矩阵式变频器原理及电气应用前景

矩阵式变频器原理及其电气应用前景

【摘要】矩阵式变频器是一种新型的交-交直接电力变换器，本文首先介绍矩阵式变频器的电路结构，然后简述两种主要的控制方法，最后通过其优点描述矩阵式变频器在电气工程领域的应用前景。

0引言：矩阵变频器（Matrix Converter）作为一种新型的交-交直接电力变换器，在M.Venturini及Huber.L各自提出两种有效的开关控制策略后，其特点已为人们所关注。和传统的交-直-交以及相控式交-交变频器相比，它具有如下优点：

（1）无中间直流环节，能量直接传递，传输效率高；

（2）可获得正弦波的输入电流和输出电压，无低次谐波，高次谐波较少；

（3）输入功率因数可任意调节，且与负载功率因数无关；

（4）能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统；

（5）控制自由度大，与相控式交-交变频相比，输出频率不受输入电源频率的限制。

1矩阵式变频器拓扑结构：

图1所示为三相-三相矩阵式变频器的电路结构。该电路拓扑中含有9个双向开关（图2）S11～S13，S21～S23，S31～S33；通过对这9个双向开关的逻辑控制，可实现对电源的电压和频率的变换，从而向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。即：对一组频率为的三相输入电压，通过一定的规则控制变频器中的功率开关，可以合成所需频率为的三相输出电压，，式中不同的变换矩阵的确定方

法就是各种矩阵式变频器的控制策略。

2矩阵式变频器的控制原理：

2.1基于开关函数的Venturini法：

对于图1所示的三相-三相矩阵式变频器，将S11～S13，S21～S23，S31～S33这9个双向开关的逻辑控制看作一个3X3的矩阵函数，则输出相电压与输入相电压之间的关系可用式1表示。

根据矩阵理论，满足式1，式2的矩阵和有无穷个。基于开关函数的Venturini法就是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束条件下，得出最优化的矩阵和，使矩阵变频器中相关的一组功率开关各自的占空比由一个连续函数或分段连续函数来表示，利用精确的数学表达式来确定开关的具体动作。

2.2空间矢量调制法：

空间矢量调制法最初是由逆变器的研究而提出的，矩阵式变频器的空间矢量调制法最早由前南斯拉夫学者Huber和美国教授Borojevic两人在1989年提出。其采用流行的高频整流及逆变技术可以控制输出电压波形和输入电流波形，性能可以得到较大的改善是矩阵式变频器的一种主流控制方法。

矩阵式变频器交-交直接变换关系可以从等效的交-直-交变换中得到。引入一个虚拟的中间直流环节将其等效为传统的整流器-逆变器结构，只是其中的整流器和逆变器为虚拟的整流器和虚拟的逆变器，如图3所示。

空间矢量调制法其原理如图3b：在整流侧根据输入线电压幅值，

控制虚拟整流器的6个开关Spa，Spb，Spc，Sna，Snb，Snc，使其输出为最大线电压整流而成的虚拟直流电压Vpn。对于虚拟逆变器部分则是将虚拟直流电压Vpn通过控制虚拟逆变器的6个开关SAp，SBp，SCp，SAn，SBn，SCn输出三相电压。

3应用前景：

1、风力发电领域：风力发电由于季节天气不同风速时刻都在变化，因此风力所能产生的电能与风速直接相关。传统做法是在风机输出轴上安装机械调速装置，使发电机转速在不同风速下能基本保持恒速运转，但这使得风能无法完全利用。利用双馈电机，可实现变速定频运行。发电机转子通过矩阵变频器与电网相连，利用变频器的双向功率流动能力使转子与电网实现功率交换。变频器还同时控制转子电压和变频器输入电流为正弦，它的另一个作用是实现定子有功无功的闭环控制。

2、直流电源：矩阵式变频器又称为万能变换器，它能根据负载情况将三行三列的矩阵开关适当精简，而控制策略不改变即可得到各种输出。若将矩阵式变频器输出电压频率设定为0Hz，并去掉其中一行开关，则变成AC/DC变换器。

3、功率因数补偿器：由矩阵式变频器的控制原理可知，可利用调节输入端电流相位，可得到超前或滞后的无功功率。因此可以作为功率因素校正器使用，相比于传统的电容，电抗补偿器具有体积小，寿命长等特点。

4、感应电动机调速：传统变频器在交流电机调速系统领域的应

用已经很成熟，但矩阵式变频器在这一领域的某些方面仍有较强的竞争能力。

对于频繁四象限运行系统如电梯，起重机等设备。根据图3相较于传统的变频器，矩阵式变频器取消了中间直流环接，从而实现能量自由双向流动。并将自身的能量双向流动能力和矢量控制、转矩控制等调速方法结合起来，实现电机的高性能运行。

4总结：

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的不断进步，各种功率变换器不断涌现。然而，常规变换器的低功率因数和高谐波污染，严重影响供电质量，对电力系统和用户造成的危害日益严重，人们在探索治理电力公害问题的同时，也更加重视对电力电子装置本身的改进。矩阵式变频器具有优良的性能在国内外引起了广泛的重视，具有广阔的发展前景。

参考文献

1、M.Venturini.A New High Switching Rate Direct Frequency converter[J]. Italian Patent， 1979， 207：70～79.

2、L.Huber， D.Borojevic. Space vector modulated tree-phase to three-phase matrix converter with input power factor correction[J]. IEEE Trans on Industry Application，1995，31（6）：1234～1246.

3、庄心复，穆新华，陈怀亚.双电压控制的矩阵变换器的开关状态与仿真分析[J]. 电工技术学报.1998，13（1）：46～50

4、庄心复. 交-交矩阵变换器的控制原理与实验研究[J]. 电力电子技术. 1994，28（2）：1～5.

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