单相单相矩阵式变换器(共37页)

1、杭州电子科技大学本科毕业设计PAGE PAGE 32 本科毕业设计(shj)（2013届）题 目单相单相矩阵式变换器学 院自动化学院专 业电气工程与自动化班 级09063013学 号09061619学生姓名冯立科指导教师林伟杰完成日期2013年6月杭州电子科技大学本科毕业设计诚 信 承 诺我谨在此承诺(chngnu)：本人所写的毕业论文单相(dn xin)单相(dn xin)矩阵式变换器均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘要(zhiyo)矩阵式变换器是一种(y zhn)新型的交交电源变换器，可以实现交

2、流电诸参数（相数、相位、幅值、频率）的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压(diny)波形；可自由控制的功率因数。矩阵式变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。本文讲述了单相单相矩阵变换器的拓扑结构，推导了矩阵变换器的工作原理，详细分析了矩阵变换器的单相和三相开关函数调制算法最后利用MATLAB/Simulink软件对设计的单相矩阵变换器的开关函数算法进行仿真研究。本文的研究主要在单相矩阵变换器的开关函数调制算法及计算机仿真上，通过理论研究和计算机仿真矩阵式变换器得出一些结论，为以后的研究奠定一

3、定基础。关键词：单相单相矩阵式变换器；调制策略；双向开关；Matlab仿真AbstractMatrix converter is a new AC - AC power converter can be realized all AC parameters (number of phases, phase, amplitude, frequency) conversion. And traditional converter, it has the following advantages: no intermediate DC part of energy storage; capable

4、four-quadrant operation; has excellent input current waveform and the output voltage waveform; freely control the power factor. Matrix converter power electronics technology has become one of the hot and has a broad application prospects.This article describes the single-phase - single phase matrix

5、converter topologies derived matrix converter principle, a detailed analysis of the matrix converter, single phase and three phase switching function modulation algorithm. At last, MATLAB/Simulink software designed single-phase matrix converter switching function algorithm simulation.This study main

6、ly in the single-phase matrix converter switching function modulation algorithm and computer simulation, through theoretical studies and computer simulation matrix converter draw some conclusions for future research lay a foundation.Keywords: single-phase - single phase matrix converter; modulation

7、strategy; bidirectional switch; Matlab simulation目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358023335 前言(qin yn) PAGEREF _Toc358023335 h 1 HYPERLINK l _Toc358023336 1 绪论(xln) PAGEREF _Toc358023336 h 2 HYPERLINK l _Toc358023337 1.1 矩阵式变换器的发展(fzhn)及应用 PAGEREF _Toc358023337 h 2 HYPERLINK l _Toc358023338 1.1.1

8、 矩阵式变换器国外发展状况 PAGEREF _Toc358023338 h 2 HYPERLINK l _Toc358023339 1.1.2 矩阵式变换器国内发展状况 PAGEREF _Toc358023339 h 3 HYPERLINK l _Toc358023340 1.1.3单相矩阵式变换器的应用前景 PAGEREF _Toc358023340 h 3 HYPERLINK l _Toc358023341 1.2 矩阵式变换器的分类及特点 PAGEREF _Toc358023341 h 4 HYPERLINK l _Toc358023342 1.3 矩阵式变换器的调制策略 PAGEREF

9、 _Toc358023342 h 4 HYPERLINK l _Toc358023343 1.3.1 直接传递函数法（AV方法） PAGEREF _Toc358023343 h 4 HYPERLINK l _Toc358023344 1.3.2 间接空间矢量调制法 PAGEREF _Toc358023344 h 5 HYPERLINK l _Toc358023345 1.3.3 电流控制法 PAGEREF _Toc358023345 h 5 HYPERLINK l _Toc358023346 1.3.4谐波注入法 PAGEREF _Toc358023346 h 5 HYPERLINK l _T

10、oc358023347 1.4 课题的研究内容 PAGEREF _Toc358023347 h 5 HYPERLINK l _Toc358023348 2 矩阵式变换器的基本原理 PAGEREF _Toc358023348 h 7 HYPERLINK l _Toc358023349 2.1单相单相矩阵式变换器基本拓扑 PAGEREF _Toc358023349 h 7 HYPERLINK l _Toc358023350 2.2矩阵式变换器的开关构成 PAGEREF _Toc358023350 h 8 HYPERLINK l _Toc358023351 2.3 双向开关换流控制策略的基本原理 P

11、AGEREF _Toc358023351 h 10 HYPERLINK l _Toc358023352 2.3.1 四步换流策略的基本过程 PAGEREF _Toc358023352 h 10 HYPERLINK l _Toc358023353 2.3.2 四步换流策略的实现 PAGEREF _Toc358023353 h 11 HYPERLINK l _Toc358023354 3 单相单相矩阵式变换器的电压传递函数 PAGEREF _Toc358023354 h 12 HYPERLINK l _Toc358023355 3.1 调制策略的选择 PAGEREF _Toc358023355 h

12、 12 HYPERLINK l _Toc358023356 3.2 三相矩阵式的直接传递函数法 PAGEREF _Toc358023356 h 12 HYPERLINK l _Toc358023357 3.3单相单相矩阵式变换器的直接传递函数法 PAGEREF _Toc358023357 h 19 HYPERLINK l _Toc358023358 4 矩阵式变换器主电路设计及仿真研究 PAGEREF _Toc358023358 h 21 HYPERLINK l _Toc358023359 4.1 Matlab/Simulink PAGEREF _Toc358023359 h 21 HYPER

13、LINK l _Toc358023360 4.2 单相单相矩阵式变换器的仿真模型 PAGEREF _Toc358023360 h 22 HYPERLINK l _Toc358023361 4.2.1单相单相矩阵式变换器仿真主电路 PAGEREF _Toc358023361 h 22 HYPERLINK l _Toc358023362 4.2.2 单相单相仿真模型控制部分 PAGEREF _Toc358023362 h 24 HYPERLINK l _Toc358023363 4.3 仿真结果 PAGEREF _Toc358023363 h 24 HYPERLINK l _Toc35802336

14、4 总结 PAGEREF _Toc358023364 h 26 HYPERLINK l _Toc358023365 致谢 PAGEREF _Toc358023365 h 27 HYPERLINK l _Toc358023366 参考文献 PAGEREF _Toc358023366 h 28前言随着电力电子技术和现代控制理论的发展，矩阵式变换器的性能被充分的体现出来(ch li)。由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起人们的重视，特别是它具有本身不产生谐波污染、能够对电网进行无功补偿的能力。在日益关注可持续发展问题、大力推进电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。矩阵式

15、变换器是采用电力电子器件(din z q jin)按照一定电路拓扑构成的交-交电力变换器，是通过电子器件将一种形式的电能转换成另一种形式的电能的设备，是弱电控制强电的典范。如整流器、逆变器、变频器等各种电力变换器已经在工业生产、交通运输及日常生活等领域发挥(fhu)巨大的作用，成为许多工业设备和家用电器中不可或缺的重要组成部分。交-交变频传动作为一种在大功率低速范围内被广泛采用的交流调速方案，在轧机、矿山卷扬、船舶推进、车辆牵引等方面取代直流调速。尽管高性能交-直-交型变频装置的研发已经取得了长足的进展，并已有成熟的产品在市场上出现，但是，随着工业电气自动化的不断进步，以及节能和环保的要求的提

16、高，目前占主导地位的交-直-交型PWM变频器仍有许多方面存在不足：首先，交-直-交型PWM变频器均含有大电容或大电感作为储能元件，体积大，重量重，造成了变频装置安装和使用的不便、不易于维护，尤其是大电解电容的电解液的挥发，严重影响了变频器的使用寿命；其次，大部分交-直-交型变频器的整流侧采用二极管全桥整流，使得输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重。传统的三相交-交变频器和交-直-交变频器相比，采用电网自然换流，只需一次换流就可以实现变频，换流效率高，可以方便的实现四象限运行，而且低频输出波形接近于正弦波。然而，这种交-交变频电流也存在着诸多缺点：使用晶闸管较多，接线复杂；输出频率范围窄，只能

17、为电网频率的三分之一到二分之一；由于采用相控整流，功率因数低。因此，传统的交-交变频电路只能用于大容量低速重载调速场合，如碎矿机、水泥球磨机、卷扬机、矿机提升机和轧机等传动系统中。矩阵式变频器由于自身结构的特点，矩阵变换器最大的优点是：提高变频调速系统的频率，最高可达到200Hz；抑制输入输出侧谐波，使得输入侧功率因数达到0.99以上。矩阵式变换器以其简单的拓扑结构及诸多诱人的特性，已经被认为是一种极具发展前途的电力变换器。由于矩阵式变换器的研究目前较多集中于三相变频上，但是目前偏远地区、小型工业部和家庭(jitng)等小容量电力用户，基本采用单相供电：甚至在轨道交通的电力牵引中也采用单相供电

18、。因此，单相电力电子变换也是一个新的研究热点。1 绪论(xln)1.1 矩阵式变换器的发展(fzhn)及应用目前(mqin)，交-交矩阵变换器逐渐发展成为变频技术研究的热点，其应用前景好。 在提倡绿色(l s)能源的今天，研究和开发矩阵变换器具有很大的现实意义，因此有些学者认为矩阵式变频器一定会成为未来最有发展前途的电力环保产品。1.1.1 矩阵式变换器国外发展状况矩阵式变换器的概念最早由L.Gyugi和B.Pelly于1976年提出，但直到1980年M.Venturini和A.Afesina首次开发出了矩阵式变换器的样机，并提出了“低频调制矩阵”的概念和“直接传递函数”调制方法，促进了矩阵式

19、变换器的迅速发展。发展到80年代，J.Rordriguez于1983年提出了基于“虚拟直流环节”概念的矩阵式变换器的控制方法，利用传统的脉宽调制（PWM）技术对双向开关进行调制，从而实现能量的传动和反馈，这种方法也被称为“间接传递函数”方法。M.Braun和J.Rodriguez分别于1983年和1985年提出了将空间矢量脉宽调制（SVPWM）应用于矩阵式变换器控制方法。在上述研究基础上，L.Huber和D.borojevic于1989-1995年间将上述“简介传递函数”方法和空间矢量脉宽调制的概念用于矩阵式变换器的控制，分别对“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”进行调制，再将两个过程进行合成，从而

20、实现正弦的输入、输出波形以及可控的输入功率因数。为了解决矩阵式变换器换流困难问题，N.Burany于1989年首次提出了四部换流方式，有效的避免了换流过程中的短路和断路故障，实现了真正意义上的安全换流。进入90年代，随着电力电子器件及微处理器技术的迅速发展，矩阵式变换器的研制出现了新的高潮。南斯拉夫学者L. Huber和美国学者D.Borojevic提出的基于空间矢量调制的控制技术，并在此基础上成功地研制出了2KW的实验样机。以此同时，台湾学者潘晴财利用电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方法。1996年Watthanasam等基于DSP和IGBT硬件成功的研制出了2KW的实验样机。19

21、97年英国学者P.Wheeler和D.Grant利用四步换流技术降低了了矩阵式变换器中各个单相开关之间的低开关损耗，同时优化矩阵变换器输入滤波器的仿真研究，并研制出了5KW的实验样机。A. Ishiguro和T.Furuhashi提出了输入双线电压瞬时值法，其调制原理为任一时刻两个输入线电压合成输出电压，从理论分析可以得知：当输入电流不对称或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正。正因为如此，它特别适用于某些电网不够稳定的场合。另外，矩阵变换器应用于电机控制系统的研究同样也取得了显著的成绩。进入(jnr)20世纪，由于电力电子器件技术的发展(fzhn)，矩阵式变换器的实用化进入了一个崭新的阶段。

22、德国西门子公司在2001年提出了一整套适用(shyng)于工业传动控制领域的矩阵式变换器解决方案。2004年4月，在汉诺威国际展览会上，日本安川公司展示了即将生产的矩阵变换器原型并在2005年在日本市场上上市。马来西亚工艺大学的Zahirrudin Idris等在提出了单相矩阵式变换器的换流策略,为单相单相矩阵式变换器的研究做出了很大的贡献。1.1.2 矩阵式变换器国内发展状况在国内，矩阵式变换器方面的研究开始得较晚，但已成为电力电子学科中一个重要的热点课题。90年代末，上海大学、哈尔滨工业大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。1998年，上海大学基于空

23、间矢量原理和80C196KC单片机研制成功了用IGBT作为功率开关的矩阵式变换器实验装置。2000年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等建立了矩阵式变换器的电路分析的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。2001年，华中科技大学也提出了一种新型的三相-三相的矩阵式变换器。2002年，浙江大学提出了矩阵变换器在风力发电方面的应用。2003年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵式变换器电压传输比。2004年，清华大学黄立培课题组实现了基于矩阵变换器的异步电机矢量控制，西安交通大学提出了一种新型多电平矩阵变化器。2005年，浙江大学提出的矩阵变换器系统集成技术填补了

24、我国矩阵变换器系统集成研究的空白。他们的成果对矩阵式变换器的分析和设计具有较大的指导意义。2007华东交通大学的王建华的研究对单相单相矩阵式变化器的发展具有很大意义。1.1.3单相矩阵式变换器的应用前景矩阵变频器由于具有输入电流为正弦量、双向功率流动、输入功率因数可调等优越性能，其应用研究与前景可以概括为以下几个方面：（1）应用于转速较低的传动系统矩阵变换器的电压传输比受到一定限制，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合；它不需要更换电解电容，因而可以在低频大功率变频调速系统中长时间可靠工作；（2）作为电源产品与目前的电源产品相比，矩阵变换器有一定的优越性，如功率

25、因数高，无中间储能环节，结构紧凑，寿命长，因此矩阵变换器的研究有良好的市场前景；（3）用于高压大功率变换的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达到高压大功率输出的目的； （4）用于功率因数校正，由于矩阵式变换器的输入(shr)功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。它还可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。1.2 矩阵式变换器的分类(fn li)及特点矩阵(j zhn)变换器包括M相N相变换的各类拓扑，目前研究较多的有间接型三相三相矩阵式变换器、三相单相矩阵式变换器、单相单相矩阵式变换器等。间接型三相三相矩

26、阵式变换器由整流级电路和逆变级电路两部分组成，与传统的交-直交型变换器不同的是，中间环节不采用电容或电感等直流储能元件，三相单相矩阵式变换器是指输入侧为三相交流电，而输出侧为单相负载的矩阵式电路拓扑，分为带中线式和不带中线式两种形式。单相-单相矩阵式变换器是指输入侧为单相交流电，而输出侧也为单相负载的矩阵式电路拓扑。本文研究的是单相单相矩阵式变换器，是由4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功能，通过双向开关的导通与关断，单相交流输入中的任意一相可以直接连接至单相交流输出中的任意一相。 由于矩阵变换器的自身结构的特点，它具有很多优于传统交流电力变换装置的特性：无中间直流环节，

27、能量直接传递，传输效率高；可获得正弦波的输入电流和输出电压，波形失真度小；输入功率因数可在正负之间任意调节，可以不产生无功功率或对电网起到一定的无功补偿作用，且与负载功率因数无关；能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统；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；采用不同的控制算法，同一矩阵式变换器装置可实现整流、逆变、变频等功能。但是矩阵变换器技术仍存在一系列问题亟待解决：（1）由于矩阵变换器的电压利用率较低，其最大值只有0.866，如果要得到更高的电压利用率，必须在输出波形中注入谐波成分，从而必然会降低输出波形质量也会影响输入侧的电能质量；（2）单相单相矩阵式

28、变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不理想；（3）矩阵式变换器由于不具备直流储能环节，负载侧的干扰可以直接反映到输入侧。1.3 矩阵式变换器的调制(tiozh)策略由于矩阵式变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在矩阵式变换器的实际应用中，采用适当的调制策略，并将其加以实现，保证系统稳定可靠地运行，是至关重要的一个环节。到目前为止，已经提出(t ch)并实现了直接传递函数法、空间矢量调制法、电流(dinli)控制法等多种调制方法，取得了较理想的控制效果。1.3.1 直接传递函数法（AV方法）1980年M.V.enturini和A.A

29、lesina首次系统的提出了矩阵式变换器低频特性的数学分析，并且提出了一种矩阵式变换器的调制算法，被称为“直接传递函数”方法。在这种方法中，将矩阵式变换器视为一个33开关函数矩阵式，变换器的输出电压由输入电压和开关函数矩阵相乘而得到。输入电流由输出电流和开关函数矩阵的转制相乘得到。通过直接计算矩阵中每个元素S的开关状态时间m,(i=1,2,3;j=1,2,3),实现对输出电压幅值，频率和输入电流的调制。1.3.2 间接空间矢量调制法间接传递函数方法是将矩阵式变换器在理论上等效为一个整流器和逆变器的虚拟连接，并将传统的脉宽调制（PWM）技术分别应用于“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”上，对双向开关进

30、行调制，从而实现能量的传递和回馈。间接空间矢量调制法就是将间接传递函数方法和空间矢量脉宽调制的概念用于矩阵式变换器的控制，分别对“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”进行脉宽调制，并将两个过程进行合成，从而实现正弦的输入、输出波形以及可控的输入功率因素。1.3.3 电流控制法电流控制法以变换器输出电流作为控制目标，主要采用滞环电流跟踪的方法。这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作。它具有容易理解、实现简单、相应快等优点，但是也有滞环电流跟踪控制共有的缺点，开关频率不够稳定，谐波随机分布，不易滤波等。1.3.4谐波注入法 Venturini法矩

31、阵式变换器的电压传输比偏低，为了提高电压增益M.Venturini和A.Alesina又提出了两种谐波注入式控制策略，通过在输出电压中注入零序谐波分量使得输出电压的正负极值随着输入电压的包络线变化而变化并在任何时刻始终位于输入电压包络线之内。谐波注入法的电压增益可以达到理论上的最大值0.866，输入功率因数角也可在负载功率因数角的正负范围内独立调节。但它的计算量更大，开关状态复杂，因而对控制系统要求很高。1.4 课题的研究内容矩阵变换器的基本元件为双向开关，它的控制逻辑比较复杂，这给它的数学解析带来了很大的困难，前人的研究虽然积累了一定的理论基础和实验模型，但仍有相当多的问题有待解决：在自动控

32、制和电力电子诸多领域，还有不少与矩阵变换有关(yugun)的理论未曾涉及或尚未深入研究，理论体系也不尽完善。对于矩阵变换器应用范围的认识还比较单一，矩阵式变换器的研究目前较多的集中于三相电变频，所以本文从三相矩阵式变换器开始着手(zhushu)，三相矩阵式和单相矩阵式变换器有相通性。文中的调制策略、拓扑(tu p)结构、仿真模型和实验装置围绕着单相单相矩阵式变换器进行。由于目前偏远地区、小型工业部门和家庭等小容量电力用户，基本采用单相供电，甚至在轨道交通的电力牵引中也采用单相供电，所以对单相电力电子变换的研究也具有很大的现实意义。为了进一步研究矩阵变换器的控制策略，并为矩阵变换器产品化提供理论

33、支持和实现方法，本文做了如下工作：（1）对矩阵变换器的理论基础进行阐述，并分别推导了Venturini法在三相三相矩阵式变换器和单相单相控制变换器中的控制算法（2）构建了单相矩阵变换器的主电路和控制系统，在控制理论分析的基础上对矩阵变换器进行Matlab仿真研究，并且对仿真结果进行分析；（3）提出今后有待于进一步解决的问题。本文从理论研究、仿真实验和电路设计三方面对矩阵变换器的原理、控制策略、进行了研究，并得出了一些有意义的结论，为这一新型“万能”变频器实用系统的进一步研究和应用打下了基础。2 矩阵式变换器的基本原理2.1单相(dn xin)单相(dn xin)矩阵式变换器基本(jbn)拓扑作

34、为一种新颖的电力变换器，从理论上来讲，矩阵式变换器可以被定义为一种将输入频率为的N相交流电，转换成输出频率为的M相交流电的电力变换器。由于小容量电力用户多采用单相供电，因而单相AC-AC矩阵式变换器的研究具有很大的现实意义和应用前景。单相矩阵式变换器由单相电源供电，而且作为负载的交流电动机也为单相形式。如图2.1所示，该电路拓扑包括22共4个双向开关Sij(i=1，2；j=1，2)，每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力。通过这4个双向开关的导通和关断，单相交流输入中的任意一相可以连接至单相交流输出中的任意一相，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。负载S

35、22图2.1 单相单相矩阵式变换器基本拓扑图矩阵变换器的输入侧为单相电压源，而输出侧为单相感性负载（如电动机等设备）可等效为单相电流源。因此，根据电压源和电流源特性，矩阵式变换器在工作过程中必须遵循两个基本原则：（1）矩阵变换器单相输入端中的任意两相之间不能短路，避免电压源短路造成过电流；（2）矩阵变换器单相输出端中的两相电路间不能断路，避免感性负载突然断路而产生过电压。定义(dngy)开关函数：根据上述矩阵(j zhn)变换器安全运行的两个基本原则，在运行过程中的某一个时刻，连接到同一相输出的两个双向开关(kigun)中，有且只有一个开关可以导通，而另外一个开关必须关断，用开关函数表示：S，

36、。能满足矩阵变换器安全运行的开关组合共有4种。假设输入电压是v，输出电压是v，“1”表示开关时导通的，“0”表示开关时断开的。如下表2.1所示表2.1 单相单相矩阵式变换器开关组合输入电压vSSSS输出电压v1v1100v2v0011- v3v101004v010105v1001不存在6v0110不存在2.2矩阵式变换器的开关构成单相单相矩阵式变换器是一种直接AC/AC变换器，由4个双向开关组成，它能实现能量的双向传递。因此变换器中的开关器件在关断状态时承受的电压可能是正向的也可能是反向的，同样在导通状态下，流过的电流既可能为正也可能为负，因此必须采用双向开关。所谓双向开关，是指在导通时能流过

37、双向电流，关断时能阻断双向电压，且具有自关断能力的器件，这样的双向开关又被称作四象限开关。但是受制造工艺，成本等因素的限制，目前尚未成熟的双向开关产品，因而只能采用单向开关和二极管复合的方法来实现双向开关。这也是矩阵式变换器虽然早已问世，但至今未能推广应用的原因之一。目前在研究中，通常使用分立的电力电子器件IGBT和二极管来实现矩阵变换器的双向开关，常有的组合双向开关主要有四种形式，即由一个IGBT和四个二极管组合成的桥式双向开关、IGBT和二极管组合成的并联型双向开关、共发射极反向串联IGBT组合的双向开关、共集电极反向串联IGBT组合的双向开关和能实现零电压。(a) 桥式组合(zh)双向开

38、关 (b) 并联(bnglin)型双向开关(c) 共发射极组合(zh)双向开关 (d) 共集电极组合双向开关图2.2矩阵式变换器双向开关构成图2.2（a）所示的二极管桥式双向开关由一个位于中间的普通IGBT和4个快恢复二极管组成。这种构成方式的主要优点在于，每个双向开关中仅包含一个开关器件，使得整个矩阵式变换器仅包括4个IGBT，可以降低电路成本。但这种方法存在严重的不足之处，由于在电流流通过程中需要经过3个开关器件，必然造成开关器件损耗的增大，而且这种双向开关中的电流方向很难控制。因此，在实际的矩阵式变换器开发中，很少采用二极管桥这种方式。图2.2（b）所示的普通IGBT共射极式双向开关由两

39、个带有反并联快恢复二极管IGBT连接而成。两个IGBT的射极连接到一起，而两个集电极则分别与输入侧和输出侧相连。由于普通IGBT不能承受较大的反向电压，因此需要两个快恢复二极管为双向开关提供反向阻断能力。相对于二极管桥式双向开关，这种构成方式具有两个明显的优点：一是可以独立地控制电流方向；二是由于电流只经过两个开关器件，开关器件的导通损耗可以随之减小。但是，这种双向开关也存在缺点，由于两个IGBT的射极被连接到一起，因此每个双向开关都需要至少一个隔离电源为驱动电路供电，整个矩阵式变换器则需要4个驱动用隔离电源。图2.2（c）所示的普通IGBT共集式双向开关相对于前两种构成方式，不但具有器件导通

40、损耗小、电流方向易控制等优点，而且(r qi)可以减少驱动电路隔离电源的数量，因为三个射极相连的IGBT可以共用1个隔离电源为驱动信号供电，因此整个矩阵式变换器只需要3个隔离电源。因此这种双向开关(kigun)的构成方式也得到了比较广泛的应用。近年来，具有承受较大反向电压(diny)能力的新型电力电子器件逆阻式IGBT（RB-IGBT）被越来越多地应用到各种电力变换器中，其中矩阵式变换器是最主要的一个方向。逆阻式IGBT的出现解决了普通IGBT不能反向截止的问题，使得双向开关可以简化为简单的反并联结构，省去了两个快恢复二极管，如图2.2d所示。同共集电极式结构相同，采用逆阻式IGBT双向开关的

41、矩阵式变换器也仅需3个隔离电源。而且单个RB-IGBT的功率损耗略大于普通IGBT，但根据测试，由于RB-IGBT组成的双向开关总功率损耗小于由普通IGBT构成的双向开关。因此，采用逆阻式IGBT作为开关器件是矩阵式变换器未来发展的方向。 本文采用的共集电极型双向开关由两个IGBT(绝缘栅双极性晶体管)和两个快速二极管组成共集电极模式的双向开关，如图2.3所示。图2.3 双向开关矩阵2.3 双向开关换流控制策略的基本原理 在矩阵式变换器的电路中，由于没有电流的的自然续流通路，使得开关器件之间的换流比传统的交直交型PWM变频器困难许多。而且，矩阵式变换器的换流控制，必须严格遵守两个基本原则，即要

42、保证在运行过程中，输入侧电路没有短路，输出侧电路没有断路。2.3.1 四步换流策略的基本过程为了确保矩阵式变换器的安全工作，双向开关之间的换流需要采用(ciyng)多步换流策略。下面就四步换流策略进行详细的介绍。UaUbSAa1SAb1SAb2图2.4 连接至同一相输出的两个(lin )双向开关传统的基于输出电流方向检测的四步换流策略目前已得到了广泛(gungfn)的应用，具体的换流步骤如图2.4所示，如果电流由变换器流向负载侧则电流信号为S=1，反之则为S=0。表2.2列出了电流方向与换流实现方法。表2.2 四步换流开关开通和关闭状态直观表信号方向换流步骤S12341关断SAa1开通SAb2

43、关断SAa2开通SAb10关断SAa2开通SAb1关断SAa1开通SAb2由表2.2可分析出，当S=1，第二步后，由于SAa2和SAb2都已经导通，当UbUa时，负载电流将立即从SAa2 转移到SAb2，反之则由于SAa2依旧导通，电流仍然流过SAa2则换流不成功。因此换流过程中必须使得UbUa，且适当控制4个开关的通断。2.3.2 四步换流策略的实现在实现四步换流策略的过程中，检测矩阵式变换器输出电流方向的方法主要有以下三种：（1）采用霍尔传感器或电流互感器等电流测量元件：优点是简单方便，容易实现，但缺点是在电流值较小时容易出现测量误差；（2）在主电路输出线上串联一对反并联的二极管：优点是检

44、测结果比较准确，但会使变换器的功率损耗增大，可靠性降低；（3）检测(jin c)RB-IGBT上管压降:优点是检测结果(ji gu)非常准确，但需对4个RB-IGBT均安装(nzhung)管降压检测电路，并增加逻辑电路，以判断实际电流方向，因而电路复杂，成本较高。目前，在矩阵式变换器的开发过程中，检测输出电流方向一般采用方法1或者方法2。对于四步换流策略，在换流过程中，应锁存获取的输出电流方向信息，以避免换流步骤出错。这样矩阵式变换器基本可以正常运行起来。3 单相单相矩阵式变换器的电压传递函数3.1 调制策略(cl)的选择矩阵式变换的结构确定以后(yhu)，矩阵式变换器的性能指标、效率、特性和

45、控制难度一般取决于调制策略(cl)的选择。目前矩阵式变换器的调制策略一般有4中，在1.3矩阵式变换的控制策略中已经提过。下面分析几种调制方法的特点，来确定单相单相矩阵式变换器的控制策略。间接变换法是目前在三相矩阵变换器中研究较多也较为成熟的一种控制策略，但却不适合单相矩阵变换器。主要原因是单相电不能构成空间旋转矢量，它只能表达为单向脉冲矢量，因此无法像三相电的矩阵变换器中用两个方向和大小不同的按一定规律变化的空间矢量来表示；相应的从空间矢量法生成的27种开关组合在单相中减少到3种组合，失去了空间矢量法的控制特性，因此这种控制策略不适合单相矩阵变换器。直接传递函数变换法是通过对输入电压的连续斩波

46、来合成“输出电压”,这种方法比较适合单相单相矩阵式变换器的控制要求。所以本论文使用直接传递函数变换法。单相单相矩阵变换器的拓扑结构和工作原理可以基于研究较多的三相矩阵变换器的基础上得来，所以在介绍单相矩阵变换器之前，首先来分析下三相三相矩阵式变化器的直接传递函数。3.2 三相矩阵式的直接传递函数法直接传递函数法是1990年M.Venturini和A.Alesina首次系统地给出的矩阵式变换器的调制方法。通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”。最初的电压传输比只有0.5，随后又通过在输入和输出电压中注入高次谐波实现矩阵式变换器的最大传输比0.866。这种方法可以对输入和输出各个要素进行调节，

47、控制较为灵活。开关函数调制是将矩阵式变换器视为一个33开关函数矩阵，变换器的输出电压由输入电压和开关函数矩阵相乘得到，输入电流由输出电流和开关函数矩阵的转置相乘而得到。通过计算矩阵中每个元素Sij的开关状态时间，实现对输出电压幅值、频率和输入电流的调制。在对矩阵变换器开关函数进行分析之前，首先对一些用到的变量进行定义，设三相对称输入相电压和输出相电流分别为：开关函数调制是将矩阵式变换器视为一个33开关函数矩阵，变换器的输出电压由输入电压和开关函数矩阵相乘得到，输入电流由输出电流和开关函数矩阵的转置相乘而得到。通过计算矩阵中每个元素Sij的开关状态时间，实现对输出电压幅值、频率和输入电流的调制。

48、在对矩阵变换器开关函数进行分析之前，首先对一些用到的变量进行定义，设三相对称输入相电压和输出相电流分别为： （3-1） （3-2）三相(sn xin)期望输出相电压和输入相电流分别为： （3-3） （3-4）其中(qzhng)和分别为输入(shr)、输出相电压的幅值，和分别为输入、输出相电流的幅值，和分别为输入、输出角频率， 为输入功率因数角，为输出相位角。三相交交型矩阵变换器可看成一个六端口网络，其中三个为输入端口，三个为输出端口。原则上，对于任意一组输入电压，可按一定的调制规则控制开关矩阵中的九个双向开关，从而在其输出端合成所需的一组输出电压。该变换过程可用一开关传递函数矩阵表示。 （3-

49、5） （3-6）令三相-三相矩阵变换器的低频开关函数矩阵为： （3-7）矩阵中每个元素代表了矩阵变换器主电路中对应开关的瞬时占空比，反映了矩阵变换器的控制方法。矩阵变换器的开关控制策略一般包括开关传递函数矩阵的确定、的实现及安全换流的获得。对于不同的及其实现，可产生不同的开关控制策略。对于的确定，目前大致可分为两种：一种是直接法，即根据输入、输出电压的关系直接构造出；另一种是虚拟整流法，即先对输入电压进行整流，得到一般的虚拟的直流环节，再“逆变”为所需的交流输出电压。该种方法的是由“整流”部分和“逆变”部分合成的。下面将分别介绍这两种方法。开关(kigun)函数的直接变换法是根据输入、输出电压

50、的关系直接(zhji)构造出开关函数矩阵。把式(3-1)和(3-7)代入式(3-5)得： （3-8）得到(d do)： （3-9）展开式（3-9）可得： （3-10）三角函数公式： （3-11）设为理想的开关传递函数矩阵，利用（3-11）可构造传递函数 （3-12）其中 由式（3-10）可以(ky)看出，该方程有10个未知数，而方程(fngchng)数只有3个，所以(suy)并不是唯一的。令： （3-13）其中 （3-14）应用于式（2-12）： （3-15）而式(3-8)则可写成： （3-16）由式(3-15)可知： （3-17）故由式(2-6)可得： （3-18）把式(3-13)和3-2)

51、代入(3-18)，得矩阵变换器的输入电流为： （3-19）开关函数间接变换法是指首先对矩阵变换器的输入电压进行“整流”，从而产生一个虚拟的直流环节，然后再根据需要的输出频率和大小进行“逆变”，最终得到一个类似于典型的PWM逆变器的输出电压波形。该过程可以用下式表示： （3-20）其中整流(zhngli)函数为： （3-21）逆变(n bin)函数为： （3-22）在这里我们考虑了整流(zhngli)控制角及输出电压初相角，其中整流控制角是以输入线电压的交点为参考点。由上式可见，与直接法相比较，虚拟整流法的函数矩阵是由两部分组成的，即“整流”部分和“逆变”部分。首先是整流函数作用于输入电压向量得

52、到一直流电压，即： （3-23）由电力电子技术可知，三相桥式全控整流电路其整流电压的平均值为： （3-24）式中：为三相输入电压相电压的有效值；为整流控制角，它以三相输入电压的线电压的交点作为其参考点。与普通桥式整流器不同的是，矩阵变换器由于采用(ciyng)双向开关元器件，故不论是电阻性负载或电感性负载，其导通角均为，且其控制(kngzh)角的移相范围不受限制，比较式(3-23)与式(3-24)可以确定(qudng)出系数： （3-25）得到虚拟整流环节的直流电压平均值为： （3-26）由上式可知，当=0时，达到最大值，即获得电压的最大利用率。同时逆变函数作用于整流得到的直流电压，得到所需的

53、输出电压： （3-27） （3-28）可确定系数为： （3-29）于实际的矩阵式变换器不存在直流环节，所以上述“整流”、“逆变”是同时完成的。九个双向开关对应的调制函数构成整个开关矩阵的开关传递函数矩阵:=（3-30）把式(3-25)和式(3-29)代入上式后展开整理，可得到开关函数间接变换法对应的开关传递函数矩阵： （3-31）其中： （3-32） (3-33) 将（3-33）中的各式展开(zhn ki)得： （3-34）比较(bjio)式(3-31)和式(3-34)可以看出，在该种方案下，开关(kigun)矩阵中的各个开关元件的调制函数均不同，且均由角频率为和的两余弦(yxin)分量叠加而

54、成。对于矩阵变换器的输入电流，由式(3-6)和(3-30)可得： （3-35）把式(3-21)和式（3-22)代入式(3-35)，整理后得： （3-36）3.3单相单相矩阵式变换器的直接传递函数法同三相三相矩阵式变换器控制方法，可得出单相单相矩阵式变换器的直接传递函数。单相单相矩阵式变换器在理想状态下有单相-单相矩阵式变换器在理想状态下有（3-37）（3-38）式中，U0(t)、I0(t)为输出电压、输出电流的瞬间值；Ui(t)、Ii(t)为输入电压、输入电流的瞬时值。M(t)为开关调制函数，其中矩阵因子mij=(i=1,2；j=1,2)为相应双向开关S11和S12、S21和S22的占空比。为

55、防止电源短路，S11和S21、S12和S22中必须各有一个导通。因此，矩阵因子需满足（3-39）由于这一约束条件，双向开关只存在三种开关状态：T1时段，S11和S22导通，S21和S12关断，此时U0(t)=Ui(t)；T2时段，S21和S12导通，S11和S22关断，此时U0(t)=-Ui(t)；T3时段，S11和S22导通，S21和S22导通，此时U0(t)=0。一个斩波周期T=T1+T2+T3。显然。第一p个（p=斩波序数）斩波周期的输出电压的幅值；T1P、T2P、T3p三个时段输出电压的平均值。设；Uim、U0M分别为输入、输出电压的幅值；i、0分别为输入、输出角频率；为输出初相角，代

56、入式（3-39），则有（3-40）并得出(d ch)(3-41)(3-42)式中，q为输出电压(diny)幅值/输入电压幅值，q的变化直接影响输出(shch)电压的大小。实时求解式（3-41）、式（3-42），并用mij作为对应矩阵开关的占空比控制量，则该矩阵式变换器便可实现单相交-交的交换。4 矩阵式变换器主电路设计及仿真研究由于矩阵式变换器的功率元件众多，控制策略复杂，因此增加了研究它的难度，这就要求建立(jinl)矩阵式变换器的仿真模型，验证控制算法的正确性，给实际研究和设计提供参考和检验。4.1 Matlab/Simulink目前Matlab已经成为(chngwi)国际上最为流行的软件

57、之一，除了传统的交互式编程以外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的Windows编程等便利工具，出现了各种以Matlab为基础的丰富的实用工具箱，广泛地应用于自动控制、图像信号(xnho)处理、生物医学工程、语音处理、雷达工程、信号分析、振动理论、时序分析与建模、化学统计学、优化设计等领域，已经成为科研和工程技术人员的有力开发工具。为了准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，然后对其进行进一步的分析与仿真，1990年Math Works软件公司为Matlab提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为Simulab,1992年正式更名为Simulink。它

58、可用来对动态系统进行建模、仿真和分析，适合用于连续、离散或者混合的线性和非线性系统。为用户提供了用方框图进行建模的图形结构，采用可视化的仿真环境，从而比通常用微分方程和差分方程建模的软件有极为方便灵活和直观的优点。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以Matlab为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式放入Simulink中，形成了模块库。Simulink的模块库实际上就是用Matlab基本语句编写的子程序集。从Simulink4.1版开始，增加了电力系统模块库（Power System Blockset）,该模块库主要由加拿大HydroQuebec和TECAI Intern

59、ational公司共同开发，在Simulink 环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行电力电子电路、电机控制系统和电力系统地仿真。它涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，运行Simulink以后，打开Blocksets&Toolboxes，就能调出电气系统模块库：Powerlib。也可以在MATLAB的命令窗口，直接键入Powerlib.主要由6个子模块库组成：(1)电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等；(2) 基本元件模块库：包括串联RCL负载/支路、并联RCL负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感

60、、断路器、N相分布参数线路、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器等；(3)电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT和理想开关等。为满足不同(b tn)的仿真要求并提高仿真速度，还有晶闸管简化模型；(4)电机模块库：包括励磁装置(zhungzh)、水轮机及其调节器、异步电机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等；(5)连接模块库：包括地、中性点和母线(mxin)（公共点）；(6)测量模块库：包括电流和电压测量，阻抗测量等。在这6个子模块的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到自己的模块中去，实际上，附加模块（Powerlib Extras）中的“