矩陣式變換技術(shù)

1、矩陣式變換技術(shù)1、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，近年來越來越受到人們的廣泛關(guān)注。     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)：     &#

2、160; （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，無低次諧波；&

3、#160;      （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。2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展    2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)        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

4、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

5、的一種拓?fù)洌?#160;      （5）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)。       三相輸入、三相輸出的交交矩陣變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 交交矩陣式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)    它含有9個(gè)雙向開關(guān)，通過對(duì)其邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓和頻率的變換，以向負(fù)載提供幅值和頻率可調(diào)的電壓和電流。    2.2 元器件的發(fā)展歷程  

6、;      矩陣變換器元器件的發(fā)展充分體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展趨勢(shì)?？偟恼f來，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)過程       （1）雙向功率器件的研究8    由于矩陣變換器所要求的雙向功率器件目前并不存在，于是就研究利用其他電力電子器件來合成雙向開關(guān)。已知的合成方法有：在整流橋內(nèi)嵌入全控開關(guān)；并聯(lián)電流開關(guān)；串聯(lián)電壓開關(guān)；共集電極反并聯(lián)全控開關(guān)；共發(fā)射極反并聯(lián)全控開關(guān)。       在制造矩陣變換器的雙向開關(guān)常見的有共發(fā)射極結(jié)構(gòu)如

7、圖2所示。圖2 共射極雙向開關(guān)電路    （2）功率模塊的研究       采取與IGBT模塊類似的做法，將多個(gè)雙向開關(guān)器件集成在一塊硅片上，有的甚至將保護(hù)電路、觸發(fā)電路也集成在一塊，使得變換器的體積減小，重量下降。       （3）裝置集成的研究       將功率器件或模塊、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、電源都集成在一起，形成所謂的功率電子積木（PEBBPower Electronics Buildi

8、ng Blocks）。它使得整個(gè)變換器裝置的體積進(jìn)一步減少，更重要的是，它使變換器的可靠性大大提高，而損耗變得很少。3、矩陣式變換器的調(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。

9、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Christian Klumpner等人研究出

10、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&

11、#160;      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

12、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)制策略來進(jìn)行研究。     4、矩陣式變換器的技術(shù)最新進(jìn)展    5、矩陣變頻器的應(yīng)用前景 

13、60;      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

14、0;      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

15、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實(shí)現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無功補(bǔ)償器來提高電網(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。    6、結(jié)束語        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。它的研究工作在國內(nèi)外引起了廣泛的重視，己經(jīng)取得了較大