應(yīng)用（如統(tǒng)一潮流控制器UPFC ）以其優(yōu)越的性能都可以做些可行的應(yīng)用研究。矩陣式交交變頻器作為一種具有優(yōu)良控制性能和發(fā)展前途的新型變頻電源。它的研究工作在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的重視，己經(jīng)取得了較大的成果。雖然矩陣式變換器依然存在很多的問題有待進(jìn)一步解決如輸出電壓傳輸比低是矩陣式變換器存在的主要缺點(diǎn)；如IGBT 成本較高、控制電路較復(fù)雜，適合用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。然而，矩陣變換器可以在變頻調(diào)速中的應(yīng)用研究既可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟(jì)效益，又避免了因諧波污染帶來(lái)電力系統(tǒng)環(huán)保問題，是一種“綠色”的變換器。隨著研究的不斷深入，電力電子器件和應(yīng)用技術(shù)以及微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，控制理論的日益完善，成本的不斷降低，矩陣式變換器必將以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在未來(lái)產(chǎn)品化方面形成優(yōu)勢(shì)，日益接近實(shí)用化?？偠灾仃囎冾l器使用了三相電壓輸入來(lái)控制輸出電壓，這就不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個(gè)清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進(jìn)行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。這也是矩陣變頻器吸引人們的一個(gè)重要點(diǎn):能大大降低輸入電流諧波的產(chǎn)生，只有大約傳統(tǒng)交-直-交變頻器的20以下。而且矩陣變頻器的電流幾乎是正弦波，即使在帶載情況下，也是如此。當(dāng)有再生發(fā)電時(shí)，電流能以180轉(zhuǎn)換并反饋到電網(wǎng)中，而且也是以正弦波方式。在再生制動(dòng)方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動(dòng)電阻或特殊的變換器。反饋回的電亦無(wú)需額外的設(shè)備(如變壓器等) 進(jìn)行處理。總之，傳動(dòng)能在四象限高效率地運(yùn)行。另外一個(gè)吸引點(diǎn)就是矩陣變頻器去掉了直流電容, 作為有一定壽命地鋁電解電容, 交-直-交變頻器就必須在一定年限更換電容, 如58年, 矩陣變頻器就能長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。參考文獻(xiàn)：1陸海慧, 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