電力電子技術(shù)課件：矩陣式交流－交流變頻器

*6.6矩陣式交流－交流變頻器6.6.0概述6.6.1矩陣式交－交變頻器的控制方法6.6.2矩陣式交－交變頻器的優(yōu)缺點第6章交流/交流變換器*6.6矩陣式交流－交流變頻器6.6.0概述6.6.1矩陣式交－交變頻器的控制方法6.6.2矩陣式交－交變頻器的優(yōu)缺點第6章交流/交流變換器矩陣變換器矩陣變換器是在雙向全控開關(guān)與PWM電壓控制相結(jié)合的強迫換相周波變換器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它為雙側(cè)PWM電壓源整流－逆變提供了一個好的選擇方案。優(yōu)點：單級變換；三相輸入、三相輸出的變換只需9個開關(guān)；本身具有能量雙向流動的功能；輸入輸出是以調(diào)制頻率為頻率的正弦波；由于不存在直流環(huán)節(jié)的有源元件，可進(jìn)行緊湊設(shè)計；輸入功率因數(shù)可控與輸出負(fù)載電流無關(guān)。缺點：電壓變換率限制在0.866；需要更復(fù)雜的控制和保護(hù)策略；集成在一個硅片上的可控雙向高頻開關(guān)尚未實用化（雙向晶閘管雖然是雙向的但不是全控的）。

三相－三相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相－三相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。它使用9個雙向開關(guān)。概述交流－交流直接變頻器中的半控元件晶閘管改為全控元件（如IGBT）可以構(gòu)成矩陣式交－交直接變頻器（MatrixAC-ACConverter）圖(a)中任一開關(guān)都是雙向可控開關(guān)圖(b)是構(gòu)成雙向開關(guān)的方案之一對圖(a)中的9個雙向開關(guān)器件進(jìn)行高頻SPWM控制，就可獲得頻率、電壓均可調(diào)控的三相對稱的交流輸出電壓第6章交流/交流變換器6.11(a)6.11(b)三相矩陣變換器的開關(guān)矩陣符號帶輸入濾波器的三相矩陣變換器*6.6矩陣式交流－交流變頻器6.6.0概述6.6.1矩陣式交－交變頻器的控制方法6.6.2矩陣式交－交變頻器的優(yōu)缺點第6章交流/交流變換器矩陣式交－交變頻器的控制方法圖6.11a中的輸出電壓va、vb、vc滿足以下關(guān)系：矩陣中9個開關(guān)函數(shù)表明了圖6.11a中9個可控開關(guān)（18個IGBT）的工作狀態(tài)其開通、關(guān)斷切換原則：滿足矩陣函數(shù)關(guān)系不造成交流電源兩相短路不引起感性負(fù)載開路過電壓第6章交流/交流變換器6.11(a)

開關(guān)狀態(tài)：可能的狀態(tài)512種；允許的狀態(tài)27種，可分為三組。三相/三相矩陣變換器的開關(guān)組合組號abcvabvbcvcaiAiBiCSAaSAbSAcSBaSBbSBcSCaSCbSCcⅠAABBCCBCACABCBCABAvAB-vCA-vABvBCvCA-vBCvBC-vBC-vCAvCAvAB-vABvCA-vAB-vBCvABvBC-vCAiaiaibicibicibiciaiaicibicibicibiaia110000000011000011001010100001010100000001010110101000Ⅱ－AABBCCACCAABBCCAABB-vCAvBC-vABvCA-vBCvAB000000vCA-vBC-vAB-vCAvBC-vABia0-ia-ia0ia0iaia0-ia-ia-ia-ia0iaia0100001011000000110001100000011110000001100000011110000Ⅱ-BCCAABBABBCCACCAABB-vCA-vBCvAB-vCAvBC-vAB-vCAvBC-vABvCA-vBCvAB000000ib

0-ibib0ib0ibib0-ibib-ibib0ibib0001100000011110000100001011000000110001100000011110000Ⅱ-CCCAABBCCAABBABBCCA000000vCA-vBCvAB-vCAvBC-vAB-vCA-vBC-vABvCA-vBCvABic0icic0ic0icic0icicicic0icic001100000011110000001100000011110000110000011000000110ⅢABCABCABC000000000000000000000000000100010001100010001

對于一組給定的三相輸入電壓，通過采用合適的開關(guān)控制策略，可合成所需的任意一組三相輸出電壓，然而，不管采用什么樣的開關(guān)控制策略，利用這些變換器組合可獲得的輸出電壓仍存在實際的限制，因為輸出電壓的最大峰值不能大于輸人電源兩相間的最小電壓差，為了對組合的輸出電壓實現(xiàn)完全的控制，三相參考電壓和目標(biāo)電壓的包絡(luò)線必須完全包含在三相輸人電壓的包絡(luò)線內(nèi)，如圖a所示，最初的開關(guān)策略使輸出電壓限制在輸入電壓的0.5倍以內(nèi)，這可通過下面的處理提高到0.866，即在所有目標(biāo)輸出電壓中加大三次輸人頻率諧波電壓(Vi/4)cos3ωit和從中減去如圖b所示的三次輸出頻率的諧波電壓(Vo/6)cosωot，然而在合成輸出電壓的過程申，增加了相當(dāng)大的計算量，另外的選擇是使用PWM逆變器所采用的空間矢量調(diào)制策略（SVM）,無需加人三次諧波分量，仍可以產(chǎn)生最大的電壓變換率0.866。交流－交流三相矩陣變換器的輸出電壓的限制矩陣變換器的運行方法和控制方法

變換器在某一時刻有一輸人相(A，B，C)和一輸出相（a，b，c)相連，當(dāng)輸人和輸出相連時，輸出端的電壓van、Vbn、Vcn與輸人電壓vA0、vB0、VC0的關(guān)系如下:

式中，從SAa到SCc相應(yīng)開關(guān)的開關(guān)變量，對于一個平衡的線性星形輸出負(fù)載，輸人相電流和輸出相電流的關(guān)系見下式:（1）（2）式(2)中的開關(guān)變量矩陣為式(1)相關(guān)的轉(zhuǎn)置矩陣，當(dāng)輸人電流是平衡的和輸入電流關(guān)于輸人電壓同相或為任意角度時，應(yīng)利用一個特殊的和適當(dāng)?shù)拈_關(guān)變量值的時間序列來控制矩陣變換器，從而得到三相平衡的具有所需頻率和幅值的輸出電壓，理論上作為矩陣變換器可以在任意輸出頻率或輸人頻率包括0頻率上運行，它能當(dāng)做三相AC-DC整流器、DC-三相AC逆變器、Buck/BoostDC斬波器使用，因而是一個萬能的電力變換。矩陣變換器所采用的控制方法十分復(fù)雜，也處在進(jìn)一步研究之中，在獨立輸出電壓和輸入電流的控制方法中，有兩種方法應(yīng)用十分廣泛，即：（1）venturini法基于傳遞函數(shù)分析的數(shù)學(xué)方法;

（2）空間矢量調(diào)制方法(在帶有直流環(huán)節(jié)的PWM逆變器中已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化）1、Venturini法

假設(shè)一組幅值Vi和頻率fi=ωi/2π不變的三相輸入電壓，此方法計算包含9只雙向開關(guān)的每一個工作周期和通過輸入波形形的連續(xù)分段采樣得到的輸出電壓的一個開關(guān)函數(shù)，這些輸出電壓跟蹤一組事先設(shè)定的一組參考或目標(biāo)電壓波形，在所接負(fù)載載為三相負(fù)載的條件下，當(dāng)IDF為1時，輸出電壓與一組角頻率為ωi

的輸入電流為Ii同相，當(dāng)為可控的IDF時，則為一特定的角度。用傳遞函數(shù)法通過輸入輸出電壓的和輸出輸人電流的關(guān)系以實現(xiàn)前述的特性，即：（3）（4）式中，調(diào)制矩陣的元素mij(t)表示在一個開關(guān)采樣區(qū)間內(nèi)，連接第i輸出相和第j輸入相的開關(guān)的占空比，元素mij(t)滿足下列約束關(guān)系:當(dāng)IDF為1時，達(dá)到最大電壓變換率的一組三相目標(biāo)或參考電壓為：且（5）式中，Vom、Vim分別為角頻率ωo，ωi的輸出和輸入基波電壓的幅值，對于Vom≤0.866Vim，在IDF為1的條件下可得工作周期mij(t)的簡化公式為：

式中，i，j=1,2,3,且q=Vom/Vim前面所述為基于直接傳遞函數(shù)法，應(yīng)用了矩陣變換器的單個調(diào)制矩陣，利用表中所有三組的開關(guān)組合。另一種方法簡稱為間接傳遞函數(shù)法，把矩陣變換器看作PWM電壓源整流器和PWM電壓源逆變器的組合，對于MC的控制可應(yīng)用成熟的VSR和VSIPWM控制技術(shù)，只應(yīng)用了表中的第2組和第3組的開關(guān)組合，這種方法的缺點是IDF限制為1，而且會在輸入和輸出波形中產(chǎn)生次諧波分量。2、VSM法表中的三組開關(guān)組合，SVM法只應(yīng)用了第2組和第3組，第2組構(gòu)成了方位角恒定的開關(guān)狀態(tài)矢量，稱為有源矢量或靜態(tài)矢量，六個狀態(tài)空間電壓矢量形成一個等分六邊形，用他們合成需要的輸出電壓矢量，第3組構(gòu)成位于輸出電壓六邊形的中心的零矢量，它們與有源矢量適當(dāng)?shù)慕M合即可合成輸出電壓?？臻g矢量法本身有能力對瞬時輸出電壓矢量和瞬時電流偏移角度實現(xiàn)全控，甚至存在電源電壓干擾的條件下也能實現(xiàn)全控，算法以每個開關(guān)組合對應(yīng)的MC的輸出線電壓可用一個電壓空間矢量表示為基礎(chǔ)，此電壓空間矢量定義為：

調(diào)制方法包括矢量的選擇和其導(dǎo)通時間的計算，在每一個采樣周期Ts，算法選擇四個與輸出電壓和輸入電流矢量的任意可能的組合有關(guān)的有源矢量，它們和零矢量一起構(gòu)成希望的參考電壓。然后計算出參考電壓矢量的幅值和相角和預(yù)先確定輸入電流矢量所需的相角。為了計算所選擇矢量的導(dǎo)通時間，將這些矢量合并為兩組，并使兩組新的矢量在六邊形中與參考電壓相鄰，且與參考電壓矢量的方向相同。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的SVM理論，可推出矢量導(dǎo)通時間的一般公式，在同一時間，參考輸出電壓與輸入電流的偏移角度與矢量導(dǎo)通時間的一般公式為：Q為電壓轉(zhuǎn)換率；φi是為了達(dá)到要求輸入功率因數(shù)所選擇的輸入偏移角；θo和θi分別是輸出電壓矢量和輸入電流矢量的相偏移角，其取值范圍為0～60度。零矢量的導(dǎo)通時間為：參考矢量在每一個采樣間隔的積分為相鄰矢量與其導(dǎo)通率的積之和，每一采樣瞬間都重復(fù)這一過程。3、控制的實現(xiàn)和兩種方法的比較

兩種方法的實現(xiàn)需要一個DSP系統(tǒng)，venturini法的一個實施方案中，可編程定時器用于暫停PWM觸發(fā)信號，處理器計算每個采樣周期內(nèi)6個開關(guān)的工作周期，然后把它們轉(zhuǎn)換成整數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果存入內(nèi)存給下一采樣周期用。對于SVM法，EPROM用于存儲所選擇的有源矢量組和零矢量組，DSP計算矢量的導(dǎo)通時間，然后重復(fù)另一種方法的過程，為了通過適當(dāng)?shù)亩丝诋a(chǎn)生PWM波形，計時器存儲了矢量的導(dǎo)通時間，SVM法DSP所用的總時間比venturini法少的多，兩種方法比較表明：SVM法的開關(guān)損耗較低，venturini法在輸入電流和輸出電壓諧波抑制方面具有較好的性能。4、矩陣變換器的應(yīng)用到目前為止，矩陣變換器的實際應(yīng)用和十分有限，其主要原因是（1）尚未有實用化的可高頻運行的雙向全控一體化開關(guān)；（2）控制的實施復(fù)雜；（3）輸出輸入電壓比固有的限制；（4）開關(guān)的保護(hù)和換相。隨著器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，矩陣變換器不僅可取代前面講述的NCC所有應(yīng)用，還將取代PWM整流器和PWM逆變器，用空間矢量過調(diào)制技術(shù)可