（电力电子与电力传动专业论文）单相三相矩阵变换高频链逆变器研究.pdf

整出查兰三堂堡主茎焦丝苎 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e r ( m c li sa n “a l l - s i l i c o n ”p o w e rc o n v e r t e rw i t ha d v a n c e d c i r c u i tt o p o l o g y i tp e r m i t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni nas i n g l e 。s t a g ep r o c e s s i n g w i t h o u tt h en e e do fr e a c t i v ee n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s i th a se x c e l l e n ti n p u t c u r r e n ta n do u t p u tv o k a g ew a v e f o r m s ，a n da l l o w st h ei n p u t f u n d a m e n t a l d i s p l a c e m e n t t ob ef r e e l yv a r i e d a l s om cc a l lr u ni nf o u r q u a d r a n t ，b e c a u s eo f s u c h a d v a n t a g e s ，m c w i l lb ep r o s p e r o u si nt h ef u t u r e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，m c i s a p p l i e d i n t o s i n g l e t o t h r e e - p h a s eh i g h f r e q u e n c y l i n ki n v e r t e r s y s t e m , w h i c h r u nf o r f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t h e d i s s e r t a t i o nf i n d san e wm o d u l a t i o nm e t h o dt h a ti sn a m e df o rs e p a r a t i o na n d l i n km o d u l a t i o n w i t hr e g a r dt oo t h e rm o d u l a t i o nm e t h o d s ，t h i sm e t h o dh a sa f e wa d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l ec o n t r o l l i n gm e t h o da n dl i t t l ec a l c u l a t i o n f o r t h em o r e ，m ci sw o r k e di ns o f ts w i t c h i n gs i t u a t i o na c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do ns o f l w a r e - - p s p i c e l4 0a n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sf r o mt h ep r o t o t y p eh a v eb e e ng i v e nt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e i n v e r t e rt o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ew h o l e s y s t e m h a sa c h i e v e dt h e p r e d i c t e dp e r f o r m a n c e i t h a ss i m p l e c o n t r o l l i n g m e t h o d ，l o ww a s t a g e o fs w i t c h i n g ，s m a l lv o l u m ea n d h i g h r e l i a b i l i t y t h i st h e s i sd i s c u s s e s p r i n c i p a l i s s u e so ft h em a t r i xc o n v e r t e rs u c ha s p r i m ep r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，c u r r e n tc o m m u t a t i o n ，i t sa p p l i c a t i o n se t c b y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ， s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n ds i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r eg i v e n ，w h i c hf o u n d t h eb a s i so ft h ep r o j e c tf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d si n v e r t e r ；h i g hf r e q u e n c yl i n k ( h f l ) ；m a t r i xc o n v e r t e r ；s e p a r a t i o n a n dl i n km o d u l a t i o n ；s o f ts w i t c h i n g t h i sw o r kw a s s u p p o r t e db y ag r a n t 丹o mt h ek e y p r o g r a m so f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n af r o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) i i 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 近4 0 年以来，电力电子技术、功率半导体器件不断迅速发展，与当 代其他学科和技术的发展密切相关和相互促进，极大地促进了经济的发展 和社会的进步。随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高， 许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能 源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到所需要的电能形式。所以 可应用于交流电动机变频调速、不间断电源系统、太阳能风能发电、现代 汽车舰船、家用电器等工业、军事和民用领域的逆变技术得到了广泛的研 究【”。 逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成交流电能的一种静 止变换装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电。 传统的逆变技术通常采用逆变器输出加一级工频变压器来实现电气 隔离和调整电压比。为了滤除逆变器产生的高次谐波，输出滤波器是必不 可少的。虽然该项技术应用广泛，性能可靠、技术成熟，但是仍然存在着 许多不足之处： ( 1 ) 工频变压器体积大、笨重。 ( 2 ) 输出滤波器体积大、笨重。 ( 3 ) 电路中储能元件的存在使得集成模块体积大、笨重。 ( 4 ) 对于输入电压及负载的波动，系统的动态响应特性差。 因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、 结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。矩阵变换器正是这样的一 种新型变换器。与传统的变换器相比，矩阵变换器具有以下几个显著特点： ( 1 ) 控制自由度大，输出电压可调，输出频率既可以比输入频率高，也 可以比其低，没有理论输出极限值，理论上可为任意值( 以功率开关为理想 开关和控制器处理速度够快为前提) 。 ( 2 ) 输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，可调至其逼近于1 。 燕山大学丁学硕士学位论文 ( 3 ) 采用双向开关，能量可双向流动，尤其适合于电机的四象限运行。 ( 4 1 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高【2 “。 矩阵变换器的电路拓扑形式早已提出，但直到1 9 7 9 年，意大利学者 m v e n t u r i n i 提出的矩阵变换器存在理论及其控制策略才使人们开始了这 方面的真正研究。由于具有诸多优点，矩阵变换器成为电力电子技术目前 研究的热点之一，可在以下领域中发挥作用： ( 1 ) 用于转速较低的传动系统由于矩阵变换器省去中间储能环节，相 当于直接进行变换，电压传输比受到一定的限制，其输出的频率较高时会 出现输出电压不足的问题，因此在通用的调速范围较高的场合是不太适用 的。 ( 2 ) 用于电源产品在矩阵变换器的调制理论和实现技术较为成熟时， 可以进行a c d c 、d c a c 、d c d c 变换，与目前的电源产品相比，它有 一定优越性，如功率因数高，无中间储能环节，结构紧凑，寿命长，在这 方面，矩阵变换器的研究有良好的市场前景。 ( 3 ) 用于高压大功率变换如前所述，矩阵变换器有输入输出电压比不 够高的缺点，但在需要高压的场合，可以将矩阵变换器串联使用，达到高 压大功率输出的目的。 ( 4 ) 用于功率因数校正由于矩阵变换器的输入功率因数可以任意调 节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数5 l 。 1 2 矩阵变换器的发展历史 早期矩阵变换器的研究大都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际 应用的研究。1 9 7 6 年，矩阵变换器的概念和电路拓扑形式由l g y u g y i 和 b t l p e l l y 首先提出，1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u t i n i 和a a l e s i n a 提出的矩阵 变换器存在理论促进了矩阵变换器的迅速发展，他们首先在理论上证明了 n 相输入、p 相输出的矩阵式变换器的实现条件，同时给出了一种电压控制 策略。这种控制策略虽然解决了矩阵变换器的谐波问题，但也有输出输入 电压比小于0 5 的严重缺陷i s - l o 】。 第1 章绪论 为了解决v e n t u r i n i 控制方案的不足，一些研究人员如p d z i o g a s 、 t a l i p o 和d g h o l m e s 等对矩阵变换器进行了一系列的研究工作，各自从 不同的角度提出了不同的控制方案【l “”】，并通过实验样机得到验证。这些 研究基本克服了v e m u r i n i 控制方案的缺点，在输出输入电压比、功率因数 和输入电流品质方面都取得了很好的改进，但仍然存在一些不足之处，如 p d z i o g a s 的方案输出频率限制在3 0 0h z 以下，某些方案的效率不够高。 八十年代末、九十年代初，南斯拉夫学者l h u b e r 和美国d b o r o j i v i c 教授、 日本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 以及韩国学者w h k w o n 和g h c h o 等 人的研究才使矩阵变换器理论和控制技术逐步走向成熟1 1 4 1 。h u b e r 和 d b o r o j i v i c 提出了一种基于空间向量调制技术的p w m 技术f 1 5 i 。首先他们 根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出六边形开关状态空间向量图，然 后按输出向量在任意时刻由其相邻的开关状态向量合成，此二向量再分别 由输入向量合成的方式，得到每一采样周期内的开关占空比，连续合成以 一定角速度旋转的输出电压向量，就获得所需频率的正弦输出电压。通过 实验样机带三相感应电机为负载运行，证明采用空间向量调制法的矩阵变 换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1 ，输出电压可调频 调幅等特点。 同时a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出了一种输入双线电压瞬时值法【l “， 这种控制方案使得输入功率因数不可随意控制，但能固定在基本恒定值上， 因此这一限制存在，在大多数场合不应成为应用的障碍。 韩国学者w h k w o n 和g h c h o 对矩阵变换器升压和降压时的静态和 动态特性进行了较深入的研究，通过理论分析和仿真，他们证明了升压式 矩阵变换器不能象其它的理想变换器那样通过选择参数独立控制，功率因 数并不总保持为1 ，但可以控制。 矩阵变换器的主回路开关器件采用的都是双向开关，由于目前市场上 还没有这种类型的器件，所以还存在着双向开关的实现、换流与保护问题， 其难点在于两个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 b u r a n y 提出了一种四步 换流策略【l 刀，可实现半软开关换流；台湾学者潘晴财教授提出了一种基于 燕山大学工学硕士学位论文 电流滞环调制的谐振式软开关换流策略。 1 3 矩阵变换器的研究现状 近些年以来，世界各地学者对矩阵变换器进行了不同层次的研究，并 制出相应的装置。 在国外，9 0 年代初，为了解决m v e n t u r i n i 和a a l e r i n a 控制方案中输入 与输出电压比小于0 5 的不足，人们提出了不同的m c 实现方案，做了大量 的研究工作，用仿真或实验进行了验证，在输人与输出电压传输比、功率 因数和输人电流品质方面均取得了较大的进展，但也有不足之处。其中最 引人关注的是美国弗吉尼亚电力电子研究中心南斯拉夫学者l h u b e r 和美 国教授d b d r o j e e v i 提出的基于空间矢量调制技术，且成功地研制出2k v a 的矩阵变换器的实验装置，我国学者庄心复参与了这项实验研究。1 9 9 2 年 美国学者c l n e f f 和c d s c h a u d e r 提出了一种应用于3 0 马力的矩阵变换器 的控制理论和实现方案，并将此技术应用于伺服感应电机矢量控制系统 【1 8 】。1 9 9 6 年英国b r a d f o r d 大学的w a t t l l a n a s a r n 等基于d s p 和i g b t 完成了2 k w 的实验原型样机 1 9 】。1 9 9 5 年1 9 9 6 年，p e t e r n i l s e n 在他的工学博士论文中以 s i e m e n sc 1 6 6 作为控制器作出了试验装置，对矩阵变换器的外围电路进 行了一系列研究。1 9 9 8 年1 9 9 9 年，1 9 9 9 年2 0 0 0 年c h r i s t a n 两次作为访问学 者在美国a l b o r g 也作出了一套装置，并对输入电压不平衡时人工负载下矩 阵变换器的控制策略进行了研究。 在国内，我国的矩阵变换器的研究开展较晚，1 9 9 4 年在美国做过访问 学者的南京航空航天大学的庄心复，在电力电子技术上最早将矩阵变 换器介绍给国内同行1 2 0 1 。台湾学者潘晴财教授基于电流滞环跟踪和软开关 技术，提出了一种m c 实现方法，并完成了实验装置。9 0 年代末，上海大 学、哈尔滨工业大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研 究工作，并达到了一定的水平2 m 。1 9 9 8 年，上海大学基于空间矢量原理 和8 0 c 1 9 6 k c 单片机研制成功了使用i g b t 作为功率开关的矩阵变换器实验 装置【2 4 4 酗。2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等建立了矩阵变换器 第1 章绪论 的电路分析的等效电路，得到了输入电流功率因数、电压增益、输出阻抗 等性能指标的解析表达式2 7 也9 i 。1 9 9 9 年2 0 0 0 年，福州大学对电流滞环的 矩阵变换器进行了一系列研究3 0 q 1 1 。2 0 0 1 年，华中科技大学也提出了一种 新型的三相一相的矩阵变换器。2 0 0 2 年，华东理工大学对单相直接a c - a c 矩阵变换器进行了相关研究f 3 “。2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学提出了一种空间 矢量调制矩阵变换器闭环控制方法【3 3 】。2 0 0 4 年，西安交通大学提出了一种 新型多电平矩阵变换器及其控制策略。另外，浙江大学0 5 37 1 、湖南大学 以及湘潭大学【”圳1 也对矩阵变换器进行了相关研究。 从目前所检索到的有关m c 的研究文献来分析，m c 还没有成为实用化 的成熟产品，其调制策略、实现方法以及围绕产品化所要解决的一系列问 题，成为各国学者研究的热门课题之一。但总的来说我国的矩阵变换器的 研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相比，还有不 小的差距。 1 4 本文的研究内容和意义 1 4 1 本文的研究内容 本文主要研究单相三相矩阵变换高频链逆变器电路拓扑、控制原理和 关键电路参数设计，并在理论分析和仿真研究的基础上进行了实验研究。 本文的主要研究内容是： ( 1 ) 系统的论述了矩阵变换器的发展、现状以及应用前景。 ( 2 ) 分析了矩阵变换器的相关拓扑结构特点、开关传递函数、控制策略 以及常用的换流方法。 ( 3 ) 针对单相三相矩阵变换高频链逆变器电路拓扑提出了一种新的解 结耦调制方法，并深入分析了采用解结耦调制方法的单相三相矩阵变换高 频链逆变器电路的工作原理，给出了针对这一拓扑结构和新的调制方法的 实验仿真结果。 ( 4 ) 详细讨论了单相三相矩阵变换高频链逆变器系统硬件参数的设 计，并且采用德州t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字芯片进行了系统的软件 燕山大学工学硕士学位论文 流程设计和汇编语言编程。 ( 5 ) 设计并研制了单相三相矩阵变换高频链逆变器原理样机，并对整 个系统进行了调试和实验研究。 1 4 2 本文的研究意义 矩阵变换器是一种具有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本 低、结构紧凑可靠的变换器，近些年来得到了国内学者的广泛关注。本文 成功的将矩阵变换器引入到三相逆变器结构当中，完成了变频的功能，从 而得到了一种新的三相逆变电路拓扑。并且找到了一种新的解结耦调制方 法，使得对矩阵变换器的控制变得更加容易。而且这为对矩阵变换器调制 方法的更深入研究打下了基础。 本文课题来源是国家自然科学基金重点资助项目“新型高频中小功率 逆变电源的控制技术和拓扑技术研究”。 6 第2 章矩阵变换器的理论基础 2 1引言 第2 章矩阵变换器的理论基础 本章主要介绍了，矩阵变换器的拓扑结构种类、开关函数的推导、矩 阵调制方法以及换流方法上的一些研究情况，并根据它们的优缺点以及课 题的需要确定了一种所要采用的拓扑结构，而且找到了适合这一拓扑的全 新的调制方法。 2 2 矩阵变换器 从理论上讲，矩阵变换器的输入可以是n 相频率为w 的交流电，输出 可以是m 相频率为w 。的交流电，但在目前的实际研究中，往往以三相矩 阵交一交变换器为主要研究对象。输入的三相系统的每一相输出端都和输出 的三相系统的每一相输入端通过一个双向开关相连接。图2 1 比较了三相 矩阵变换器和现在通用的v s i p w m 变换器在结构上的差异。 _ _ 坩 l jlj l jlj ( a ) 二极管整流的v s l 一p w m 变换器 ( a ) v s i - p w m c o n v e r t e r a b c ( b ) 全控整流的v s i - p w m 变换器 ( b ) v s i - p w mc o n v e r t e r ， 。 ， i a b， b c， i ，? _ ：i ， 】 ( c ) 矩阵变换器 ( c ) m a t r i xc o n v e r t e r 图2 1矩阵变换器和v s i p w m 变换器结构比较 f i g 2 1m a t r i xc o n v e r t e ra n d v s i p w mc o n v e r t e r 7 燕山大学工学硕士学位论文 矩阵变换器是一种直接的a c a c 变换器和现在通用的v s i p w m 变换 器相比具有很多优点：不需要中间直流储能环节、能够四象限运行、具有 优良的输入电流波形和输出电压波形、可自由控制的功率因数。但同时也 继承了o 8 6 6 的电压传输比和过多的功率开关的缺点。而且v s i p w m 变 换器使用的功率开关是单向的，矩阵变换器要求功率开关为高频双向开关。 2 2 1 矩阵变换器的拓扑结构种类 既然矩阵变换器的输入相和输出相可以为任意值，所以见到的关于矩 阵变换器拓扑也有好几种，下面分别予以介绍： ( 1 ) 三相交交矩阵变换器拓扑三相输入、三相输出的交交矩阵变换 器电路拓扑结构如图2 2 所示： 图2 2 三相输入- 三相输出矩阵变换器拓扑 f i g 2 - 2m a t r i x c o n v e r t e rt o p o l o g yw i t h t h r e e p h a s ei n p u ta n do u t p u t 矩阵变换器电路中含有9 个双向开关，通过对这9 个双向开关的逻辑控 制，可实现对电源电压和频率的变换，以向负载提供幅值和频率可调的电 压和电流。图2 2 中s n ( n = 1 9 ) 为大功率双向半导体高频开关器件，它要求 具备双向电压阻断能力、自关断能力和高频下工作的能力。 目前对这种拓扑的研究比较深入，得到了各种调制方法，实验效果也 是不错的，但是它的调制方法分析都比较复杂，计算量大，而且这种拓扑 中存在的双向开关之间的换流问题仍然是一个非常棘手而又无法回避的重 第2 章矩阵变换器的理论基础 要问题。 ( 2 ) 单相三相交交矩阵变换器拓扑单相输入、三相输出的交交矩阵 变换器电路拓扑结构如图2 3 所示： ur s 2 ， s , l t r l a。 v 、1 一r ll _ j b l 3r 3 r _ 、y r 一r 一l j vs , s 6 4 图2 - 3单相输入- 三相输山矩阵变换器拓扑 f i g 2 3m a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g yw i t hs i n g l e p h a s ei n p u ta n dt h r e e p h a s eo u t p u t 我们可以看到三相矩阵变换器的拓扑以及控制原理是非常复杂的，电 路中需要9 个双向开关，而单相三相矩阵变换器拓扑则相对比较简单，只 用了6 9 双向开关。所以本文所选用主电路拓扑的后级就是这种形式，并且 找到了一种新的调制方法来实现变换。 ( 3 ) = 三市f l 单相交交矩阵变换器拓扑三相输入、单相输出的交一交矩阵 变换器电路拓扑结构如图2 4 所示： i s t s 2 s 3 i r ? ) 吲 s 6 i 图2 4 三相输入一单相输出矩阵变换器拓扑 f i g 2 - 4m a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g y w i t ht h r e e - p h a s ei n p u ta n ds i n g l e - p h a s eo u t p u t 9 燕山大学工学硕士学位论文 由于三相三相矩阵变换器的拓扑及控制原理是非常复杂的，而以前功 率电路设计大都是分散的，结果使得整个系统很庞杂，整机的e m c 问题很 严重，这不利于对矩阵变换器机理的细致研究，因此十分有必要改分散性 设计为模块化设计。从功能与控制角度讲，制作三相单相矩阵变换模块是 合理的，因为由一个或两个该模块配上控制电路就可以构成一个三相单相 矩阵变换器，而三个该模块配上控制电路便可以构成一个三相矩阵变换器。 ( 4 ) 单相单相交一交矩阵变换器拓扑单相输入、单相输出的交交矩阵 变换器电路拓扑结构如图2 5 所示： u s 。s ：， 【 r ( s ，i s 。 图2 - 5 单相输入- 单相输出矩阵变换器拓扑结构图 f i g 2 - 5m a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g yw i t hs i n g l e - p h a s ei n p u ta n ds i n g l e - p h a s eo u t p u t 小容量电力用户多采用单相供电，单相电力变换的研究具有很大的现 实意义和应用前景。因此具有优良输出品质的单相矩阵变换器具有广阔的 发展和应用空间。可以看到，这种拓扑有点类似于全桥整流电路。 2 - 2 2 矩阵变换器的开关传递函数 为了分析矩阵变换器的工作原理，需要对开关函数进行推导，下面对 具有代表性的三相矩阵变换器开关函数的推导加以介绍。 在对矩阵变换器开关传递函数分析之前，先对一些变量进行定义： ( 1 ) - - 十n 对称输入电压，角频率为w 。，幅值为k 。，即： 圪f c o s ( ，)1 妙，( w ，f ) 】= i 1 = 1c o s ( w ，f 一2 n 3 ) 1 ( 2 1 ) l jl c o s ( w ，t + 2 z 3 ) j 1 0 兰! 兰丝匿茎垫堡塑堡丝茎型 ( 2 ) 三相输出电压，幅值为圪。，角频率为w 。，初始相位角为。，即： 圪f c o s ( w 。t + 。) 眇口w 。纠2 l 毖j 2 圪。l lcc。oss(”w口rt一+22玎n-733+九。b,刘 2 2 ( 3 ) 设负载的功率因数角为妒，则参考式( 2 2 ) ，三相负载电流可以写成： 口。cw。r，a=：；ilb=io,x匮cois爱(wo；t；-2re3窭+妒咖o。-一q妒，：；cz_s， 其中三个输入端口，三个输出端i z i 。原则上，对于任意一组输入电压 眇，( w ，纠可按一定的调制规则控制开关矩阵中的九个双向开关，从而在其 输出端合成所需的一组输出电压眇。( w 。f ) ，该变换过程可用一个丌关传递 函数矩阵【m j ( 7 1 ) 表示： i v 。( w 。纠= 胁( 7 1 ) u ，w ，) 】 ( 2 4 ) 【j ，( w ，z ) = m r p x 【j 。似。r ) ( 2 5 ) m 。， 【胁( ，) 】= m 1m ：。m ：2 卅：，1 ( 2 - 6 ) l m ，埘，：小。j l 【，( w ，f ) 】= l ，i ( 2 7 ) lll 矩阵变换器的开关控制策略一般包括开关传递函数矩阵【胁( 丁) 】的确 定，陋( 7 1 ) 的实现及安全换流的获得。对于不同的陋( 7 ) 及实现，可产 生不同的丌关控制策略。对于 m r ( t ) 的确定，目前大体可以分为两种：一 种是直接法，即根据输入输出电压的关系直接构造出i m p ( r ) 】；另一种方法 “逆变”为所需的交流输出电压。这种方法的【胁( 丁) 】是由“整流”部分和 矿m 。： c o s ( w ，t ) l k v i j = m x v , x l m 2 鬣m 2 2 m，2，3悱co如s(wf-,t+22州re33mc o s ( w2 r e 列峨jl 。m s z ，s j) j m 。k 。m l l m m 。1 2 ： 。：譬：! - ：丌，。) ：。：i ：；：2 ，。+ 丸) 1 l 聊3 1m 3 2 州3 3 jl c o sw ，t + 2 r c 3 ) jl c o sw o t + 2 丌3 + 自b 。) j m c 。s ) + m 1 2 c o s ( 哪一扣q - m 1 3c o s ( 哪+ 志c o s 砘) - i - m 2 2 c o s 卜争 一 2 3 c o s c o s ( c o ) c o s ( c o + 惫c o s ”争屯 脚2 l 。，一詈万) ，+ 厅) = i 熹c o s o 乇，一 石+ 屯 jj朋r j 。 s ) + m 3 2 c o s ) 1 - m 3 3c o s ( 唧+ 彘c o s ( 咄+ 扣丸) c 。s 口c 。s f l + c o s ( a 一詈石 c 。s ( 卢一詈疗) + c 。s ( a + 詈万 c 。s ( 卢+ ；z 可以构造出个开关传递矩阵 ：罢e o s ( a 一卢) ( 2 1 1 ) j 【胁( r ) = m c o s + ) f + 九】 第2 章矩阵变换器的理论基础 c o s l ( q c o s l h c o s ( c o ，+ ，+ 丸 c 。s ( ，+ 峨，+ 詈玎+ 丸 c o s + 蛾 + 屯】 c 0 8 卜。，一号肼屯j ( 2 - 1 2 ) 式中：m ：2 v o 3 必须指出，由于式( 2 1 0 ) 有十个未知数，而方程才3 个，所以【m r ( 丁) 并 不唯一，式( 2 1 2 ) 只是其方案中的一种。 m 式中：，= ，+ 。 c o s ( o ) ，t + 妒。) 则式( 2 - 1 2 ) n 司- 以写成： rr 1 l ，1 【胁( r ) = ie l ，3 而式( 2 8 ) 可以写成 巨= 暖 刘 由式( 2 - 1 5 ) 有：陋( 丁) - 陋( r ) r 故由式( 2 5 ) 可得： ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) f 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 1lllj1ll，j 丸 丸 + + 丌 厅 2 3 2 3 一 + - ， + + lllljl，llj 九 屯 + + 厅 疗 2 3 2 3 一 + ， 嚷 嚷 + + 白如 ，ll s s o o c c 、，、，l 丸 以 + + 厅 盯 2 3 2 3 一 + f r ，l，、 s s 0 o c c 陋忆m 令 b e 1，lj k k ，l 1，j e 巴 燕山大学工学硕士学位论文 乏川纠 协 e 疋jl i c j 把式( 2 一1 3 ) 和式( 2 3 ) 代入( 2 1 8 ) ，可得矩阵变换器的输入电流为： m ， ”量肌k c o s 白。t + 妒，) c 。s ( ，r 一号疗+ 妒，) c o s l ，f + 詈开+ 妒， ， ( 2 - 1 9 ) r c o s ( w 。f + 丸) b lc o s ( w o t - 2 z 3 + 咖) l l c o s q 。f + 2 丌3 + 丸) j 爿 c 。s ，+ a ，c 。s ( o , l - - 詈疗+ a ) c 。s ( ，+ 詈疗+ “) 1 ；i 萎；：= 髦；j ， = 三竽y 二c 。s 口 1 i i 受；l 兰；：司 c z z 。， 【z 幻。) 1 = 4 x c 。s 。，t + a ) c 。s ( 。r 一詈行+ 理) c 。s ( ，t + ；露+ 仅) c 2 - 2 t ， 1 4 蔓：堇翌坚苎墨堡塑兰丝墨型 令逆变函数为： p v 如。，) = b c 。s 如。，+ 一。) c 。s ( 0 3 0 t - - 詈丌+ 。 c 。s ( 。r + ；石+ 妒。 1 ( 2 - 2 2 ) 首先是整流函数作用于输入电压向量而得到一个直流电压，即 【z 如，) 】阿，。，r ) 】= 爿 c 。s 白，+ a ) c 。s ( o , ) i t - - 詈疗+ a ) c 。s ( m ，r + 詈”+ d c o s ( c o ，) 2 8 1 0 ) r l - - j ” r 2 ”8 l o g t + j 疗 ：半。c o s a f 2 2 3 ) 由半导体技术可知，三相桥式全控整流电路其整流电压的平均值为： u d ：坐u c o s a ( 2 - 2 4 ) 7 9 式中u 为三相输入电压相电压的有效值；a 为整流控制角，它以三相输入 电压线电压的交点作为参考点。 与普通桥式整流器不同的是，矩阵变换器由于采用双向开关元器件， 故不论电阻性或电感性负载，其导通角均为1 2 0 。，且其控制角的移相范 围不受限制。 比较式( 2 - 2 3 ) 与( 2 - 2 4 ) 可以确定出系数a ： a = 兰4 3( 2 2 5 ) 故虚拟整流环节得到的直流电压平均值为： ：c o s a = 莩啪a ( 2 - 2 6 ) 当a = 0 时，。达到最大值，即获得电压的最大利用率。 同时逆变函数作用于整流得到的直流电压，得到所需的输出电压： 0 。棚= v 0 0 。f ) 】 ( 2 2 7 ) 曰。c g o s o s ! w o h t - - 丸2 丌3 + 丸) 堑。瑾以。膦c o s ! 1 4 o h i - - 丸2 h 3 + d l c 。s ( f + 2 兀3 + 丸列玎l c 。s ( w o f 十2 玎3 + 机列 b ：兰：! 型 f 2 2 9 ) 关传递函数矩阵【胁( f ) 1 ，由式( 2 2 0 ) 有： 陋( f ) = 【0 。r ) z 如。) 】= b x c o s ( c o 。h 一妒。) c 。s ( f n o t - - 争屯) c o s ( 刚+ 扣庐0 彳 c 。s 。，r + 倪，c 。s0 3 i t - - 詈行+ a ) c 。s ( ，r + 弓巧+ a c z s 。， 把式( 2 - 2 5 ) 衣1 式( 2 - 2 9 ) 代入上式后展开整理，可得虚拟整理法对应的开 关函数矩阵： m l l m 1 2 m 1 3 【胁o ) 】= m f 。2m ：，f( 2 3 1 ) l m 3 ，m 3 ：m 3 3 j 式中： 肘：曰。爿：兰：生 。圣垒：! 堡! ( 2 3 2 ) 3 3 c o s _ z 疗 3 k 。c o s a 、 兰：量丝堕銮垫璺塑堡丝茎型 r n l 】= c o s ( o ) 。t + 庐。) c o s ( ( ) 。t + a ) 州1 2 = c o s 。f + 毋。 m 1 3 = c o s 。，+ 庐。 r a 2 2 c o s f0 3 0 ， ) c 。s f ) c 。s f r 一委丌+ a j， 引+ 三疗+ a 1 3j 、 孝厅+ 丸j 。s o a ) 珊2 2 = c 。s ( 。r 一；万+ 屯) c 。s ( ，r 一詈疗+ a ) m ：，= c 。s ( 。r 一号行+ 丸) c 。s ( r + 詈丌+ a 7 、 聊3 1 = c o s c o o r + 妄厅+ 庐。l c o s 0 ，r + a ) j 埘，：= c 。s ( 。r + 詈丌+ 妒。 c 。s ( a ) ，詈丌+ a 3 3 = c 。s ( 。r + 吾疗+ 妒。 c 。s ( ，r 十詈疗+ a ) 把式( 2 - 3 3 ) 中的各式展开可得 埘。： c 。s 。+ 。 + 妒。+ a 】+ 。一。，+ 驴。 z a 】 坍。：= 圭 c 。s 如。+ ，一詈万+ 屯+ a + c 。s 。一，+ 詈万+ 丸口 m 。，= 三 c 。s 。+ ，+ 詈丌+ 妒。+ a + c 。s 。一，一詈丌+ 妒。一a ) 川：。= 三 c 。s b 。+ ，) f 一；玎+ 。+ a + c 。s 如。一国。l 一；丌+ 庐。一a ) 小：= 圭 c 。s c 。+ ， + 詈石+ 妒。+ a + c 。s k 。一，+ 咖。一a 廿 1 7 r 2 3 3 ) 至些查兰：! 兰竺主兰! 兰丝苎 聊：，= 丢 c 。s k 。+ ，) r + 妒。+ 口】+ c 。s 。一，+ 詈疗+ 妒。一口 ) m ，= ； c o s 如。+ ，+ 吾玎+ 妒。+ a + c 。s 。一，+ 詈z + 母。一a ) 聊，：= 圭 c 。s 【( 。+ 国， + 庐。+ 仅】+ c 。一，一；丌+ 。一 ) m 。= 三 c 。s 。+ ，一詈疗+ 丸+ a + c 。s 瓯。一，+ 丸一a 】 ( 2 3 4 ) 由式( 2 - 3 1 ) 年e i ( 2 - 3 4 ) 可以看出，在这种方案下，开关矩阵中各个开关元 件的调制函数均不同，且均由角频率为。+ c o ，和r d 。一0 1 ，的两余弦分量叠加 而成。 对于矩阵变换器的输入电流，由式( 2 5 ) 和( 2 3 0 ) g f 4 ： 【j ，) = 【胁( 纠7 【，。b 。，) 】= 留如。牙【0 。棚 1 0 0 。f ) ( 2 3 5 ) 把式( 2 2 1 ) 和式f 2 2 2 ) 代入f 2 3 5 1 ，整理后得： 口。，r = 乏 = 三 ，l 。c 。s 妒， 2 2 3 矩阵变换器的调制策略 g o s ( w ，t + ) c o s 卜争a ) r 2 、 8 r + j 肼a j 化- 3 6 ) 矩阵变换器的任务是将一个频率为w ，的n 相系统变换为一个频率为 的m 相系统，对于任意一组输入电压u ，通过按一定规律控制矩阵变 换器主回路中的矩阵开关，可以合成所需要的输出线电压u 。调制策略可 以表示成式( 2 1 6 ) 所示的开关传递矩阵的形式。目前，对于已被广泛研究 的矩阵变换器来说，根据确定变换器矩阵i m p ( 0 l 的不同，矩阵变换器的调 制策略主要分为以下几类： 第2 苹矩阵变换器的理论基础 ( 1 ) 直接变换法直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输 出电压”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法， 所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的 应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。 ( 2 ) 电流跟踪法这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信 号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容 易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺 点：开关频率不够稳定，谐波随机分布且输入电流波形不够理想，存在较 大的谐波等。 ( 3 ) 空间矢量调制技术又称为间接变换法、交一直一交等效变换法，是 基于空间矢量变换的一种方法，它将交一交变换虚拟为交直和直一交变换， 这样便可采用目前流行的高频整流和高频p w m 波形合成技术，变换器的 性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的， 低次谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论 分析支持。 ( 4 ) 方波解结耦调制技术这一调制方法是针对单相三相矩阵变换器 拓扑所提出来的新的调制技术。这种调制方法具有控制简单、计算量小的 优点，而且通过同步性的设计可以实现矩阵开关的软开关。本课题所采用 的正是这种调制方法。 2 3 矩阵变换器的换流问题 矩阵变换器的主回路采用的都是组合的双向开关，所以双向开关之间 就存在着换流问题。而换流问题是研究矩阵变换器过程中一个非常重要的 实际问题。 所谓双向开关，是指在导通时能流过双向电流，关断时能阻断双向电 压且具有自关断能力的器件。这样的开关又被称为四象限开关。目前市场 上还没有这种类型的功率器件，所以双向开关通常由单向开关组合而成。 全控型的单向开关器件品种繁多，已形成产业化的器件就包括g t o 、g t r 、 燕山大学工学硕士学位论文 功率m o s f e t 、i g b t 等，这些功率器件都有各自的优缺点及应用场合。 g t o 、g t r 均为双极型全控型器件，工作频率较低，属于电流控制型 器件，所需的驱动功率大，限制了它们的应用场合。 功率m o s f e t 是一种多子导电的单极型电压控制器件。它具有开关速 度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二次击 穿问题等优点，但是它的通态阻抗大，电流容量较小，仅适用于小功率的 场合。 i g b t 是一种新型复合器件，它综合了m o s f e t 和g t r 的优点，它相当 于g t r 作为主导通元件，用m o s f e t 作为控制元件，即具有g t r 的电流密 度高、导通压降小的优点，又具有m 0 s f e t 输入阻抗高，驱动功率小，响 应快等优点，因而具有良好的特性。 考虑到i g b t 比g t r 、g t 0 等器件，在中小容量范围内无论是工作频率 还是门极控制都具有无可比拟的优势，与m o s f