變換器

　　1、簡介

　　變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交—交變頻電源，其電路拓撲形式被提出，但直到1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略后，其特點才為人們所關注和研究。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是要求大容量、高開關頻率、具有雙向阻斷能力和自關斷能力的功率器件，同時由于控制方案的復雜性，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體工藝和技術水平所難以達到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對主回路的拓撲結構及雙向開關的實現，大多都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實際的研究。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，推動了矩陣式變換器控制策略的研究。

　　2、革新技術

　　人們發(fā)現，采用全控器件，不僅可以對輸入相移進行控制，還能對輸入電流波形進行控制。80年代末，矩陣式變換器問世了。早期的實驗裝置由于工作頻率不夠高及換流技術不完善，輸出頻率都很低，通常低于電網頻率，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用技術的發(fā)展，矩陣式變換器的研制形成了一個熱點。構成雙向開關的單向開關間多步換流控制技術被推廣開來，裝置的性能得到了極大的提高，最高輸出頻率達到了電網頻率的2～3倍，輸入側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，由于計算機軟、硬件的迅猛發(fā)展，在采用理論分析和實驗相結合的基礎上，更多地采用了仿真方法，以進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學者L.Huber 和美國教授D.Bdrojecvic提出的基于空間矢量調制的控制技術，并成功地研制出了2kW實驗樣機，臺灣學者潘晴財基于電流滯環(huán)跟蹤和軟開關技術，提出了另一種實現方法。英國學者Watthanasarn 等基于DSP和IGBT硬件條件完成了2kW的實驗樣機。1997年英國學者P.Wheeler和D.Grant提出了一種對構成雙向開關的單向開關間切換實現四步換流的低開關損耗和優(yōu)化輸入濾波器的矩陣式變換器仿真研究，并研制出了5kW的實驗裝置。

　　3、應用范圍

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

　　4、研究發(fā)展

　　1976年，矩陣式變換器的概念和電路拓撲形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年意大利學者M.Ventutini和A.Alesina證明這種頻率變換器的存在，促進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現條件，同時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的嚴重缺陷。進入20世紀80年代后期，隨著電力電子技術和計算機控制技術的發(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，先后有許多學者對矩陣變換器進行了一系列的研究，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入大發(fā)展階段。

　　1989年，日本學者J. Oyama等提出了一種最大最小輸入電壓調制技術，該技術認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 調制技術對輸入電壓進行調制，輸出線電壓的最大值總是等于最大輸入線電壓函數的最小值，即輸出線電壓總是在輸入線電壓的包絡線之內。同年，還有南斯拉夫學者L．Huber和美國學者D．Borojevic提出了基于電壓空間矢量調制技術的方法。該方法是根據矩陣變換器的功率開關狀態(tài)，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關狀態(tài)矢量，然后，按輸入矢量在任意時刻由其相鄰的兩開關矢量合成，得到每一采樣周期內的開關導通比，該技術已發(fā)展成為較成熟的技術。Huber和D. Borojivic進一步提出了一種基于空間向量調制技術的PWM技術，最大電壓傳輸比可達到0.866，并通過實驗樣機帶三相感應電機運行，證明采用空間向量調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逼近于1，輸出電壓可調頻調幅等特點；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出輸入雙線電壓瞬時值法，其調制實質即任何時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，從理論分析知當輸入電流不對稱或含有高次諧波時，控制函數可以自動修正而不需要額外的計算量。這一點尤其適用于某些電網不夠穩(wěn)定的場合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一種應用于30馬力矩陣變換器的控制理論和實現方案，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，它將控制策略分為“整流”和“逆變”兩部分，三種開關分別看作一種假想的電壓源逆變器。“整流”部分對于每一開關組分別有“正”“負”兩套開關函數。

　　5、研究現狀

　　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、上海大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、湘潭大學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，并達到了一定的水平。

　　1994年南京航空航天大學莊心復教授對交交矩陣變換器空間矢量調制原理進行仿真和實驗研究。1997年至98年穆新華在莊心復的指點下對交交矩陣變換器雙電壓合成原理進行了仿真研究。1997年，上海大學基于空間矢量調制原理和80C196KC單片機研制了用IGBT作為功率開關的交交矩陣變換器實驗裝置，綜合指標達到國際先進水平。1998年西安交通大學王汝文教授等對斬波調制和交交矩陣變換器。

　　變換器控制的普遍性問題進行了研究，提出了一種功率因數可調，輸入電流和輸出電壓為正弦的調制函數。1999年，哈爾濱工業(yè)大學陳學允、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、電壓增益、輸出阻抗等性能指標的解析表達式。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行了研究。為解決坐標變法電壓傳輸比低的問題，引進線—線換流法和改進的線—線換流法，減少了輸出諧波，并將電壓傳輸比提高到0.866。同時對幾種不同類型的調制策略在非對稱輸入下的諧波狀況進行了分析。

　　還有上海大學朱賢龍博士以Saber軟件為實驗平臺建立了基于空間矢量調制策略的三相/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，簡化了調制過程，并降低了開關損耗。在此基礎上，提出了一種三相交交矩陣變換器的優(yōu)化實現方案。在適當犧牲電流波形的基礎上，使功率因數可以達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進行了兩點改進：一是實現無功功率的正負調節(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，制作了實驗樣機。2004年清華大學孫凱等對矩陣變換器在電源異常時的運行性能進行了分析，制作了實驗樣機。他們的研究成果對交交矩陣變換器的分析與設計具有較大的指導意義。

　　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，它可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，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，限制了它們的應用范圍。如標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測的輸出電流信號相比較，根據比較結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、實現簡單、響應快、魯棒性好等特點，但也有滯環(huán)電流共有的缺點：開關頻率不夠穩(wěn)定、諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波等。

　　間接變換法

　　空間矢量調制技術，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，變換器的性能可以得到較大的改善。當然具體實現時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，是最具有前途的一種調制策略。