矩阵式单相电源调压技术

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1、矩阵式单相电源调压技术

2、第1摘要：提出了一种矩阵式单相电源调压技术，并分析了其工作原理，给出了一种安全的换流策略。仿真结果表明这种变换器输出电压在宽范围内连续可调，而且具有高正弦度的输入电流波形。关键词：单相电源；矩阵式电源变换；安全换流策略MatrixSingle-phasePoin,YANGXi-jun,CHENBo-shiAbstract:Amatrixsingle-phasepoutationstrategyisgiven.Thesimulationresultsshoutationstrategy　1引言单相交流

3、电源的应用是非常广泛的，比如在农村、轻工业、家用电器等小功率传动领域以及电力机车供电系统。对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种。1）磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。2）机械式调压器机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。3）电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸

4、管调压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。它是通过AC/DC/AC变换实现的。具有中间直流环节——储能电容和变换效率低是它的不足。随着现代电力电子技术的发展，单相电源变换技术也有了很大的进步，先后出现了多种利用全控器件的交交直接变换方案。例如Han-法。令输出目标函数为500)this.style.ouseg(t

5、his)">(1)设电源电压为vi(t)=500)this.style.ouseg(this)">Visin(ωit)，则期望输出电压为500)this.style.ouseg(this)">(2)式中：Vo1与Vo2分别为vo1(t)与vo2(t)的有效值。可得开关函数矩阵H=500)this.style.ouseg(this)">,500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">(3)500)this.style.ouseg(this)">500)this

6、.style.ouseg(this)">式中：hij代表对应双向可控开关的瞬时占空比，0≤hij≤1，i、j=1，2，h11＋h12=1，h21＋h22=1；qo1与qo2为电压变比；θ∈[0,2π]。注意当输入电压过零时，开关函数不再收敛，需要利用L′hospital法则处理。这种控制方法有以下优点：1）qo1与qo2独立可调，则输出电压范围扩大；2）开关利用率大大增强；3）三次谐波注入P、开关损耗最小P、基于开关函数SVP等方法能够直接采用。通过对上述变换器拓扑的分析，对于单相输出可以简化电路的结构。将双向开关4QS－

7、S22短接、4QS－S12开路。3简化的矩阵式单相电源调压器简化后的单相电源变换电路如图2所示。其工作原理为：利用固定占空比的P脉冲波驱动SB1，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用上述P脉冲的补脉冲驱动SB2，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。上述SB1与SB2之间的换流方式由一步完成，简称一步换流方式。由图2，这种变换器的设计难点在于双向可控开关SB1与SB2之间的是否能够安全切换。因为开关非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与

8、变压器原边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。下面给出一种四步换流方式。这是一种根据电源电压极性而确定的换流方式。根据电源电压极性的不同将一个电源电压周期划分为两个扇区，电源电压正极性时定为扇区1，电源电压负极性时定为扇区2。500)this.style.ouseg(this)">图2简化的单相电源变换电路1）扇区1内开关动作规则（1）预备开关状态为Q2、Q4断，Q1、Q3断，工作状态为等待。（2）正半周供电状态按照期望开关周期与占空比使Q1、Q3开通，Q2、Q4断，工作状态为供电。（3

9、）由供电状态切换到续流状态Q4开通，延时→Q1关断，延时→Q2开通，延时→Q3关断，工作状态为续流。（4）由续流状态切换到供电状态Q3开通，延时→Q2关断，延时→Q1开通，延时→Q4关断，工作状态为供电。2）扇区2内开关动作规则（1）预备开关状态为Q2、Q4断，Q1、Q3断，工作状态为等待。（2）负半周