（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的研究及其在感应加热中的应用.pdf

a b s t r a c t m a t r i xc o n v e n e ri sc o n s i d e r e da sa “g r e e n ”舶q u e n c yc o n v e r t e r 诵t 1 1al o to f m 州t s i tp e n n i t sf b 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 gw i 山0 u t1 a r g e r e a c t i v ee n e r g ys t o r a 箩c o m p o n e n t s i td r a w ss i n u s o i d a li n p u tc u 玎e m sa i l da l l o 粥 t h ei n p u tm n d 啪e n t a ld i s p l a c e m e n tf k t o rt ob es e ta tu n i t yo rf c c l yv a r i e d r e g a r d l e s so 九h el o a dp o w e rf a c t o r b e s i d e st 1 1 e s e ，i ti sc 印a b l eo f p e r f b “n j n g 雠q u e n c yc o n v e r s i o n 诹也s i n u s o i d a l0 u t p u tv 0 1 t a g e sa l l dc u r r e n t sa tt h ed e s i r e d o u t p u tf k q u e n c ya i l da l l o w sb i d i r e c t i o n a lp o 、e rn o w c o m b j n e dw i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o n 锄dp m t o t y p ee x p e r i m e n t ，i t sa p p l i c a t i o n i nt h ei n d u c “o nh e a t i n g ，w a sd e e p l yi n v e s t i g a t e di nt l l i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt oc o m p a r ea l lk i n d so fc u n e n tc o m m u t a t j o na l g o r i 血m s ，m em o s t c o n f o m l a b l ec u r r e n tc o m m u t a t i o na l g o r i t l l ma r ec o n 6 n 】1 e d b u tt h e r ei sas e r i o u s p r o b l e mb r o u g h tb yt l l em u l t i s t e pc o m m u t a t i o n ，t h em u 】t i s t e pc o m m u t a t i o nm a d e t 1 1 eo u t p mv o l t a g ed i s t o r t e d ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ee r r o ri s c a l c u l a t e d ，a 1 1o f 也e w o r k si sr e a d yf o rt l l ei m p m v e m e n ti nt h ef u t u r e ；c o m p a r e da l lk i n d so f3 1 m a t r i xc o v e r t e rc i r c u i tt o p o l o g i e s ，t 1 1 em o s tf i t t e d3 1m a 埘xc o n v e n e rc i r c u “ t 叩0 1 0 9 ya r ec 0 1 1 晤n 1 1 e d 0 nm eb a s i so f t h es c h e m e ，t h em a i nc i r c l l i ta n di t sc o n t m l s y s t e mw e r cb u i l t ，i nw h i c ht l l ec o m b i n a t i o n so fm o s f e t sa 1 1 dt l l es a f e g u a r dw e r e a d o p t e dd u et ot l l el a c ko ft 1 1 et m eb i - d i r e c t i o n a ls w i t c h e sa tp r e s e m t h ed e s i g n p r i n c i p 】eo fi n p u t 脚t e ra n di t sa m c t i o nt oi n p u ta 1 1 do u t p u tp e r f o 肌趾c ew e r e d i s c u s s e d ，ad e s j g nm e m o do fa s y m m e t r yl o a di n p u tf i l t e rw a sa p p l i e da n da m o d u l a t i o nm e t h o d 、v i t hp o w e rf h c t o rc o r r e c t i o nw a sp r e s e i l t c d a p p l y i n gt l l e m 矧xc o n v e r t e ri nt h ei n d u c t i o nh e “n gf o rt 1 1 ef i r s tt i m e ，a n di n t e g r a t e db o mo f t l 锄sc h a r a c t e r i s t i c s ；ac o i l f b m a b l ec o n t m lm e t h o d 、v a sp r e s e n t e d e m p h a s i so n a t l a l y z i n gs e v e r a lp o w e rr e g u l a t i o nm e m o d so fm a 砸xc o n v c n e r ，t h ep u l s e f k q u e n c ym e t h o di sc o n s i d e r e dt h ee a s i e s ta 1 1 dt h em o s ts i m d l e n e s sm e l o d a t l a s t ，a 1 1t h ef e a s i b i l i t yo ft 1 1 em e o r i e sm e n t i o n e da b o v ei sv a l i d a t e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o na n de x p 刚m e n t a l i n v e s t i g a t i o n ， t h i sd i s s e r t 砒i o nm a i l l l yd i s c u s s e dp r i n c i p a li s s u e so ft h em a l 矗xc o n v e r t e r s u c ha sr e a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n b y 也e 也e o r e t i c a la 1 1 a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na t l d e 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 e e x p e r i e n c e sa n d s i g n m c a l l tc o n c l u s i o n sw e r eg i v e n ，w h i c hf o u n dt 1 1 et e c l l n o l o g i c a lb a s i sf o rt l l e m 砌xc o n v e r t e r sf u r m e rp r a c t i c a ls t u d i e s 1 ( e y w o r d s ： m a 埘xc o n v e n e r ，b i d i r e c t i o n a ls 谢t c h e s ， f o w - s t 印 c u h 即t c o m m m a t i o n ，i n p u tn l t e r ，i n d u c t i o nh e a t i i l 舀p o w e rr e g u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交交变频技术的发展历程 随着电力电子技术、电机控制理论和微处理器的不断进步，交流变频技 术开始逐步取代直流调速，在电气传动领域占据主导地位。在原有直流调速 系统和新建调速系统中，相当一部分都已经改造成或采用交流变频调速系统。 变频调速技术在自动控制、电气传动、电力变换等方面的广泛应用，使电能 在变换、控制、利用方式上获得了本质的变化，达到了高效、节能和充分柔 性的效果“。5 1 。 随着接入电力系统的电力电子装置数量及容量急剧增加，从小容量的家 用电器到交直流调速传动的各类大中容量静止变流装置，以及感应加热、电弧 炉、电化学生产等大容量负荷都发展迅速。它们一方面从电网吸收大量无功 功率，影响电网频率和电压稳定性；另一方面也向电网排放大量的谐波电流， 引起电网电压畸变，同时也使传统的无功补偿问题复杂化。为使电力电子装 置能更广泛的应用于各个场合而不影响电网的运行，关键要开发一种输入、 输出特性好，无电力谐波，功率可双向流动的“绿色”变频器。既可实现节 能，又可以降低电力电子装置对电网的污染。 目前交流变频技术的应用领域用量最大的是基于交一直一交变换的电压源 型通用变频器以及用于低速高压大功率的相控式交交变频器1 。它们通常都 用于电机的调速系统，因为变频器与电机的结合是交流电机调速系统的最佳 选择，该系统具有显著的节能效果，较高的控制精度以及较宽的调速范围， 便于使用和维护以及易于实现自动控制及远程控制等，因而受到普遍欢迎。 基于交直交变换的电压源型通用变频器拓扑如图1 1 ( a ) 所示。这种拓 扑已在工业上，特别是中小功率场合得到了广泛的应用。这类脉宽调制型 ( p w m ) 逆变器采用不控整流，通过调节逆变器的输出脉冲宽度来改变其输 出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。但由于前级为不控整流，因 此输入电流非正弦，输入功率因数低( 一般在0 5 左右) ，造成电网的严重污 染，为此必须增加昂贵庞大的可控整流技术或专用的p f c 技术来改善输入端功 率因数；另外它不能实现四象限运行；并且存在中间的储能元件，使得系统 体积大，特别是在大功率的应用中，中间储能电容价格高、易于损坏，降低 了整个系统的可靠性；产生的差模干扰很容易滤除，但共模干扰不能够通过 简单的无源环节消除。 浙江大学硕士学位论文 第一章结论 忏仁生 一帚一帚市 ( a ) 普通电压型变频器拓扑( b ) 双向p w m 电压型变换器 图1 1 通用交一直一交变频器拓扑 为改善交直交变换的电压型变换器对电源的影响，人们又提出了双向 p w m 电压型结构，如图1 1 ( b ) 所示，这一结构使得变换器对供电电源和 负载电机都有良好的特性。但还是存在中间的储能元件，同时使用的可控器 件比图1 1 ( a ) 多一倍，控制也相对复杂。 晶闸管的出现促进了交交变频技术的发展。交一交变频器可以分为电流型 和电压型，电流型的交一交变频器在输出侧采用电抗器将输出电流强制为矩形 波( 或阶梯波) ，并缓冲负载的无功能量；电压型的交- 交变频器输出端直接 接负载，由于供电电源的低阻抗使其具有电压源性质，负载的无功能量直接 来自电源。交一交变频器的每一相都由两组整流桥反向并联构成，通过按特定 规律连续改变晶闸管触发角可实现对输出电压波形的控制。三相输出交一交变 频器由三组单相交一交变频器按相位差互为1 2 0 。的关系组成，若变频器的调 制信号是一组频率、幅值和相位可调的三相正弦信号，则变频器输出为相应 变化的三相正弦交流电压，依此实现变频。其原理线路示意图如图1 2 所示。 1 i1 ii lz i j：! ! 7、 0 ；： _l hi 鼍l 【j _ 、 _ i i2【：57 、7i ：1 ll 图1 2 三相交一交变频器结构 电压型交一交变频器的输出电压可以是正弦形，它是由输入电源电压波形 的一些“片段”拼合调制而成的( 如图1 3 ) ，对于三相5 0 h z 而言有相当于 3 0 0 h z 的调制频率。因此，输出电压波形中含有很大的谐波分量，且以调制频 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 率整倍数为中心成谐波群分布。由于输出电压波形是由输入电压的“片段” 组成”，受输出谐波限制，输出电压频率不可能太高，一般低于输入电压频 率的1 ，2 或1 ，3 ( 有环流控制方式为1 ，2 ，无环流控制方式为1 ，3 ) 。对于有环 流控制方式，其正反两组桥切换动态过程快，输出谐波较小，但需要环流电 抗器限制瞬时环流，导致装置成本增加，效率和功率因数降低，多数情况下 不采用此方案；而无环流控制方式避免了有环流方式的一些不足，但由于换 桥死区的存在，会产生对系统不利的低次谐波，需要通过其他方式进行改善。 图1 3 三相交一交变频器输出电压( 上) 电流( 下) 由于传统的交交变换器一般都由三套可逆整流装置组成，它采用移相触 发控制的方式实现功率变换，会引起电流、电压波形的畸变，无论是输入侧 还是输出侧都含有丰富的谐波，会造成严重的谐波效应。而且其最高输出频 率一般不超过电源频率的1 ，3 1 ，2 ，且用原器件较多，控制线路复杂，低速工 作时功率因数低，因而仅适用于大功率电机低速调节和大型水轮发电机的交 流励磁”。 综上所述，基于交一直交变换的电压源型通用变频器以及用于低速高压大 功率的相控式交一交变频器虽然具有各自的优势和特点，但是也存在各自的缺 陷，如寿命、可靠性、体积、成本等。其中最突出的缺陷是对电网造成的谐 波污染。谐波污染影响到整个电力系统的电气环境，并对电力系统本身和广 大用户的各种电气设备甚至其他用户和设备造成极大危害。 在这种情况下，从事电力电子技术研究和开发的人们开始探讨各种新的 变频电源用电力变换器主电路拓扑结构。努力开发输入电流、输出电压正弦、 输入功率因数为1 ，实现谐波主动削减，无中间储能环节，能量可双向流动的 “绿色”的理想的电源变频器，并逐步完善各种方案以促进实用化。“绿色” 理想的电源变频器应具有如下特征“”： ( 1 ) 良好的输出特性； ( 2 ) 高输入功率因数，消除对电网的谐波污染； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行的需要； ( 4 ) 结构简单，具有较高的能量密度和效率。 综合上述特征并对现有变频器拓扑进行比较，可见，矩阵变换器允许频 率单级变换，无需大容量的贮能元件；能使输入电流正弦，输入功率因数可 达到0 9 9 以上并可自由调节，且与负载的功率因数无关；输出电压正弦，输 出频率、电压可调，输出频率可高于、低于输入频率；此外，它还可以四象 限运行，功率可双向流动；体积小、效率高，符合模块化发展方向。这些特 点几乎是原来这些变频器的优点的综合，所以矩阵交一交变换器是实现“绿色” 电源变频器最具发展前景的技术方案“”。 1 2 矩阵变换器的基本结构和特点 图1 4 为矩阵变换器的基本原理图。图中九个开关部分即构成了矩阵变 换器的主电路，三相交流电源和三相交流负载直接由变换器连接，其中九个 丌关必须都是双向开关，以便使能量能够双向流动。输出的电压和频率都是 任意可调的。变流器两边连接的可以不局限于三相系统，但电源侧必须是至 少不少于两相( 单相系统变换存在功率平衡问题，但是在一些特殊场合仍然 可以使用) 的交流系统，负载侧可以是单相系统或更多相系统。 i n d u t 3 d h a s e s u p p i y 图1 4 矩阵变换器的基本原理图 b l ef r e q u e n c y a b i ev o l t a a e 3 一p h a s eo l 七d u 七 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 5 三相一三相矩阵变换器结构 图1 6 三相单相矩阵变换器结构 图1 5 、图1 6 是由上述基本原理得到的两种基本的矩阵变换器拓扑，图 1 5 为三相一三相矩阵变换器的通用结构，图1 6 则是三相一单相矩阵变换器最 常见的结构。图1 7 是由矩阵变换器演化而来，基于双向开关的单相一单相直 接交流变换器。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 基于双向开关的单相一单相直接交流变换器 上面一系列图中的矩阵变换器里的双向开关是指能阻断两个方向电压且 能流过双向电流的全控器件。由于缺乏商品化的双向开关，实际中常常采用 l g b t 或m o s f e t 反向串联而成。图1 6 中的共射极反向串联双向开关是常用 的双向开关结构之，图中输入侧的l c 滤波网络是用来滤除开关切换时产生 的开关次谐波“”。 前面所述的都是单级矩阵变换器，其结构简单，可控性强，但存在以下 缺陷： ( 1 ) 最大电压增益为0 8 6 6 ，并且与控制算法无关； ( 2 ) 主电路的9 个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术； ( 3 ) 必须采用复杂的p w m 控制和保护策略，同时要求复杂的筘位保护电路。 除了单级的矩阵式变换器外，目前还有一种双级矩阵变换器，它的结构 同传统的交一直一交变换器相似( 如图1 8 ) ，包含交一直( 整流) 和直一交( 逆变) 两 级变换电路。所不同的是： ( 1 ) 双级矩阵变换器的两级变换协调同步，直流侧不需要滤波元件； ( 2 ) 整流电路采用由两个单向开关( 如m o s f e t ) 组成的双向开关，是一个三 相输入两相输出的3 2 相变换； ( 3 ) 在其输出的直流电压极性保持为正的情况下，逆变电路为一个标准的电 压源逆变器，可采用单向开关。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 b c 磺向歼荧整蠢蟠逆变瞄 图1 8 双级矩阵变换器的拓扑电路图 双级矩阵变换器克服了传统矩阵变换器的一些缺点，此外还具有以下优 点： ( 1 ) 控制容易，电网侧的单桥可实现零电流开关，负载侧开关控制类似于传 统的d c a c 逆变器； ( 2 ) 不同负载，开关数目可以减少； ( 3 ) 箝位电路大大简化。双级矩阵变换器一般由1 8 个单向开关组成，在一些 只需要能量单向传输的场合，可采用1 5 个单向开关、1 2 个单向开关或者9 个单 向开关的拓扑电路结构，从而降低了系统成本。 所以双级矩阵变换器也有可能是未来矩阵变换器的一个发展方向，但目 前来说双级矩阵变换器由于自身的特殊结构，还不能在大功率的场合应用， 只适合中小功率。 对于矩阵变换器与当前在工业界占领主流地位的o 曰( 澍c 方式的变流 器相比是否有优势，功率电子学界和工业生产厂家一直争论不休，我们认为 柏林工业大学& 叨钿脱朋d 教授对矩阵变换器的分析结论比较中肯： 一矩阵变换器在要求尺寸小、重量轻的使用场合优势明显； 矩阵变换器在要求高开关频率的场合优势明显； - 矩阵变换器的有功功率传输率高于普通的电压型逆变器，而且损耗较 小； - 矩阵变换器的输出电压有限，但在变流器和电机集成的应用场合有发 展潜力。 这一评价代表了相当广泛的功率电子界的观点，但是从另外的角度来说， 也说明矩阵变换器的技术正处在急剧变化的、非常活跃的时期，而在这种时 期里，“权威”的观点并不一定权威，深入考察，细致研究，针对这一领域把 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 工作做精做细，把握技术发展的质变是很有可能的。 1 3 矩阵变换器的发展现状及目前面临的问题 1 - 3 1 矩阵变换器的发展过程及现状 矩阵变换器作为一种新型的交一交变频电源，其电路拓扑形式早在1 9 7 6 年就被提出，但直到意大利学者v e n tu r n i 和a i e s i n a 在1 9 8 0 年发表了两篇关 于矩阵变换器控制策略“5 1 的文章后，其优点才为人们所关注和研究。在接近 三十年时间里，国内外有众多的学者在矩阵变换器的控制中取得了显著的成 果。 7 0 年代，普遍使用的是半控型功率器件晶闸管。采用这种器件组成的矩 阵变换器控制难度高。所以当时的针对矩阵变换器的研究还主要停留在理论 阶段。 8 0 年代，电力电子器件和微机技术的快速发展，高频、低控制功率的全 控型器件如b j t 、i g b t 等出现，推动了矩阵变换器控制策略的研究。为解决 v e n i u r i n i 控制方案的不足，一些研究人员从各种不同角度提出了不同的控制方 案，并在样机上得到验证，在输出输入电压比、功率因数和输入电流品质等 方面有了很好的改进。 9 0 年代后，对于矩阵变换器的理论研究已经初步成熟，控制方法除了 v e n t u r i n i 控制法“”外，还有动态响应快、抗干扰性能比较好的滞环电流控制 法；利用任一瞬间的两个输入线电压对输出电压进行合成，由于通过采用实 时检测输入电压来计算开关占空比，抗干扰性比较好的瞬时双电压合成法“”； 引入空间矢量的概念，利用输出电压空间矢量和输入电流空问矢量进行合成 的空间矢量调制法( s v m ：s p a c e v e c l o r m o d u l a t j o n ) “”。矩阵变换器由于其 结构的特殊性，安全换流问题也是很重要的一个问题。换流方法也发展比较 成熟，由原来的死区换流、交叠换流发展到现在的辅助谐振换流、两步换流 和四步换流等。 目前国外比较活跃的研究部门主要有： 以工脱壤g 刀v j 腔1 兄钳n ， i n s t i t u t eo f e n e r g y i k h n 0 1 0 9 yd e p a r 咖e mo f e l e c m c a le n e 唱yc b v p 瑚f d 玎型坦竖i 星! ：盟星：世= 堡k 堡垒堑i 基， s c h o 口l 西e t 础i c n l 弧de t e m n l l i ce h g 白l c e r 妇曙，u n 觇礴玲醇 川曲晡神删； t h e1 k h n i c 越u n 觇惜却西b e “ i l 驰承nb e r n d ； 冠d c l | 帆暇n 嘲麟等等国际大公司都比较关注，其中前一个是 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 世界著名的传动控制公司，后两个正在致力于双向器件的研究和工业化推广。 据最新的资料，德国的趣，跏即露公司也正在开发矩阵交换器使用的双向电子 开关器件。 目前国外研究的矩阵变换器基本上都属于降压型矩阵变换器，并且以电 机为主要的控制目标，对于其他负载方式的变换器控制较少提及。针对于电 机控制的变换器开关频率大约在蚀日卜j 弧耽左右，调制方法分为传统的 阮拧f h ，抽瑾【接调制方法及其改进方案，以及新发展起来的间接调制方案。 国内对于矩阵变换器的研究较晚，基本上从9 0 年代开始，多侧重于理论 分析和仿真研究。哈尔滨工业大学对矩阵变换器的无功问题进行了研究；福 州大学基于电流滞环跟踪控制的矩阵变换器进行了研究；上海大学陈伯时、 龚幼民、杨喜军( 现并入上海交大) 。1 ，做了许多探索性的工作；浙江大学 的黄科元对矩阵变换器的调制方法及其应用做了许多研究”；浙江大学王勇 对矩阵变换器的模块化发展做了许多研究3 “。 1 3 2 进一步发展存在的问题 我们认为，目前限制矩阵变换器进一步发展的问题在于： 1 、安全换流问题 目前矩阵变换器普遍使用上述的半自然四步换流方案“，这种方案很早就 提出了，目前国际上有实验波形的矩阵变换器相关的文献基本上都是使用四 步换流的方案实现的，随后提出的半自然两步换流方案和半自然一步换流方 案还基本上处在仿真阶段。 2 、控制方法 在控制方式上，目前研究多采用基于电压空间矢量调制的交一交直接变换 法( 双电压空间矢量p w m 法) “”。如何优化空间矢量算法，降低开关损耗， 降低输出电压谐波含量使这种控制方式实用化并优化输入输出电流波形是 值得研究的内容。 3 、开关过程对性能的影响 矩阵变换器的主电路拓扑早已提出，可对于主电路参数的系统优化设计 方面鲜有文献涉及，所以开关过程对于性能的影响如何，又如何补偿，这是 矩阵变换器的输入输出的性能的提高关键问题之一。 4 、矩阵变换器固有缺陷 矩阵变换器存在固有输出、输入电压传输比低的缺陷，如何提高电压传 输比一直是矩阵变换器在通用调速系统中的重要问题和应用障碍，但它与交 换器输入端功率因数和调制系数有关，如何设计合理的控制方案是矩阵变换 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 器走向实用化需要解决的重要问题，应深化这方面研究以提高交一交矩阵变换 器的实用价值。 5 、四象限运行 目前对于矩阵变换器的研究主要集中在输入和输出电压、电流特性的优 化上，对于无功和有功功率的传输和回馈过程和机理尚不是很清楚，深入研 究矩阵变换器的四象限运行和功率因数的优化调节，可以促使矩阵变换器作 为“绿色”节能变频器在工业上的推广应用。 6 、应用研究领域 到目前为止，国内外一直将它作为一种理想的变频电源应用于交流电机的 变频调速“1 ，在其他方面鲜有尝试。如果将矩阵变换器应用于感应加热上， 则具有省去传统感应加热的中间直流环节等优点，可能会成为感应加热技术 下一发展方向。 鉴于目前国外对矩阵变换器的研究工作尚未成熟，国内研究剐刚起步， 从理论到实践还有很多问题尚未解决，特别是在实现技术和应用研究上还相 当欠缺，需要在已有的研究基础上高起点的进行更加深入的研究，以解决矩 阵变换器实现技术和应用方面的一些关键问题。 针对目前矩阵变换器研究中存在的问题，本文在国内外研究的基础上， 除了对矩阵变换器继续深化研究外，更注重其实际技术和应用基础的研究。 在控制方面采用d s p 、f p g a 构成了高速、可靠、紧凑、全数字控制硬件结构， 以考虑今后条件成熟时为实现构造模块式优质电源变换器提供技术基础。 应用方式上，本文首次提出将矩阵变换器应用于感应加热上，探讨其在 用于感应加热上与矩阵式变换器特性相匹配的应用方式。这不论是对于矩阵 变换器的应用还是感应加热电源的发展，都是创新点，亟待进行深入研究， 且在能源有效利用和节能中具有重要的工程实用价值。 1 4 选题的研究背景和本文完成的工作 由前文所述可知，矩阵变换器具有输入电流、输出电压正弦、输入功率 因数高、能量可双向流动的显著优点，能够实现谐波的主动削减。因而作为 新一代“绿色”变频电源受到了普遍的重视，成为各国学者竞相研究的热点。 但矩阵变换器应用于工业的实例还很少。本文的选题就是在这样的背景下产 生的。 1 4 1 本文的选题背景 矩阵变换器控制及其应用研究内容涉及电力电子技术、交流调速技术、 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 发电技术和计算机技术等，是多学科技术的交叉，属于本学科前瞻性问题， 需要做大量相关的基础研究工作和创新工作以推进其产业化应用进程。 因此，本文的研究重点将放在矩阵交一交变换器拓扑分析、控制技术和应 用研究上，既符合当前矩阵变换器的研究现状，也充分体现了理论研究联系 实际、注重工程实用性的明显特点。而且本课题组一直致力研究各种工频中 频的感应加热装置，已为矩阵式交一交变频器的应用研究提供了良好的实验平 台和理论基础。研究矩阵变换器在感应加热中的应用，不仅改进了传统的感 应加热交一直一交的方法，提高了效率，而且可以使装置的体积大大减小，并 可向模块化发展。 1 4 2 本文完成的主要工作 本文采用了计算机仿真与实验结合的方法，深入研究了矩阵变换器的适 合感应加热的拓扑以及在感应加热中的应用问题。论文工作在以下几方面展 开： ( 1 ) 深入分析了矩阵式变换器适用于感应加热的拓扑；在基本拓扑的基 础上，阐述了几种适合于感应加热的拓扑，并对比了各种拓扑的优劣，得出 一种最实用的电路拓扑。 ( 2 ) 构建了矩阵式变换器的主电路和控制系统。重点研究了双向开关的 构成和四步换流方案，分析了四步换流对输入输出性能的影响。详细讨论了 输入滤波器的设计原则和对于感应加热这类不对称负载电路的设计要点。 ( 3 ) 重点研究了矩阵式变换器在感应加热电源上的应用。设计了针对矩 阵变换器用于感应加热上的开关调制方法。分析了各种传统感应加热调功方 法，并根据矩阵变换器的特点，选取了一种适用于矩阵变换器的调功方法。 结合实验和仿真进行分析，得出矩阵式变换器是适用于感应加热的一种新型 变换器，它具有输入电流、输出电压正弦、输入功率因数高、能量可双向流 动的显著优点，省略了传统感应加热中间的直流环节，提高了功率因数，又 缩小了变频装置的体积，有可能是感应加热装置下一个发展方向。 浙江大学硕士学位论文第二章矩阵变换器的技术分析与比较 第二章矩阵变换器的技术分析 与比较 交交矩阵式变换器的基本结构在前面已有述及，但矩阵式变换器在控制、 具体应用等方面还存在很多难点。研究分析这些技术难点有助于我们进一步 理解矩阵式变换器的特性，从而能够进一步改进控制，提高运行时的安全性； 能够针对不同的应用场合使用不同的拓扑和调制方法；促使矩阵变换器技术 的成熟，扩大它在工业应用的范围。 本章将对矩阵式变换器最重要安全换流问题这一点进行比较分析，列出 目前这些换流方法的优缺点，并对多步换流策略下的电压损失做定量的分析， 探讨如何进行补偿的方法；最后比较分析了3 1 矩阵变换器的几种拓扑及开 关调制策略，得出最通用、实际的拓扑，为全文的研究奠定理论基础。 2 1 对于换流控制策略的分析与比较 矩阵变换器的控制技术日臻成熟，理论研究也已经历了较长时间，但是 至今仍未获得工业应用，其中一个很重要问题是如何实现安全可靠、高效的 换流，尤其是在大功率和高频场合应用中更明显，换流问题也限制了矩阵变 换器推向工业应用。 2 1 1 现有的换流方法的分析与比较 矩阵变换器由于其自身结构的原因，必须要有安全换流的方法。安全换 流要求矩阵变换器输入电压不能被短路、输出电路不能突然开路，即要求同 一相输出的任意两组开关不能同时导通，三组开关不能同时断开。由于器件 的开通时间、关断时间、及驱动电路的时延都有个体差异，不能做到严格的 同时切换。为了解决这个问题，国内外学者提出了众多的安全换流策略，主 要有以下几种： ( 1 ) 重叠换流方案 重叠换流是采取输入线间的短暂短路过程来实现电 流的切换的，因此需要在输入线中串入小电感来限制短路电流。由于限流电 感的体积大且成本高，同时又有可能引起新的过电压等弊病，故一般不采用 此方案。 ( 2 ) 死区换流方案死区换流采用安排死区来避免换流时刻输入线路间 浙江大学硕士学位论文第二章矩阵变换器的技术分析与比较 的短路，同时还必须提供某些形式的电压缓冲或可代替的电流通路以避免感 性负载开路时引起的开关过电压。在缓冲电路和感性负载下做硬开关工作时， 缓冲能量的释放会伴随较大能量的消耗。故一般情况下也不采用此方案。 ( 3 ) 四步半软换流“3 3 目钉以图2 1 所示的矩阵变换器a 输出相电路 为例，假设负载由电压源u 。提供功率，根据电流方向的不同而流经开关s a l 或 s a 2 。如果按照控制策略要求把电流改为由电压源u b 提供，首先要确定电流方 向，即电流是流经s a l 还是s 2 ，当l 。 0 时，电流流经s a l ，如图2 2 所示，此 时换流步骤为：第一步，断开开关s a 2 ，这时电流仍流经s a l ；第二步，合上 开关s b l ，由于s a l 和s b l 均为正向开关，两个电压源不会产生短路，此时电 流流经s a l 还是s 引，由两个电压源电压的幅值大小来确定；第三步，断开开 关s a l ，这时电流流经s 最后一步，合上开关s 啦，这时电流仍由开关s b l 提 供回路，完成换流。在换流的第一步和第四步中，开关s a 2 或s 陀实际上是零 电流通断，在第二、三步中，总有一步是硬通断电压和电流，而另一步是零 电流通断，或者说是自然换流。因此这一换流策略被称为四步半软换流。如 果电流的方向和图2 1 中相反，则换流步骤为：关断开关s a l ，然后导通开关 s b 2 ，再关断开关s a 2 ，然后导通开关s 引。不同方向时的四步换流时序见图2 3 。 图2 1 矩阵式变换器中一相输出电路示意图 l 浙江大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的技术分析与比较 、a i 、! l i 、i i ! s a s b 2 广玉扩 图2 2 矩阵变换器的四步半软换流过程 一薹 1 ii | 、! 二簪羔 ( a )丘 o s b 2 图2 3 半软换流开关切换方式 - 1 4 1 1 l !1 1 ( b ) 五 o 浙江大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的技术分析与比较 由此可见，四步换流策略可以成功地构成对两个双向开关的换流控制， 既禁止了可能使电源发生短路的开关组合，又保证了在任意时刻给负载提供 至少一条通路。 图2 4 所示为矩阵变换器的某一输出相的三个双向开关状态的转换图。其 中l 表示导通，o 表示关断，六个数字依次代表三个与输入相相连的双向开关， 即( s a 、s a 2 、s b l 、s b 2 、s c l 、s c 2 ) 的开关状态。图中椭圆形框表示稳态， 矩形框表示暂态。可以看出，双向开关下一时刻的状态除了与负载电流的方 向和换流的指令有关外，还与当前所处的状态有关。 h o 点 o o l o o o 0 0 1 0 1 0 工 o o o o l o 0 0 1 0 0 l 丁 0 0 0 0 0 1 图2 4 一输出相的开关状态转换 ( 4 )两步半软换流“” 这种换流方法是在四步换流的方法上建立起来的， 与四步换流的方法相比，它需要检测输入线电压过零点，而不需要检测负载 电流方向。两步换流引入了输入电压相区概念，每个电源周期中输入相电压 被划分为六个相区，如图2 5 所示。 疋、疋、疋、 u m u n 。 两步换流控制方式下，仍以图2 1 的a 输出相为例，a 输出相六个单向开关在 每个相区中有六个开关状态，可以记为：三个主状态( p 、m 、n ) 和三个中 间状态( p m 、m n 、n p ) 。 s a l 、s a 2 导通 s b l 导通、s b 2 关闭 s c l 导通、s c 2 关闭 ”0 0 1 0 0 1 ”1 0 图2 6a 输出相两步半软换流开关状态 图2 6 所示即为输入相电压处于二相区时的六个开关状态，图中标出了主 状态p 的符号意义，其它状态类推，箭头表示该方向单向开关导通。从图2 6 可看出，在每个主状态中，6 个单向开关只有两个关断，而4 个单向开关触发 导通，但其中有两个单向开关因为承受反向电压而冗余导通。例如图2 6 的主 状态p 下，s b 2 、s c 2 关断；s 1 、s a 2 和s b l 、s c l 触发导通，其中s a l 、s a 2 提 供双向电流路径，而因为u 。 u b u 。，所以s b l 、s c l 承受反电压而冗余导通。 如图2 6 所示，从一个主状态( 原主状态) 到另外一个主状态( 目标主状态) 之间换流需要经过一次中间状态。原主状态到目标主状态之间的切换过程是： 第一步，关闭对于目标主状态不是必须的原状态的单向开关，执行完此步， 将产生一个中间状态，持续时间应该大于开关的开通时间；接着在第二步， 触发目标主状态全部单向开关。例如在图2 6 中，要完成由主状态p 到m 的转 换。主状态p 下有四个单向开关处于触发导通状态，其中s a l 、s a 2 导通，提 供双向电流路径，而s b l 、s c l 冗余导通，不消耗功率。第一步，关断目标状 态m 不需要的s a l ，电流导入目标路径，负载电流转由b 相或c 相维持，达到中 间状态p m ；第二步，触发目标状态m 的全部单向开关即触发s b 2 导通，达到状 鞫 浙江大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的技术分析与比较 态m 。同样方法可以实现由主状态m 换流到主状态n 。当从主状态n 换流到主 状态p 或从主状态p 换流到n 时，可以不经过主状态m ，而经过一个中间状态 n p 即可。两步换流中，由于开关的零电流开通和零电流关断概率也各占5 0 ， 故称为两步半软换流。 比较以上四种方法，前两种由于弊病过多或者损耗太大，一般不采用。 两步换流和四步换流比较，开关的零电流开通和零电流关断概率都是5 0 。 开关电压损耗也相同，但两步换流只需要检测输入线电压过零点，而不需要 像四步换流那样检测负载电流方向。相比于四步换流，两步换流的开关步骤 要少了一半，切换时间也缩小了，这既是优点( 加快了换流过程) ，也是缺 点( 增大了换流的不稳定性，特别是在高频场合) ，由于本实验的研究重点 是矩阵变换器的应用，故还是保守的选择四步换流方案。 2 1 2 空间矢量调制下多步换流死区效应及换流损失的定量 分析d 2 1 _ 2 1 多步换流的死区效应分析 由上一节可知，多步换流( 四步和二步) 一般都能确保开关管的安全换 流。但这种换流方法存在必然缺陷，即换流时都存在死区效应。死区效应的 存在，必然会带来能量的损失。虽然单次的电压偏差带来的能量损失可以忽略 不计，但累积的电压偏差却可能带来很大的能量损失，而且累积的电压偏差 也会导致控制的不精确，严重的话会导致电路无法正常运行。因此我们对换 流损失的进行定量分析，就可以使我们了解换流过程的能量损失情况，为进 一步的改进方法奠定基础。 s a s b s a 】 s a 2 l t 。： j j 、 t a t ； s 4 s 8 s “ s a 2 浙江大学硕士学位论文第二章矩阵变换器的技术分析与比较 四步换流的过程在上一节已经详细分析过，图2 7 列出了四步换流时脉冲 时序信号，可以看出，四步换流时，在丘 o 的情况下，在t 2 时刻s b l 换流的死区 为t d l ，令t s 为换流步长，t d l t s ，在t 3 时刻，t d f 2 t s 。同理可得在矗 0 时， 电流立即转移到目标路径，由s b 2 导通，当五 o 时，电流仍由s a 2 导通；第二步 开通s b 2 ，电流转移到s b 2 。所以当驴0 时，换流死区t d - 0 ；当五 qi 圆 图2 8 两步换流脉冲时序及死区效应分析 换流死区带来的电压损失，造成矩阵变换器主电路不能精确再现由d s p 发出的理想波形，影响了调制效果，实际上它类似于电压源型逆变器的死区 效应对输出波形的影响。尽管在单次换流中的误差电压不足以影响整个系统 的性能，但其累积效应足以使变换器的输出电压波形发生畸变，严重时会导 致矩阵变换器不能工作。尤其在高载波频率的矩阵变换器调制策略中，这种 畸变不容忽视。在换流时间不变的情况下，开关频率越高，电压偏差在整个 输出电压中所占比重增大，影响也越严重，会造成系统输出电压能力下降。 2 1 2 2 多步换流电压损失定量分析 为了定量分析死区时间引起的输出电压畸变，需要将空间矢量调制中输 入相电压的六个扇区( 见图2 5 ) ，再以自然换相点为界划分成两个区间i 和 i i ，具体见表2 1 ，并定义： 浙江大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的技术分析与比较 ( 1 ) u 、u 。、e ，一为输入相电压由大到小的排列： ( 2 ) u 。为绝对值最大的输入相电压； ( 3 ) u 一= ( u 。一u 。，。) ； ( 4 ) u 。= l ( u 。一u 。) i ，即当一= 。时，“= ( u 一一日) ；当 。= 。时，。= ( 。一。) 。 表2 1 输入相电压扇区划分及u m 舡、u 。扩l ，m 。、。定义 警 l ，1，1l ，2j j ，2 i ，3 i i ，3 i ，4 i i ，4i ，5i i ，5i ，6i i ，6 。 乩地u忱乩砜酞“以阢“ u 。口 阢饥 乩“巩阢巩 u b 以以以 u m 。 乩阢u c 讥u以以 巩 乩巩巩 【，a x己，m 践己，m 。u n mu 。 u 。，m 。 c 。 u 。，m 。己，m 。【，m i 下面以四步、两步换流为例，分析输出电压的损失。 闷麟