矩阵式变换器的研究-清华大学科技开发部.PDF

矩阵式变换器的研究 阵式变换器是一种直接型的交流－交流电力变换装置，其结构不同于传统的 交－交变频器和交－直－交变换器。它具有新型拓扑结构，无中间直流储能环节， 能直接进行频率变换，如图1 所示，三相－三相矩阵式变换器由9 个双向开关组 成，每个双向开关均具有双向导通和双向关断的能力。9 个双向开关按照3 3 的 矩阵进行排列，通过双向开关的导通与关断，三相交流输入中的任意一相可以连 接至三相交流输出中的任意一相。 图1 三相－三相矩阵式变换器电路拓扑 矩阵式变换器由于其自身特点，具有很多优于传统交－直－交变换器的特 性：  无中间直流环节电容器和电感器，尺寸大大降低。  无需较大的滤波电容，动态响应快。  功率可双向传输，可利用再生能量。  具有四象限运行功能。  依靠调制技术，具有正弦的输入/输出波形。输出电压波形可控制在接近 于正弦波。  控制自由度大，输出电压的大小和频率可调，输出频率不受限制。  输出电压和输入电流的低次谐波含量都较小。产生的谐波畸变位于高频 段。  输入功率因数可调 （可超前、滞后调至逼近于 1）。  结构紧凑，体积小，串联的器件数目减少，故效率高，便于实现模块化。  利用同一套主电路，通过不同的控制规律，可以实现 AC/AC ，AC/DC ， DC/AC ，DC/DC 等变换，故称为通用变换器。 近年来，随着矩阵式变换器技术的日臻成熟，它也被越来越多地应用于不同 的领域。矩阵式变换器已被分别应用于异步电机矢量控制系统和直接转矩控制系 统中，并且取得了较好的输入、输出特性和传动性能。另外，矩阵式变换器还用 于异步发电机和永磁同步电机的传动控制中。由于矩阵式变换器自身固有的能量 双向流通和功率因数可控运行的能力，它也被用于在电力系统中调节功率因数， 改善电能质量。同时矩阵变换器独特的原理和结构也被利用于其它方面，例如设 计精确滤波稳压电源、三相可控整流器等。 目前矩阵式变换器的研究主要集中于工业实际应用中遇到的问题，如： 1）多步换流策略的可靠实现； 2 ）过电压保护和过电流保护； 3 ）双向开关的实现与集成化； 4 ）非正常情况下的运行控制策略； 5 ）输入滤波器的优化设计。 2001 年，清华大学通过国际合作开始进行矩阵式变换器与电压型变换器的 比较研究。设计并开发了一套三相－三相矩阵式变换器－异步电机调速系统样 机。 主回路采用 18 个IGBT 单管模块实现了3 3 的双向开关矩阵；设计了带有 隔离电源的专用驱动电路板为IGBT 开关器件提供驱动信号；采用TMS320F240 DSP 芯片作为控制电路的核心，实现了矩阵式变换器的空间矢量调制算法，设计 了一种开关状态对称分布的 PWM 调制方式，有效地减少输出电压中的谐波成 分；利用可编程逻辑器件 （PLD ）实现了双向开关的四步换流策略；设计制作了 输入 LC 滤波器以及过电流保护电路和信号检测电路。同时，对矩阵式变换器 PWM 整流器以及电压型逆变器在控制方式、谐波成分、滤波器设计，以及在输 入电压不平衡情况下对电网影响等方面进行了比较分析，并且针对输入电压突然 变化等特殊情况，提出了实时调节调制系数对输出电压进行补偿的控制方法，有 效地改善了矩阵变换器的输出性能。 图2 矩阵变换器样机机构 2003 年开始与日本某电机公司合作研究基于逆阻式IGBT 的AC-AC 电力变 换器。采用六合一的由600V/100A RB-IGBT 构成的三相/一相双向开关矩阵模块。 三个模块实现了一台三相/三相矩阵变换器样机。矩阵变换器样机的控制电路以 DSP 芯片TMS320LF2407 和CPLD 芯片EPM9320 为核心，采用基于虚拟整流器 和虚拟逆变器的双空间矢量调制算法，实现了对一台 5HP 的异步电机的恒压频 比控制，实验结果如图 3 所示。RB-IGBT 是一种具有反向阻断能力的新型功率 半导体器件，其内部取消了传统IGBT 的反并联二极管，正、反向均可承受电压。 因此它所构成的双向开关可以省去普通 IGBT 所并联的二极管，采用 RB-IGBT