變換器

　　1、簡介

　　變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交—交變頻電源，其電路拓?fù)湫问奖惶岢?，但直?979年意大利學(xué)者M(jìn).Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略后，其特點(diǎn)才為人們所關(guān)注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶閘管。采用這種器件組成矩陣式變換器，控制難度是很高的。矩陣式變換器的硬件特點(diǎn)是要求大容量、高開關(guān)頻率、具有雙向阻斷能力和自關(guān)斷能力的功率器件，同時(shí)由于控制方案的復(fù)雜性，要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的半導(dǎo)體工藝和技術(shù)水平所難以達(dá)到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，大多都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實(shí)際的研究。高工作頻率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不斷涌現(xiàn)，推動了矩陣式變換器控制策略的研究。

　　2、革新技術(shù)

　　人們發(fā)現(xiàn)，采用全控器件，不僅可以對輸入相移進(jìn)行控制，還能對輸入電流波形進(jìn)行控制。80年代末，矩陣式變換器問世了。早期的實(shí)驗(yàn)裝置由于工作頻率不夠高及換流技術(shù)不完善，輸出頻率都很低，通常低于電網(wǎng)頻率，但突破以往交—交變換器的上限。隨著電力電子器件制造及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，矩陣式變換器的研制形成了一個(gè)熱點(diǎn)。構(gòu)成雙向開關(guān)的單向開關(guān)間多步換流控制技術(shù)被推廣開來，裝置的性能得到了極大的提高，最高輸出頻率達(dá)到了電網(wǎng)頻率的2～3倍，輸入側(cè)電流波形畸變率小于2%，用于恒壓頻比、電流跟蹤及矢量控制等，取得了一定成果。與此同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)軟、硬件的迅猛發(fā)展，在采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，更多地采用了仿真方法，以進(jìn)一步提高的研究地深度和廣度，提高研究的效率。其中最引人注意的有南斯拉夫?qū)W者L.Huber 和美國教授D.Bdrojecvic提出的基于空間矢量調(diào)制的控制技術(shù)，并成功地研制出了2kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，臺灣學(xué)者潘晴財(cái)基于電流滯環(huán)跟蹤和軟開關(guān)技術(shù)，提出了另一種實(shí)現(xiàn)方法。英國學(xué)者Watthanasarn 等基于DSP和IGBT硬件條件完成了2kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1997年英國學(xué)者P.Wheeler和D.Grant提出了一種對構(gòu)成雙向開關(guān)的單向開關(guān)間切換實(shí)現(xiàn)四步換流的低開關(guān)損耗和優(yōu)化輸入濾波器的矩陣式變換器仿真研究，并研制出了5kW的實(shí)驗(yàn)裝置。

　　3、應(yīng)用范圍

　　隨著電路電子技術(shù)的發(fā)展在不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成實(shí)用化的產(chǎn)品。日本的安川電機(jī)（Yaskawa）推出了矩陣式變換器型高壓馬達(dá)用驅(qū)動裝置，其力率超過了0.95，而效率則達(dá)到了97%左右。它主要面向在大負(fù)荷下回饋電力較大的鋼鐵加工生產(chǎn)線。此外，還可應(yīng)用于造紙、薄膜生產(chǎn)線的收卷機(jī)等存在長時(shí)間電力回饋的用途。鍋爐鼓風(fēng)機(jī)等需要較高響應(yīng)性能的用途也將存在相應(yīng)的需求。

　　4、研究發(fā)展

　　1976年，矩陣式變換器的概念和電路拓?fù)湫问接蒐.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年意大利學(xué)者M(jìn).Ventutini和A.Alesina證明這種頻率變換器的存在，促進(jìn)了矩陣式變換器的迅速發(fā)展。他們首先在理論上證明了N相輸入、P相輸出的矩陣式逆變器的實(shí)現(xiàn)條件，同時(shí)給出了一種電壓控制策略，這種控制策略雖然解決了矩陣式變換器的諧波問題，但也有輸出輸入電壓比小于0.5的嚴(yán)重缺陷。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視。為了解決M．Venturini和A．Alesina控制方案的不足，先后有許多學(xué)者對矩陣變換器進(jìn)行了一系列的研究，并從不同的角度提出了不同的控制方案。國外對于矩陣變換器的研究進(jìn)入大發(fā)展階段。

　　1989年，日本學(xué)者J. Oyama等提出了一種最大最小輸入電壓調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)認(rèn)為輸出電壓最小的相總是與輸入電壓最小的相相連，其余兩相則利用PWM 調(diào)制技術(shù)對輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，輸出線電壓的最大值總是等于最大輸入線電壓函數(shù)的最小值，即輸出線電壓總是在輸入線電壓的包絡(luò)線之內(nèi)。同年，還有南斯拉夫?qū)W者L．Huber和美國學(xué)者D．Borojevic提出了基于電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)的方法。該方法是根據(jù)矩陣變換器的功率開關(guān)狀態(tài)，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關(guān)狀態(tài)矢量，然后，按輸入矢量在任意時(shí)刻由其相鄰的兩開關(guān)矢量合成，得到每一采樣周期內(nèi)的開關(guān)導(dǎo)通比，該技術(shù)已發(fā)展成為較成熟的技術(shù)。Huber和D. Borojivic進(jìn)一步提出了一種基于空間向量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)，最大電壓傳輸比可達(dá)到0.866，并通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)帶三相感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，證明采用空間向量調(diào)制法的矩陣變換器與理論分析相一致，即具有輸入功率因數(shù)逼近于1，輸出電壓可調(diào)頻調(diào)幅等特點(diǎn)；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出輸入雙線電壓瞬時(shí)值法，其調(diào)制實(shí)質(zhì)即任何時(shí)刻輸出電壓為兩個(gè)輸入線電壓合成，從理論分析知當(dāng)輸入電流不對稱或含有高次諧波時(shí)，控制函數(shù)可以自動修正而不需要額外的計(jì)算量。這一點(diǎn)尤其適用于某些電網(wǎng)不夠穩(wěn)定的場合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一種應(yīng)用于30馬力矩陣變換器的控制理論和實(shí)現(xiàn)方案，這種方案是一種去除直流中間環(huán)節(jié)的逆變器方法的改進(jìn)，它將控制策略分為“整流”和“逆變”兩部分，三種開關(guān)分別看作一種假想的電壓源逆變器。“整流”部分對于每一開關(guān)組分別有“正”“負(fù)”兩套開關(guān)函數(shù)。

　　5、研究現(xiàn)狀

　　中國交交矩陣變換器的研究起步較晚，大致從90年代開始，南京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、湘潭大學(xué)等單位先后在不同的基金贊助下，開展了這方面的研究工作，并達(dá)到了一定的水平。

　　1994年南京航空航天大學(xué)莊心復(fù)教授對交交矩陣變換器空間矢量調(diào)制原理進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。1997年至98年穆新華在莊心復(fù)的指點(diǎn)下對交交矩陣變換器雙電壓合成原理進(jìn)行了仿真研究。1997年，上海大學(xué)基于空間矢量調(diào)制原理和80C196KC單片機(jī)研制了用IGBT作為功率開關(guān)的交交矩陣變換器實(shí)驗(yàn)裝置，綜合指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。1998年西安交通大學(xué)王汝文教授等對斬波調(diào)制和交交矩陣變換器。

　　變換器控制的普遍性問題進(jìn)行了研究，提出了一種功率因數(shù)可調(diào)，輸入電流和輸出電壓為正弦的調(diào)制函數(shù)。1999年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳學(xué)允、陳希有等專家建立了交交矩陣變換器的等效電路，得到了輸入電流、功率因數(shù)、電壓增益、輸出阻抗等性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。同年，陳希有在其博士論文中對非對稱輸入條件下三相矩陣式變換器的諧波進(jìn)行了研究。為解決坐標(biāo)變法電壓傳輸比低的問題，引進(jìn)線—線換流法和改進(jìn)的線—線換流法，減少了輸出諧波，并將電壓傳輸比提高到0.866。同時(shí)對幾種不同類型的調(diào)制策略在非對稱輸入下的諧波狀況進(jìn)行了分析。

　　還有上海大學(xué)朱賢龍博士以Saber軟件為實(shí)驗(yàn)平臺建立了基于空間矢量調(diào)制策略的三相/三相矩陣式變換器的仿真模型，提出了一種優(yōu)化控制方法，簡化了調(diào)制過程，并降低了開關(guān)損耗。在此基礎(chǔ)上，提出了一種三相交交矩陣變換器的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案。在適當(dāng)犧牲電流波形的基礎(chǔ)上，使功率因數(shù)可以達(dá)到或高于具有直流濾波電感的通用交直交變換器。隨后，陳希有等對雙電壓合成的交交矩陣變換器控制技術(shù)進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是實(shí)現(xiàn)無功功率的正負(fù)調(diào)節(jié)；二是改善了在非對稱輸入電壓情況下的輸入電流波形。2000年湘潭大學(xué)開始交交矩陣變換器的研究，取得了一定的成績，建立了交交矩陣變換器的仿真模型，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2004年清華大學(xué)孫凱等對矩陣變換器在電源異常時(shí)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。他們的研究成果對交交矩陣變換器的分析與設(shè)計(jì)具有較大的指導(dǎo)意義。

　　6、控制策略編輯直接變換法

　　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”的，它可以分為坐標(biāo)變換法、諧波注入法、等效電導(dǎo)法及標(biāo)量法，所有這些方法雖各有一定的優(yōu)越性，但也存在一定的問題，限制了它們的應(yīng)用范圍。如標(biāo)量法的輸入相電流波形較好，但輸出諧波較大。

　　電流跟蹤法

　　這種方法將三相輸出電流信號與實(shí)測的輸出電流信號相比較，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)動作，它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡單、響應(yīng)快、魯棒性好等特點(diǎn)，但也有滯環(huán)電流共有的缺點(diǎn)：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。

　　間接變換法

　　空間矢量調(diào)制技術(shù)，又稱為間接變換法、交—直—交等效變換法，是基于空間矢量變換的一種方法，它將交—交變換虛擬為交直和直交變換，這樣便可采用流行的高頻整流和高頻PWM波形合成技術(shù)，變換器的性能可以得到較大的改善。當(dāng)然具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是將整流和逆變一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為復(fù)雜，缺少有效的動態(tài)理論分析支持。它是在矩陣式變換器中研究較多也是較為成熟的一種控制策略，比較有發(fā)展前途。這種調(diào)制策略既能控制輸出波形，又能控制輸入電流波形，可改變輸入功率因數(shù)，是最具有前途的一種調(diào)制策略。