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》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《矩陣式變頻電路及變頻器-矩陣變頻器（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、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，文中遵循理論和實際相結(jié)合的原則，對變頻器的工作原理和調(diào)制策略作了詳細的分析。 關鍵詞：變頻、工作原理、調(diào)制策略 引言：隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子器件從20世紀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，其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，直流回路需要耐高壓大容量的儲能電容，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注。 矩陣式變頻器

2、是一種交-交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小; 其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓; 矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。 一、拓撲結(jié)構的發(fā)展 矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli 提出。直到1979年，M.Venturini 和 A.Alesina[7]首先提出了由9個功率開關組成的矩陣式交—交變換器結(jié)構，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，并且與控制算法無關。由

3、于矩陣式變換器的主回路采用9個雙向開關，還存在著雙向開關的實現(xiàn)與保護問題，其難點在于開關換流時，既不能有死區(qū)又不能有交疊，否則，任何一種情況都將導致開關管的損壞。為了實現(xiàn)安全換流，N.Burany 提出了一種四步換流策略，可實現(xiàn)半軟開關換流。 矩陣變換器最初提出時指的是M 相輸入變換到N 相輸出的一般化結(jié)構，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，人們提出了許多拓撲結(jié)構 （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

4、相，它的輸入輸出端之間采用雙向開關互相連接，即9開關矩陣變換器，它是研究得最多的一種拓撲； （5）由交流三相變換到交流三相，但輸入輸出端之間采用3個全控橋進行連接，稱為電壓源型矩陣變換器。它的結(jié)構比9開關矩陣變換器復雜，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 對單相交流電壓us 進行斬波控制，即進行PWM 控制時，輸出電壓u o 為 式中T c ——開關周期；t on ——一個開關周期內(nèi)開關導通時間；σ——占空比 不同的開關周期中采用不同的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，

5、因此Uo 將受到很大局限，無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線中所有的陰影部分，理論上所構造的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個開關共同作用來構造輸出線電壓uuv ，可利用6個線電壓包絡線中所有的陰影部分，當uuv 必須為正弦波時，最大幅值就可達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撲及其開關單元 a) 矩陣式變頻電路的主電路拓撲 b

6、) 一種常用的開關單元 以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制，利用對開關S11、S12和S13的控制構造輸出電壓uu ，為防止輸入電源短路，任何時刻只能有一個開關接通，負載一般是阻感，負載電流具有電流源性質(zhì)，為使負載不開路，任一時刻必須有一個開關接通。 圖2 構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分 a) 單相輸入 b) 三相輸入構造輸出相電壓 c) 三相輸出構造輸出線電壓 u 相輸出電壓uu 和各相輸入電壓的關系為 式中σ11、σ12和σ13——一個開關周期內(nèi)開關S11、S12、S13的導通占空比 對于三相有 uo=s ui U o U i σ稱為調(diào)制矩陣 σ矩

7、陣中各元素確定后，輸入電流ia 、ib 、ic 和輸出電流iu 、iv 、iw 的關系也就確定了 ii =σT*io 式中 ii io 即是矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關系式。 對實際系統(tǒng)來說，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 ——相應于輸出頻率的負載阻抗角。 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；φi ——輸入電流滯后于電壓的相位角 當期望的輸入功率因數(shù)為1時，φi =0。把這幾個式子結(jié)合，可得 如能求得

8、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 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： （1）輸出電壓幅值和頻率可獨立控制，輸出頻率可以高于、低于輸入頻率，理論上可以達到任意值； （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，可以實現(xiàn)能量雙向流動； （4）沒有中間儲能環(huán)節(jié)，結(jié)構緊湊，效率高； （5）輸入電流波形好，無低次諧波； （6）具有較強的可控性。 矩陣變換器的控制策略包括開關函

9、數(shù)S 的確定、實現(xiàn)和安全換流，開關函數(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)制策略常用開關函數(shù)矩陣來描述，開關函數(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 是通過對輸入電壓的連續(xù)斬波來合成輸出電壓，它可分為坐標變換法、諧波注入法、雙電壓瞬時值控制法。這些方法雖各有一定的優(yōu)點，但也存在其不足，如坐標變換法矩陣變換器的輸出電壓偏低；諧波注入法計算量大，開關狀態(tài)復雜，對控制系統(tǒng)要求很高。 （2）間接變換法

10、 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，其具體實現(xiàn)時整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制。其控制方案較為復雜，缺少有效的動態(tài)分析支持。在此基礎上，丹麥學者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有效矢量和一個零矢量，使得定子磁鏈誤差達到最??；而在整流階段，按照輸入電流參考矢量角誤差最小的原則，只選單個電流矢量。因此，在采樣期間，就可以減少開關的次數(shù)，尤其在低頻調(diào)制階段，可以

11、提高輸出電壓的精度；同時又可以對輸入電流矢量進行直接控制。該方法由于磁鏈按多邊形投影，而多邊形非常接近圓，因而使得電機漏磁減到最少。其主要優(yōu)點有可以準確估計輸入電流；直接控制輸入電流矢量角；減少開關次數(shù)，提高脈沖分辨率；提高輸入端開關頻率。 （3）電流控制法 它以輸出電壓為控制目標，一般要求電流為對稱正弦量，因此變換器輸出電流要跟蹤給定電流呈正弦變化。它有兩種基本實現(xiàn)方法：滯環(huán)電流控制法和預測電流控制法。 滯環(huán)電流跟蹤法是將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當前的開關電源狀態(tài)決定開關動作，它具有容易理解、實現(xiàn)簡單、響應快、魯棒性好等優(yōu)點，但開關頻率不夠穩(wěn)定，諧波隨

12、機分布，且輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波等。 預測電流控制法的基本思想是利用變換器下一開關周期的期望電流值和當前的實際電流值可以計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用空間矢量法合成這一輸出電壓矢量，就可以達到跟蹤輸出電流的目的，但復雜性和計算量將有所增加。 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用的深度和廣度，在不同的場合下側(cè)重點不同，應采用不同的調(diào)制策略來進行研究。 五、矩陣變頻器的應用前景 矩陣變換器由于具有輸入電流為正弦量、雙向功率流動、輸入功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)越性能，其應用研究與前景可從幾個方面來探討： （

13、1）應用于轉(zhuǎn)速較低的傳動系統(tǒng) 矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，在輸出頻率較高時會出現(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)中長時間可靠工作。 （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、無中間儲能環(huán)節(jié)、結(jié)構緊湊壽命長，在這方面，矩陣式變換器的研究有良好的市場前景。 （3）用于高壓大功率變換 在需要高壓的場合，可以將矩陣式變換器串聯(lián)使用，達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)制策略和實現(xiàn)技術在某些場合可以用于校正電路

14、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現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無功補償器來提高電網(wǎng)利用率。 矩陣變換器在風力發(fā)電、熱電機組直流電源、感應電動機調(diào)速、電力系統(tǒng)應用（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；如IGBT 成本較高、控制電路較復雜，適合用于大功率的應用場合。然而，矩陣變換器可以在變頻調(diào)速中的應用研究

15、既可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟效益，又避免了因諧波污染帶來電力系統(tǒng)環(huán)保問題，是一種“綠色”的變換器。隨著研究的不斷深入，電力電子器件和應用技術以及微機控制技術的發(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特的優(yōu)點在未來產(chǎn)品化方面形成優(yōu)勢，日益接近實用化。 總而言之，矩陣變頻器使用了三相電壓輸入來控制輸出電壓，這就不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進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重要點: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，

16、也是如此。當有再生發(fā)電時，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。在再生制動方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動電阻或特殊的變換器。反饋回的電亦無需額外的設備(如變壓器等) 進行處理?？傊?，傳動能在四象限高效率地運行。另外一個吸引點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5~8年, 矩陣變頻器就能長時間可靠工作。 參考文獻： [1]陸海慧, 陳伯時, 夏承光. 矩陣式交交變換器[J].電力電子技術,1997(1):105-108.。 [2]陳希有, 韋奇. 直接實現(xiàn)式矩陣變換器換流方法的改進[J].電氣傳動自動化,2002(2):11-14。 [3]陸?；? 等. 矩陣式交-交變換器[J].電力電子技術,1997(2):105-107。 [4]莊心復. 交-交矩陣變換器的控制原理與實驗研究[J].電力電子技術,1994,28(2):1-5。 [5]陳伯時, 等. 矩陣式交-交變換器及其控制[J].電力電子技術,1999(1):8-10。. [6]王兆安, 劉進軍. 電力電子技術［M ］. 北京：機械工業(yè)出版社,x(5)。