矩陣式變頻器原理及其電氣應(yīng)用前景

韓斌 周舒迎

【摘要】矩陣式變頻器是一種新型的交-交直接電力變換器，本文首先介紹矩陣式變頻器的電路結(jié)構(gòu)，然后簡(jiǎn)述兩種主要的控制方法，最后通過(guò)其優(yōu)點(diǎn)描述矩陣式變頻器在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】矩陣式變頻器；交-交直接變頻；功率因數(shù)可調(diào)；能量雙向傳遞

0引言：矩陣變頻器（Matrix Converter）作為一種新型的交-交直接電力變換器，在M.Venturini及Huber.L各自提出兩種有效的開(kāi)關(guān)控制策略后，其特點(diǎn)已為人們所關(guān)注。和傳統(tǒng)的交-直-交以及相控式交-交變頻器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，能量直接傳遞，傳輸效率高；

（2）可獲得正弦波的輸入電流和輸出電壓，無(wú)低次諧波，高次諧波較少；

（3）輸入功率因數(shù)可任意調(diào)節(jié)，且與負(fù)載功率因數(shù)無(wú)關(guān)；

（4）能量可雙向傳遞，適合四象限運(yùn)行的交流傳動(dòng)系統(tǒng)；

（5）控制自由度大，與相控式交-交變頻相比，輸出頻率不受輸入電源頻率的限制。

1矩陣式變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

圖1所示為三相-三相矩陣式變頻器的電路結(jié)構(gòu)。該電路拓?fù)渲泻?個(gè)雙向開(kāi)關(guān)（圖2）S11～S13，S21～S23，S31～S33；通過(guò)對(duì)這9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的電壓和頻率的變換，從而向負(fù)載提供幅值和頻率可調(diào)的電壓和電流。即：對(duì)一組頻率為 的三相輸入電壓 ，通過(guò)一定的規(guī)則控制變頻器中的功率開(kāi)關(guān)，可以合成所需頻率為 的三相輸出電壓 ， ，式中不同的變換矩陣 的確定方法就是各種矩陣式變頻器的控制策略。

2矩陣式變頻器的控制原理：

2.1基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的Venturini法：

對(duì)于圖1所示的三相-三相矩陣式變頻器，將S11～S13，S21～S23，S31～S33這9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的邏輯控制看作一個(gè)3X3的矩陣函數(shù)，則輸出相電壓 與輸入相電壓 之間的關(guān)系可用式1表示。

根據(jù)矩陣?yán)碚摚瑵M足式1，式2的矩陣 和 有無(wú)窮個(gè)。基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的Venturini法就是指在給定輸入電壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及各種約束條件下，得出最優(yōu)化的矩陣 和 ，使矩陣變頻器中相關(guān)的一組功率開(kāi)關(guān)各自的占空比由一個(gè)連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來(lái)表示，利用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)確定開(kāi)關(guān)的具體動(dòng)作。

2.2空間矢量調(diào)制法：

空間矢量調(diào)制法最初是由逆變器的研究而提出的，矩陣式變頻器的空間矢量調(diào)制法最早由前南斯拉夫?qū)W者Huber和美國(guó)教授Borojevic兩人在1989年提出。其采用流行的高頻整流及逆變技術(shù)可以控制輸出電壓波形和輸入電流波形，性能可以得到較大的改善是矩陣式變頻器的一種主流控制方法。

矩陣式變頻器交-交直接變換關(guān)系可以從等效的交-直-交變換中得到。引入一個(gè)虛擬的中間直流環(huán)節(jié)將其等效為傳統(tǒng)的整流器-逆變器結(jié)構(gòu)，只是其中的整流器和逆變器為虛擬的整流器和虛擬的逆變器，如圖3所示。

空間矢量調(diào)制法其原理如圖3b：在整流側(cè)根據(jù)輸入線電壓幅值，控制虛擬整流器的6個(gè)開(kāi)關(guān)Spa，Spb，Spc，Sna，Snb，Snc，使其輸出為最大線電壓整流而成的虛擬直流電壓Vpn。對(duì)于虛擬逆變器部分則是將虛擬直流電壓Vpn通過(guò)控制虛擬逆變器的6個(gè)開(kāi)關(guān)SAp，SBp，SCp，SAn，SBn，SCn輸出三相電壓。

3應(yīng)用前景：

1、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域：風(fēng)力發(fā)電由于季節(jié)天氣不同風(fēng)速時(shí)刻都在變化，因此風(fēng)力所能產(chǎn)生的電能與風(fēng)速直接相關(guān)。傳統(tǒng)做法是在風(fēng)機(jī)輸出軸上安裝機(jī)械調(diào)速裝置，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在不同風(fēng)速下能基本保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，但這使得風(fēng)能無(wú)法完全利用。利用雙饋電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)變速定頻運(yùn)行。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)矩陣變頻器與電網(wǎng)相連，利用變頻器的雙向功率流動(dòng)能力使轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率交換。變頻器還同時(shí)控制轉(zhuǎn)子電壓和變頻器輸入電流為正弦，它的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)定子有功無(wú)功的閉環(huán)控制。

2、直流電源：矩陣式變頻器又稱為萬(wàn)能變換器，它能根據(jù)負(fù)載情況將三行三列的矩陣開(kāi)關(guān)適當(dāng)精簡(jiǎn)，而控制策略不改變即可得到各種輸出。若將矩陣式變頻器輸出電壓頻率設(shè)定為0Hz，并去掉其中一行開(kāi)關(guān)，則變成AC/DC變換器。

3、功率因數(shù)補(bǔ)償器：由矩陣式變頻器的控制原理可知，可利用調(diào)節(jié)輸入端電流相位，可得到超前或滯后的無(wú)功功率。因此可以作為功率因素校正器使用，相比于傳統(tǒng)的電容，電抗補(bǔ)償器具有體積小，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

4、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速：傳統(tǒng)變頻器在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但矩陣式變頻器在這一領(lǐng)域的某些方面仍有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

對(duì)于頻繁四象限運(yùn)行系統(tǒng)如電梯，起重機(jī)等設(shè)備。根據(jù)圖3相較于傳統(tǒng)的變頻器，矩陣式變頻器取消了中間直流環(huán)接，從而實(shí)現(xiàn)能量自由雙向流動(dòng)。并將自身的能量雙向流動(dòng)能力和矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速方法結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能運(yùn)行。

4總結(jié)：

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種功率變換器不斷涌現(xiàn)。然而，常規(guī)變換器的低功率因數(shù)和高諧波污染，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量，對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成的危害日益嚴(yán)重，人們?cè)谔剿髦卫黼娏?wèn)題的同時(shí)，也更加重視對(duì)電力電子裝置本身的改進(jìn)。矩陣式變頻器具有優(yōu)良的性能在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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