【正文】 onverter basic principle and circuit topology. Secondly, establish the mathematical model of matrix converter based on the switching function。 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)開始逐步取代直流調(diào)速，在電氣傳動領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。變頻調(diào)速在自動控制、電氣傳動、電力變換等方面的廣泛應(yīng)用，使電能在變換、控制、利用方式上發(fā)生了很大的變化，實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能。 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)速傳動的各類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。因此電 力諧波對電能質(zhì)量的影響日益顯著，已引起人們廣泛的關(guān)注和重視。在傳統(tǒng)的石油，煤炭等不可再生資源日益枯竭，且對環(huán)境污染較大的情況下。為提高水力、風(fēng)力等可再生能源的利用效率，采用變速恒頻方式發(fā)電可使原動機(jī)（風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)）能在一定的可變速范圍運(yùn)行，從而提高能量的獲取和轉(zhuǎn)換利用率，是一種非常適合水力或風(fēng)力等可再生能源發(fā)電利用的運(yùn)行方式。要實(shí)現(xiàn)交流勵磁發(fā)電，關(guān)鍵在于開發(fā)一種輸入、輸出特性好，無電力諧波，功率可雙向流動的“綠色”變頻器。目前常見 的交流電力變換器主要是交－直－交變換的電壓源型通用變頻器以及用于低速高壓大功率的相控式交－交變頻器。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，會對電網(wǎng)造成“污染”，另外由于需要中間直流儲能環(huán)節(jié)大體積的無源器件（大容量濾波電容），因此造成系統(tǒng)成本上升、集成度低、可靠性降低等問題。因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。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。而且不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后的。電網(wǎng)頻率為 50Hz 時，交－ 交變頻電路的輸出上限頻率約為 20Hz。顯然后者是一種較為積極的辦法。諧波在電網(wǎng)中將產(chǎn)生大量的無功功率，使得電網(wǎng)無功功率失去平衡，對電網(wǎng)的穩(wěn)定構(gòu)成威脅，對電力系統(tǒng)本身和用戶的各種電氣設(shè)備造成極大的危害。 5 矩陣式變換器的特點(diǎn) 矩陣式變換器是一種直接型的交流－交流電力變換裝置，由于其具有優(yōu)越的電氣性能。特別是它本身不產(chǎn)生諧波污染 ,還能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪芰?，其總體性能高于其它變換器；研究與開發(fā)矩陣式變換器特別具有現(xiàn)實(shí)意義。它有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）無中間直流或交流環(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，波形失真度??； （ 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)無關(guān)； （ 4）能量可雙向傳遞，適合四象限運(yùn)行的交流傳動系統(tǒng)； （ 5）控制自由度大，輸出頻率不受輸入電源頻率的限制。矩陣式變換器的換流技術(shù)，自 1989年， 首次提出了四步換流方式后 和 于 1998 年提出了矩陣變換器“兩步換流”方式。省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測電路。 矩陣式變換器的研究在國內(nèi)雖然起步較晚，但已成為電力電子學(xué)科中一個重要的熱點(diǎn)課題。 1998 年，上海大學(xué)陳伯時、陸海慧采用反向串聯(lián)的雙向 IGBT 作為矩陣式變換器的主回路，利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)了四步安全換流，并根據(jù)開關(guān)函數(shù)的瞬時對應(yīng)關(guān)系及其限定條件，綜合矩陣式變換器的 PWM 控制策略，取得了一定的實(shí)驗(yàn)成果。 福州大學(xué)湯寧平、方旭陽、邱培基分析和推導(dǎo)了三相矩陣式變換器在電流滯環(huán)跟蹤控制方式下的開關(guān)函數(shù)，并提出了變換器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，取得了三相感性負(fù)載條件下的電流波形和頻譜分析等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并試制成功了一臺恒頻采樣電流跟蹤控制型矩陣式變換器樣機(jī)，作為交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵磁器。 浙江大學(xué)黃科元、賀益康建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁場定向的矢量變換控制系統(tǒng)模型，并通過仿真研究驗(yàn)證了該 方案的正確性和有效性；王勇、呂征宇在四步換流的基礎(chǔ)上，提出了用可編程邏輯器件(PLD)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)換流，減小了換流的死區(qū)效應(yīng)和輸出電壓損失。 矩陣式變換器的缺點(diǎn) 矩陣式變換器從誕生至今已有將近三十年的歷史，雖然多年來各國學(xué)者和技 7 術(shù)人員對其進(jìn)行了大量卓有成效的研究和開發(fā)，也在市場上推出了矩陣式變換器的產(chǎn)品。在變頻調(diào)速過程中，某些工作頻率時輸出側(cè)諧波含量較大，這會直接影響輸入側(cè)電能質(zhì)量，增大輸入電流總諧波畸變率 (THD)，嚴(yán)重時會造成對電網(wǎng)的諧波污染。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)輸入不平衡、波形畸變、電壓跌落甚至是瞬時斷電時，在交－直－交電壓型變頻器中可以利用直流電容的儲能作用，維持直流電壓的穩(wěn)定，保證變 頻器的正常輸出。特別是在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電網(wǎng)瞬時斷電后，還需檢測負(fù)載電機(jī)的狀態(tài)才能恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。矩陣式變換器的應(yīng)用范圍可歸納為： (1) 作為電源產(chǎn)品 ： 與目前的電源產(chǎn)品相比，矩陣變換器有一定優(yōu)越性，如無中間儲能環(huán)節(jié)、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊壽命長。 (2) 應(yīng)用于低速傳動系統(tǒng) :矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，不太適合調(diào)速范圍較高的場合 ； 但在低頻大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中可以長時間可靠工作。 (4)用于校正功率 因數(shù) ： 由 于矩陣式變換器的輸入功率因數(shù)可以是任意的，其在某些場合可以用于校正電路的功率因數(shù)。 本文主要任務(wù)是分析矩陣式變換器的工作原理，建立基于開關(guān)函數(shù)的矩陣式變換器的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究 ； 另外探討了電流滯環(huán)比較和基于前饋補(bǔ)償?shù)?SPWM 控制策略，并對其進(jìn)行仿真分析。矩陣式變換器是一種直接 AC/AC 變換器，它能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞。所謂雙向開關(guān)，是指在導(dǎo)通時能流過雙向電流，關(guān)斷時能阻斷雙向電壓，且具有自關(guān)斷能力的器件，這樣的雙向開關(guān)又被稱作四象限開關(guān)。這也是矩陣式變換器雖然早已問世，但至 今未能推廣應(yīng)用的原因之一。如圖 所示： dabc e 圖 雙向開關(guān)的幾種構(gòu)成形式 （ 1）橋式型，又稱為二極管嵌入型。對于三相－三相矩陣式變換器需要 9 個獨(dú)立的驅(qū)動電源。并且當(dāng)開通時表現(xiàn)為一個真正 10 的交流開關(guān)，無法對電流方向進(jìn)行控制，在換流期間會形成換流，必須串聯(lián)大容量電抗器。具有分離元件少、可靠性高、電壓傳輸比損失較小等特點(diǎn)。 （ 3）串聯(lián)型，又分為共發(fā)射極和 共集電極結(jié)構(gòu)，分別見圖 （ c）和 （ d）這種類型需要兩個功率開關(guān)和兩個二極管，也具有分離元件少、可靠性高、電壓傳輸比損失較小等特點(diǎn)。對于三相－三相矩陣式變換器而言，共發(fā)射極串聯(lián)型（ c）需要 9 個獨(dú)立的驅(qū)動電源，而共集電極串聯(lián)型（ d）需要 6 個獨(dú)立的驅(qū)動電源。這種結(jié) 構(gòu)依靠電路中電容和電感的諧振作用保證了開關(guān)開通時的電流從零開始增長，關(guān)斷時關(guān)斷電壓接近于零，因而近似做到開關(guān)過程零損耗。 綜上所述，在矩陣式變換器的使用中，若 IGBT 的驅(qū)動電路采用光耦進(jìn)行隔離，則并聯(lián)型結(jié)構(gòu)需要 18 個、共發(fā)射極串聯(lián)型為 9 個、共集電極串聯(lián)型為 6 個獨(dú)立電源，本文中使用的使共發(fā)射極串聯(lián)型雙向開關(guān)。 矩陣式變換器的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理 矩陣式變換器的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 矩陣式變換器是一種新穎的電力變換器，從理論上講，矩陣式變換器的輸入可以是 N 相頻率為 fi 的交流電，輸出可以是 M 相頻率為 fo 的交流電。 11 1 2 3 N輸入相輸出相123PAC S 11 S 12 S 13a b c負(fù)載AS 21 S 22 S 23 BS 31 S 32 S 33 Ci a i b i ci Ci Bi A 圖 NPMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 3 3MC的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在實(shí)際研究中，以圖 所示的 3 3 矩陣式變換器（ 3 3MC）為主要研究對象。即：對一組頻率為 i? 的三相輸入電壓 iU ，通過一定的規(guī)則控制變換器中的功率開關(guān)，可以合成所需頻率為 o? 的三相輸出電壓 oU ，io UTU ?? ，式中不同的變換矩陣 T 的確定方法就是各種矩陣式變換器的控制策略。圖 (a)為相電壓輸入的單相矩 陣變換器， 圖 (b)為線電壓輸入的單相矩陣變換器。 ，則其輸出電壓的基波在相位上相 差 120176。如圖 （ a）所示的三相矩陣 12 式變換器。同樣，如圖 (b)所示的三個相同結(jié)構(gòu)的單相矩陣式變換器也可構(gòu)成如圖 （ b）所示的三相矩陣式變換器。假設(shè)組成雙向開關(guān) SAa、 SAb、 SAc 的兩個開關(guān)器件分別為 SAjP（正向）和 SAjN（反向）， ? ?cbaj ,? 。 0t 1t 2t 3t4t5t 6t 7t8t0 tau auauau bu cububu cucu 圖 三相－單相矩陣式變換器工作波形圖 在 84~tt 階段輸 出電壓給定為負(fù)， SAj均只能是 反向 開關(guān)管 SAjN調(diào)制。因此，調(diào)制管工作在關(guān)斷 期間 ，必須由電壓最低或最高的另一相上的開關(guān)管開通進(jìn)行續(xù) 流， 圖 為輸出電壓正向時 6 個開關(guān)管 開關(guān)邏輯。 4t0 taubucu0t1t2t3t000tttA apSAbpSA cpS000tttA aNSAbNSA cNS 圖 －單相矩陣式變換器開關(guān)器件的開關(guān)邏輯 3 2單相矩陣式變換器的工作原理 對于 三相－三相矩陣式變換器電路若去掉其中一行，則形成如圖 所示的三相－單相矩陣式變換器，它采用的是線電壓輸入和線電壓輸出，因此電壓傳輸比相對較高，并且其控制策略也與前者稍有不同。由于沒有中性線無法對相電壓進(jìn)行斬波和續(xù)流，因此采用對線電壓進(jìn)行斬波的方式。當(dāng) Uab 最大時根據(jù)給定 14 參考電壓 ABU? 的方向可以選擇控制 SAa和 SBb 或 SAb 和 SBa 同時對輸入電壓 Uab進(jìn)行斬波，而續(xù)流回路則可分為雙極性調(diào)制下的 SAb 和 SBa 或 SAa和 SBb，單極性下的同一列上 SAa和 SBa、 SAb 和 SBb、 SAc和 SBc 兩個開關(guān)。圖 為 Uab 最大 且 iAB為正時，等效的斬波電路。以圖 所示給定參考電壓 ABU? 為正方向。當(dāng)輸入線電壓 Uab 最大而 ABU? 反向時，則同時控制 SBaP和 SAbN導(dǎo)通或關(guān)斷實(shí)現(xiàn)對線電壓 Uab 的斬波，而第三列上的兩個單向開關(guān) SAcN 和 SBcP 則完成續(xù)流的功能。由于一個周期中輸入線 電壓出現(xiàn) 6 次不同的最大值： Uab、 Uac、 Ubc、 Uba、 Uca、 Ucb，給定參考電壓 ABU? 有正負(fù)兩個方向。 給定參考電壓 ABU? 為正 ： Uab 最高，則 SAaP、 SBbN調(diào)制， SAcP、 SBcN續(xù)流； Uac 最高，則 SAaP、 SBcN調(diào)制， SAbP、 SBbN續(xù)流； Ubc最高，則 SAbP、 SBcN調(diào)制， SAaP、 SBaN續(xù)流； Uba最高，則 SAbP、 SBaN調(diào)制， SAcP、 SBcN續(xù)流； Uca 最高 ，則 SAcP、 SBaN調(diào)制， SAbP、 SBbN續(xù)流； Ucb 最高，則 SAcP、 SBbN調(diào)制， SAaP、 SBaN續(xù)流； 15 0abu00uabuacuacubcu3t2t1t 9t5t7t6tSAaPSAbPSAcPSBaPSBbPSBcNSAaNSAbNSBcPSAcNSBaNSBbN4tcaubaucbut?8tⅠ Ⅱ Ⅲ ⅣⅤⅥ Ⅶ Ⅷ Ⅸ 圖 矩陣式變換器的工作波形和開關(guān)邏輯 給定參考電壓 ABU? 為負(fù) ： Uba最高，則 SAaN、 SBbP調(diào)制， SAcN、 SBcP續(xù)流； Uca 最高，則 SAaN、 SBcP調(diào)制， SAbN、 SBbP續(xù)流； Ucb 最高，則 SAbN、 SBcP調(diào)制， SAaN、 SBaP續(xù)流； Uab 最高，則 SAbN、 SBaP調(diào)制， SAcN、 SBcP續(xù)流； Uac 最高，則 SAcN、 SBaP調(diào)制， SAbN、 SBbP續(xù)流； Ubc最高，則 SAcN、 SBbP調(diào)制， SAaN、 SBaP續(xù)流； 圖 為以 AB 相為例，對應(yīng)開關(guān)管的開關(guān)邏輯和輸出電壓基波分量。這里不作介紹。對于