基本介紹
- 中文名：變換器
- 外文名：Matrix Converter
- 產品作用：將信源發出信息按一定的目的變換
- 特點：一種新型的交—交變頻電源
- 套用：大負荷下回饋電力較大的鋼鐵加工
- 學科：電子工程
研究發展,研究現狀,分類,革新技術,套用範圍,控制策略,直接變換法,電流跟蹤法,間接變換法,
研究發展
1976年，矩陣式變換器的概念和電路拓撲形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年義大利學者M.Ventutini和A.Alesina證明這種頻率變換器的存在，促進了矩陣式變換器的迅速發展。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現條件，同時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於0.5的嚴重缺陷。進入20世紀80年代後期，隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，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，先後有許多學者對矩陣變換器進行了一系列的研究，並從不同的角度提出了不同的控制方案。國外對於矩陣變換器的研究進入大發展階段。
變換器
變換器1989年，日本學者J. Oyama等提出了一種最大最小輸入電壓調製技術，該技術認為輸出電壓最小的相總是與輸入電壓最小的相相連，其餘兩相則利用PWM 調製技術對輸入電壓進行調製，輸出線電壓的最大值總是等於最大輸入線電壓函式的最小值，即輸出線電壓總是在輸入線電壓的包絡線之內。同年，還有南斯拉夫學者L．Huber和美國學者D．Borojevic提出了基於電壓空間矢量調製技術的方法。該方法是根據矩陣變換器的功率開關狀態，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關狀態矢量，然後，按輸入矢量在任意時刻由其相鄰的兩開關矢量合成，得到每一採樣周期內的開關導通比，該技術已發展成為較成熟的技術。Huber和D. Borojivic進一步提出了一種基於空間向量調製技術的PWM技術，最大電壓傳輸比可達到0.866，並通過實驗樣機帶三相感應電機運行，證明採用空間向量調製法的矩陣變換器與理論分析相一致，即具有輸入功率因數逼近於1，輸出電壓可調頻調幅等特點；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出輸入雙線電壓瞬時值法，其調製實質即任何時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，從理論分析知當輸入電流不對稱或含有高次諧波時，控制函式可以自動修正而不需要額外的計算量。這一點尤其適用於某些電網不夠穩定的場合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一種套用於30馬力矩陣變換器的控制理論和實現方案，這種方案是一種去除直流中間環節的逆變器方法的改進，它將控制策略分為“整流”和“逆變”兩部分，三種開關分別看作一種假想的電壓源逆變器。“整流”部分對於每一開關組分別有“正”“負”兩套開關函式。
研究現狀
1994年南京航空航天大學莊心復教授對交交矩陣變換器空間矢量調製原理進行仿真和實驗研究。1997年至98年穆新華在莊心復的指點下對交交矩陣變換器雙電壓合成原理進行了仿真研究。1997年，上海大學基於空間矢量調製原理和80C196KC單片機研製了用IGBT作為功率開關的交交矩陣變換器實驗裝置，綜合指標達到國際先進水平。1998年西安交通大學王汝文教授等對斬波調製和交交矩陣變換器控制的普遍性問題進行了研究，提出了一種功率因數可調，輸入電流和輸出電壓為正弦的調製函式。1999年，哈爾濱工業大學陳學允、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、電壓增益、輸出阻抗等性能指標的解析表達式。同年，陳希有在其博士論文中對非對稱輸入條件下三相矩陣式變換器的諧波進行了研究。為解決坐標變法電壓傳輸比低的問題，引進線—線換流法和改進的線—線換流法，減少了輸出諧波，並將電壓傳輸比提高到0.866。同時對幾種不同類型的調製策略在非對稱輸入下的諧波狀況進行了分析。
變換器
變換器還有上海大學朱賢龍博士以Saber軟體為實驗平台建立了基於空間矢量調製策略的三相/三相矩陣式變換器的仿真模型，提出了一種最佳化控制方法，簡化了調製過程，並降低了開關損耗。在此基礎上，提出了一種三相交交矩陣變換器的最佳化實現方案。在適當犧牲電流波形的基礎上，使功率因數可以達到或高於具有直流濾波電感的通用交直交變換器。隨後，陳希有等對雙電壓合成的交交矩陣變換器控制技術進行了兩點改進：一是實現無功功率的正負調節；二是改善了在非對稱輸入電壓情況下的輸入電流波形。2000年湘潭大學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，製作了實驗樣機。2004年清華大學孫凱等對矩陣變換器在電源異常時的運行性能進行了分析，製作了實驗樣機。他們的研究成果對交交矩陣變換器的分析與設計具有較大的指導意義。
分類
變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交—交變頻電源，其電路拓撲形式被提出，但直到1979年義大利學者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略後，其特點才為人們所關注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶閘管。採用這種器件組成矩陣式變換器，控制難度是很高的。矩陣式變換器的硬體特點是要求
大容量、高開關頻率、具有雙向阻斷能力和自關斷能力的功率器件，同時由於控制方案的複雜性，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體工藝和技術水平所難以達到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對主迴路的拓撲結構及雙向開關的實現，大多都處於理論研究階段，很少有面向工業實際的研究。高工作頻率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ，IGBT等不斷湧現，推動了矩陣式變換器控制策略的研究。
模數變換器
模數變換器包含第一傳輸電路，它接收輸入電壓與輸出時鐘信號，該時鐘信號相移，取決於輸入電壓，第二傳輸電路接收參考電壓與輸入時鐘信號，且輸出參考時鐘信號，該時鐘信號相移，取決於參考電壓，比較輸出時鐘信號與參考時鐘信號的比較器輸出一數據卡輸出信號。
直流-直流變換器
直流-直流變換器有三個電感、兩個電容、一個主開關和一個次開關、一個主整流器和一個次整流器以及一個具有一個初級繞組和一個次級繞組的變壓器。主開關和次開關按照控制信號交替地導通，電流流過變壓器的初級繞組，因此，轉移能量到次級繞組，一個主整流器和一個次整流器按照從初級繞組變換來的能量而動作，以獲得經過第三個電感器的固定電流，輸出固定直流電壓到負載。
高功率因數半橋式變換器
半橋式變換器有一個橋二極體單元來提供電流路徑，通過功率因數提高單元傳輸能量到電壓平滑電容器。電壓平滑電容器儲存由橋二極體單元所提供的能量。開關單元有兩個開關與電壓平滑電容器的兩端間串聯。其中功率因數提高單元供給開關的公共連線點電壓，構成轉換單元反饋到輸入電容器的公共連線點，為了依據輸入電壓值改變輸入電流。減少半橋式變換器在開關單元中的導通損耗提高輸入端的功率因數。
革新技術
人們發現，採用全控器件，不僅可以對輸入相移進行控制，還能對輸入電流波形進行控制。80年代末，矩陣式變換器問世了。早期的實驗裝置由於工作頻率不夠高及換流技術不完善，輸出頻率都很低，通常低於電網頻率，但突破以往交—交變換器的上限。隨著電力電子器件製造及套用技術的發展，矩陣式變換器的研製形成了一個熱點。構成雙向開關的單向開關間多步換流控制技術被推廣開來，裝置的性能得到了極大的提高，最高輸出頻率達到了電網頻率的2～3倍，輸入側電流波形畸變率小於2%，用於恆壓頻比、電流跟蹤及矢量控制等，取得了一定成果。與此同時，由於計算機軟、硬體的迅猛發展，在採用理論分析和實驗相結合的基礎上，更多地採用了仿真方法，以進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學者L.Huber 和美國教授D.Bdrojecvic提出的基於空間矢量調製的控制技術，並成功地研製出了2kW實驗樣機，台灣學者潘晴財基於電流滯環跟蹤和軟開關技術，提出了另一種實現方法。英國學者Watthanasarn 等基於DSP和IGBT硬體條件完成了2kW的實驗樣機。1997年英國學者P.Wheeler和D.Grant提出了一種對構成雙向開關的單向開關間切換實現四步換流的低開關損耗和最佳化輸入濾波器的矩陣式變換器仿真研究，並研製出了5kW的實驗裝置。
套用範圍
隨著電路電子技術的發展在不斷發展，世界範圍內已經形成實用化的產品。日本的安川電機（Yaskawa）推出了矩陣式變換器型高壓馬達用驅動裝置，其力率超過了0.95，而效率則達到了97%左右。它主要面向在大負荷下回饋電力較大的鋼鐵加工生產線。此外，還可套用於造紙、薄膜生產線的收卷機等存在長時間電力回饋的用途。鍋爐鼓風機等需要較高回響性能的用途也將存在相應的需求。
控制策略
直接變換法
直接變換法是通過對輸入電壓的連續斬波來合成“輸出電壓”的，它可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，所有這些方法雖各有一定的優越性，但也存在一定的問題，限制了它們的套用範圍。如標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與實測的輸出電流信號相比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態決定開關動作，它具有容易理解、實現簡單、回響快、魯棒性好等特點，但也有滯環電流共有的缺點：開關頻率不夠穩定、諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波等。
