矩陣變換器1010

1、主要內容 l 矩陣變換器的研究背景 l 基本電路拓撲l 調制基本原理與調制策略l 安全換流技術 l 雙級矩陣變換器的簡介l 保護電路l 研究熱點及應用前景一、研究背景 目前工業(yè)生產和日常生活中廣泛使用的變頻器存在很多缺點，如壽命短、可靠性差、體積大、成本高。其中最突出的缺陷是對電網(wǎng)造成的諧波污染。 諧波污染會影響到整個電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，對電力系統(tǒng)本身和其他用戶和設備造成極大的危害。 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)，消除對電網(wǎng)的諧波污染（3）能實現(xiàn)能量的雙向流動，滿足電機四象限運行的需要（4）結構簡單，具有較高的能

2、量密度和效率矩陣變換器滿足所有要求，是實現(xiàn)“綠色”電源變頻器最具發(fā)展前景的技術方案。矩陣變換器優(yōu)點 輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為 1.0，實現(xiàn)諧波主動削減 ; 輸出電壓和輸入電流的低次諧波含量較?。?能夠實現(xiàn)能量雙向流動, 便于電動機實現(xiàn)四象限運行; 控制自由度大,輸出電壓幅值和頻率范圍連續(xù)可調; 無中間直流環(huán)節(jié)，結構緊湊，體積小，效率高，便于實現(xiàn)模塊化; 無需較大的濾波電容，動態(tài)響應快。 矩陣變換器的電路拓撲形式早在1976年就被提出，但直到1981年意大利學者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣變換器存在的控制策略后，其特點才為人們所關注和研究。 矩陣變換

3、器最初提出時指的是用雙向開關連接的從m相輸入變換到n相輸出的一般化結構，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撲，是最常見的拓撲結構。二、電路拓撲 33矩陣變換器拓撲結構矩陣變換器拓撲結構33矩陣變換器拓撲結構矩陣變換器拓撲結構三、調制基本原理 矩陣變換器的正常運行必須滿足以下兩個約束條件：1) 在任意時刻與同一輸入相相連的三個開關必須且只能有一個開關元件導通，否則將造成輸入兩相短短路路；2) 在任意時刻與同一相負載相連的三個開關也不能同時關斷，以免造成感性負載開路開路而感應高電壓。 即需要滿足約束：10ijS當開關單元開通時；當開關單元關斷時；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、調制基本原理 (問題描述)已知目標電壓輸入輸出關系同時電流輸入輸出關系T即是調制策略How to solve the T?即三、高頻合成TdtSdij1、理論上,開關周期T無窮小2、工程上,開關周期T遠小于工頻周期等價的前提開關函數(shù)占空比問題轉化為求解四、調制策略 矩陣變換器調制發(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(改進的改進的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)學角度求得,調制矩陣缺 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,得到新調制矩陣優(yōu)點：缺陷： 復雜 h=A,B,C; k=a,b,c第三步、空間矢量調制方法 矩陣變換器的空間矢量法由南斯拉夫學者Huber和美國教授Borojevic兩人在1989年聯(lián)合提出?？臻g矢量調制方法將單級矩陣變換器等效為一個虛擬整流

6、器和一個虛擬逆變器通過虛擬的直流環(huán)節(jié)串聯(lián)，在虛擬整流器中對輸入相電流進行空間矢量PWM調制，在虛擬逆變器中對輸出線電壓進行空間矢量PWM調制，最后根據(jù)開關函數(shù)的對應關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、空間矢量調制方法 通過改變Iref的旋轉速度，即可調節(jié)輸入功率因數(shù)角。例如，當需要單位功率因數(shù)時，只需要對輸入相電壓矢量進行檢測，包括測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、量同步同頻旋轉即可。第三步、空間矢量調制方法矩陣變換器占空比為開關序列計算好占空比后開關序列安排好處：每次切換只動作一個開關，且占空比對稱安排，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 換流是指將負載電流從一個雙向開關管換到另一個雙向開關管。在調制過程中，矩陣變換器開關管通斷狀態(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至關重要的問題。為實現(xiàn)雙向開關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磁通進行調整外，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、輔助諧振軟開關換流振軟開關換流等。五、換流方法的研究 四步法(半軟開關法)：通過檢測負載電流的方向，恰當?shù)匕才艃蓚€雙向開關中4個單向開關的導通關斷順序，經歷4步可以使負載電流從一個雙向開關轉換到另一個雙向開關。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 四步換流時序圖 以A A輸出相電路為例，假設按照控制策略要求,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

9、相區(qū)中，輸入電壓中總有一個最大值和最小值的極性不變，采用適當開關策略，就可以實現(xiàn)直接從一個開關到另一個開關的安全換流；PPMMMNNPN111010011010011110010111110010010111SA1、SA2導通SB1導通、SB2關閉SC1導通、SC2關閉A輸出相兩步半軟換流開關狀態(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，主開關可以實現(xiàn)ZVS，輔助開關可以實現(xiàn)ZCS。主開關之間只有感性換流，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)動態(tài)性能和頻譜特

10、性，簡化保護邏輯和緩沖電路。但是功率開關與諧振電感會流過較大的電流，而且需要諧振網(wǎng)絡和輔助開關，零電壓、零電流的檢測很困難，諧振回路易受元件時漂的影響，整機成本增加。六、 33矩陣變換器的缺點矩陣變換器的缺點(1) 在開關損耗上，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器件多，因而輸出功率大，適合大功率、高電壓場合。但過多的開關器件在高頻下工作時，開關損耗大，發(fā)熱、溫升嚴重。因此開關特性變差，關斷時間延長，可能會產生電磁干擾(EMI)，降低變換效率。隨著開關頻率的增加，開關損耗將不可忽視；(2) 在控制實現(xiàn)的關鍵問題換流上，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，但是很少有文獻定量分析死區(qū)效應對性能的影響，從而缺乏針對性的補償，造成輸入輸出性能下降；六、 33矩陣變換器的缺點矩陣變換器的缺點(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速系統(tǒng)中的重要問題和應用障礙，但它與變換器輸入端功率因數(shù)和調制系數(shù)有關，如何設計合理的控制方案是矩陣變換器走向實用化需要解決的重要問題，應深化這方面研究以提高矩陣交交變換器的實用價值；(5) 主電路參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設計方面鮮有文獻涉及，事實上主電路參數(shù)例如輸入濾波網(wǎng)絡也是

12、矩陣變換器優(yōu)良特性的保證，這方面還有待深化。七、雙級矩陣變換器拓撲結構雙級矩陣變換器拓撲結構圖雙級矩陣變換器拓撲結構圖雙級矩陣變換器是在單級矩陣變換器間接空間矢量調制思想基礎上發(fā)展起來的一種新型矩陣變換器拓撲結構。雙級矩陣變換器包含交直（整流）和直交（逆變）兩級變換電路。沒有中間直流環(huán)節(jié)，屬于直接交交變頻裝置。 需要12個雙向開關即24個單向開關七、雙級矩陣變換器拓撲結構18開關雙級矩陣變換器結構圖開關雙級矩陣變換器結構圖在中間直流電壓始終控制為上正下負的條件下，逆變級只需采用單向開關，是傳統(tǒng)的電壓型逆變器結構，雙級矩陣變換器功率開關個數(shù)減少到18個。 七、雙級矩陣變換器拓撲結構15開關雙級矩

13、陣變換器拓撲結構圖開關雙級矩陣變換器拓撲結構圖整流級開關減少步驟功率開關個數(shù)可以進一步減少到15個。性能與18開關電路相同 ，但傳導損耗顯然要大于18開關電路 七、雙級矩陣變換器拓撲結構12開關雙級矩陣變換器拓撲結構圖開關雙級矩陣變換器拓撲結構圖 進一步保證保證中間直流電流極性始終為正，雙級矩陣變換器所需的開關元件數(shù)量還可以減少，可得到12個和9個開關構成的雙級矩陣變換器電路 。七、雙級矩陣變換器拓撲結構9開關雙級矩陣變換器拓撲結構圖開關雙級矩陣變換器拓撲結構圖 12個和9個開關構成的雙級矩陣變換器性能相同，但9開關電路傳導損耗顯然要大于12開關電路。由于受到電流只能單向流動的約束，這兩種電路

14、拓撲結構的能量只能單向流動，因而其應用范圍受到了一定限制。七、雙級矩陣變換器優(yōu)點 雙級矩陣變換器是一種具有新型拓撲結構的矩陣變換器，它基于三相AC-DC-AC雙級變換結構，不僅具有單級矩陣變換器所有的功能和特點,而且還具備如下優(yōu)點： 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)無需儲能元件、結構緊湊。 電網(wǎng)側開關可以實現(xiàn)零電流換流，負載側開關可以采用傳統(tǒng)的DC/AC逆變器換流方法，系統(tǒng)換流簡單，降低了控制復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。 在一定的約束條件下，可以減少功率開關元件的數(shù)量。 逆變器可以采用成熟的空間矢量調制方法，進一步簡化了控制。 雙級矩陣變換器可以克服單級矩陣變換

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、 雙級矩陣變換器調制策略 SVPWM調制調制 整流級調制時不僅要滿足輸入端功率因數(shù)可調，還需保證中間直流電壓極性始終為正。 逆變級是傳統(tǒng)的電壓型逆變器結構，可以直接應用已經很成熟的電壓空間矢量調制策略。八、保護電路 由于矩陣變換器沒有直流環(huán)節(jié)的儲能，對輸入電壓的任何干擾，都會立即影響到輸出電壓，所以需要設置合適的保護， 常見的有元件保護、主回路保護、控制電路保護。八、保護電路 元件保護元件的保護包括：元件的保護包括：每個元件都有反并聯(lián)的快速恢復二極管，在元件關斷時形成方向電流， 以釋放電感負載中的電能；采用四步換流保證雙向開關的順利轉換，實

16、現(xiàn)半軟開關換流；采用與元件配套的驅動電路，實現(xiàn)元件的過流保護等。八、保護電路 主電路保護主電路保護包括：主電路保護包括：(1)輸入濾波器：通常為LC串聯(lián)結構，主要用來防止電源接通時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問題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(有為針對共發(fā)射極與橋式型雙向可控開關兩種方案)。八、保護電路 控制電路保護控制電路保護： 一個完整的矩陣變換器

17、的控制系統(tǒng)應該根據(jù)工藝要求設置一些常規(guī)的保護，如系統(tǒng)的過流保護、過壓保護等。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，要求所有的開關器件都處于關斷狀態(tài)，防止兩個雙向開關都連至同一輸出相或同一輸入相。九、研究熱點 目前矩陣變換器的研究熱點主要在兩個方面： 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制策略，還可以結合先進控制的有關理論，如模糊控制、神經網(wǎng)絡控制、自適應控制、模糊神經網(wǎng)絡控制等進行究； 2、在實際應用研究方面是將其實用化和工業(yè)化，例如可靠換流實現(xiàn)及保護、雙向開關的實現(xiàn)與封裝以及輸入濾波器的設計等。十、應用前景 因為矩陣變換器具有優(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合得到了應用，以下是矩陣變換器主要應用場合： 變頻調速：傳統(tǒng)變頻器在交流電機調速領域應用已經很成熟，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)無功功率調節(jié)：矩陣變換器輸入功率因數(shù)可調，可以發(fā)出感性無功或容性無功，可以用于電力系統(tǒng)的無功調節(jié)，作為