矩陣式變頻技術應用于電梯的研究

王木菊

摘 要：變頻器作為一種電氣控制元件廣泛應用在了現代電梯的控制系統中，并以其啟動平穩、調速精確、高效節能的優點成為了機電設備控制系統的發展方向。近年來出現了一種新型的變頻控制技術——矩陣式變頻器，它的出現將帶來變頻電梯控制技術的二次革命。本文介紹了矩陣變換器及矩陣式變頻技術，通過與傳統的交交變頻器和交直交變頻器的對比，分析了矩陣式變頻器的優點，并就矩陣式變頻器在電梯上的應用進行了詳細的研究。結合電梯技術的發展趨勢，探討了矩陣式變頻器的發展前景。

關鍵詞：矩陣變換器；變頻器；電梯

引言

近年來，采用變頻調速技術作為控制系統的變頻電梯成為了我國電梯市場的主流，憑借其先進的技術特性及良好的性能，提高了乘客的舒適度，降低了電梯的能耗，引領了電梯控制技術的一次革命。然而，變頻器作為核心控制元件的系統中普遍有晶閘管、整流二極管及大功率IGBT開關等非線性元器件，在使用中會產生大量諧波，不可避免的會對周圍的元器件產生一定的諧波干擾。不僅會影響電氣設備的正常運行，還會引起電網中局部的串聯或并聯諧振，對電梯的安全性有一定的危害。為了消除諧波干擾的影響，電梯行業的科研技術人員做了大量的工作，雖然能夠將危害降到最低，但都無法找到一種徹底解決這一難題的方法。就在廣大科研人員努力尋找突破口的同時，矩陣變換器的出現為解決這一難題打開了一扇門。

1.矩陣變換器簡介

矩陣變換器是一種直接變換型的交流-交流電力變換裝置，由九個雙向開關排成三行三列的矩陣，故稱矩陣變換器。作為一種具有優良控制特性和廣闊發展前景的新型變頻裝置，它的研究工作在國內外引起了廣泛的關注，在部分領域展開了應用。由于矩陣變換器即可以達到高效節能的效果，又能避免傳統變頻器的諧波干擾，因此非常適合代替傳統變頻器作為新型的變頻電梯控制系統。

矩陣變換器屬于電力變換器，其電路是一種新型的拓撲結構，如圖1所示。整個電路系統包含兩級變換電路，分別是交-直（整流）變換電路和直-交（逆變）變換電路。這兩套變換電路均采用雙向開關，由交流三相變換到直流三相。

圖1

2.矩陣變換器優勢分析

傳統的變頻器主電路一般由交-直-交組成，輸入電源經三相橋路晶閘管整流成直流電壓信號后，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關器件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路及逆變回路中，電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅里葉級數分解為基波和高次諧波，其中高次諧波不僅會干擾供電系統，而且干擾鄰近電氣設備，這就是變頻器的諧波干擾。而先進的矩陣變換器的輸入電流和輸出電壓為規則的正弦波形，產生的諧波干擾非常小，甚至可以忽略不急，從根本上避免了傳統變頻器的諧波干擾，更適合應用于變頻電梯的控制系統。

由于矩陣式變頻器采用呈矩陣式排列的雙向可控開關，內部不含任何能耗元件，再加上可控開關的雙向作用，使能量能夠雙向流動，便于電機實現四象限運行，輸出電壓幅值和頻率寬范圍連續可調。因此，新型矩陣式變頻器控制系統結構簡單，無儲能元件，省去了中間的直流環節，傳遞能量效率高，有傳統變頻器不可比擬的優勢。

3.矩陣式變頻器在電梯上的應用

矩陣式變頻器控制電梯的原理可通過對電壓頻率的分析進行研究。對于單相交流電壓來說，輸出電壓uo為

式中Tc—開關周期；ton—個開關周期內開關導通時間；σ—占空比；us—單相交流電壓

由公式可知，不同的開關周期中采用不同的單相交流電壓，可得到頻率和波形都不同的輸出電壓。單相交流電壓波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有單相電壓陰影部分，因此輸出電壓將受到很大局限，無法得到所需輸出波形。如果把輸入改為三相，就可利用三相相電壓包絡線中所有的陰影部分，理論上來說所構造的電壓的頻率可不受限制。

矩陣式變頻器應用于電梯的控制方法主要有三種。第一種為直接變換法，是通過對輸入電壓的連續斬波來合成“輸出電壓”的方式進行變換，它可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，這些方法雖各有一定的優越性，但也存在一定的問題，限制了它們的應用范圍。另一種方法為電流跟蹤法，這種方法是將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態決定開關動作，它具有容易理解、實現簡單、響應快、魯棒性好等特點，但也有滯環電流共有的開關頻率不夠穩定、諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波的缺點。第三種方法為空間矢量調制技術，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，這樣便可采用目前流行的高頻整流和高頻波形合成技術，變頻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，諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為復雜，缺少有效的動態理論分析支持。它是目前在矩陣式變頻器電梯控制技術中研究較多也是較為成熟的一種控制方法，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。

4.矩陣式變頻器應用于電梯的發展前景

新型矩陣式變頻器作為變頻電梯的控制系統，可以達到平穩起停、精確調速、避免干擾、降低能耗的作用。與傳統變頻器相比，矩陣式變頻器控制系統能夠使整個電力拖動系統動靜態性能得到提高，將電梯運行過程中產生的諧波干擾降到最低，完美的解決了一直以來困擾著廣大電梯技術人員的問題。因此我們可以大膽的推測，在不遠的將來，矩陣式變頻器將替換傳統變頻器，成為變頻電梯控制系統的主流元件，帶領電梯行業進入后變頻時代。

參考文獻：

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