矩阵式变频电路及变频器

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1、矩阵式交---交变频器姓名摘要：本文介绍了矩阵式变频电路及变频器的工作原理和调制策略，文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和调制策略作了详细的分析。关键词：变频、工作原理、调制策略引言：随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。矩阵式变频器是一种交-交直接

2、变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小;其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。一、拓扑结构的发展  矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控

3、制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。  矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构  （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流；  （2）从三相交流变换到单相交流；  （3）从单一直流变换到三相交流，也就是

4、通常所说的逆变器；  （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑；  （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。二、矩阵式变频电路的基本工作原理（1）利用单相输入对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压为式中——开关周期；——一个开关周期内开关导通时间；σ——占空比不同的开关周期中采用不同的s，可得到与Us频率和波形都不同的Uo单相交流Us波形为正弦波，可利用

5、的输入电压部分只有单相电压阴影部分，因此Uo将受到很大局限，无法得到所需输出波形。（2）利用三相相电压把输入改为三相，就可利用三相相电压包络线中所有的阴影部分，理论上所构造的Uu的频率可不受限制，但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍。（3）利用三相线电压用图1-a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv，可利用6个线电压包络线中所有的阴影部分，当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍，正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上输出输入电压比最大。图1矩阵式变频电路的主电路拓扑及其开

6、关单元a)矩阵式变频电路的主电路拓扑b)一种常用的开关单元以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制，利用对开关S11、S12和S13的控制构造输出电压uu，为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通，负载一般是阻感，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通。图2构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入b)三相输入构造输出相电压c)三相输出构造输出线电压u相输出电压uu和各相输入电压的关系为式中σ11、σ12和σ13——一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比对于三相有uo=suiσ称为调制矩阵

7、σ矩阵中各元素确定后，输入电流ia、ib、ic和输出电流iu、iv、iw的关系也就确定了ii=σT*io式中iiio即是矩阵式变频电路的基本输入输出关系式。对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。式中Uim、Iom——输入电压和输出电流的幅值；wi、wo——输入电压和输出电流的角频率；jo——相应于输出频率的负载阻抗角。变频电路希望的输出电压和输入电流分别为式中Uom、Iim——输出电压和输入电流的幅值；φi——输入电流滞后于电压的相位角当期望的输入功率因数为1时，φi=0。把这几个式子结合，可得如能求得满足式(4-35)和式(4-36

8、)的s，就可得到希望的输出电压和输入电流。三、矩阵式变频器的特点  与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频