矩阵变换器-课件.ppt

1、主要内容 l 矩阵变换器的研究背景 l 基本电路拓扑l 调制基本原理与调制策略l 安全换流技术 l 双级矩阵变换器的简介l 保护电路l 研究热点及应用前景一、研究背景 目前工业生产和日常生活中广泛使用的变频器存在很多缺点，如寿命短、可靠性差、体积大、成本高。其中最突出的缺陷是对电网造成的谐波污染。谐波污染会影响到整个电力系统的电气环境，对电力系统本身和其他用户和设备造成极大的危害。所以迫切需要研究开发一种“绿色”电源变频器。“绿色”电源变频器特征 （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（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

2、和效率矩阵变换器满足所有要求，是实现“绿色”电源变频器最具发展前景的技术方案。矩阵变换器优点 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为 1.0，实现谐波主动削减;输出电压和输入电流的低次谐波含量较小；能够实现能量双向流动,便于电动机实现四象限运行;控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调;无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化;无需较大的滤波电容，动态响应快。矩阵变换器的电路拓扑形式早在1976年就被提出，但直到1981年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵变换器存在的控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。矩阵变换器最初提出时指的是用双向

3、开关连接的从m相输入变换到n相输出的一般化结构，因此被称为通用变换器。33矩阵变换器是从三相交流变换到三相交流的一种拓扑，是最常见的拓扑结构。二、电路拓扑 33矩阵变换器拓扑结构矩阵变换器拓扑结构33矩阵变换器拓扑结构矩阵变换器拓扑结构三、调制基本原理 矩阵变换器的正常运行必须满足以下两个约束条件：1)在任意时刻与同一输入相相连的三个开关必须且只能有一个开关元件导通，否则将造成输入两相短短路路；2)在任意时刻与同一相负载相连的三个开关也不能同时关断，以免造成感性负载开路开路而感应高电压。即需要满足约束：10ijS当开关单元开通时；当开关单元关断时；其中：i=A,B,C,j=a,b,c,i代表输

4、出，j代表输入。1,iaibicSSSiA B C定义:三、调制基本原理 (问题描述)已知目标电压输入输出关系同时电流输入输出关系T即是调制策略How to solve the T?即三、高频合成TdtSdij1、理论上,开关周期T无穷小2、工程上,开关周期T远小于工频周期等价的前提开关函数占空比问题转化为求解四、调制策略 矩阵变换器调制发展三步曲 1.Alesina-Venturini 19811.Alesina-Venturini 1981（基本（基本AVAV法）法）2.Alesina-Venturini 1989(2.Alesina-Venturini 1989(改进的改进的AV)AV)

5、3 3.L.Huber 1989(L.Huber 1989(空间矢量法空间矢量法)第一步、第一步、Alesina-Venturini 1981M从数学角度求得,调制矩阵缺 陷：5.0q h=A,B,C;k=a,b,c第二步、Alesina-Venturini 1989866.0q在M上叠加了三次谐波,得到新调制矩阵优点：缺陷：复杂 h=A,B,C;k=a,b,c第三步、空间矢量调制方法 矩阵变换器的空间矢量法由南斯拉夫学者Huber和美国教授Borojevic两人在1989年联合提出。空间矢量调制方法将单级矩阵变换器等效为一个虚拟整流器和一个虚拟逆变器通过虚拟的直流环节串联，在虚拟整流器中对输

6、入相电流进行空间矢量PWM调制，在虚拟逆变器中对输出线电压进行空间矢量PWM调制，最后根据开关函数的对应关系综合出矩阵变换器的交一交直接变换控制方式。第三步、空间矢量调制方法Iref 为输入参考电流矢为输入参考电流矢量量Uref 为输出参考电压矢量为输出参考电压矢量第三步、空间矢量调制方法 通过改变Iref的旋转速度，即可调节输入功率因数角。例如，当需要单位功率因数时，只需要对输入相电压矢量进行检测，包括测量输入相电压矢量所处的扇区和在扇区中的角度位置，就可以简单得到输入相电流矢量在每一扇区的位置角,然后让输入相电流矢量与输入相电压矢量同步同频旋转即可。第三步、空间矢量调制方法矩阵变换器占空比

7、为开关序列计算好占空比后开关序列安排好处：每次切换只动作一个开关，且占空比对称安排，可以减少输出电压谐波以输入参考电流矢量在第一扇区，输出参考电压矢量在第一扇区为例五、换流方法的研究 换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中，矩阵变换器开关管通断状态不断改变，换流始终存在，因此安全换流是矩阵变换器控制策略中一项至关重要的问题。为实现双向开关之间安全切换或抑制换流不安全所带来的危害，除了在输出侧增加整流式阻容箝位电路限制过压、在输入端增加一组共铁心的线圈对磁通进行调整外，还需要探索新的安全换流方法。换流方法主要有四步半软换流、两步半软换流四步半软换流、两步半软换流、辅

8、助谐、辅助谐振软开关换流振软开关换流等。五、换流方法的研究 四步法(半软开关法)：通过检测负载电流的方向，恰当地安排两个双向开关中4个单向开关的导通关断顺序，经历4步可以使负载电流从一个双向开关转换到另一个双向开关。由于一次换流中总有2步是自然换流，因此也称之为半软开关换流。SA1SA2SB1SB2SC1SC2UaUbUcUAIL矩阵变换器A相输出电流四步换流原理图 四步换流时序图 以A A输出相电路为例，假设按照控制策略要求,功率由电压源U Ua a改为由U Ub b提供五、换流方法的研究 两步法：引入输入电压相区概念，在每个相区中，输入电压中总有一个最大值和最小值的极性不变，采用适当开关策

9、略，就可以实现直接从一个开关到另一个开关的安全换流；PPMMMNNPN111010011010011110010111110010010111SA1、SA2导通SB1导通、SB2关闭SC1导通、SC2关闭A输出相两步半软换流开关状态两步换流输入相区划分五、换流方法的研究辅助谐振软开关换流：它利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换流电容。在辅助谐振下，主开关可以实现ZVS，辅助开关可以实现ZCS。主开关之间只有感性换流，零电流切换，通过增加换流电感可以做到零电流开通。这种换流方式能够安全、高效的高频切换，改善系统动态性能和频谱特性，简化保护逻辑和缓冲电路。但是功率开关与谐振电感会流过较大的电流

10、，而且需要谐振网络和辅助开关，零电压、零电流的检测很困难，谐振回路易受元件时漂的影响，整机成本增加。六、33矩阵变换器的缺点矩阵变换器的缺点(1)在开关损耗上，与传统的AC-AC和AC-DC-AC变换器相比较，三相矩阵变换器的开关器件多，因而输出功率大，适合大功率、高电压场合。但过多的开关器件在高频下工作时，开关损耗大，发热、温升严重。因此开关特性变差，关断时间延长，可能会产生电磁干扰(EMI)，降低变换效率。随着开关频率的增加，开关损耗将不可忽视；(2)在控制实现的关键问题换流上，研究适合于矩阵变换器的高效、可靠的换流方法，将多步换流造成的输出电压损失降低到最小程度；(3)矩阵变换器换流过程

11、存在和逆变器类似的死区效应，但是很少有文献定量分析死区效应对性能的影响，从而缺乏针对性的补偿，造成输入输出性能下降；六、33矩阵变换器的缺点矩阵变换器的缺点(4)矩阵变换器存在固有输入、输出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，但它与变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矩阵交交变换器的实用价值；(5)主电路参数的系统优化设计方面鲜有文献涉及，事实上主电路参数例如输入滤波网络也是矩阵变换器优良特性的保证，这方面还有待深化。七、双级矩阵变换器拓扑结构双级矩阵变

12、换器拓扑结构图双级矩阵变换器拓扑结构图双级矩阵变换器是在单级矩阵变换器间接空间矢量调制思想基础上发展起来的一种新型矩阵变换器拓扑结构。双级矩阵变换器包含交直（整流）和直交（逆变）两级变换电路。没有中间直流环节，属于直接交交变频装置。需要12个双向开关即24个单向开关七、双级矩阵变换器拓扑结构18开关双级矩阵变换器结构图开关双级矩阵变换器结构图在中间直流电压始终控制为上正下负的条件下，逆变级只需采用单向开关，是传统的电压型逆变器结构，双级矩阵变换器功率开关个数减少到18个。七、双级矩阵变换器拓扑结构15开关双级矩阵变换器拓扑结构图开关双级矩阵变换器拓扑结构图整流级开关减少步骤功率开关个数可以进一

13、步减少到15个。性能与18开关电路相同，但传导损耗显然要大于18开关电路 七、双级矩阵变换器拓扑结构12开关双级矩阵变换器拓扑结构图开关双级矩阵变换器拓扑结构图 进一步保证保证中间直流电流极性始终为正，双级矩阵变换器所需的开关元件数量还可以减少，可得到12个和9个开关构成的双级矩阵变换器电路。七、双级矩阵变换器拓扑结构9开关双级矩阵变换器拓扑结构图开关双级矩阵变换器拓扑结构图 12个和9个开关构成的双级矩阵变换器性能相同，但9开关电路传导损耗显然要大于12开关电路。由于受到电流只能单向流动的约束，这两种电路拓扑结构的能量只能单向流动，因而其应用范围受到了一定限制。七、双级矩阵变换器优点 双级矩

14、阵变换器是一种具有新型拓扑结构的矩阵变换器，它基于三相AC-DC-AC双级变换结构，不仅具有单级矩阵变换器所有的功能和特点,而且还具备如下优点：具有优良的输入输出性能、输入功率因数固定、能量传输可逆、直流环节无需储能元件、结构紧凑。电网侧开关可以实现零电流换流，负载侧开关可以采用传统的DC/AC逆变器换流方法，系统换流简单，降低了控制复杂性，提高了系统的可靠性。在一定的约束条件下，可以减少功率开关元件的数量。逆变器可以采用成熟的空间矢量调制方法，进一步简化了控制。双级矩阵变换器可以克服单级矩阵变换器无法避免的困难，是一种很有发展潜力的矩阵变换器。七、双级矩阵变换器调制策略 SVPWM调制调制

15、整流级调制时不仅要满足输入端功率因数可调，还需保证中间直流电压极性始终为正。逆变级是传统的电压型逆变器结构，可以直接应用已经很成熟的电压空间矢量调制策略。八、保护电路 由于矩阵变换器没有直流环节的储能，对输入电压的任何干扰，都会立即影响到输出电压，所以需要设置合适的保护，常见的有元件保护、主回路保护、控制电路保护。八、保护电路 元件保护元件的保护包括：元件的保护包括：每个元件都有反并联的快速恢复二极管，在元件关断时形成方向电流，以释放电感负载中的电能；采用四步换流保证双向开关的顺利转换，实现半软开关换流；采用与元件配套的驱动电路，实现元件的过流保护等。八、保护电路 主电路保护主电路保护包括：主

16、电路保护包括：(1)输入滤波器：通常为LC串联结构，主要用来防止电源接通时的过电压和电压下降引起的干扰，改善输入电流波形，滤除高频成分。(2)箝位电路：造成矩阵变换器过压问题的原因主要有矩阵变换器换流不安全、电网过压、系统关闭瞬间与系统突然掉电等，这些将损坏功率器件，为此需要增加箝位电路。通常采用在矩阵变换器前后增加整流式阻容缓冲电路或压敏电阻缓冲电路，也可以采用二极管缓冲电路(有为针对共发射极与桥式型双向可控开关两种方案)。八、保护电路 控制电路保护控制电路保护：一个完整的矩阵变换器的控制系统应该根据工艺要求设置一些常规的保护，如系统的过流保护、过压保护等。除此以外，在控制回路中还可以增加一

17、些闭锁和联锁回路，如控制系统上电时，要求所有的开关器件都处于关断状态，防止两个双向开关都连至同一输出相或同一输入相。九、研究热点 目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面：1、在理论研究方面，继续探讨如何提高电压传输比、降低功率损耗和研究新型调制策略，还可以结合先进控制的有关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行究；2、在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实现与封装以及输入滤波器的设计等。十、应用前景 因为矩阵变换器具有优良的输入输出特性，并具有广义的变换器特性，所以它在众多的电力变换场合得到了应用，以下是矩阵变换器主要应用场合：

18、变频调速：传统变频器在交流电机调速领域应用已经很成熟，但存在输入功率因数低，中间电容和电感体积大等问题，矩阵变换器作为“绿色”变频器，有望替代传统变频器；电力系统无功功率调节：矩阵变换器输入功率因数可调，可以发出感性无功或容性无功，可以用于电力系统的无功调节，作为柔性交流输电的一部分得到的应用；十、应用前景 直流电源：通常矩阵变换器运行在由三相到三相的交流变换场合，但它可以用在整流变换场合；风力发电：发电机转子通过一个矩阵变换器与电网相连，利用矩阵变换器的双向功率流通能力，使转子和电网实现功率转换，当发电机次同步运行时，电网向转子提供电能，反之转子向电网提供能量，变换器还同时控制转子电压和变换器输入电流为正弦量，它的另一个作用是实现定子输送有功无功的闭环控制，变换器采用空间矢量调制，而发电机转速，定子电流有功无功控制通过定子磁场定向原理实现，两者结合，就得到了风力发电机的最有控制模式，实现了最大风能利用率。