（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的研究(2).pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a t r i x - c o n v e r t e ri san e wt y p eo fe l e c t r i cp o w e rc o n v e r t e r ，i tc a r tr e a l i z et h e t r a n s f o r mf r o ma ct oa cs t r a i g h t w a y c o m p a r et ot h et r a d i t i o n a le l e c t r i cp o w e r c o n v e r t e r ，i th a sm a n ys t r o n g p o i n t ，s u c ha s ：i tc a nd y n a m i cr e s p o n dr a p i d l y ，i th a s n oh a r m o n i o u sp o l l u t i o n ，p a r a m e t e r ss u c ha st h ef r e q u e n c ya n dt h ev o l t a g e p r o p o r t i o nc a nb er e g u l a t e da b s o l u t e l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r i cp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，t h e m a t r i x - c o n v e r t e rh a sb e e nt h eh o t s p o to ft h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r i cp o w e r c o n v e r t e r i nt h i sa r t i c l eis t u d yt h et r a n s f o r mt h e o r yo ft h e3 3m a t r i x - c o n v e r t e rf i r s t l y f i n do u tt h es w i t c h f u n c t i o no ft h e3 3m a t r i x c o n v e r t e r a n dw i t ht h eu s eo ft h e m a t l a b ，ir e s e m b l et h e3 3m a t r i x c o n v e r t e r , p r o v et h ef u n c t i o no ft h e m a t r i x c o n v e r t e ra n dt h ec o r r e c t n e s so ft h es w i t c h f u n c t i o n 1 1 l e nis t u d ys o m e p i v o t a lt e c h n i q u e s o ft h em a t r i x c o n v e r t e rs u c ha st r a n s f o r mc u r r e n ta n d m a n e u v e ro ft h ec o n t r 0 1 r e c o m m e n ds o m ek i n d so ft h et l a n s f o r i l lc u r r e n ta n d m a n e u v e ro ft h ec o n t r o la n dc o m p a r es o m ek i n d so ft h et r a n s f o m ac u r r e n ta n d m a n e u v e ro ft h ec o n t r 0 1 i nt h i sa r t i c l eia l s os t u d yt h eo m n i p o t e n c et r a n s f o r m a b i l i t yo ft h em a t r i x c o n v e r t e r e m p h a s e ss t u d yt h ea c d cc o n v e r t e rt h a t t r a n s f o r mf r o mt h e3 3m a t r i x c o n v e r t e ra n dr e s e m b l et h ea c d cc o n v e r t e r p r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h ea c d cc o n v e r t e r a n dr e c o m m e n dt h es i n g l e - p h a s et o s i n g l e - p h a s ec o n v e r t e ra n ds i n g l e - p h a s et ot h r e e - - p h a s ec o n v e r t e rt h a tt r a n s f o r m f r o mt 1 1 em a t r i x c o n v e r t e r i nt h i sa r t i c l e w er e a l i z et h eh a r d w a r eo f t h eb a s a lc e l l o f t h e3 3m a t r i x c o n v e r t e r ：t h r e e p h a s et os i n g l e p h a s ec o n v e r t e r t h er e a l i z a t i o n o ft h eh a r d w a r ec a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：c o n t r o lp a r ta n dp o w e rp a r t c o n t r o lp a r tc a np r o d u c es i n g l eo fs w i t c ha c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r p o w e rp a r t i st h em a i nb o d yo ft h et h r e e p h a s et os i n g l e p h a s ec o n v e r t e r ，i tt r a n s f o r mt h e t h r e e - p h a s ee l e c t r i c a ls o u r c et os i n g l e p h a s ee l e c t r i c a ls o u r c ea c c o r d i n gt ot h e s i n g l ef i o mt h ec o n t r o lp a r t k e yw o r d s ：m a t r i x c o n v e r t e r ；a c a c ；t r a n s f o r mc u r r e n t ；【a t l a b 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：强! 虱墨 日期：知o s 年3 月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术的高速发展，以及人们对 电力变换器性能要求的提高，一些新型的电力变换器得到日益研究和重视。 目前普遍使用的晶闸管自然换相交一交变频器和各种交。直一交变频器除了性能 方面的局限外，还有日益引起广泛关注的负面影响一无功功率和谐波污染 阻1 。当前主要使用无功补偿、有源滤波等方式抑制谐波，而更根本的方法是 开发高功率因素和低谐波污染的新型电力电子变换器，矩阵变换器就是在该 研究领域中备受关注的热点。 广义的矩阵变换器是由n ；m 个双向可控开关组成，按照矩阵排列，输 入端接n 相交流电源，输出端产生m 相输出交流，实际应用中最常用和最 普遍的是3 * 3 相矩阵变换器，其基本原理图如图所示： 其中，v a , v b ，v c 为三相交流输入，v a ，v b ，v c ，为三相交流输出，与其他电 力变换器相比，矩阵变换器具有主电路拓扑结构简单和诸多理想特性，如： 1 提供正弦的输出电压和产生正弦的输入电流。 2 无中间直流环节，动态响应快。 3 设计适当的调制算法可实现输出电压幅值、频率和输入功率因素的独立 控制。 4 功率因素角可在正负之间调节，可以不产生无功或对电网起到一定的无 功补偿作用。 5 采用不同的控制算法，同一矩阵变换器装置可分别实现整流器、逆变器、 变频器、斩波器等的功能。因此它还有“广义变换器”的别称。 、i2 i ! i 一1 ； j l i 嚣g ：；l ；i | 8 _ ； | 目 _ j 黪圜l 誉! i f ：+- j ： l ， 茂：5 ；昏鐾j 薯 j， r 。；一i j 鲥一 州一 i 誊生一搬? j | ： 蓦鞭薯嚣j _ 蒌簿i 冀巢誊 ! ! i “ l ，一二i 、：h 藩i 王曼；l ； 霉t 曩“黪匿臻曩童蔓鬈落i 、 p ”鹾一 h w j v 蓑麟蒸醚嚣， 篱= ”琵黪嚣肇誉棒 + 曩二= j 甏! 叠；嬲。汴 释：罐憋露毒鬻熏氍。 。暌；曩i - ；嗲： 陶辫莲漤藩薛 h l 自曝隧蠲i + j ! 卷攀警；i f 1 i 潞5 尊譬咚矗 ，鬟v 一嚣唠黧j ” 、 ：陲鏊翦掰黼羔。二 j i g | 撰煮搿j ，一i ， 箍誓譬鹗韬置疆卜曩。 麟 鬻蒸满i 嗣熊恭辫 ”j ；疆；一 。i _ + l 翻； i n 。i t 器j “：謦蠢，曩滚 鞴i； 簿藉鞴簿 - 警冀 糍薯雏 图1 13 3 矩阵变换器的基本拓扑图 1 2 矩阵变换器的研究意义 随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，可控交流电气传动取代直 流传动已经成为不争的事实。作为可控交流传动专用的变压变频器一p w m 变频 器也已成为广为应用的电子产品。p 1 】| m 变频器的成熟应用为自动化和节能赢得 了可观的效益，但也带来了谐波污染、低功率因数、直流滤波电容寿命有限 等负面影响。解决谐波和功率因数问题的办法有：1 采用有源或无源滤波和 功率因数校正装置。2 开发“绿色”变频器。后一种显然是更为治本的措施。 “绿色”变频器应该具备的品质是：1 输入和输出电流都是正弦波。2 输 入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1 o 。3 可获得工频上下可 控的输出频率。目前已获应用的三电平双p w m 交一直一交变频器、多逆变单元串 联的中压变频器都可达到或接近这些要求，但功率电路和装置仍嫌笨重。自 从v e n t u r i n i 和a l e s i n a 在1 9 8 0 年发表关于矩阵变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ) 的 两篇论文以来，其优越性能很快就受到重视。除了上述三项优点以外，矩阵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变换器还能做到：4 能量传输可逆。5 省去体积庞大的直流环节滤波电容， 这是现有变频器不能完全企及的。 矩阵变换器是一种强迫换相的交一交变换器，但与现在只适用于低速大容 量传动的由三套可逆直流可控整流装置构成的交一交换器( 又称周波变换器) 的原理和电路完全不同。它是一组可控的功率半导体开关阵列，利用p w m 控制 将交流供电电源直接变换成负载所需的变压变频电源。在3 3 矩阵变换器中， 输入端接三相工频电源，输出端接频率和电压可控的三相负载，例如三相异 步电动机。在任何时刻，某相输出在一定频率下的电压幅值总可以从输入的 同相或不同相工频电压中找到，或者用脉宽调制的方法调制出来，只要把其 间的开关按需要接通或断开即可。但绝对不能把不同相的输入端同时接到同 一输出端，也就是说，输入端绝对不能短路；与此同时，由于输出端接感性 负载，任何一相输出都不能瞬时开路，这是对3 3 矩阵变换器中的9 个双向开关 接通与否的基本要求。 矩阵变换器的原理已经清楚，其优点也很突出。但至今还没有工业产品 问世的原因是有一些具体问题还需要解决，譬如：1 需保证双向开关可靠换 流与控制。2 需突破电压传输率( 输出输入电压比) 等于0 8 6 6 的限制，以满足 最高输出电压达到额定值的要求。3 应研制可双向导通的功率开关模块，使 变换器的装置更加紧凑等等。近l o 余年来，在这些问题上的研究与开发已取 得长足的进展。 1 3 矩阵变换器的目前研究主要内容和国内外发展状况 目前在矩阵变换器的研究和发展中有以下5 个比较重要的问题。 ( 1 ) 双向开关矩阵“。 变换器需要双向可控的功率开关，应在正反两个方向 都能导通电流或阻断电压。早期的双向可控开关曾采用品闸管，带有外部的 强迫换向电路，这种方案的主电路比较笨重，而且性能较差。采用i g b t 和二 极管构成双向开关后，矩阵变换器拓扑变得更具吸引力，先后成功地研制出 多种双向开关单元，常用的有两个i g b t 串上两个二极管反接组成的共发射极 电路和共集电极电路。最终使矩阵变换器能够成为产品的是由标准双向开关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单元构成的集成功率模块，国外现在已经开发出好几种样品。d y n e x 半导 体公司在2 0 0 2 年已经推出2 款i g b t 双向可控开关模块。 r 1 1 d i m 4 0 0 p b m l 7 - a 0 0 0 ，基本参数为v d r m = 士1 7 0 0 v ，v t = 4 9 v ，i c = 4 0 0 a ， l c ( p k l = 8 0 0 a ， 而且具有1 0 u s 短路能力、高热循环能力、非穿通硅以及带 有a i n 衬底的隔离型m m c 基体；( 2 ) d i m 2 0 0 m b s l 2 a 0 0 0 ，基本参数为 v d r m = - m 2 0 0 v ，v t = 4 3 v ，i c = 2 0 0 a ，i c ( p 酗= 4 0 0 a ， 而且具有1 0 u s 短路 能力以及带有隔离型铜基板。以上两种双向i g b t 为共发射极，均可以用于 矩阵变换器。 ( 2 ) 电流换向h 1矩阵变换器开关器件之间可靠的电流换向比普通电压源 逆变器里的电流换向要困难得多，因为这里没有自然的续流通道。矩阵变换 器的开关切换必须遵循两条基本原则：1 输入端绝对不能短路。2 输出端绝 对不能瞬时开路。从同一输出相的两个双向开关单元来看，这两条基本原则 就是在任何时刻不能让两个开关器件同时接通，否则将导致线间短路；也不 能让它们同时断开，否则会导致感性负载电流失去通道，引起强过电压。由 于半导体器件开通和关断都需要一定时间，必须有特殊的开关逻辑，才能满 足上述要求。已经开发出来的电流换向方法有：四步、半软化换流、两步， 基于相对电压幅值换流，利用软开关技术换流。 ( 3 ) p w m 调制和电压传输率采用脉宽调制可以把矩阵变换器的三相正弦输入电 压变换成幅值与频率成正比的三相输出电压”“。在已发表的文献中提出了 多种调制方法，空间电压矢量调制是最优越的一种调制方法，它可以在满足 两条开关切换基本原则的条件下，既保证输入电流接近正弦波，又保证输出 电压接近正弦波，或者使负载电机的磁链轨迹接近圆形。但是其虽高输出电 压是有限的，从理论上可以证明，要保持上述对波形的要求，最高输出电压 仅为输入电压的0 8 6 6 倍。改变调制方法可以把电压增益提高到1 0 5 3 倍，但 这种改善是以牺牲输入电流或输出电压波形的要求为代价的。 ( 4 ) 输入功率因数。乃 采用空间电压矢量脉宽调制( s p w m ) 不仅可以控制输入 电流的波形，还可以控制其相位，这对于“绿色”变频器来说也是个非常重 要的因素。在设置了适当的输入滤波器后，可以在带任何负载时都能使功率 因数控制到1 0 。 ( 5 ) 装置的体积和成本隅1要使矩阵变换器能够推入市场，除了技术性能外， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 装置的体积和成本显然是一个决定性的因素。研制出多个双向开关单元的功 率集成模块，使整个矩阵变换器装置更加紧凑，也使可靠性得到提高，但当 市场上需要的数量不足时，就难以降低装置的成本。不需要体积庞大的中间 直流环节滤波电容，自然是矩阵变换器的优势，但是为了减少输入电流中存 在的开关频率谐波并提高其功率因数，输入端的滤波器还是必不可少的。如 何减少输入滤波器的尺寸仍是开发矩阵变换器产品时的重要课题。 2 0 多年前，当矩阵变换器刚刚被提出的时候，它已经具有成为性能十分 优良的变换器的潜在优势。现在，经过2 0 多年的研究和开发工作之后，当变 频器的应用已经非常普及，而市场上对“绿色”变频器的呼声正日益高涨的时 候，把矩阵变换器制成产品并推入市场条件也逐渐成熟了。如果能够批量生 产双向开关单元的集成功率模块、如果能够开发成功双向i g b t 器件，对促进 矩阵变换器产品的问世无疑是十分有利的。但是，现在矩阵变换器又面临性 能相似的p w m ( p w m 整流和p _ | ；y m 逆变) 变换器的有力挑战，而后者已开始在市场中 应用。因此，是否能使矩阵变换器在性能、尺寸、成本和可靠性等方面都超 过双p _ l i m 变换器，将是对变换器前途的真正考验。 1 4 本课题的研究内容 本课题首先要对矩阵变换器的变换原理进行深入的研究，以3 3 矩阵变换 器为主要研究对象，分析其中交流到交流变换的原理。在研究清楚3 3 矩阵变 换器的基本原理之后，需要找到3 3 矩阵变换器的一种可行的开关函数矩阵算 法，并且利用仿真对3 3 矩阵变换器的工作原理、柔性变换能力以及3 3 矩阵 变换器的开关函数矩阵算法进行验证。 本课题还要对矩阵变换器的几项关键技术进行研究和探讨。其中以矩阵 变换器的安全换流技术和控制策略为主，因为这是矩阵变换器研究中最为关 键的几项技术。在安全换流技术中，需要研究各种不同的换流技术进行深入 的研究和比较，目前采用的比较多的是半软化四步换流法、半自然两步换流 法和一步换流法。在控制策略技术中，现在主要是采用空间矢量控制方法， 本课题也要在研究各种控制策略的基础上对各种控制策略进行比较。 矩阵变换器也号称“广义变换器”或者“万能变换器”，是因为采用不同的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制算法，同一矩阵变换器装置可分别实现整流器、逆变器、变频器、斩波 器等的功能。这是目前其他变频器无法比拟的。本课题在主要研究3 3 矩阵变 换器的a c a c 变换的基础上，也要对矩阵变换器的其他各种变换功能进行研 究，并利用仿真验证其功能的实现。 3 3 矩阵变换器其实是由三个相同的三相一单相变换器组合而成，3 3 矩阵 变换器整体的安全换流技术、开关函数算法完全体现在三相一单相变换模块 中，利用三个完全相同的三相一单相变换模块就可以直接组成3 3 矩阵变换器， 本课题还将对简单硬件实现三相一单相变换模块进行设计。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章利用m a t l a b 对矩阵变换器的仿真 2 1 对矩阵变换器进行仿真的必要性 众所周知，3 3 矩阵变换器一种性能优秀的电力变换器，最早是由l g y u g y i 和b r p e l l y 提出，但是它的工作原理与具体实现又是十分复杂的， 因此有必要首先对3 3 m c 进行建模和仿真，以便为实际设计3 3 矩阵变换器积 累经验和提供指导。虽然已经有许多学者对3 3 矩阵变换器进行过数学分析， 例如a z u c k e r b e r g e r 等学者已经利用仿真软件对3 3 矩阵变换器的基本工作原 理进行过仿真，但对3 3 矩阵变换器的柔性变换功能尚未深入研究。3 3 矩阵 变换器的柔性变换功能主要包括调节输出电压幅值与频率以及调节输入电流 位移与波形等能力。 原理上来说”1e 1 0 ，矩阵变换器的输出的频率和幅值可以单独实现改变， 也可以同时实现改变，但是变化的效果如何，输出的电压电流波形如何，输 出受哪些因素的影响，则需要通过仿真来进一步地研究。 在这里，主要利用m a t l a b 中s i m l i n k 里面的s i m p o w e r s y s 中的 器件构成3 3 矩阵变换器的主体部分和功率部分，还得建立系统的控制部分， 控制期望输出的频率、幅值、输入频率等参数。 2 2 3 3 矩阵变换器的开关函数控制原理 所谓开关函数是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约 束条件下，使电力变换器中相关的一组功率开关各自的占空比由一个连续函 数或分段连续函数来表示，利用精确的数学表达式来确定开关的具体动作 1 1 3 。对3 3 矩阵变换器而言，共计有9 个双向可控开关，因此对应有9 个开 关函数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每个3 l 矩阵变换器包含的三个双向可控开关为一个开关组，负责产生一相交 流基波电压幅值相频可调的p w m 电压。令3 3 矩阵变换器的一种低频的开关 函数矩阵为： f d 2 【n l ( t ) f 1 2 ( t ) n 3 ( t ) ，t 2 1 ( t ) 1 2 2 0 ) f 2 3 ( 0 ，f 3 1 ( t ) f 3 2 ( t ) f 3 3 ( t ) 其中，f l l f 1 3 、f 2 1 f 2 3 与f 3 1 f 3 3 分别代表双向可控开关s l l s 1 3 、 s 2 1 $ 2 3 与s 3 1 $ 3 3 的瞬时占空比，分别负责产生输出p w m 电压v a 、v b 与v c 显然其约束条件为：o 兰绚( t ) - - t l & = t 2 o u t 3 = l ； e l s e o u t 3 = o ； e n d e l s e e n d e n d o u t = - o u t lo u t 2o u t 3 ； 通过控制部分，可以改变五个参数的值，产生对应不同的参数所对应的 每组各个双向可控开关的驱动信号，产生的驱动信号将传送给系统的功率部 分中的双向可控开关。 在p = o ，q _ 0 2 5 ，e o i = 3 1 4 ，f o = 2 5 ，v o v = o 的条件下，控制部分产的一组输出 驱动信号波形如图2 | 2 。 从图中可以看出，在每个开关周期o 0 0 0 1 秒内，每一相的三组驱动信号 轮流导通，在任何一个时刻，有且只有一组驱动信号为高电平，符合3 3 矩阵 变换器的原理。而且每秒一万次的瞬时采样，也符合矩阵变换器的精度要求。 从以上可以看出，通过矩阵变换器的控制部分，可以改变期望输出的各 项数值，而且可以通过3 3 矩阵变换器的开关函数转换成每组各个双向可控开 关的驱动信号，将驱动信号传给下一部分的功率部分就可以验证矩阵变换器 的变换能力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 驱动信号波形 2 3 2 仿真的功率部分 第二大部分为矩阵变换器的功率部分 1 9 3 主要包括一个三相交流电压源， 三相交流电压源主要利用s m p o w e r s y s t e m 库中的e l e c t r i c a ls o u r c e 中的 3 个交流电压源组成，电压幅值为2 2 0 v 电压频率为5 0 h z ，对应5 个输入变 量中的耐为3 1 4 。三相电压源的第一相输入到3 3 矩阵变换器的第一列，同 样的，三相电压源的第二相和第三相分别输入到3 3 矩阵变换器的第二列和第 三列，电源部分其图如图2 - 3 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 功率部分的电源连接图 为了仿真的方便，本系统的双向可控开关采用2 个理想可控开关反并联2 个快速恢复二极管串联而成，而且仿真中不考虑矩阵变换器的安全换流问题， 也就是双向可控开关的2 个串联的理想可控开关的驱动信号来自同一路驱动 信号，2 个串联的理想可控开关同时开通和关断，因为仿真中采用都理想的元 器件，没有开通时间和关断时间。每一双向可控开关的图如图2 4 。 圈伊 图2 4 双向可控开关连接图 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用理想可控开关反并联一个快速恢复二极管然后再串联的方法，主要 是为了交流电流在电流方向变换的时候能够双向导通，目前大多数的双向可 控开关都是采用上面的方法组合而成。 用九组双向可控开关单元组合就可以组成3 3 矩阵变换器的主体部分，其 图如下： 图2 5 3 3 矩阵变换器的主题结构图 每- - y l l 的三个输入来自三相交流电压源，每一列的一相输出就是最终输 出的每一相，这样通过3 3 矩阵变换器的主体部分，就可以将三相交流输入变 换成期望的三相交流输出。 功率部分还包括一个三相交流电机，作为功率部分的负载，其输入就为 3 3 矩阵变换器的最终输出，测量其中的定子电流就可以看出矩阵变换器的输 出。其图如下： 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 仿真结果 图2 6 功率部分的电机连接图 在搭建好矩阵变换器的模型之后，就开始对其进行仿真，在仿真过程中主 要是改变期望输出的幅值和频率，看输出是否能实现交流到交流的直接变换， 是否能按照期望的值实现变压与变频。 本次仿真分别仿真了不同期望输出率和输出幅值下的输出结果，仿真主 要的输出结果为三相交流电机的定子电流波形，由示波器显示，本次仿真采 用s i m l i n k 中的o d e 2 3 t b ( s t i f f t r - b d f 2 ) 这个算法，仿真中采用变步长，在结 果中，先保持矩阵变换器的变压比不变，观察在不同频率下的矩阵变换器的 输出，检验矩阵变换器的交流到交流的变频功能，然后再保持矩阵变换器的 期望输出的频率不变，改变矩阵变换器的变压比，检验矩阵变换器的交流到 交流的变压能力。仿真的结果如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7f o = 2 5 h z q = o 2 5 定子电流波形 图2 8 f o = 2 0 h z q = o 2 5 定子电流波形 1 8 哈尔滨上程大学硕士学位论文 图2 9f o = 3 0 h z q = o 2 5 定予电流波形 图2 1 0f o = 2 5 h z q = o 5 定子电流波形 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 仿真结论 图2 1 1 f o = 2 5 h z q = 0 4 定子电流波形 利用s i m u l l n k 的电力系统工具箱建立了一个基于元器件模型的3 3 矩 阵变换器电动机传动系统的仿真电路，并且采用开关函数矩阵方法实现了对 3 3 矩阵变换器功率电路的逐周期控制，通过仿真曲线我们可以看到，矩阵变 换器能实现交流到交流的变换频率与变压功能，也验证了3 3 矩阵变换器的开 关函数的正确性，这些结果能够反映出3 3 矩阵变化器本身是一种功能完全、 性能优秀的电力变换器，它的一些性能已经得到了很好的实现。仿真过程也 表明s i m u l i n k 非常适合用于仿真3 3 矩阵变换器等大型复杂的电力变换器 的工作原理。 2 5 本章小结 本章主要在研究了矩阵变换器的工作原理的基础上，对3 3 矩阵变换器的 开关函数进行了研究，并且利用m a t l a b 软件对典型的3 3 矩阵变换器的工 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作原理、变换性能以及3 3 矩阵变换器的开关函数进行了仿真。仿真结果显示： 3 3 矩阵变化器本身是一种功能完全、性能优秀的电力变换器，也验证了所采 用的矩阵变换器的开关函数的正确性。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章矩阵变换器的安全换流策略和控制策略 3 1 安全换流的必要性 因为矩阵变换器是实现交流到交流的直接变换，交流电的方向在每个周 期内都是需要改变的，所以为了保证交流电的流通，必须有双向的开关器件， 这就是为什么矩阵变换器采用双向可控开关的原因m 。三相一三相m c 拓 扑见图： i 1 ； i ii i i l | | 瓣删 刽潞簿：溉p剡_ 皇槲 磊书崮 刍、 姒， i - - i翟一1 瓣 i 越矗争。m 挑4 ：l 口 矗t “ 每爨 ；e 船商 i 一- ih v ； 1 j 鬟! j 、；法 辨r 鞯事孝善瓣 描芏| 一_ ；键翮 警孽霹螽纂鞯习”勰赫 糊 _ 量h 媪：诅l i ，臣 宙圣 _ 一i d 矗 - hl描 ：强一雕 l “i 秘_ 。 ； ，疆ih 二_ j 雕 鞲 纛鹾麓囊鬻警警 剖j 誊藩鞯 羹鞴# 薹； ， h 曝 ：嘏 ，。“i 。 习1 1 ”1 a j1 畦 艮 叫_ ni ! ；自4 a ，v _ ”嗣l ；嘲- ；_ ， 埘 * 鞭 4 | 强掣；j 弱 ；”疑l 潮 j 密曩囊 。； ， j 。i 夏，5 _ ，：；。 疆 疆 l 图3 13 3 矩阵变换器拓扑图 它可以由3 个三相一单相矩阵变换器构成，单个三相单相矩阵变换器如图 3 2 ，矩阵式电力变换中的换流问题主要指连接同一输出相的任意两组可控开 关之间的换流问题瞠羽，也就是输入相之间的换流问题。换流时应防止出现负 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载电流断路和电源相问短路现象。矩阵变化器采用双向可控开关 2 33 基本的 双向可控开关形式有串联型、并联型、 发射极反并联型和共集电极反并联型。 桥型和混合型等，其中串联型包括共 本文主要针对包含两个分立开关的双 向可控开关，因为这些开关可以实现单向控制，便于实现多步换流。目前已 经有具有反向阻断能力的i g b t ，这样两个i g b t 直接反向并联就可以构成一 个双向可控开关。图3 2 中双向可控开关属于共发射极反并联型，是一种常 用的组合式双向可控开关。 随着矩阵式变换器理论的成熟与功率模块技术的进步，换流安全性已经 成为一个重要的制约因素，并且往往与控制复杂性和变换性能息息相关。换 流的安全性与换流策略和电量的检测是分不开的，到目前为止人们已经找到 了多种矩阵变换器换流方式，其中涉及到的电量检测、换流步数、换流时间、 开关损耗、换流影响以及共模电压也各不尽相同，这反映了人们对于矩阵变 换器换流问题已经做出了非常多的努力。 | | l ! l ， ；：i 。 l ：i ； _ i i ：l ； - 蠢 引 鬻 ? d ?；tj ；d ? ； r 曩； 譬 j 曩 lr 协卜 。卜 垂 r 曩 l 一 。i 一 曩 i r v ，0 l | | j | j ，l 。 ，l ；r i l ：i ，- l 卜j 0 l ：“ i _ t 1 蠢 ；l _ _ | lh 。盛 f ：；r ：，tr 日蘑 【l d 1 6 d ： i ：q t l ，耻辱b i h 伊 i 亭蒋一口c 3 8 5ifi i 叁g 芸 警 s 1 l i ；l r 巍菇卜 基 ；l 潜0 ； l td 删 i l ：晦 ih ；。晶锚； 隧“ | 强醛砖* 誉量 巨 | ! ! 丧鬻譬 lm 轴f 3 船。 + i ； l ；! 醯 羽! l ，t n 2 0 i 囊p 胃! ；l ；l ； l ； l j _ 川i| 0 引拶o 秘 0 障”鬻 t i 量| 。隰j - k i 。瀛 i | il i i 1 9 譬 n !l ；l 丰 叫| j t - q t 。；li ；目 l ：3 昭 l0 裂溪3 争 1 m 锄【 i 型 l 门i l 下 s 1 3 0 i i 竹 替ll ! ， t； - l ， 鞠 ；- b 1 3 i l ； | ； j， ： | ；- ，l ! l ； t ：1 ； 图3 2 三相一单相矩阵变换器拓扑图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 1 矩阵变换器换流的复杂性是由于矩阵变换器中不含有类似交直交变换器 ( v s r ) 6 0 间的直流( 电压) 环节阻钔，而使负载与电源直接耦合，而且也不包含自 然的续流路径f 反并联二极管) 。实际上矩阵变换器换流与v s i 换流原理有些 相似，只是前者切换的是交流电压，后者切换的是直流电压。矩阵变换器换 流目的是将某相负载电流由一个相关输入相切换到另一个相关输入相，开关 动作指由一个相关双向可控开关切换到另个相关双向可控开关，负载得到 的电压电流信息由一个相关双向可控开关( 输入相) 提供切换到另一个相关双 向可控开关( 输入相) ，保证输出线电压或相电压的每个开关周期中的平均值 符合期望的瞬时输出线电压或相电压。如果双向可控开关是理想的，则m c 司1 以实现不同开关之间的瞬时切换，但是由于功率开关的开通与关断都需要 时间，而且驱动信号传输时间也不一定相同，为了防止换流时电源短路和( 感 性) 负载开路而威胁到电源和矩阵变换器的安全，防止负载设备无法正常工 作，这就引出了矩阵变换器的安全换流问题。 另外，换流策略与换流次序也是密不可分的 2 5 1 ，例如对于同一换流策略， 如果采用p w m 方法可以降低开关损耗。方法是本开关周期的第3 组开关状 态延续为下一开关周期中的第1 组开关状态，即将原来输入相闯换流次序相 a 、相b 、相c 、相a 、相b 、相c 调整为相a 、相b 、相c 、相c 、相a 、相b 、 相b ，这样可以节省3 3 的开关损耗。由以上可以看出，选择正确的换流策 略对于矩阵变换器设计是非常重要的。 随着矩阵变换器的发展，曾经先后出现了多种换流策略，如死区换流、交 叠换流、两步换流、改进型两步换流和辅助谐振换流策略等。但目前应用较 为成功的主要有半软化四步换流策略与半自然两步换流策略。 3 ，2 矩阵变换器换流策略综述 为实现矩阵变换器中双向可控开关之间安全切换( 输入相之间安全换相) 或抑制换流不安全带来的危害，曾经采取过以下手段：( 1 ) 在矩阵变换器输出侧 增加整流式阻容钳位电路限制过压；( 2 ) 在矩阵变换器输入端增加一组共铁心 的线圈，并利用二极管对各磁通进行调整。显然这两种方法缺点很多，需要 哈尔滨工程大学硕士学位论文 探索新的安全的换流策略。 3 2 1 基本换流策略 1 ) 交叠换流2 6 1 要求出侧开关关断之前，入侧开关触发。这种方法必然带来输入相问瞬时 短路，需要额外的输入电感扼流。由于电感体积大，价格昂贵，此方法很 少使用。 2 ) 死区换流“ 要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。这种方法必然带来负载电流 断续，需要输出钳位电路。由于死区期间电源能量得不到利用，使得电压 利用率降低，另外缓冲网络比较复杂，故此法也很少使用。 3 2 2 辅助谐振换流噎8 3 ( 1 ) c h i n g - t a ip a n 提出一种低损耗的双向可控开关，能