韓斌 周舒迎

【摘要】矩陣式變頻器是一種新型的交-交直接電力變換器，本文首先介紹矩陣式變頻器的電路結構，然后簡述兩種主要的控制方法，最后通過其優(yōu)點描述矩陣式變頻器在電氣工程領域的應用前景。

【關鍵詞】矩陣式變頻器；交-交直接變頻；功率因數(shù)可調；能量雙向傳遞

0引言：矩陣變頻器（Matrix Converter）作為一種新型的交-交直接電力變換器，在M.Venturini及Huber.L各自提出兩種有效的開關控制策略后，其特點已為人們所關注。和傳統(tǒng)的交-直-交以及相控式交-交變頻器相比，它具有如下優(yōu)點：

（1）無中間直流環(huán)節(jié)，能量直接傳遞，傳輸效率高；

（2）可獲得正弦波的輸入電流和輸出電壓，無低次諧波，高次諧波較少；

（3）輸入功率因數(shù)可任意調節(jié)，且與負載功率因數(shù)無關；

（4）能量可雙向傳遞，適合四象限運行的交流傳動系統(tǒng)；

（5）控制自由度大，與相控式交-交變頻相比，輸出頻率不受輸入電源頻率的限制。

1矩陣式變頻器拓撲結構：

圖1所示為三相-三相矩陣式變頻器的電路結構。該電路拓撲中含有9個雙向開關（圖2）S11～S13，S21～S23，S31～S33；通過對這9個雙向開關的邏輯控制，可實現(xiàn)對電源的電壓和頻率的變換，從而向負載提供幅值和頻率可調的電壓和電流。即：對一組頻率為 的三相輸入電壓 ，通過一定的規(guī)則控制變頻器中的功率開關，可以合成所需頻率為 的三相輸出電壓 ， ，式中不同的變換矩陣 的確定方法就是各種矩陣式變頻器的控制策略。

2矩陣式變頻器的控制原理：

2.1基于開關函數(shù)的Venturini法：

對于圖1所示的三相-三相矩陣式變頻器，將S11～S13，S21～S23，S31～S33這9個雙向開關的邏輯控制看作一個3X3的矩陣函數(shù)，則輸出相電壓 與輸入相電壓 之間的關系可用式1表示。

根據(jù)矩陣理論，滿足式1，式2的矩陣 和 有無窮個?；陂_關函數(shù)的Venturini法就是指在給定輸入電壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及各種約束條件下，得出最優(yōu)化的矩陣 和 ，使矩陣變頻器中相關的一組功率開關各自的占空比由一個連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來表示，利用精確的數(shù)學表達式來確定開關的具體動作。

2.2空間矢量調制法：

空間矢量調制法最初是由逆變器的研究而提出的，矩陣式變頻器的空間矢量調制法最早由前南斯拉夫學者Huber和美國教授Borojevic兩人在1989年提出。其采用流行的高頻整流及逆變技術可以控制輸出電壓波形和輸入電流波形，性能可以得到較大的改善是矩陣式變頻器的一種主流控制方法。

矩陣式變頻器交-交直接變換關系可以從等效的交-直-交變換中得到。引入一個虛擬的中間直流環(huán)節(jié)將其等效為傳統(tǒng)的整流器-逆變器結構，只是其中的整流器和逆變器為虛擬的整流器和虛擬的逆變器，如圖3所示。

空間矢量調制法其原理如圖3b：在整流側根據(jù)輸入線電壓幅值，控制虛擬整流器的6個開關Spa，Spb，Spc，Sna，Snb，Snc，使其輸出為最大線電壓整流而成的虛擬直流電壓Vpn。對于虛擬逆變器部分則是將虛擬直流電壓Vpn通過控制虛擬逆變器的6個開關SAp，SBp，SCp，SAn，SBn，SCn輸出三相電壓。

3應用前景：

1、風力發(fā)電領域：風力發(fā)電由于季節(jié)天氣不同風速時刻都在變化，因此風力所能產(chǎn)生的電能與風速直接相關。傳統(tǒng)做法是在風機輸出軸上安裝機械調速裝置，使發(fā)電機轉速在不同風速下能基本保持恒速運轉，但這使得風能無法完全利用。利用雙饋電機，可實現(xiàn)變速定頻運行。發(fā)電機轉子通過矩陣變頻器與電網(wǎng)相連，利用變頻器的雙向功率流動能力使轉子與電網(wǎng)實現(xiàn)功率交換。變頻器還同時控制轉子電壓和變頻器輸入電流為正弦，它的另一個作用是實現(xiàn)定子有功無功的閉環(huán)控制。

2、直流電源：矩陣式變頻器又稱為萬能變換器，它能根據(jù)負載情況將三行三列的矩陣開關適當精簡，而控制策略不改變即可得到各種輸出。若將矩陣式變頻器輸出電壓頻率設定為0Hz，并去掉其中一行開關，則變成AC/DC變換器。

3、功率因數(shù)補償器：由矩陣式變頻器的控制原理可知，可利用調節(jié)輸入端電流相位，可得到超前或滯后的無功功率。因此可以作為功率因素校正器使用，相比于傳統(tǒng)的電容，電抗補償器具有體積小，壽命長等特點。

4、感應電動機調速：傳統(tǒng)變頻器在交流電機調速系統(tǒng)領域的應用已經(jīng)很成熟，但矩陣式變頻器在這一領域的某些方面仍有較強的競爭能力。

對于頻繁四象限運行系統(tǒng)如電梯，起重機等設備。根據(jù)圖3相較于傳統(tǒng)的變頻器，矩陣式變頻器取消了中間直流環(huán)接，從而實現(xiàn)能量自由雙向流動。并將自身的能量雙向流動能力和矢量控制、轉矩控制等調速方法結合起來，實現(xiàn)電機的高性能運行。

4總結：

隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的不斷進步，各種功率變換器不斷涌現(xiàn)。然而，常規(guī)變換器的低功率因數(shù)和高諧波污染，嚴重影響供電質量，對電力系統(tǒng)和用戶造成的危害日益嚴重，人們在探索治理電力公害問題的同時，也更加重視對電力電子裝置本身的改進。矩陣式變頻器具有優(yōu)良的性能在國內(nèi)外引起了廣泛的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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3、莊心復， 穆新華， 陳懷亞.雙電壓控制的矩陣變換器的開關狀態(tài)與仿真分析[J]. 電工技術學報.1998，13（1）：46～50

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