矩陣變換器1010

1、主要內(nèi)容 l 矩陣變換器的研究背景 l 基本電路拓?fù)鋖 調(diào)制基本原理與調(diào)制策略l 安全換流技術(shù) l 雙級(jí)矩陣變換器的簡(jiǎn)介l 保護(hù)電路l 研究熱點(diǎn)及應(yīng)用前景一、研究背景 目前工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛使用的變頻器存在很多缺點(diǎn)，如壽命短、可靠性差、體積大、成本高。其中最突出的缺陷是對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。 諧波污染會(huì)影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，對(duì)電力系統(tǒng)本身和其他用戶和設(shè)備造成極大的危害。 所以迫切需要研究開發(fā)一種“綠色”電源變頻器。 “綠色”電源變頻器特征 （1）良好的輸出特性（2）高輸入功率因數(shù)，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染（3）能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，滿足電機(jī)四象限運(yùn)行的需要（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的能

2、量密度和效率矩陣變換器滿足所有要求，是實(shí)現(xiàn)“綠色”電源變頻器最具發(fā)展前景的技術(shù)方案。矩陣變換器優(yōu)點(diǎn) 輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為 1.0，實(shí)現(xiàn)諧波主動(dòng)削減 ; 輸出電壓和輸入電流的低次諧波含量較小； 能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng), 便于電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行; 控制自由度大,輸出電壓幅值和頻率范圍連續(xù)可調(diào); 無中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高，便于實(shí)現(xiàn)模塊化; 無需較大的濾波電容，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 矩陣變換器的電路拓?fù)湫问皆缭?976年就被提出，但直到1981年意大利學(xué)者M(jìn).Venturini和A.Alesina提出了矩陣變換器存在的控制策略后，其特點(diǎn)才為人們所關(guān)注和研究。 矩陣變換

3、器最初提出時(shí)指的是用雙向開關(guān)連接的從m相輸入變換到n相輸出的一般化結(jié)構(gòu)，因此被稱為通用變換器。33矩陣變換器是從三相交流變換到三相交流的一種拓?fù)?，是最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二、電路拓?fù)?33矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)33矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三、調(diào)制基本原理 矩陣變換器的正常運(yùn)行必須滿足以下兩個(gè)約束條件：1) 在任意時(shí)刻與同一輸入相相連的三個(gè)開關(guān)必須且只能有一個(gè)開關(guān)元件導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短短路路；2) 在任意時(shí)刻與同一相負(fù)載相連的三個(gè)開關(guān)也不能同時(shí)關(guān)斷，以免造成感性負(fù)載開路開路而感應(yīng)高電壓。 即需要滿足約束：10ijS當(dāng)開關(guān)單元開通時(shí)；當(dāng)開關(guān)單元關(guān)斷時(shí)；其中：i=A,B

4、,C,j=a, b, c,i代表輸出，j代表輸入。 1, ,iaibicSSSiA B C定義:三、調(diào)制基本原理 (問題描述)已知目標(biāo)電壓輸入輸出關(guān)系同時(shí)電流輸入輸出關(guān)系T即是調(diào)制策略How to solve the T?即三、高頻合成TdtSdij1、理論上,開關(guān)周期T無窮小2、工程上,開關(guān)周期T遠(yuǎn)小于工頻周期等價(jià)的前提開關(guān)函數(shù)占空比問題轉(zhuǎn)化為求解四、調(diào)制策略 矩陣變換器調(diào)制發(fā)展三步曲 1.Alesina-Venturini 19811.Alesina-Venturini 1981（基本（基本AVAV法）法） 2.Alesina-Venturini 1989(2.Alesina-Ventur

5、ini 1989(改進(jìn)的改進(jìn)的AV)AV) 3 3. .L.Huber 1989(L.Huber 1989(空間矢量法空間矢量法)第一步、第一步、Alesina-Venturini 1981M從數(shù)學(xué)角度求得,調(diào)制矩陣缺 陷：5 . 0q h=A,B,C; k=a,b,c第二步、Alesina-Venturini 1989866. 0q在M上疊加了三次諧波,得到新調(diào)制矩陣優(yōu)點(diǎn)：缺陷： 復(fù)雜 h=A,B,C; k=a,b,c第三步、空間矢量調(diào)制方法 矩陣變換器的空間矢量法由南斯拉夫?qū)W者Huber和美國(guó)教授Borojevic兩人在1989年聯(lián)合提出?？臻g矢量調(diào)制方法將單級(jí)矩陣變換器等效為一個(gè)虛擬整流

6、器和一個(gè)虛擬逆變器通過虛擬的直流環(huán)節(jié)串聯(lián)，在虛擬整流器中對(duì)輸入相電流進(jìn)行空間矢量PWM調(diào)制，在虛擬逆變器中對(duì)輸出線電壓進(jìn)行空間矢量PWM調(diào)制，最后根據(jù)開關(guān)函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系綜合出矩陣變換器的交一交直接變換控制方式。第三步、空間矢量調(diào)制方法Iref 為輸入?yún)⒖茧娏魇笧檩斎雲(yún)⒖茧娏魇噶苛縐ref 為輸出參考電壓矢量為輸出參考電壓矢量第三步、空間矢量調(diào)制方法 通過改變Iref的旋轉(zhuǎn)速度，即可調(diào)節(jié)輸入功率因數(shù)角。例如，當(dāng)需要單位功率因數(shù)時(shí)，只需要對(duì)輸入相電壓矢量進(jìn)行檢測(cè)，包括測(cè)量輸入相電壓矢量所處的扇區(qū)和在扇區(qū)中的角度位置，就可以簡(jiǎn)單得到輸入相電流矢量在每一扇區(qū)的位置角,然后讓輸入相電流矢量與輸入相電壓矢

7、量同步同頻旋轉(zhuǎn)即可。第三步、空間矢量調(diào)制方法矩陣變換器占空比為開關(guān)序列計(jì)算好占空比后開關(guān)序列安排好處：每次切換只動(dòng)作一個(gè)開關(guān)，且占空比對(duì)稱安排，可以減少輸出電壓諧波以輸入?yún)⒖茧娏魇噶吭诘谝簧葏^(qū)，輸出參考電壓矢量在第一扇區(qū)為例五、換流方法的研究 換流是指將負(fù)載電流從一個(gè)雙向開關(guān)管換到另一個(gè)雙向開關(guān)管。在調(diào)制過程中，矩陣變換器開關(guān)管通斷狀態(tài)不斷改變，換流始終存在，因此安全換流是矩陣變換器控制策略中一項(xiàng)至關(guān)重要的問題。為實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)之間安全切換或抑制換流不安全所帶來的危害， 除了在輸出側(cè)增加整流式阻容箝位電路限制過壓、在輸入端增加一組共鐵心的線圈對(duì)磁通進(jìn)行調(diào)整外，還需要探索新的安全換流方法。 換流方

8、法主要有四步半軟換流、兩步半軟換流四步半軟換流、兩步半軟換流 、輔助諧、輔助諧振軟開關(guān)換流振軟開關(guān)換流等。五、換流方法的研究 四步法(半軟開關(guān)法)：通過檢測(cè)負(fù)載電流的方向，恰當(dāng)?shù)匕才艃蓚€(gè)雙向開關(guān)中4個(gè)單向開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷順序，經(jīng)歷4步可以使負(fù)載電流從一個(gè)雙向開關(guān)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)雙向開關(guān)。由于一次換流中總有2步是自然換流，因此也稱之為半軟開關(guān)換流。SA1SA2SB1SB2SC1SC2UaUbUcUAIL矩陣變換器A相輸出電流四步換流原理圖 四步換流時(shí)序圖 以A A輸出相電路為例，假設(shè)按照控制策略要求,功率由電壓源U Ua a改為由U Ub b提供五、換流方法的研究 兩步法：引入輸入電壓相區(qū)概念，在每個(gè)

9、相區(qū)中，輸入電壓中總有一個(gè)最大值和最小值的極性不變，采用適當(dāng)開關(guān)策略，就可以實(shí)現(xiàn)直接從一個(gè)開關(guān)到另一個(gè)開關(guān)的安全換流；PPMMMNNPN111010011010011110010111110010010111SA1、SA2導(dǎo)通SB1導(dǎo)通、SB2關(guān)閉SC1導(dǎo)通、SC2關(guān)閉A輸出相兩步半軟換流開關(guān)狀態(tài)兩步換流輸入相區(qū)劃分五、換流方法的研究輔助諧振軟開關(guān)換流：它利用雜散電感作為換流電感，輸出電容作為換流電容。在輔助諧振下，主開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)ZVS，輔助開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)ZCS。主開關(guān)之間只有感性換流，零電流切換，通過增加換流電感可以做到零電流開通。這種換流方式能夠安全、高效的高頻切換，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和頻譜特

10、性，簡(jiǎn)化保護(hù)邏輯和緩沖電路。但是功率開關(guān)與諧振電感會(huì)流過較大的電流，而且需要諧振網(wǎng)絡(luò)和輔助開關(guān)，零電壓、零電流的檢測(cè)很困難，諧振回路易受元件時(shí)漂的影響，整機(jī)成本增加。六、 33矩陣變換器的缺點(diǎn)矩陣變換器的缺點(diǎn)(1) 在開關(guān)損耗上，與傳統(tǒng)的AC-AC和AC-DC-AC變換器相比較，三相矩陣變換器的開關(guān)器件多，因而輸出功率大，適合大功率、高電壓場(chǎng)合。但過多的開關(guān)器件在高頻下工作時(shí)，開關(guān)損耗大，發(fā)熱、溫升嚴(yán)重。因此開關(guān)特性變差，關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，降低變換效率。隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗將不可忽視；(2) 在控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題換流上，研究適合于矩陣變換器的高效、可靠的換流方

11、法，將多步換流造成的輸出電壓損失降低到最小程度；(3) 矩陣變換器換流過程存在和逆變器類似的死區(qū)效應(yīng)，但是很少有文獻(xiàn)定量分析死區(qū)效應(yīng)對(duì)性能的影響，從而缺乏針對(duì)性的補(bǔ)償，造成輸入輸出性能下降；六、 33矩陣變換器的缺點(diǎn)矩陣變換器的缺點(diǎn)(4) 矩陣變換器存在固有輸入、輸出電壓傳輸比低的缺陷，如何提高電壓傳輸比一直是矩陣變換器在通用調(diào)速系統(tǒng)中的重要問題和應(yīng)用障礙，但它與變換器輸入端功率因數(shù)和調(diào)制系數(shù)有關(guān)，如何設(shè)計(jì)合理的控制方案是矩陣變換器走向?qū)嵱没枰鉀Q的重要問題，應(yīng)深化這方面研究以提高矩陣交交變換器的實(shí)用價(jià)值；(5) 主電路參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面鮮有文獻(xiàn)涉及，事實(shí)上主電路參數(shù)例如輸入濾波網(wǎng)絡(luò)也是

12、矩陣變換器優(yōu)良特性的保證，這方面還有待深化。七、雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖雙級(jí)矩陣變換器是在單級(jí)矩陣變換器間接空間矢量調(diào)制思想基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙級(jí)矩陣變換器包含交直（整流）和直交（逆變）兩級(jí)變換電路。沒有中間直流環(huán)節(jié)，屬于直接交交變頻裝置。 需要12個(gè)雙向開關(guān)即24個(gè)單向開關(guān)七、雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器結(jié)構(gòu)圖開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器結(jié)構(gòu)圖在中間直流電壓始終控制為上正下負(fù)的條件下，逆變級(jí)只需采用單向開關(guān)，是傳統(tǒng)的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，雙級(jí)矩陣變換器功率開關(guān)個(gè)數(shù)減少到18個(gè)。 七、雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)15開關(guān)雙級(jí)矩

13、陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖整流級(jí)開關(guān)減少步驟功率開關(guān)個(gè)數(shù)可以進(jìn)一步減少到15個(gè)。性能與18開關(guān)電路相同 ，但傳導(dǎo)損耗顯然要大于18開關(guān)電路 七、雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 進(jìn)一步保證保證中間直流電流極性始終為正，雙級(jí)矩陣變換器所需的開關(guān)元件數(shù)量還可以減少，可得到12個(gè)和9個(gè)開關(guān)構(gòu)成的雙級(jí)矩陣變換器電路 。七、雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)9開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 12個(gè)和9個(gè)開關(guān)構(gòu)成的雙級(jí)矩陣變換器性能相同，但9開關(guān)電路傳導(dǎo)損耗顯然要大于12開關(guān)電路。由于受到電流只能單向流動(dòng)的約束，這兩種電路

14、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量只能單向流動(dòng)，因而其應(yīng)用范圍受到了一定限制。七、雙級(jí)矩陣變換器優(yōu)點(diǎn) 雙級(jí)矩陣變換器是一種具有新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣變換器，它基于三相AC-DC-AC雙級(jí)變換結(jié)構(gòu)，不僅具有單級(jí)矩陣變換器所有的功能和特點(diǎn),而且還具備如下優(yōu)點(diǎn)： 具有優(yōu)良的輸入輸出性能、輸入功率因數(shù)固定、能量傳輸可逆、直流環(huán)節(jié)無需儲(chǔ)能元件、結(jié)構(gòu)緊湊。 電網(wǎng)側(cè)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)零電流換流，負(fù)載側(cè)開關(guān)可以采用傳統(tǒng)的DC/AC逆變器換流方法，系統(tǒng)換流簡(jiǎn)單，降低了控制復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。 在一定的約束條件下，可以減少功率開關(guān)元件的數(shù)量。 逆變器可以采用成熟的空間矢量調(diào)制方法，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了控制。 雙級(jí)矩陣變換器可以克服單級(jí)矩陣變換

15、器無法避免的困難，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ木仃囎儞Q器。七、 雙級(jí)矩陣變換器調(diào)制策略 SVPWM調(diào)制調(diào)制 整流級(jí)調(diào)制時(shí)不僅要滿足輸入端功率因數(shù)可調(diào)，還需保證中間直流電壓極性始終為正。 逆變級(jí)是傳統(tǒng)的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，可以直接應(yīng)用已經(jīng)很成熟的電壓空間矢量調(diào)制策略。八、保護(hù)電路 由于矩陣變換器沒有直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能，對(duì)輸入電壓的任何干擾，都會(huì)立即影響到輸出電壓，所以需要設(shè)置合適的保護(hù)， 常見的有元件保護(hù)、主回路保護(hù)、控制電路保護(hù)。八、保護(hù)電路 元件保護(hù)元件的保護(hù)包括：元件的保護(hù)包括：每個(gè)元件都有反并聯(lián)的快速恢復(fù)二極管，在元件關(guān)斷時(shí)形成方向電流， 以釋放電感負(fù)載中的電能；采用四步換流保證雙向開關(guān)的順利轉(zhuǎn)換，實(shí)

16、現(xiàn)半軟開關(guān)換流；采用與元件配套的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)元件的過流保護(hù)等。八、保護(hù)電路 主電路保護(hù)主電路保護(hù)包括：主電路保護(hù)包括：(1)輸入濾波器：通常為L(zhǎng)C串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要用來防止電源接通時(shí)的過電壓和電壓下降引起的干擾，改善輸入電流波形，濾除高頻成分。(2)箝位電路：造成矩陣變換器過壓?jiǎn)栴}的原因主要有矩陣變換器換流不安全、電網(wǎng)過壓、系統(tǒng)關(guān)閉瞬間與系統(tǒng)突然掉電等， 這些將損壞功率器件，為此需要增加箝位電路。通常采用在矩陣變換器前后增加整流式阻容緩沖電路或壓敏電阻緩沖電路，也可以采用二極管緩沖電路(有為針對(duì)共發(fā)射極與橋式型雙向可控開關(guān)兩種方案)。八、保護(hù)電路 控制電路保護(hù)控制電路保護(hù)： 一個(gè)完整的矩陣變換器

17、的控制系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)工藝要求設(shè)置一些常規(guī)的保護(hù)，如系統(tǒng)的過流保護(hù)、過壓保護(hù)等。除此以外，在控制回路中還可以增加一些閉鎖和聯(lián)鎖回路，如控制系統(tǒng)上電時(shí)，要求所有的開關(guān)器件都處于關(guān)斷狀態(tài)，防止兩個(gè)雙向開關(guān)都連至同一輸出相或同一輸入相。九、研究熱點(diǎn) 目前矩陣變換器的研究熱點(diǎn)主要在兩個(gè)方面： 1、在理論研究方面，繼續(xù)探討如何提高電壓傳輸比、降低功率損耗和研究新型調(diào)制策略，還可以結(jié)合先進(jìn)控制的有關(guān)理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等進(jìn)行究； 2、在實(shí)際應(yīng)用研究方面是將其實(shí)用化和工業(yè)化，例如可靠換流實(shí)現(xiàn)及保護(hù)、雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與封裝以及輸入濾波器的設(shè)計(jì)等。十、應(yīng)用前景 因?yàn)榫仃囎儞Q器具有優(yōu)良的輸入輸出特性，并具有廣義的變換器特性，所以它在眾多的電力變換場(chǎng)合得到了應(yīng)用，以下是矩陣變換器主要應(yīng)用場(chǎng)合： 變頻調(diào)速：傳統(tǒng)變頻器在交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但存在輸入功率因數(shù)低，中間電容和電感體積大等問題，矩陣變換器作為“綠色”變頻器，有望替代傳統(tǒng)變頻器； 電力系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)：矩陣變換器輸入功率因數(shù)可調(diào)，可以發(fā)出感性無功或容性無功，可以用于電力系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)，作為