矩阵式变频电路.ppt

第3章第1页,3.1矩阵式变频电路,直接变频电路所用开关器件是全控型的控制方式不是相控方式而是斩控方式拓扑图3-28a所示三相输入电压为ua、ub和uc图3-28三相输出电压为uu、uv和uw9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(MatrixConverterMC)或矩阵变换器图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图3-28b给出了应用较多的一种开关单元,第3章第2页,3.1矩阵式变频电路,优点输出电压为正弦波输出频率不受电网频率的限制输入电流也可控制为正弦波且和电压同相功率因数为1，也可控制为需要的功率因数能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高,第3章第3页,3.1矩阵式变频电路,矩阵式变频电路的基本工作原理利用单相输入对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo为(3-24)式中，Tc开关周期；ton一个开关周期内开关导通时间；s占空比不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uo由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形,第3章第4页,3.1矩阵式变频电路,利用三相相电压把输入改为三相，就可利用图4-29b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分理论上所构造的uu的频率可不受限制但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍利用三相线电压用图4-28a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv,第3章第5页,3.1矩阵式变频电路,可利用图4-29c中6个线电压包络线中所有的阴影部分当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分单相输入b)三相输入构造输出相电压c)三相输出构造输出线电压(显示放大图）,第3章第6页,3.1矩阵式变频电路,以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制利用对开关S11、S12和S13的控制构造输出电压uu为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通u相输出电压uu和各相输入电压的关系为(4-25)式中s11、s12和s13一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比(4-26),第3章第7页,3.1矩阵式变频电路,对于三相有(4-27)可缩写为uo=sui(4-28)式中uo,ui,ss称为调制矩阵，s矩阵中各元素确定后，输入电流ia、ib、ic和输出电流iu、iv、iw的关系也就确定了(4-29)(4-30)式中，iiio式(4-27)、(4-29)是矩阵式变频电路的基本输入输出关系式,第3章第8页,3.1矩阵式变频电路,对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为(4-31)(4-32)式中Uim、Iom输入电压和输出电流的幅值；wi、wo输入电压和输出电流的角频率；jo相应于输出频率的负载阻抗角。,第3章第9页,3.1矩阵式变频电路,变频电路希望的输出电压和输入电流分别为(4-33)(4-34)式中Uom、Iim输出电压和输入电流的幅值；ji输入电流滞后于电压的相位角,第3章第10页,3.1矩阵式变频电路,当期望的输入功率因数为1时，ji=0。把式(4-31)式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29)，可得(4-35)(4-36)如能求得满足式(4-35)和式(4-36)的s，就可得到希望的输出电压和输入电流,s,sT,第3章第11页,3.1矩阵式变频电路,要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题如何求取理想的调制矩阵s开关切换时如何实现既无交叠又无死区现状尚未进入实用化，主要原因：所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低,第3章第12页,3.1矩阵式变频电路,有关控制策略的综述:电压控制法直接电压法:双电压法根据输入两相相电压的瞬时值确定其控制函数（电工技术学报1998.2)空间电压矢量法（间接电压法）1)人为地将矩阵变换器等效成虚拟地交直交变换器2)采用空间矢量技术实现虚拟整流和虚拟逆逆变，再将二者综合实现一次变换（系统仿真学报2004.2),第3章第13页,电流控制法滞环电流控制法在等距的采样瞬间，将采样电流Is与给定值Ig比较，若IsIg或IsIg,则控制相应的开关导通和关断（电工技术学报1998.8)预测电流控制法1)利用下一开关周期的期望电流值和当前电流值计算出符合变化趋势的电压输出矢量2)在变换器的虚拟逆变器中加以合成（2002.1),3.1矩阵式变频电路,第3章第14页,应用：变速恒频风力发电系统（太阳能学报2002.12）电动机的四象限运行（中小型电机2002.5),3.1矩阵式变频电路,第3章第15页,3.1矩阵式变频电路,十分突出的优点：有十分理想的电气性能和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景,第3章第16页,图4-2