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?fù)湫问奖惶岢?，但直?979年意大利學(xué)者M(jìn).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(diǎn)才為人們所關(guān)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(diǎn)是要求大容量、高開關(guān)頻率、具有雙向阻斷能力和自關(guān)斷能力的功率器件，同時(shí)由于控制方案的復(fù)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(dǎo)體工藝和技術(shù)水平所難以達(dá)到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對(duì)主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，大多都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實(shí)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(xiàn)，推動(dòng)了矩陣式變換器控制策略的研究。

　　2、革新技術(shù)

　　人們發(fā)現(xiàn)，采用全控器件，不僅可以對(duì)輸入相移進(jìn)行控制，還能對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制。80年代末，矩陣式變換器問世了。早期的實(shí)驗(yàn)裝置由于工作頻率不夠高及換流技術(shù)不完善，輸出頻率都很低，通常低于電網(wǎng)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(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，矩陣式變換器的研制形成了一個(gè)熱點(diǎn)。構(gòu)成雙向開關(guān)的單向開關(guān)間多步換流控制技術(shù)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(dá)到了電網(wǎng)頻率的2～3倍，輸入側(cè)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(shí)，由于計(jì)算機(jī)軟、硬件的迅猛發(fā)展，在采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，更多地采用了仿真方法，以進(jìn)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?qū)W者L.Huber 和美國教授D.Bdrojecvic提出的基于空間矢量調(diào)制的控制技術(shù)，并成功地研制出了2kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，臺(tái)灣學(xué)者潘晴財(cái)基于電流滯環(huán)跟蹤和軟開關(guān)技術(shù)，提出了另一種實(shí)現(xiàn)方法。英國學(xué)者Watthanasarn 等基于DSP和IGBT硬件條件完成了2kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1997年英國學(xué)者P.Wheeler和D.Grant提出了一種對(duì)構(gòu)成雙向開關(guān)的單向開關(guān)間切換實(shí)現(xiàn)四步換流的低開關(guān)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(shí)驗(yàn)裝置。

　　3、應(yīng)用范圍

　　隨著電路電子技術(shù)的發(fā)展在不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成實(shí)用化的產(chǎn)品。日本的安川電機(jī)（Yaskawa）推出了矩陣式變換器型高壓馬達(dá)用驅(qū)動(dòng)裝置，其力率超過了0.95，而效率則達(dá)到了97%左右。它主要面向在大負(fù)荷下回饋電力較大的鋼鐵加工生產(chǎn)線。此外，還可應(yīng)用于造紙、薄膜生產(chǎn)線的收卷機(jī)等存在長時(shí)間電力回饋的用途。鍋爐鼓風(fēng)機(jī)等需要較高響應(yīng)性能的用途也將存在相應(yīng)的需求。

　　4、研究發(fā)展

　　1976年，矩陣式變換器的概念和電路拓?fù)湫问接蒐.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年意大利學(xué)者M(jìn).Ventutini和A.Alesina證明這種頻率變換器的存在，促進(jìn)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(shí)現(xiàn)條件，同時(shí)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(yán)重缺陷。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)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(xué)者對(duì)矩陣變換器進(jìn)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(duì)于矩陣變換器的研究進(jìn)入大發(fā)展階段。

　　1989年，日本學(xué)者J. Oyama等提出了一種最大最小輸入電壓調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)認(rèn)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(diào)制技術(shù)對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，輸出線電壓的最大值總是等于最大輸入線電壓函數(shù)的最小值，即輸出線電壓總是在輸入線電壓的包絡(luò)線之內(nèi)。同年，還有南斯拉夫?qū)W者L．Huber和美國學(xué)者D．Borojevic提出了基于電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)的方法。該方法是根據(jù)矩陣變換器的功率開關(guān)狀態(tài)，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關(guān)狀態(tài)矢量，然后，按輸入矢量在任意時(shí)刻由其相鄰的兩開關(guān)矢量合成，得到每一采樣周期內(nèi)的開關(guān)導(dǎo)通比，該技術(shù)已發(fā)展成為較成熟的技術(shù)。Huber和D. Borojivic進(jìn)一步提出了一種基于空間向量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)，最大電壓傳輸比可達(dá)到0.866，并通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)帶三相感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，證明采用空間向量調(diào)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(shù)逼近于1，輸出電壓可調(diào)頻調(diào)幅等特點(diǎn)；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出輸入雙線電壓瞬時(shí)值法，其調(diào)制實(shí)質(zhì)即任何時(shí)刻輸出電壓為兩個(gè)輸入線電壓合成，從理論分析知當(dāng)輸入電流不對(duì)稱或含有高次諧波時(shí)，控制函數(shù)可以自動(dòng)修正而不需要額外的計(jì)算量。這一點(diǎn)尤其適用于某些電網(wǎng)不夠穩(wěn)定的場合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一種應(yīng)用于30馬力矩陣變換器的控制理論和實(shí)現(xiàn)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(jìn)，它將控制策略分為“整流”和“逆變”兩部分，三種開關(guān)分別看作一種假想的電壓源逆變器。“整流”部分對(duì)于每一開關(guān)組分別有“正”“負(fù)”兩套開關(guān)函數(shù)。

　　5、研究現(xiàn)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(xué)、上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、湘潭大學(xué)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(dá)到了一定的水平。

　　1994年南京航空航天大學(xué)莊心復(fù)教授對(duì)交交矩陣變換器空間矢量調(diào)制原理進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。1997年至98年穆新華在莊心復(fù)的指點(diǎn)下對(duì)交交矩陣變換器雙電壓合成原理進(jìn)行了仿真研究。1997年，上海大學(xué)基于空間矢量調(diào)制原理和80C196KC單片機(jī)研制了用IGBT作為功率開關(guān)的交交矩陣變換器實(shí)驗(yàn)裝置，綜合指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。1998年西安交通大學(xué)王汝文教授等對(duì)斬波調(diào)制和交交矩陣變換器。

　　變換器控制的普遍性問題進(jìn)行了研究，提出了一種功率因數(shù)可調(diào)，輸入電流和輸出電壓為正弦的調(diào)制函數(shù)。1999年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳學(xué)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(shù)、電壓增益、輸出阻抗等性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。同年，陳希有在其博士論文中對(duì)非對(duì)稱輸入條件下三相矩陣式變換器的諧波進(jìn)行了研究。為解決坐標(biāo)變法電壓傳輸比低的問題，引進(jìn)線—線換流法和改進(jìn)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(shí)對(duì)幾種不同類型的調(diào)制策略在非對(duì)稱輸入下的諧波狀況進(jìn)行了分析。

　　還有上海大學(xué)朱賢龍博士以Saber軟件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立了基于空間矢量調(diào)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(diào)制過程，并降低了開關(guān)損耗。在此基礎(chǔ)上，提出了一種三相交交矩陣變換器的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案。在適當(dāng)犧牲電流波形的基礎(chǔ)上，使功率因數(shù)可以達(dá)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(duì)雙電壓合成的交交矩陣變換器控制技術(shù)進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是實(shí)現(xiàn)無功功率的正負(fù)調(diào)節(jié)；二是改善了在非對(duì)稱輸入電壓情況下的輸入電流波形。2000年湘潭大學(xué)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2004年清華大學(xué)孫凱等對(duì)矩陣變換器在電源異常時(shí)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。他們的研究成果對(duì)交交矩陣變換器的分析與設(shè)計(jì)具有較大的指導(dǎo)意義。

　　6、控制策略編輯直接變換法

　　直接變換法是通過對(duì)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(biāo)變換法、諧波注入法、等效電導(dǎo)法及標(biāo)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(yīng)用范圍。如標(biāo)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(hào)與實(shí)測的輸出電流信號(hào)相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當(dāng)前的開關(guān)電源狀態(tài)決定開關(guān)動(dòng)作，它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡單、響應(yīng)快、魯棒性好等特點(diǎn)，但也有滯環(huán)電流共有的缺點(diǎn)：開關(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。

　　間接變換法

　　空間矢量調(diào)制技術(shù)，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(shù)，變換器的性能可以得到較大的改善。當(dāng)然具體實(shí)現(xiàn)時(shí)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(fù)雜，缺少有效的動(dòng)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(diào)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(shù)，是最具有前途的一種調(diào)制策略。