【正文】 的框圖如圖 ，波形如圖 ，顯然在整個(gè)周期內(nèi) 39。設(shè)三相電源輸入線電壓為： 21 ?????????????????????????????????)s i n ()3s i n ()3s i n ()(iiiimcabcabii???????tttUuuutu (31) 則輸入線電 壓包絡(luò)線（矩陣變換器虛構(gòu)整流電壓）可表示為： ?????? ??? KtUu 32s i n iimd ??? (32) ?????? ???? KKt iiii 36,36 ???????? , ?3,2,1,0?K 可認(rèn)為 du 為三相不可控整流的輸出，其平均值為 ： imd UU ? 。然后通過(guò)對(duì)輸入相電壓和參考電壓的檢測(cè)，在不同等效斬波電路之 間進(jìn)行切換。 基于前饋補(bǔ)償?shù)?SPWM調(diào)制策略 基于電流滯環(huán)的控制策略雖然具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是也有滯環(huán)控制共有的缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率不夠穩(wěn)定、諧波隨機(jī)分布、不易于濾波等。直接控制法的基本思想是 :不同開(kāi)關(guān)連接狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的空間矢量。 (1) 間接控制法是基于空間矢量變換的一種方法 , 主要指空間矢量調(diào)制法(SVM)，它將變換器虛擬為一個(gè)整流器和一個(gè)逆變器經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)串聯(lián)，然后對(duì)輸入整流器和輸出 逆變器分別進(jìn)行電壓空間矢量和電流空間矢量調(diào)制(SVPWM)，再消去中間直流環(huán)節(jié)，就可以得到整個(gè)變換器的空間矢量調(diào)制。 (1) 滯環(huán)電流比較法是將三相輸出電流信號(hào)與實(shí)測(cè)的輸出電流信號(hào)相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當(dāng)前的開(kāi)關(guān)電源狀態(tài)決定開(kāi)關(guān)動(dòng)作，它具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)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。根據(jù)控制目標(biāo)不同，分為電流控制法和電壓控制法兩大類(lèi)。典型的 3 2 MC 如圖 （ b）所示 ： 根據(jù)圖 及式 21 和 22， 可以得到輸出電壓及輸入電流的表達(dá)式： 17 ????????????????????????????????????????????????cbcababcacab211122132212211313232112211123122212231123132211uuuuuuSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSUT iphphlUT? (25) ???????????CBAphliiiTi (26) 基于開(kāi)關(guān)函數(shù) 3 3矩陣變換器的數(shù)學(xué)模型 下面基于開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì) 3 3 矩陣式變換器的變換原理進(jìn)行描述。因?yàn)榫仃囀阶儞Q器為電壓源輸入，因此輸入相不能被短路；同時(shí)考慮到輸出相不能被開(kāi)路。 3 3矩陣變換器的工作原理 三相矩陣變換的工作原理可以看成是三個(gè) 3 1 單相的矩陣變換器同時(shí)工作，或者是三個(gè) 3 2 矩陣同時(shí)工作。應(yīng)用上述控制策略負(fù)載上就可得到與給定電壓頻率一致的交流電。 SAa S Ab SAca b cNSBa SBb SBcABiAB負(fù)載 S AaU a iABS BbU bS AcS Bc負(fù)載BA+UAB 圖 線電壓輸出矩陣式變換器圖 由線電壓供電的等效斬波電路 與相電壓輸入的三相－單相矩陣式變換器一樣，假設(shè)組成雙向開(kāi)關(guān) Sjk 的兩個(gè)單向開(kāi)關(guān)器件分別為 SjkP（正向）和 SjkN（反向）， ? ?BAj ,? ， ? ?cbak ,? 。進(jìn)一步為了提高電壓傳輸比，選擇對(duì)輸入的最大線電壓進(jìn)行斬波。其中 SAaP、 SAbP、 SAcP起調(diào)制作用而SAaN、 SAbN、 SAcN則完成續(xù)流 。 在 4~0 t 階段輸出電壓給定為正， SAj均只能是正向開(kāi)關(guān)管 SAjP調(diào)制： 0~0 t 階段， c 相 電壓最高， SAcP調(diào)制； 10~tt 階段， a 相電壓最高， SAaP調(diào)制； 21~tt 階段， b 相電壓最高， SAbP調(diào)制； 32~tt 階段， c 相電壓最高， SAcP調(diào)制； 43~tt 階段， a 相電壓最高， SAaP調(diào)制。由于中心線中不流過(guò)基波電流，只有部分高次諧波電流，因此將中心線去掉就得到如圖 （ b）所示的三相矩陣式變換器。 S 11 S 12 S 13A B CN負(fù)載U S11S12S13A B CN負(fù)載S21S22S23 （ a） （ b） 圖 單相矩陣式交－交變頻電路 把如圖 (a)所示的三個(gè)相同結(jié)構(gòu)的單相矩陣式交交變頻電路用同一組三相交流電供電，得到如圖 所示的電路 ,只要三個(gè)單相矩陣式交交變頻電路給定電壓大小相等，相位上相差 120176。該電路拓?fù)渲泻?9 個(gè)雙向開(kāi)關(guān) 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。下面主要對(duì) 矩陣式變換器主電路的結(jié)構(gòu)和基本工作原理進(jìn) 行介紹。 （ 4）混合型，見(jiàn)圖 （ e）它由一個(gè)橋式整流器、兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)、和一個(gè)小電感、一個(gè)電容以及兩個(gè)快速二極管組成。易于對(duì)兩個(gè)方向分別控制，便于解決四象限換流問(wèn)題。功率開(kāi)關(guān)數(shù)量少，但是任意時(shí)刻都有 3個(gè)器件同時(shí)參與導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降較大，損耗較高。 目前常使用 IGBT 和二極管等組成雙向開(kāi)關(guān)作為矩陣式變換器的功率開(kāi)關(guān)，常用的組合雙向開(kāi)關(guān)主要有五種形式，由一個(gè) IGBT 和四個(gè)二極管組成的橋式雙向開(kāi)關(guān)、 IGBT 和二極管組成的并聯(lián)型雙向開(kāi)關(guān)、共發(fā)射極反向串聯(lián) IGBT 組成的雙向開(kāi)關(guān)、共集電極反向串聯(lián) IGBT 組合的雙向開(kāi)關(guān)和能實(shí)現(xiàn)零電壓、零電流的混和型雙向開(kāi)關(guān)。因此變換器中的開(kāi)關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)承受的電壓可能是正向的也可能是反向的，同樣在開(kāi)通狀態(tài)下，流過(guò)的電流既可能為正也可能為負(fù)，因此必須采用雙向開(kāi)關(guān)。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(lái)實(shí)現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)提高電網(wǎng)利用率。因此，矩陣式變換器的研究 8 有良好的市場(chǎng)前景。但在矩陣式變換器中，當(dāng)上述非正常工況發(fā)生時(shí)，只能依靠對(duì)輸入電壓的檢測(cè)，根據(jù)一定的調(diào)制算法控制變換器正常工作，其及時(shí)性和可靠性均不理想。但作為一種電力電子變頻裝置，特別是相對(duì)于傳統(tǒng)的交－直－交電壓型PWM 變頻器，矩陣式變換器技術(shù) 仍存在一系列問(wèn)題亟待解決 ： (1) 三相－三相矩陣式變換器包含開(kāi)關(guān)較多，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，使得調(diào)制方法和換流控制都很繁瑣，導(dǎo)致了穩(wěn)定性和可靠性仍不夠理想； (2) 矩陣式變換器由于不具有直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，負(fù)載側(cè)的干擾可以直接反映到輸入側(cè)。 上海大學(xué)龔幼民、楊喜軍利用開(kāi)關(guān)函數(shù)分析了各種矩陣式變換器和電壓源逆變器的工作原理，給出了電力變換通用的拓?fù)湓秃烷_(kāi)關(guān)函數(shù)原型，建立了電力變換開(kāi)關(guān)函數(shù)的特性定理，并進(jìn)一步探討了電力變換統(tǒng)一理論，設(shè)計(jì)了一種三相－三相矩陣式變換器的實(shí)現(xiàn)方案，包括開(kāi)關(guān)函數(shù)控制法、半自然兩步換流策略、模塊化三相－單相矩陣式變換器以及通用開(kāi)關(guān)過(guò)流檢測(cè)電路等，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究證明了所采用控制方案的可行性。 1997 年，南京航空航天大學(xué)莊心復(fù)、穆新華在國(guó)內(nèi)刊物上介紹了一般意義上的 n m 型矩陣式變換器的拓?fù)湫问郊半p向開(kāi)關(guān)的構(gòu)成，分析了基 6 于瞬時(shí)電壓調(diào) 制技術(shù)的三相 ACAC 矩陣式變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和控制規(guī)律。同時(shí)， 、 和 也于 1998 年將可編程邏輯器件 (PLD)技術(shù)用于雙向開(kāi)關(guān)的換流控制， 在 2021 年提出了改進(jìn)的多步換流控制策略。 矩陣變換器（ Matrix Converter）作為一種新型的交交變頻電源，在 及 等人提出兩種有效的開(kāi)關(guān)控制策 略 ]后，其特點(diǎn)已為人們所關(guān)注。矩陣式變換器以其簡(jiǎn)單的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及諸多誘人的特性，已經(jīng)被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前途的電力變換器。 目前，治理電力電子裝置污染的方法有兩種：一種是被動(dòng)地裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，即在電力系統(tǒng)中投入大量的有源或無(wú)源濾波器，以補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率；第二種是主動(dòng)對(duì)電力電子裝置本省進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波、具有較高且可控制的功率因素。另外，負(fù)載的功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。 晶閘管器件的出現(xiàn)促進(jìn)了交－交變頻 技術(shù)的深入發(fā)展，由于交－交變頻電路采用的是移相觸發(fā)的控制方式。 4 常規(guī)電力變換器的缺陷 近十幾年來(lái)，圍繞著新型功率器件的應(yīng)用，人們進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究工作，到目前為止，這些新型功率器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)技術(shù)以及控制技術(shù)已趨于成熟。發(fā)揮我國(guó)幅員遼闊，水力、風(fēng)力等自然資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展水力，風(fēng)力發(fā)電已成為我國(guó)電力發(fā)展的一個(gè)重要方向。它們一方面從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，影響電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性；另一方面也向電網(wǎng)排放了大量的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，這樣使得傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題變得復(fù)雜。在原有直流調(diào)速系統(tǒng)和新的調(diào)速系統(tǒng)中，相當(dāng)一部分都已經(jīng)采用交流調(diào)速系統(tǒng)。 be sinusoidal input current and output voltage waveform distortion small。其次，建立了基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的矩陣式變換器的數(shù)學(xué)模型；另外還對(duì) SPWM前饋補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究。本文首先介紹了單相和三相矩陣式變換器的基本工作原理及其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞 ： 矩陣式變換器 開(kāi)關(guān)函數(shù)法 電流滯環(huán)控制 SPWM 前饋補(bǔ)償 2 Abstract: Matrix converter is a new type of power converter, which can achieve direct ACAC conversion, pared to the traditional ACDCAC converter, which needs no intermediate DC link, direct energy transmission, high transmission efficiency。 Simulation results indicate that the switching function matrix converter mathematical model is correct. Keywords: Matrix converter The switching function Current hysteresis loop control SPWM Feedforward pensation 3 第一章 緒論 電力變換器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制理論和微處理器的不斷進(jìn)步，交流變頻技術(shù)開(kāi)始逐步取代直流調(diào)速，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。 然而隨著介入的電力電子裝置數(shù)量及容量急劇增加，從小容量的家用電器到交直流調(diào)速傳動(dòng)的各類(lèi)大中容量靜止變流裝置，以及感應(yīng)加熱、電弧爐、電化學(xué)生產(chǎn)等大容量負(fù)荷。在傳統(tǒng)的石油，煤炭等不可再生資源日益枯竭，且對(duì)環(huán)境污染較大的情況下。要實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁發(fā)電，關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)一種輸入、輸出特性好，無(wú)電力諧波，功率可雙向流動(dòng)的“綠色”變頻器。它由整流器、濾波器和逆變器所組成，它的整流器－電容濾波器是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦的，但是輸入電流波形卻發(fā)生嚴(yán)重畸變，存在大量諧波，輸入功率因素較低，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成“污染”，另外由于需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)大體積的無(wú)源器件（大容量濾波電容），因此造成系統(tǒng)成本上升、集成度低、可靠性降低等問(wèn)題。輸出電壓調(diào)制比越小，半周期內(nèi)控制角的平均值越大，位移因數(shù)越低。電網(wǎng)頻率為 50Hz 時(shí)，交－ 交變頻電路的輸出上限頻率約為 20Hz。諧波在電網(wǎng)中將產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，使得電網(wǎng)無(wú)功功率失去平衡，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定構(gòu)成威脅，對(duì)電力系統(tǒng)本身和用戶(hù)的各種電氣設(shè)備造成極大的危害。特別是它本身不產(chǎn)生諧波污染 ,還能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰?，其總體性能高于其它變換器；研究與開(kāi)發(fā)矩陣式變換器特別具有現(xiàn)實(shí)意義。矩陣式變換器的換流技術(shù)，自 1989