变换器

　　1、简介

　　变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交—交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。

　　2、革新技术

　　人们发现，采用全控器件，不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形进行控制。80年代末，矩阵式变换器问世了。早期的实验装置由于工作频率不够高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但突破以往交—交变换器的上限。随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵式变换器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单向开关间多步换流控制技术被推广开来，装置的性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的2～3倍，输入侧电流波形畸变率小于2%，用于恒压频比、电流跟踪及矢量控制等，取得了一定成果。与此同时，由于计算机软、硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实验相结合的基础上，更多地采用了仿真方法，以进一步提高的研究地深度和广度，提高研究的效率。其中最引人注意的有南斯拉夫学者L.Huber 和美国教授D.Bdrojecvic提出的基于空间矢量调制的控制技术，并成功地研制出了2kW实验样机，台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方法。英国学者Watthanasarn 等基于DSP和IGBT硬件条件完成了2kW的实验样机。1997年英国学者P.Wheeler和D.Grant提出了一种对构成双向开关的单向开关间切换实现四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵式变换器仿真研究，并研制出了5kW的实验装置。

　　3、应用范围

　　随着电路电子技术的发展在不断发展，世界范围内已经形成实用化的产品。日本的安川电机（Yaskawa）推出了矩阵式变换器型高压马达用驱动装置，其力率超过了0.95，而效率则达到了97%左右。它主要面向在大负荷下回馈电力较大的钢铁加工生产线。此外，还可应用于造纸、薄膜生产线的收卷机等存在长时间电力回馈的用途。锅炉鼓风机等需要较高响应性能的用途也将存在相应的需求。

　　4、研究发展

　　1976年，矩阵式变换器的概念和电路拓扑形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年意大利学者M.Ventutini和A.Alesina证明这种频率变换器的存在，促进了矩阵式变换器的迅速发展。他们首先在理论上证明了N相输入、P相输出的矩阵式逆变器的实现条件，同时给出了一种电压控制策略，这种控制策略虽然解决了矩阵式变换器的谐波问题，但也有输出输入电压比小于0.5的严重缺陷。进入20世纪80年代后期，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，矩阵变换器的研究工作越来越被人们所重视。为了解决M．Venturini和A．Alesina控制方案的不足，先后有许多学者对矩阵变换器进行了一系列的研究，并从不同的角度提出了不同的控制方案。国外对于矩阵变换器的研究进入大发展阶段。

　　1989年，日本学者J. Oyama等提出了一种最大最小输入电压调制技术，该技术认为输出电压最小的相总是与输入电压最小的相相连，其余两相则利用PWM 调制技术对输入电压进行调制，输出线电压的最大值总是等于最大输入线电压函数的最小值，即输出线电压总是在输入线电压的包络线之内。同年，还有南斯拉夫学者L．Huber和美国学者D．Borojevic提出了基于电压空间矢量调制技术的方法。该方法是根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出输入电流和输出电压的六边形开关状态矢量，然后，按输入矢量在任意时刻由其相邻的两开关矢量合成，得到每一采样周期内的开关导通比，该技术已发展成为较成熟的技术。Huber和D. Borojivic进一步提出了一种基于空间向量调制技术的PWM技术，最大电压传输比可达到0.866，并通过实验样机带三相感应电机运行，证明采用空间向量调制法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1，输出电压可调频调幅等特点；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出输入双线电压瞬时值法，其调制实质即任何时刻输出电压为两个输入线电压合成，从理论分析知当输入电流不对称或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正而不需要额外的计算量。这一点尤其适用于某些电网不够稳定的场合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一种应用于30马力矩阵变换器的控制理论和实现方案，这种方案是一种去除直流中间环节的逆变器方法的改进，它将控制策略分为“整流”和“逆变”两部分，三种开关分别看作一种假想的电压源逆变器。“整流”部分对于每一开关组分别有“正”“负”两套开关函数。

　　5、研究现状

　　中国交交矩阵变换器的研究起步较晚，大致从90年代开始，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。

　　1994年南京航空航天大学庄心复教授对交交矩阵变换器空间矢量调制原理进行仿真和实验研究。1997年至98年穆新华在庄心复的指点下对交交矩阵变换器双电压合成原理进行了仿真研究。1997年，上海大学基于空间矢量调制原理和80C196KC单片机研制了用IGBT作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，综合指标达到国际先进水平。1998年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和交交矩阵变换器。

　　变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和输出电压为正弦的调制函数。1999年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等专家建立了交交矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题，引进线—线换流法和改进的线—线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提高到0.866。同时对几种不同类型的调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分析。

　　还有上海大学朱贤龙博士以Saber软件为实验平台建立了基于空间矢量调制策略的三相/三相矩阵式变换器的仿真模型，提出了一种优化控制方法，简化了调制过程，并降低了开关损耗。在此基础上，提出了一种三相交交矩阵变换器的优化实现方案。在适当牺牲电流波形的基础上，使功率因数可以达到或高于具有直流滤波电感的通用交直交变换器。随后，陈希有等对双电压合成的交交矩阵变换器控制技术进行了两点改进：一是实现无功功率的正负调节；二是改善了在非对称输入电压情况下的输入电流波形。2000年湘潭大学开始交交矩阵变换器的研究，取得了一定的成绩，建立了交交矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2004年清华大学孙凯等对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，制作了实验样机。他们的研究成果对交交矩阵变换器的分析与设计具有较大的指导意义。

　　6、控制策略编辑直接变换法

　　直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。

　　电流跟踪法

　　这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺点：开关频率不够稳定、谐波随机分布，且输入电流波形不够理想、存在较大的谐波等。

　　间接变换法

　　空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交—直—交等效变换法，是基于空间矢量变换的一种方法，它将交—交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采用流行的高频整流和高频PWM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是在矩阵式变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制策略，比较有发展前途。这种调制策略既能控制输出波形，又能控制输入电流波形，可改变输入功率因数，是最具有前途的一种调制策略。