單相單相矩陣式變換器(共37頁(yè))

1、杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE PAGE 32 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(shj)（2013屆）題 目單相單相矩陣式變換器學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電氣工程與自動(dòng)化班 級(jí)09063013學(xué) 號(hào)09061619學(xué)生姓名馮立科指導(dǎo)教師林偉杰完成日期2013年6月杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng) 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾(chngnu)：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文單相(dn xin)單相(dn xin)矩陣式變換器均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀(guān)點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日摘要(zhiyo)矩陣式變換器是一種(y zhn)新型的交交電源變換器，可以實(shí)現(xiàn)交

2、流電諸參數(shù)（相數(shù)、相位、幅值、頻率）的變換。和傳統(tǒng)的變換器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)；能夠四象限運(yùn)行；具有優(yōu)良的輸入電流波形和輸出電壓(diny)波形；可自由控制的功率因數(shù)。矩陣式變換器已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，并有著廣泛的應(yīng)用前景。本文講述了單相單相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了矩陣變換器的工作原理，詳細(xì)分析了矩陣變換器的單相和三相開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)制算法最后利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)設(shè)計(jì)的單相矩陣變換器的開(kāi)關(guān)函數(shù)算法進(jìn)行仿真研究。本文的研究主要在單相矩陣變換器的開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)制算法及計(jì)算機(jī)仿真上，通過(guò)理論研究和計(jì)算機(jī)仿真矩陣式變換器得出一些結(jié)論，為以后的研究奠定一

3、定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗鄦蜗嗑仃囀阶儞Q器；調(diào)制策略；雙向開(kāi)關(guān)；Matlab仿真AbstractMatrix converter is a new AC - AC power converter can be realized all AC parameters (number of phases, phase, amplitude, frequency) conversion. And traditional converter, it has the following advantages: no intermediate DC part of energy storage; capable

4、four-quadrant operation; has excellent input current waveform and the output voltage waveform; freely control the power factor. Matrix converter power electronics technology has become one of the hot and has a broad application prospects.This article describes the single-phase - single phase matrix

5、converter topologies derived matrix converter principle, a detailed analysis of the matrix converter, single phase and three phase switching function modulation algorithm. At last, MATLAB/Simulink software designed single-phase matrix converter switching function algorithm simulation.This study main

6、ly in the single-phase matrix converter switching function modulation algorithm and computer simulation, through theoretical studies and computer simulation matrix converter draw some conclusions for future research lay a foundation.Keywords: single-phase - single phase matrix converter; modulation

7、strategy; bidirectional switch; Matlab simulation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358023335 前言(qin yn) PAGEREF _Toc358023335 h 1 HYPERLINK l _Toc358023336 1 緒論(xln) PAGEREF _Toc358023336 h 2 HYPERLINK l _Toc358023337 1.1 矩陣式變換器的發(fā)展(fzhn)及應(yīng)用 PAGEREF _Toc358023337 h 2 HYPERLINK l _Toc358023338 1.1.1

8、 矩陣式變換器國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r PAGEREF _Toc358023338 h 2 HYPERLINK l _Toc358023339 1.1.2 矩陣式變換器國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r PAGEREF _Toc358023339 h 3 HYPERLINK l _Toc358023340 1.1.3單相矩陣式變換器的應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc358023340 h 3 HYPERLINK l _Toc358023341 1.2 矩陣式變換器的分類(lèi)及特點(diǎn) PAGEREF _Toc358023341 h 4 HYPERLINK l _Toc358023342 1.3 矩陣式變換器的調(diào)制策略 PAGEREF

9、 _Toc358023342 h 4 HYPERLINK l _Toc358023343 1.3.1 直接傳遞函數(shù)法（AV方法） PAGEREF _Toc358023343 h 4 HYPERLINK l _Toc358023344 1.3.2 間接空間矢量調(diào)制法 PAGEREF _Toc358023344 h 5 HYPERLINK l _Toc358023345 1.3.3 電流控制法 PAGEREF _Toc358023345 h 5 HYPERLINK l _Toc358023346 1.3.4諧波注入法 PAGEREF _Toc358023346 h 5 HYPERLINK l _T

10、oc358023347 1.4 課題的研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc358023347 h 5 HYPERLINK l _Toc358023348 2 矩陣式變換器的基本原理 PAGEREF _Toc358023348 h 7 HYPERLINK l _Toc358023349 2.1單相單相矩陣式變換器基本拓?fù)?PAGEREF _Toc358023349 h 7 HYPERLINK l _Toc358023350 2.2矩陣式變換器的開(kāi)關(guān)構(gòu)成 PAGEREF _Toc358023350 h 8 HYPERLINK l _Toc358023351 2.3 雙向開(kāi)關(guān)換流控制策略的基本原理 P

11、AGEREF _Toc358023351 h 10 HYPERLINK l _Toc358023352 2.3.1 四步換流策略的基本過(guò)程 PAGEREF _Toc358023352 h 10 HYPERLINK l _Toc358023353 2.3.2 四步換流策略的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc358023353 h 11 HYPERLINK l _Toc358023354 3 單相單相矩陣式變換器的電壓傳遞函數(shù) PAGEREF _Toc358023354 h 12 HYPERLINK l _Toc358023355 3.1 調(diào)制策略的選擇 PAGEREF _Toc358023355 h

12、 12 HYPERLINK l _Toc358023356 3.2 三相矩陣式的直接傳遞函數(shù)法 PAGEREF _Toc358023356 h 12 HYPERLINK l _Toc358023357 3.3單相單相矩陣式變換器的直接傳遞函數(shù)法 PAGEREF _Toc358023357 h 19 HYPERLINK l _Toc358023358 4 矩陣式變換器主電路設(shè)計(jì)及仿真研究 PAGEREF _Toc358023358 h 21 HYPERLINK l _Toc358023359 4.1 Matlab/Simulink PAGEREF _Toc358023359 h 21 HYPER

13、LINK l _Toc358023360 4.2 單相單相矩陣式變換器的仿真模型 PAGEREF _Toc358023360 h 22 HYPERLINK l _Toc358023361 4.2.1單相單相矩陣式變換器仿真主電路 PAGEREF _Toc358023361 h 22 HYPERLINK l _Toc358023362 4.2.2 單相單相仿真模型控制部分 PAGEREF _Toc358023362 h 24 HYPERLINK l _Toc358023363 4.3 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc358023363 h 24 HYPERLINK l _Toc35802336

14、4 總結(jié) PAGEREF _Toc358023364 h 26 HYPERLINK l _Toc358023365 致謝 PAGEREF _Toc358023365 h 27 HYPERLINK l _Toc358023366 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358023366 h 28前言隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，矩陣式變換器的性能被充分的體現(xiàn)出來(lái)(ch li)。由于具有性能優(yōu)良的潛在優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越引起人們的重視，特別是它具有本身不產(chǎn)生諧波污染、能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰?。在日益關(guān)注可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題、大力推進(jìn)電力環(huán)保、綠色電源的今天，研究與開(kāi)發(fā)矩陣式變換器特別具有現(xiàn)實(shí)意義。矩陣式

15、變換器是采用電力電子器件(din z q jin)按照一定電路拓?fù)錁?gòu)成的交-交電力變換器，是通過(guò)電子器件將一種形式的電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的電能的設(shè)備，是弱電控制強(qiáng)電的典范。如整流器、逆變器、變頻器等各種電力變換器已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及日常生活等領(lǐng)域發(fā)揮(fhu)巨大的作用，成為許多工業(yè)設(shè)備和家用電器中不可或缺的重要組成部分。交-交變頻傳動(dòng)作為一種在大功率低速范圍內(nèi)被廣泛采用的交流調(diào)速方案，在軋機(jī)、礦山卷?yè)P(yáng)、船舶推進(jìn)、車(chē)輛牽引等方面取代直流調(diào)速。盡管高性能交-直-交型變頻裝置的研發(fā)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并已有成熟的產(chǎn)品在市場(chǎng)上出現(xiàn)，但是，隨著工業(yè)電氣自動(dòng)化的不斷進(jìn)步，以及節(jié)能和環(huán)保的要求的提

16、高，目前占主導(dǎo)地位的交-直-交型PWM變頻器仍有許多方面存在不足：首先，交-直-交型PWM變頻器均含有大電容或大電感作為儲(chǔ)能元件，體積大，重量重，造成了變頻裝置安裝和使用的不便、不易于維護(hù)，尤其是大電解電容的電解液的揮發(fā)，嚴(yán)重影響了變頻器的使用壽命；其次，大部分交-直-交型變頻器的整流側(cè)采用二極管全橋整流，使得輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重。傳統(tǒng)的三相交-交變頻器和交-直-交變頻器相比，采用電網(wǎng)自然換流，只需一次換流就可以實(shí)現(xiàn)變頻，換流效率高，可以方便的實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，而且低頻輸出波形接近于正弦波。然而，這種交-交變頻電流也存在著諸多缺點(diǎn)：使用晶閘管較多，接線(xiàn)復(fù)雜；輸出頻率范圍窄，只能

17、為電網(wǎng)頻率的三分之一到二分之一；由于采用相控整流，功率因數(shù)低。因此，傳統(tǒng)的交-交變頻電路只能用于大容量低速重載調(diào)速場(chǎng)合，如碎礦機(jī)、水泥球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、礦機(jī)提升機(jī)和軋機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)中。矩陣式變頻器由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，矩陣變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是：提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的頻率，最高可達(dá)到200Hz；抑制輸入輸出側(cè)諧波，使得輸入側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.99以上。矩陣式變換器以其簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及諸多誘人的特性，已經(jīng)被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前途的電力變換器。由于矩陣式變換器的研究目前較多集中于三相變頻上，但是目前偏遠(yuǎn)地區(qū)、小型工業(yè)部和家庭(jitng)等小容量電力用戶(hù)，基本采用單相供電：甚至在軌道交通的電力牽引中也采用單相供電

18、。因此，單相電力電子變換也是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。1 緒論(xln)1.1 矩陣式變換器的發(fā)展(fzhn)及應(yīng)用目前(mqin)，交-交矩陣變換器逐漸發(fā)展成為變頻技術(shù)研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用前景好。 在提倡綠色(l s)能源的今天，研究和開(kāi)發(fā)矩陣變換器具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，因此有些學(xué)者認(rèn)為矩陣式變頻器一定會(huì)成為未來(lái)最有發(fā)展前途的電力環(huán)保產(chǎn)品。1.1.1 矩陣式變換器國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r矩陣式變換器的概念最早由L.Gyugi和B.Pelly于1976年提出，但直到1980年M.Venturini和A.Afesina首次開(kāi)發(fā)出了矩陣式變換器的樣機(jī)，并提出了“低頻調(diào)制矩陣”的概念和“直接傳遞函數(shù)”調(diào)制方法，促進(jìn)了矩陣式

19、變換器的迅速發(fā)展。發(fā)展到80年代，J.Rordriguez于1983年提出了基于“虛擬直流環(huán)節(jié)”概念的矩陣式變換器的控制方法，利用傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)對(duì)雙向開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳動(dòng)和反饋，這種方法也被稱(chēng)為“間接傳遞函數(shù)”方法。M.Braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）應(yīng)用于矩陣式變換器控制方法。在上述研究基礎(chǔ)上，L.Huber和D.borojevic于1989-1995年間將上述“簡(jiǎn)介傳遞函數(shù)”方法和空間矢量脈寬調(diào)制的概念用于矩陣式變換器的控制，分別對(duì)“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”進(jìn)行調(diào)制，再將兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行合成，從而

20、實(shí)現(xiàn)正弦的輸入、輸出波形以及可控的輸入功率因數(shù)。為了解決矩陣式變換器換流困難問(wèn)題，N.Burany于1989年首次提出了四部換流方式，有效的避免了換流過(guò)程中的短路和斷路故障，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的安全換流。進(jìn)入90年代，隨著電力電子器件及微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，矩陣式變換器的研制出現(xiàn)了新的高潮。南斯拉夫?qū)W者L. Huber和美國(guó)學(xué)者D.Borojevic提出的基于空間矢量調(diào)制的控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上成功地研制出了2KW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。以此同時(shí)，臺(tái)灣學(xué)者潘晴財(cái)利用電流滯環(huán)跟蹤和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，提出了另一種實(shí)現(xiàn)方法。1996年Watthanasam等基于DSP和IGBT硬件成功的研制出了2KW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。19

21、97年英國(guó)學(xué)者P.Wheeler和D.Grant利用四步換流技術(shù)降低了了矩陣式變換器中各個(gè)單相開(kāi)關(guān)之間的低開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)優(yōu)化矩陣變換器輸入濾波器的仿真研究，并研制出了5KW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。A. Ishiguro和T.Furuhashi提出了輸入雙線(xiàn)電壓瞬時(shí)值法，其調(diào)制原理為任一時(shí)刻兩個(gè)輸入線(xiàn)電壓合成輸出電壓，從理論分析可以得知：當(dāng)輸入電流不對(duì)稱(chēng)或含有高次諧波時(shí)，控制函數(shù)可以自動(dòng)修正。正因?yàn)槿绱?，它特別適用于某些電網(wǎng)不夠穩(wěn)定的場(chǎng)合。另外，矩陣變換器應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)的研究同樣也取得了顯著的成績(jī)。進(jìn)入(jnr)20世紀(jì)，由于電力電子器件技術(shù)的發(fā)展(fzhn)，矩陣式變換器的實(shí)用化進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

22、德國(guó)西門(mén)子公司在2001年提出了一整套適用(shyng)于工業(yè)傳動(dòng)控制領(lǐng)域的矩陣式變換器解決方案。2004年4月，在漢諾威國(guó)際展覽會(huì)上，日本安川公司展示了即將生產(chǎn)的矩陣變換器原型并在2005年在日本市場(chǎng)上上市。馬來(lái)西亞工藝大學(xué)的Zahirrudin Idris等在提出了單相矩陣式變換器的換流策略,為單相單相矩陣式變換器的研究做出了很大的貢獻(xiàn)。1.1.2 矩陣式變換器國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r在國(guó)內(nèi)，矩陣式變換器方面的研究開(kāi)始得較晚，但已成為電力電子學(xué)科中一個(gè)重要的熱點(diǎn)課題。90年代末，上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位先后在不同的基金贊助下，開(kāi)展了這方面的研究工作，并達(dá)到了一定的水平。1998年，上海大學(xué)基于空

23、間矢量原理和80C196KC單片機(jī)研制成功了用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)的矩陣式變換器實(shí)驗(yàn)裝置。2000年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳學(xué)允、陳希有等建立了矩陣式變換器的電路分析的等效電路，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。2001年，華中科技大學(xué)也提出了一種新型的三相-三相的矩陣式變換器。2002年，浙江大學(xué)提出了矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電方面的應(yīng)用。2003年，湘潭大學(xué)朱建林等開(kāi)始研究提高矩陣式變換器電壓傳輸比。2004年，清華大學(xué)黃立培課題組實(shí)現(xiàn)了基于矩陣變換器的異步電機(jī)矢量控制，西安交通大學(xué)提出了一種新型多電平矩陣變化器。2005年，浙江大學(xué)提出的矩陣變換器系統(tǒng)集成技術(shù)填補(bǔ)了

24、我國(guó)矩陣變換器系統(tǒng)集成研究的空白。他們的成果對(duì)矩陣式變換器的分析和設(shè)計(jì)具有較大的指導(dǎo)意義。2007華東交通大學(xué)的王建華的研究對(duì)單相單相矩陣式變化器的發(fā)展具有很大意義。1.1.3單相矩陣式變換器的應(yīng)用前景矩陣變頻器由于具有輸入電流為正弦量、雙向功率流動(dòng)、輸入功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)越性能，其應(yīng)用研究與前景可以概括為以下幾個(gè)方面：（1）應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較低的傳動(dòng)系統(tǒng)矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，在輸出頻率較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出電壓不足的現(xiàn)象，不太適合調(diào)速范圍較高的場(chǎng)合；它不需要更換電解電容，因而可以在低頻大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間可靠工作；（2）作為電源產(chǎn)品與目前的電源產(chǎn)品相比，矩陣變換器有一定的優(yōu)越性，如功率

25、因數(shù)高，無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長(zhǎng)，因此矩陣變換器的研究有良好的市場(chǎng)前景；（3）用于高壓大功率變換的場(chǎng)合，可以將矩陣式變換器串聯(lián)使用，達(dá)到高壓大功率輸出的目的； （4）用于功率因數(shù)校正，由于矩陣式變換器的輸入(shr)功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，其調(diào)制策略和實(shí)現(xiàn)技術(shù)在某些場(chǎng)合可以用于校正電路的功率因數(shù)。它還可以作為一種通用的電力變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)提高電網(wǎng)利用率。1.2 矩陣式變換器的分類(lèi)(fn li)及特點(diǎn)矩陣(j zhn)變換器包括M相N相變換的各類(lèi)拓?fù)洌壳把芯枯^多的有間接型三相三相矩陣式變換器、三相單相矩陣式變換器、單相單相矩陣式變換器等。間接型三相三相矩

26、陣式變換器由整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路兩部分組成，與傳統(tǒng)的交-直交型變換器不同的是，中間環(huán)節(jié)不采用電容或電感等直流儲(chǔ)能元件，三相單相矩陣式變換器是指輸入側(cè)為三相交流電，而輸出側(cè)為單相負(fù)載的矩陣式電路拓?fù)?，分為帶中線(xiàn)式和不帶中線(xiàn)式兩種形式。單相-單相矩陣式變換器是指輸入側(cè)為單相交流電，而輸出側(cè)也為單相負(fù)載的矩陣式電路拓?fù)?。本文研究的是單相單相矩陣式變換器，是由4個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)均具有雙向?qū)ê碗p向關(guān)斷的功能，通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，單相交流輸入中的任意一相可以直接連接至單相交流輸出中的任意一相。 由于矩陣變換器的自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)交流電力變換裝置的特性：無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，

27、能量直接傳遞，傳輸效率高；可獲得正弦波的輸入電流和輸出電壓，波形失真度??；輸入功率因數(shù)可在正負(fù)之間任意調(diào)節(jié)，可以不產(chǎn)生無(wú)功功率或?qū)﹄娋W(wǎng)起到一定的無(wú)功補(bǔ)償作用，且與負(fù)載功率因數(shù)無(wú)關(guān)；能量可雙向傳遞，適合四象限運(yùn)行的交流傳動(dòng)系統(tǒng)；控制自由度大，與相控式交交變頻相比，輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；采用不同的控制算法，同一矩陣式變換器裝置可實(shí)現(xiàn)整流、逆變、變頻等功能。但是矩陣變換器技術(shù)仍存在一系列問(wèn)題亟待解決：（1）由于矩陣變換器的電壓利用率較低，其最大值只有0.866，如果要得到更高的電壓利用率，必須在輸出波形中注入諧波成分，從而必然會(huì)降低輸出波形質(zhì)量也會(huì)影響輸入側(cè)的電能質(zhì)量；（2）單相單相矩陣式

28、變換器包含開(kāi)關(guān)較多，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，使得調(diào)制方法和換流控制都很繁瑣，導(dǎo)致了穩(wěn)定性和可靠性仍不理想；（3）矩陣式變換器由于不具備直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，負(fù)載側(cè)的干擾可以直接反映到輸入側(cè)。1.3 矩陣式變換器的調(diào)制(tiozh)策略由于矩陣式變換器包含開(kāi)關(guān)較多，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，控制繁瑣，因此在矩陣式變換器的實(shí)際應(yīng)用中，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略，并將其加以實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。到目前為止，已經(jīng)提出(t ch)并實(shí)現(xiàn)了直接傳遞函數(shù)法、空間矢量調(diào)制法、電流(dinli)控制法等多種調(diào)制方法，取得了較理想的控制效果。1.3.1 直接傳遞函數(shù)法（AV方法）1980年M.V.enturini和A.A

29、lesina首次系統(tǒng)的提出了矩陣式變換器低頻特性的數(shù)學(xué)分析，并且提出了一種矩陣式變換器的調(diào)制算法，被稱(chēng)為“直接傳遞函數(shù)”方法。在這種方法中，將矩陣式變換器視為一個(gè)33開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣式，變換器的輸出電壓由輸入電壓和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣相乘而得到。輸入電流由輸出電流和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)制相乘得到。通過(guò)直接計(jì)算矩陣中每個(gè)元素S的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)間m,(i=1,2,3;j=1,2,3),實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓幅值，頻率和輸入電流的調(diào)制。1.3.2 間接空間矢量調(diào)制法間接傳遞函數(shù)方法是將矩陣式變換器在理論上等效為一個(gè)整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)分別應(yīng)用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對(duì)雙向開(kāi)關(guān)進(jìn)

30、行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和回饋。間接空間矢量調(diào)制法就是將間接傳遞函數(shù)方法和空間矢量脈寬調(diào)制的概念用于矩陣式變換器的控制，分別對(duì)“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”進(jìn)行脈寬調(diào)制，并將兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行合成，從而實(shí)現(xiàn)正弦的輸入、輸出波形以及可控的輸入功率因素。1.3.3 電流控制法電流控制法以變換器輸出電流作為控制目標(biāo)，主要采用滯環(huán)電流跟蹤的方法。這種方法將三相輸出電流信號(hào)與實(shí)測(cè)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(kāi)關(guān)電源狀態(tài)決定開(kāi)關(guān)動(dòng)作。它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、相應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是也有滯環(huán)電流跟蹤控制共有的缺點(diǎn)，開(kāi)關(guān)頻率不夠穩(wěn)定，諧波隨機(jī)分布，不易濾波等。1.3.4諧波注入法 Venturini法矩

31、陣式變換器的電壓傳輸比偏低，為了提高電壓增益M.Venturini和A.Alesina又提出了兩種諧波注入式控制策略，通過(guò)在輸出電壓中注入零序諧波分量使得輸出電壓的正負(fù)極值隨著輸入電壓的包絡(luò)線(xiàn)變化而變化并在任何時(shí)刻始終位于輸入電壓包絡(luò)線(xiàn)之內(nèi)。諧波注入法的電壓增益可以達(dá)到理論上的最大值0.866，輸入功率因數(shù)角也可在負(fù)載功率因數(shù)角的正負(fù)范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)。但它的計(jì)算量更大，開(kāi)關(guān)狀態(tài)復(fù)雜，因而對(duì)控制系統(tǒng)要求很高。1.4 課題的研究?jī)?nèi)容矩陣變換器的基本元件為雙向開(kāi)關(guān)，它的控制邏輯比較復(fù)雜，這給它的數(shù)學(xué)解析帶來(lái)了很大的困難，前人的研究雖然積累了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但仍有相?dāng)多的問(wèn)題有待解決：在自動(dòng)控

32、制和電力電子諸多領(lǐng)域，還有不少與矩陣變換有關(guān)(yugun)的理論未曾涉及或尚未深入研究，理論體系也不盡完善。對(duì)于矩陣變換器應(yīng)用范圍的認(rèn)識(shí)還比較單一，矩陣式變換器的研究目前較多的集中于三相電變頻，所以本文從三相矩陣式變換器開(kāi)始著手(zhushu)，三相矩陣式和單相矩陣式變換器有相通性。文中的調(diào)制策略、拓?fù)?tu p)結(jié)構(gòu)、仿真模型和實(shí)驗(yàn)裝置圍繞著單相單相矩陣式變換器進(jìn)行。由于目前偏遠(yuǎn)地區(qū)、小型工業(yè)部門(mén)和家庭等小容量電力用戶(hù)，基本采用單相供電，甚至在軌道交通的電力牽引中也采用單相供電，所以對(duì)單相電力電子變換的研究也具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。為了進(jìn)一步研究矩陣變換器的控制策略，并為矩陣變換器產(chǎn)品化提供理論

33、支持和實(shí)現(xiàn)方法，本文做了如下工作：（1）對(duì)矩陣變換器的理論基礎(chǔ)進(jìn)行闡述，并分別推導(dǎo)了Venturini法在三相三相矩陣式變換器和單相單相控制變換器中的控制算法（2）構(gòu)建了單相矩陣變換器的主電路和控制系統(tǒng)，在控制理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)矩陣變換器進(jìn)行Matlab仿真研究，并且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析；（3）提出今后有待于進(jìn)一步解決的問(wèn)題。本文從理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)和電路設(shè)計(jì)三方面對(duì)矩陣變換器的原理、控制策略、進(jìn)行了研究，并得出了一些有意義的結(jié)論，為這一新型“萬(wàn)能”變頻器實(shí)用系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。2 矩陣式變換器的基本原理2.1單相(dn xin)單相(dn xin)矩陣式變換器基本(jbn)拓?fù)渥?/p>

34、為一種新穎的電力變換器，從理論上來(lái)講，矩陣式變換器可以被定義為一種將輸入頻率為的N相交流電，轉(zhuǎn)換成輸出頻率為的M相交流電的電力變換器。由于小容量電力用戶(hù)多采用單相供電，因而單相AC-AC矩陣式變換器的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。單相矩陣式變換器由單相電源供電，而且作為負(fù)載的交流電動(dòng)機(jī)也為單相形式。如圖2.1所示，該電路拓?fù)浒?2共4個(gè)雙向開(kāi)關(guān)Sij(i=1，2；j=1，2)，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)都具有雙向?qū)ê碗p向關(guān)斷的能力。通過(guò)這4個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，單相交流輸入中的任意一相可以連接至單相交流輸出中的任意一相，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的電壓和頻率的變換，從而向負(fù)載提供幅值和頻率可調(diào)的電壓和電流。負(fù)載S

35、22圖2.1 單相單相矩陣式變換器基本拓?fù)鋱D矩陣變換器的輸入側(cè)為單相電壓源，而輸出側(cè)為單相感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)等設(shè)備）可等效為單相電流源。因此，根據(jù)電壓源和電流源特性，矩陣式變換器在工作過(guò)程中必須遵循兩個(gè)基本原則：（1）矩陣變換器單相輸入端中的任意兩相之間不能短路，避免電壓源短路造成過(guò)電流；（2）矩陣變換器單相輸出端中的兩相電路間不能斷路，避免感性負(fù)載突然斷路而產(chǎn)生過(guò)電壓。定義(dngy)開(kāi)關(guān)函數(shù)：根據(jù)上述矩陣(j zhn)變換器安全運(yùn)行的兩個(gè)基本原則，在運(yùn)行過(guò)程中的某一個(gè)時(shí)刻，連接到同一相輸出的兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)(kigun)中，有且只有一個(gè)開(kāi)關(guān)可以導(dǎo)通，而另外一個(gè)開(kāi)關(guān)必須關(guān)斷，用開(kāi)關(guān)函數(shù)表示：S，

36、。能滿(mǎn)足矩陣變換器安全運(yùn)行的開(kāi)關(guān)組合共有4種。假設(shè)輸入電壓是v，輸出電壓是v，“1”表示開(kāi)關(guān)時(shí)導(dǎo)通的，“0”表示開(kāi)關(guān)時(shí)斷開(kāi)的。如下表2.1所示表2.1 單相單相矩陣式變換器開(kāi)關(guān)組合輸入電壓vSSSS輸出電壓v1v1100v2v0011- v3v101004v010105v1001不存在6v0110不存在2.2矩陣式變換器的開(kāi)關(guān)構(gòu)成單相單相矩陣式變換器是一種直接AC/AC變換器，由4個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，它能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞。因此變換器中的開(kāi)關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)承受的電壓可能是正向的也可能是反向的，同樣在導(dǎo)通狀態(tài)下，流過(guò)的電流既可能為正也可能為負(fù)，因此必須采用雙向開(kāi)關(guān)。所謂雙向開(kāi)關(guān)，是指在導(dǎo)通時(shí)能流過(guò)

37、雙向電流，關(guān)斷時(shí)能阻斷雙向電壓，且具有自關(guān)斷能力的器件，這樣的雙向開(kāi)關(guān)又被稱(chēng)作四象限開(kāi)關(guān)。但是受制造工藝，成本等因素的限制，目前尚未成熟的雙向開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，因而只能采用單向開(kāi)關(guān)和二極管復(fù)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向開(kāi)關(guān)。這也是矩陣式變換器雖然早已問(wèn)世，但至今未能推廣應(yīng)用的原因之一。目前在研究中，通常使用分立的電力電子器件IGBT和二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的雙向開(kāi)關(guān)，常有的組合雙向開(kāi)關(guān)主要有四種形式，即由一個(gè)IGBT和四個(gè)二極管組合成的橋式雙向開(kāi)關(guān)、IGBT和二極管組合成的并聯(lián)型雙向開(kāi)關(guān)、共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開(kāi)關(guān)、共集電極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開(kāi)關(guān)和能實(shí)現(xiàn)零電壓。(a) 橋式組合(zh)雙向開(kāi)

38、關(guān) (b) 并聯(lián)(bnglin)型雙向開(kāi)關(guān)(c) 共發(fā)射極組合(zh)雙向開(kāi)關(guān) (d) 共集電極組合雙向開(kāi)關(guān)圖2.2矩陣式變換器雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成圖2.2（a）所示的二極管橋式雙向開(kāi)關(guān)由一個(gè)位于中間的普通IGBT和4個(gè)快恢復(fù)二極管組成。這種構(gòu)成方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)中僅包含一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，使得整個(gè)矩陣式變換器僅包括4個(gè)IGBT，可以降低電路成本。但這種方法存在嚴(yán)重的不足之處，由于在電流流通過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)3個(gè)開(kāi)關(guān)器件，必然造成開(kāi)關(guān)器件損耗的增大，而且這種雙向開(kāi)關(guān)中的電流方向很難控制。因此，在實(shí)際的矩陣式變換器開(kāi)發(fā)中，很少采用二極管橋這種方式。圖2.2（b）所示的普通IGBT共射極式雙向開(kāi)關(guān)由兩

39、個(gè)帶有反并聯(lián)快恢復(fù)二極管IGBT連接而成。兩個(gè)IGBT的射極連接到一起，而兩個(gè)集電極則分別與輸入側(cè)和輸出側(cè)相連。由于普通IGBT不能承受較大的反向電壓，因此需要兩個(gè)快恢復(fù)二極管為雙向開(kāi)關(guān)提供反向阻斷能力。相對(duì)于二極管橋式雙向開(kāi)關(guān)，這種構(gòu)成方式具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是可以獨(dú)立地控制電流方向；二是由于電流只經(jīng)過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗可以隨之減小。但是，這種雙向開(kāi)關(guān)也存在缺點(diǎn)，由于兩個(gè)IGBT的射極被連接到一起，因此每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)都需要至少一個(gè)隔離電源為驅(qū)動(dòng)電路供電，整個(gè)矩陣式變換器則需要4個(gè)驅(qū)動(dòng)用隔離電源。圖2.2（c）所示的普通IGBT共集式雙向開(kāi)關(guān)相對(duì)于前兩種構(gòu)成方式，不但具有器件導(dǎo)通

40、損耗小、電流方向易控制等優(yōu)點(diǎn)，而且(r qi)可以減少驅(qū)動(dòng)電路隔離電源的數(shù)量，因?yàn)槿齻€(gè)射極相連的IGBT可以共用1個(gè)隔離電源為驅(qū)動(dòng)信號(hào)供電，因此整個(gè)矩陣式變換器只需要3個(gè)隔離電源。因此這種雙向開(kāi)關(guān)(kigun)的構(gòu)成方式也得到了比較廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，具有承受較大反向電壓(diny)能力的新型電力電子器件逆阻式IGBT（RB-IGBT）被越來(lái)越多地應(yīng)用到各種電力變換器中，其中矩陣式變換器是最主要的一個(gè)方向。逆阻式IGBT的出現(xiàn)解決了普通IGBT不能反向截止的問(wèn)題，使得雙向開(kāi)關(guān)可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，省去了兩個(gè)快恢復(fù)二極管，如圖2.2d所示。同共集電極式結(jié)構(gòu)相同，采用逆阻式IGBT雙向開(kāi)關(guān)的

41、矩陣式變換器也僅需3個(gè)隔離電源。而且單個(gè)RB-IGBT的功率損耗略大于普通IGBT，但根據(jù)測(cè)試，由于RB-IGBT組成的雙向開(kāi)關(guān)總功率損耗小于由普通IGBT構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)。因此，采用逆阻式IGBT作為開(kāi)關(guān)器件是矩陣式變換器未來(lái)發(fā)展的方向。 本文采用的共集電極型雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)和兩個(gè)快速二極管組成共集電極模式的雙向開(kāi)關(guān)，如圖2.3所示。圖2.3 雙向開(kāi)關(guān)矩陣2.3 雙向開(kāi)關(guān)換流控制策略的基本原理 在矩陣式變換器的電路中，由于沒(méi)有電流的的自然續(xù)流通路，使得開(kāi)關(guān)器件之間的換流比傳統(tǒng)的交直交型PWM變頻器困難許多。而且，矩陣式變換器的換流控制，必須嚴(yán)格遵守兩個(gè)基本原則，即要

42、保證在運(yùn)行過(guò)程中，輸入側(cè)電路沒(méi)有短路，輸出側(cè)電路沒(méi)有斷路。2.3.1 四步換流策略的基本過(guò)程為了確保矩陣式變換器的安全工作，雙向開(kāi)關(guān)之間的換流需要采用(ciyng)多步換流策略。下面就四步換流策略進(jìn)行詳細(xì)的介紹。UaUbSAa1SAb1SAb2圖2.4 連接至同一相輸出的兩個(gè)(lin )雙向開(kāi)關(guān)傳統(tǒng)的基于輸出電流方向檢測(cè)的四步換流策略目前已得到了廣泛(gungfn)的應(yīng)用，具體的換流步驟如圖2.4所示，如果電流由變換器流向負(fù)載側(cè)則電流信號(hào)為S=1，反之則為S=0。表2.2列出了電流方向與換流實(shí)現(xiàn)方法。表2.2 四步換流開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)閉狀態(tài)直觀(guān)表信號(hào)方向換流步驟S12341關(guān)斷SAa1開(kāi)通SAb2

43、關(guān)斷SAa2開(kāi)通SAb10關(guān)斷SAa2開(kāi)通SAb1關(guān)斷SAa1開(kāi)通SAb2由表2.2可分析出，當(dāng)S=1，第二步后，由于SAa2和SAb2都已經(jīng)導(dǎo)通，當(dāng)UbUa時(shí)，負(fù)載電流將立即從SAa2 轉(zhuǎn)移到SAb2，反之則由于SAa2依舊導(dǎo)通，電流仍然流過(guò)SAa2則換流不成功。因此換流過(guò)程中必須使得UbUa，且適當(dāng)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷。2.3.2 四步換流策略的實(shí)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)四步換流策略的過(guò)程中，檢測(cè)矩陣式變換器輸出電流方向的方法主要有以下三種：（1）采用霍爾傳感器或電流互感器等電流測(cè)量元件：優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是在電流值較小時(shí)容易出現(xiàn)測(cè)量誤差；（2）在主電路輸出線(xiàn)上串聯(lián)一對(duì)反并聯(lián)的二極管：優(yōu)點(diǎn)是檢

44、測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，但會(huì)使變換器的功率損耗增大，可靠性降低；（3）檢測(cè)(jin c)RB-IGBT上管壓降:優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果(ji gu)非常準(zhǔn)確，但需對(duì)4個(gè)RB-IGBT均安裝(nzhung)管降壓檢測(cè)電路，并增加邏輯電路，以判斷實(shí)際電流方向，因而電路復(fù)雜，成本較高。目前，在矩陣式變換器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，檢測(cè)輸出電流方向一般采用方法1或者方法2。對(duì)于四步換流策略，在換流過(guò)程中，應(yīng)鎖存獲取的輸出電流方向信息，以避免換流步驟出錯(cuò)。這樣矩陣式變換器基本可以正常運(yùn)行起來(lái)。3 單相單相矩陣式變換器的電壓傳遞函數(shù)3.1 調(diào)制策略(cl)的選擇矩陣式變換的結(jié)構(gòu)確定以后(yhu)，矩陣式變換器的性能指標(biāo)、效率、特性和

45、控制難度一般取決于調(diào)制策略(cl)的選擇。目前矩陣式變換器的調(diào)制策略一般有4中，在1.3矩陣式變換的控制策略中已經(jīng)提過(guò)。下面分析幾種調(diào)制方法的特點(diǎn)，來(lái)確定單相單相矩陣式變換器的控制策略。間接變換法是目前在三相矩陣變換器中研究較多也較為成熟的一種控制策略，但卻不適合單相矩陣變換器。主要原因是單相電不能構(gòu)成空間旋轉(zhuǎn)矢量，它只能表達(dá)為單向脈沖矢量，因此無(wú)法像三相電的矩陣變換器中用兩個(gè)方向和大小不同的按一定規(guī)律變化的空間矢量來(lái)表示；相應(yīng)的從空間矢量法生成的27種開(kāi)關(guān)組合在單相中減少到3種組合，失去了空間矢量法的控制特性，因此這種控制策略不適合單相矩陣變換器。直接傳遞函數(shù)變換法是通過(guò)對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波

46、來(lái)合成“輸出電壓”,這種方法比較適合單相單相矩陣式變換器的控制要求。所以本論文使用直接傳遞函數(shù)變換法。單相單相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理可以基于研究較多的三相矩陣變換器的基礎(chǔ)上得來(lái)，所以在介紹單相矩陣變換器之前，首先來(lái)分析下三相三相矩陣式變化器的直接傳遞函數(shù)。3.2 三相矩陣式的直接傳遞函數(shù)法直接傳遞函數(shù)法是1990年M.Venturini和A.Alesina首次系統(tǒng)地給出的矩陣式變換器的調(diào)制方法。通過(guò)對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波來(lái)合成“輸出電壓”。最初的電壓傳輸比只有0.5，隨后又通過(guò)在輸入和輸出電壓中注入高次諧波實(shí)現(xiàn)矩陣式變換器的最大傳輸比0.866。這種方法可以對(duì)輸入和輸出各個(gè)要素進(jìn)行調(diào)節(jié)，

47、控制較為靈活。開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)制是將矩陣式變換器視為一個(gè)33開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣，變換器的輸出電壓由輸入電壓和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣相乘得到，輸入電流由輸出電流和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置相乘而得到。通過(guò)計(jì)算矩陣中每個(gè)元素Sij的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓幅值、頻率和輸入電流的調(diào)制。在對(duì)矩陣變換器開(kāi)關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析之前，首先對(duì)一些用到的變量進(jìn)行定義，設(shè)三相對(duì)稱(chēng)輸入相電壓和輸出相電流分別為：開(kāi)關(guān)函數(shù)調(diào)制是將矩陣式變換器視為一個(gè)33開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣，變換器的輸出電壓由輸入電壓和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣相乘得到，輸入電流由輸出電流和開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置相乘而得到。通過(guò)計(jì)算矩陣中每個(gè)元素Sij的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓幅值、頻率和輸入電流的調(diào)制。

48、在對(duì)矩陣變換器開(kāi)關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析之前，首先對(duì)一些用到的變量進(jìn)行定義，設(shè)三相對(duì)稱(chēng)輸入相電壓和輸出相電流分別為： （3-1） （3-2）三相(sn xin)期望輸出相電壓和輸入相電流分別為： （3-3） （3-4）其中(qzhng)和分別為輸入(shr)、輸出相電壓的幅值，和分別為輸入、輸出相電流的幅值，和分別為輸入、輸出角頻率， 為輸入功率因數(shù)角，為輸出相位角。三相交交型矩陣變換器可看成一個(gè)六端口網(wǎng)絡(luò)，其中三個(gè)為輸入端口，三個(gè)為輸出端口。原則上，對(duì)于任意一組輸入電壓，可按一定的調(diào)制規(guī)則控制開(kāi)關(guān)矩陣中的九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，從而在其輸出端合成所需的一組輸出電壓。該變換過(guò)程可用一開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)矩陣表示。 （3-

49、5） （3-6）令三相-三相矩陣變換器的低頻開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣為： （3-7）矩陣中每個(gè)元素代表了矩陣變換器主電路中對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)占空比，反映了矩陣變換器的控制方法。矩陣變換器的開(kāi)關(guān)控制策略一般包括開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)矩陣的確定、的實(shí)現(xiàn)及安全換流的獲得。對(duì)于不同的及其實(shí)現(xiàn)，可產(chǎn)生不同的開(kāi)關(guān)控制策略。對(duì)于的確定，目前大致可分為兩種：一種是直接法，即根據(jù)輸入、輸出電壓的關(guān)系直接構(gòu)造出；另一種是虛擬整流法，即先對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流，得到一般的虛擬的直流環(huán)節(jié)，再“逆變”為所需的交流輸出電壓。該種方法的是由“整流”部分和“逆變”部分合成的。下面將分別介紹這兩種方法。開(kāi)關(guān)(kigun)函數(shù)的直接變換法是根據(jù)輸入、輸出電壓

50、的關(guān)系直接(zhji)構(gòu)造出開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣。把式(3-1)和(3-7)代入式(3-5)得： （3-8）得到(d do)： （3-9）展開(kāi)式（3-9）可得： （3-10）三角函數(shù)公式： （3-11）設(shè)為理想的開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)矩陣，利用（3-11）可構(gòu)造傳遞函數(shù) （3-12）其中 由式（3-10）可以(ky)看出，該方程有10個(gè)未知數(shù)，而方程(fngchng)數(shù)只有3個(gè)，所以(suy)并不是唯一的。令： （3-13）其中 （3-14）應(yīng)用于式（2-12）： （3-15）而式(3-8)則可寫(xiě)成： （3-16）由式(3-15)可知： （3-17）故由式(2-6)可得： （3-18）把式(3-13)和3-2)

51、代入(3-18)，得矩陣變換器的輸入電流為： （3-19）開(kāi)關(guān)函數(shù)間接變換法是指首先對(duì)矩陣變換器的輸入電壓進(jìn)行“整流”，從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬的直流環(huán)節(jié)，然后再根據(jù)需要的輸出頻率和大小進(jìn)行“逆變”，最終得到一個(gè)類(lèi)似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。該過(guò)程可以用下式表示： （3-20）其中整流(zhngli)函數(shù)為： （3-21）逆變(n bin)函數(shù)為： （3-22）在這里我們考慮了整流(zhngli)控制角及輸出電壓初相角，其中整流控制角是以輸入線(xiàn)電壓的交點(diǎn)為參考點(diǎn)。由上式可見(jiàn)，與直接法相比較，虛擬整流法的函數(shù)矩陣是由兩部分組成的，即“整流”部分和“逆變”部分。首先是整流函數(shù)作用于輸入電壓向量得

52、到一直流電壓，即： （3-23）由電力電子技術(shù)可知，三相橋式全控整流電路其整流電壓的平均值為： （3-24）式中：為三相輸入電壓相電壓的有效值；為整流控制角，它以三相輸入電壓的線(xiàn)電壓的交點(diǎn)作為其參考點(diǎn)。與普通橋式整流器不同的是，矩陣變換器由于采用(ciyng)雙向開(kāi)關(guān)元器件，故不論是電阻性負(fù)載或電感性負(fù)載，其導(dǎo)通角均為，且其控制(kngzh)角的移相范圍不受限制，比較式(3-23)與式(3-24)可以確定(qudng)出系數(shù)： （3-25）得到虛擬整流環(huán)節(jié)的直流電壓平均值為： （3-26）由上式可知，當(dāng)=0時(shí)，達(dá)到最大值，即獲得電壓的最大利用率。同時(shí)逆變函數(shù)作用于整流得到的直流電壓，得到所需的

53、輸出電壓： （3-27） （3-28）可確定系數(shù)為： （3-29）于實(shí)際的矩陣式變換器不存在直流環(huán)節(jié)，所以上述“整流”、“逆變”是同時(shí)完成的。九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的調(diào)制函數(shù)構(gòu)成整個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣的開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)矩陣:=（3-30）把式(3-25)和式(3-29)代入上式后展開(kāi)整理，可得到開(kāi)關(guān)函數(shù)間接變換法對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)矩陣： （3-31）其中： （3-32） (3-33) 將（3-33）中的各式展開(kāi)(zhn ki)得： （3-34）比較(bjio)式(3-31)和式(3-34)可以看出，在該種方案下，開(kāi)關(guān)(kigun)矩陣中的各個(gè)開(kāi)關(guān)元件的調(diào)制函數(shù)均不同，且均由角頻率為和的兩余弦(yxin)分量疊加而

54、成。對(duì)于矩陣變換器的輸入電流，由式(3-6)和(3-30)可得： （3-35）把式(3-21)和式（3-22)代入式(3-35)，整理后得： （3-36）3.3單相單相矩陣式變換器的直接傳遞函數(shù)法同三相三相矩陣式變換器控制方法，可得出單相單相矩陣式變換器的直接傳遞函數(shù)。單相單相矩陣式變換器在理想狀態(tài)下有單相-單相矩陣式變換器在理想狀態(tài)下有（3-37）（3-38）式中，U0(t)、I0(t)為輸出電壓、輸出電流的瞬間值；Ui(t)、Ii(t)為輸入電壓、輸入電流的瞬時(shí)值。M(t)為開(kāi)關(guān)調(diào)制函數(shù)，其中矩陣因子mij=(i=1,2；j=1,2)為相應(yīng)雙向開(kāi)關(guān)S11和S12、S21和S22的占空比。為

55、防止電源短路，S11和S21、S12和S22中必須各有一個(gè)導(dǎo)通。因此，矩陣因子需滿(mǎn)足（3-39）由于這一約束條件，雙向開(kāi)關(guān)只存在三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：T1時(shí)段，S11和S22導(dǎo)通，S21和S12關(guān)斷，此時(shí)U0(t)=Ui(t)；T2時(shí)段，S21和S12導(dǎo)通，S11和S22關(guān)斷，此時(shí)U0(t)=-Ui(t)；T3時(shí)段，S11和S22導(dǎo)通，S21和S22導(dǎo)通，此時(shí)U0(t)=0。一個(gè)斬波周期T=T1+T2+T3。顯然。第一p個(gè)（p=斬波序數(shù)）斬波周期的輸出電壓的幅值；T1P、T2P、T3p三個(gè)時(shí)段輸出電壓的平均值。設(shè)；Uim、U0M分別為輸入、輸出電壓的幅值；i、0分別為輸入、輸出角頻率；為輸出初相角，代

56、入式（3-39），則有（3-40）并得出(d ch)(3-41)(3-42)式中，q為輸出電壓(diny)幅值/輸入電壓幅值，q的變化直接影響輸出(shch)電壓的大小。實(shí)時(shí)求解式（3-41）、式（3-42），并用mij作為對(duì)應(yīng)矩陣開(kāi)關(guān)的占空比控制量，則該矩陣式變換器便可實(shí)現(xiàn)單相交-交的交換。4 矩陣式變換器主電路設(shè)計(jì)及仿真研究由于矩陣式變換器的功率元件眾多，控制策略復(fù)雜，因此增加了研究它的難度，這就要求建立(jinl)矩陣式變換器的仿真模型，驗(yàn)證控制算法的正確性，給實(shí)際研究和設(shè)計(jì)提供參考和檢驗(yàn)。4.1 Matlab/Simulink目前Matlab已經(jīng)成為(chngwi)國(guó)際上最為流行的軟件

57、之一，除了傳統(tǒng)的交互式編程以外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具，出現(xiàn)了各種以Matlab為基礎(chǔ)的豐富的實(shí)用工具箱，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)(xnho)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、振動(dòng)理論、時(shí)序分析與建模、化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，已經(jīng)成為科研和工程技術(shù)人員的有力開(kāi)發(fā)工具。為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，然后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，1990年Math Works軟件公司為Matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為Simulab,1992年正式更名為Simulink。它

58、可用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，適合用于連續(xù)、離散或者混合的線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)。為用戶(hù)提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形結(jié)構(gòu)，采用可視化的仿真環(huán)境，從而比通常用微分方程和差分方程建模的軟件有極為方便靈活和直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn)。因此，各科學(xué)領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真需要，以Matlab為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了大量的專(zhuān)用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放入Simulink中，形成了模塊庫(kù)。Simulink的模塊庫(kù)實(shí)際上就是用Matlab基本語(yǔ)句編寫(xiě)的子程序集。從Simulink4.1版開(kāi)始，增加了電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（Power System Blockset）,該模塊庫(kù)主要由加拿大HydroQuebec和TECAI Intern

59、ational公司共同開(kāi)發(fā)，在Simulink 環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的模塊，可以方便地進(jìn)行電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)地仿真。它涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，運(yùn)行Simulink以后，打開(kāi)Blocksets&Toolboxes，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)：Powerlib。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入Powerlib.主要由6個(gè)子模塊庫(kù)組成：(1)電源模塊庫(kù)：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等；(2) 基本元件模塊庫(kù)：包括串聯(lián)RCL負(fù)載/支路、并聯(lián)RCL負(fù)載/支路、線(xiàn)性變壓器、飽和變壓器、互感

60、、斷路器、N相分布參數(shù)線(xiàn)路、單相型集中參數(shù)傳輸線(xiàn)路和浪涌放電器等；(3)電力電子模塊庫(kù)：包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT和理想開(kāi)關(guān)等。為滿(mǎn)足不同(b tn)的仿真要求并提高仿真速度，還有晶閘管簡(jiǎn)化模型；(4)電機(jī)模塊庫(kù)：包括勵(lì)磁裝置(zhungzh)、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等；(5)連接模塊庫(kù)：包括地、中性點(diǎn)和母線(xiàn)(mxin)（公共點(diǎn)）；(6)測(cè)量模塊庫(kù)：包括電流和電壓測(cè)量，阻抗測(cè)量等。在這6個(gè)子模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到自己的模塊中去，實(shí)際上，附加模塊（Powerlib Extras）中的“