矩阵变换器

以A输出相电路为例，假设按照控制策略要求,功率由电压源Ua改为由Ub提供
Ua
SA1
SA2
Ub
SB1
UA
SB2
Uc
SC1
IL
SC2
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
五、换流方法的研究
② 两步法：引入输入电压相区概念，在每个相区中，输入电压
应高电压。
即需要满足约束：
Sia Sib Sic 1
i A,B,C
其中：i=｛A,B,C｝,j=｛a, b, c｝,i代表输出，j代表输入。
三、调制基本原理
(问题描述)
VA
iA
sAa sAb sAc
电压输入输出关系
VB
iB
sBa sBb sBc
VC
iC
sCa sCb sCc
ia
ib
ic
0
已知
Va
ic
0
定义:
1 Sij 0
Va
Vb
Vc
当开关单元开通时； 当开关单元关断时；
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
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而感
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
矩阵变换器占空比为
开关序列
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
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
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。
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
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。
（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
3×3矩阵变换器拓扑结构
o
va
vb
vc
ia
ib
ic iA
S11
S12
S13 uAB
iB
S21
S22
S23
uBC
uCA
iC
S31
S32
S33
iAB iCA
iBC
3×3矩阵变换器拓扑sAb sAc
VB
iB
sBa sBb sBc
VC
iC
sCa sCb sCc
ia
ib
换流方法主要有四步半软换流、两步半软换流 、辅助谐 振软开关换流等。
五、换流方法的研究
①四步法(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。
第一步、Alesina-Venturini 1981
从数学角度求得,调制矩阵 M
缺 陷： q 0.5
h=A,B,C; k=a,b,c
第二步、Alesina-Venturini 1989
在M上叠加了三次谐波,得到新调制矩阵
优点： q 0.866 缺陷： 复杂
h=A,B,C; k=a,b,c
第三步、空间矢量调制方法
电力电子技术
矩阵变换器
主要内容
矩阵变换器的研究背景 基本电路拓扑 调制基本原理与调制策略 安全换流技术 双级矩阵变换器的简介 保护电路 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。
第三步、空间矢量调制方法
Iref 为输入参考电流矢 量
Uref 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。
的需要
（4）结构简单，具有较高的能量密度和效率
矩阵变换器优点
① 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 ;
② 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小； ③ 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行; ④ 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调; ⑤ 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实
现模块化; ⑥ 无需较大的滤波电容，动态响应快。
二、电路拓扑
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。3×3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。
Vb
Vc
即 同时电流输入输出关系
目标
T即是调制策略 How to solve the T?
三、高频合成
1、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
d Sij dt
T
开关函数
问题转化为求解
占空比
四、调制策略
矩阵变换器调制发展三步曲
✓ 1.Alesina-Venturini 1981（基本AV法） ✓ 2.Alesina-Venturini 1989(改进的AV) ✓ 3.L.Huber 1989(空间矢量法)