三相矩阵变换器的研究与仿真_传动机械_机械设备_行业资讯

1 引言目前，电力系统及工业应用中主要采用交流供电，传统的交流变频电源主要包括交交直接变频和交-直-交间接变频。传统的交交直接变频，输入侧功率因数低，输出电压调频范围小且含有大量的谐波，对电网和电机都有严重的负面影响[1]。而交-直-交间接变频由于直流侧采用大电容储能，影响系统的动态性能，并且由于电容的体积较大，变频器的功率密度较小。本文研究的矩阵变换器输入侧电流谐波含量很小；由于无直流侧储能电容，功率密度大；而且可以实现功率双向流动，输入侧功率因数可调。矩阵变换器具有理想的输入输出特性，是当今电力电子领域研究的热点。

2 矩阵变换器的拓扑结构单级的三相矩阵变换器拓扑结构如图1所示，由3×3个双向开关组成，双向开关具有双向导通和阻断电流的能力，基于目前的电力电子器件水平，一般用单管功率开关组合而成，而考虑到驱动电路的设计，本文采用共发射极的双向开关，如图2所示。

图1 常规三相矩阵变换器拓扑

图2 共发射极双向开关3 矩阵变换器空间矢量调制策略矩阵变换器有多种调制策略，包括直接调制策略-文氏法、空间矢量调制、三电压合成、双电压合成、标量法、电流调制控制法等。空间矢量调制既可以获得最大的电压传输率，又可实现功率因数可调，同时实现相对简单。空间矢量调制采用线电压方式合成输出线电压，为了分析空间矢量调制，将矩阵变换器等效为两个虚拟环节即：等效整流环节和等效逆变环节[1]。等效电路拓扑如图3所示。

图3 矩阵变换器等效电路拓扑逆变环节中，用(sa,sb,sc)表示逆变器的开关状态，sa，sb，sc为n表示开通下管，输出电压为0，为p表示开通上管，输出电压为vpn，则一共有8种状态为(n,n,n)、 (n,n,p)、(n,p,n)、(n,p,p)、(p,n,n)、(p,n,p)、(p,p,n)、(p,p,p)。对输出线电压按以下原则进行分区：每个区间内保证线电压极性不变，得到分区如图4所示。按照矢量合成的观点，期望的输出线电压可由图5(a)中的6个开关状态矢量中的相邻两个开关状态矢量以及零矢量{(n,n,n)、(p,p,p)}来合成。矢量合成图如图5(b)所示。

图4 输出线电压分区

图5 输出线电压空间矢量合成图

期望的输出线电压的矢量形式：

(1)

则，由图5(b)所示矢量合成图可以计算开关状态的占空比，如下：

(2)

(3)

(4)

整流环节的开关状态与逆变环节不同，任何时刻，整流开关状态必须保证三相桥臂上管只有一个开通，下管也只有一个开通。同样对输入电流按图6分区，分区原则与输出线电压分区一样。同样以矢量合成的观点，输入相电流可由图7(a)中的6个电流开关状态矢量和零矢量来合成，矢量合成图如图7(b)所示。

图6 输入相电流分区

图7 输入电流矢量合成图

开关状态矢量占空比：

(5)

(6)

(7)

其中，。由于vsi的空间矢量调制将输出线电压空间分成六个区间，vsr的空间矢量调制将输入相电流也分成六个区间，因此共存在6×6＝36种开关状态的组合。

4 矩阵变换器的换流策略矩阵变换器采用双向开关进行能量传递。在开关状态切换时，输入相不能短路，否则将导致开关管过流；在感性负载的情况下，输出相不能开路，否则将导致开关管过压。因此，矩阵变换器的换流必须遵循一定的控制规则。本文采用的是半自然换流策略。半自然两步换流是基于输入电压的大小来进行换流的。如图8所示，根据输入电压之间的相互关系将一个输入电压周期分为6个区间，则在每个电压区间内将有一相电压始终为最大，某一相电压始终为最小，另外一相电压则居中。在一个输入电压区间内，三相电压分别对应于vp，vm，vn，开通时其对应的主开关状态表示为p、m、n，在实现相与相换流时，须经过一个中间状态，用pm、mn、np表示。这6个状态以及它们之间的转换如图9所示，其中1表示开通，0表示关断，从高位到低位分别表示vp相的正管、反管，vm相的正管、反管，vn相的正管、反管的开关状态。

图8 输入相电压分区

图9 换流状态图

5 仿真与分析为了验证调制策略的正确性，并为实验提供设计参考，应用matlab/simulink软件对矩阵变换器进行了仿真分析。为了仿真的可靠性，simulink解算器设置为可变步长的ode23tb算法，最大步长限制为5μs，powergui设置电力模块的仿真模式为continuous。矩阵变换器输入线电压380v/50hz, 开关周期为100μs，调制度0.8，负载为阻感负载，r=10ω，l=10mh。矩阵变换器输入lc滤波，取截止频率fc=800hz，l=2mh，c=19.8μf。

6 结束语由图10~13的仿真波形可以验证，本文所述调制和换流策略的正确性和可行性。实现了矩阵变换器输入侧功率因数为1，输入电流谐波含量小，输出侧频率可调，且调节范围很大，验证了矩阵变换器的优越性，为实物实验提供了理论依据和设计参考。