綠色”變換器——矩陣變頻以獨特的優(yōu)勢占領(lǐng)市場
多年來，電氣傳動專家一直都在討論關(guān)于“矩陣變換”技術(shù)的變頻器是否會成為下一代變頻器。由于矩陣式交-交變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源|穩(wěn)壓器電流控制與輸出電壓控制”。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大，并能實現(xiàn)輕量化。另外一個吸引點就是矩陣變頻器去掉了直流電容，矩陣變頻器就能長時間可靠工作。幾個主要的傳動供應(yīng)商包括安川、富士、羅克韋爾、西門子等都積極地研究了該項技術(shù)。然而輿論卻認為:盡管矩陣變頻器具有非常誘人的前景，但是由于成本太高而無法在目前進行商業(yè)化應(yīng)用。
早期的矩陣變換器研究
矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學(xué)者M.Venturini和A.Alesina首先提出了由9個功率開關(guān)組成的矩陣式交-交變換器結(jié)構(gòu)，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調(diào)節(jié)的，但后來發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關(guān)。他們首次系統(tǒng)地給出了矩陣式變換器低頻特性的數(shù)學(xué)分析，并且提出了“低頻調(diào)制矩陣”的概念。同時，他們提出了一種矩陣式變換器的調(diào)制算法，被稱為“直接傳遞函數(shù)”方法。
1983年J.Rogriguez將矩陣式變換器在理論上等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)分別應(yīng)用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對雙向開關(guān)進行調(diào)制，從而實現(xiàn)能量的傳輸和回饋，這種方法也被稱為“間接傳遞函數(shù)”方法。
矩陣變換器要求大容量和高速開關(guān)頻率并具有雙向關(guān)斷能力的功率器件，同時還要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的工藝和技術(shù)水平所難以達到的。因此，早期的矩陣變換器的研究大都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實際的研究。
矩陣變換器方案改進
隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學(xué)者對矩陣變換器進行了一系列的研究工作，并從不同的角度提出了不同的控制方案。如美國學(xué)者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調(diào)制方法，該方法根據(jù)變換器的開關(guān)傳遞函數(shù)矩陣由電流連續(xù)條件，將其分解為若干矩陣分量，通過分別計算，最后合成得到的調(diào)制矩陣。P.D.Ziogas等提出了種間接PWM控制方法，其總體思路是首先將輸入電壓“整流”，產(chǎn)生一個虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個類似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。這些研究基本克服了M.Venturini控制方案的缺點，輸出電壓比、功率因數(shù)和輸入電流品質(zhì)方面都取得了很好的改進，但也存在一些不足之處，如P.D.Ziogas的方案輸出頻率限制在300Hz以下、某些方案的效率不夠高等缺點。
矩陣變換器技術(shù)成熟
80年代末、90年代初，南斯拉夫?qū)W者L.Huber和美國D.Boroievic教授、日本學(xué)者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術(shù)逐漸走向成熟。
L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)，首先根據(jù)矩陣變換器的PWM的開關(guān)狀態(tài)，定義出六邊形開關(guān)狀態(tài)矢量圖，然后按輸出矢量在任意時刻由其相鄰的開關(guān)狀態(tài)矢量合成，得到每一采樣周期的開關(guān)占空比。連續(xù)合成一定角速度旋轉(zhuǎn)的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過實驗樣機帶三相感應(yīng)電機作為負載運行，證明了采用空間矢量調(diào)制法的矩陣變換器與理論分析相一致。即具有輸入功率因數(shù)逼近于1，輸入電流波形好等優(yōu)點。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)應(yīng)用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎(chǔ)上，L.Huber和D.Borojevic于1989年至1995年間，發(fā)表了一系列矩陣式變換器的研究結(jié)果。
A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。其實質(zhì)即任一時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時值及輸入電壓的狀態(tài)決定。該種技術(shù)在改善對變換器開關(guān)頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨到之處。當輸入電源不對稱或含有諧波時，其控制函數(shù)可以自動修正，而不需要額外的計算，有利于實時控制。但該種控制方案使得輸入功率因數(shù)不可隨意控制，但能固定在基本恒定值上。同時這種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和輸入電流的合成規(guī)律較為復(fù)雜，在軟件實現(xiàn)上較為復(fù)雜。
韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設(shè)MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術(shù)對實用升壓九開關(guān)MC的動、靜態(tài)特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過理論分析和仿真，他們證明了升壓式矩陣變換器不能像其它的理想變換器那樣通過選擇參數(shù)獨立控制，功率因數(shù)并不總保持1，但可以控制。
1989年，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實現(xiàn)半軟開關(guān)換流，將兩個雙向開關(guān)之間的換流過程根據(jù)電壓相對大小或電流方向信號分為四步進行，有效地避免了換流過程中的短路和斷路故障，實現(xiàn)了真正意義上的安全換流。此后，M.Ziegler和W.Hoffmann于1998年提出了矩陣式變換器“兩步換流”方式，進一步縮短了雙向開關(guān)的換流時間。同時，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術(shù)用于雙向開關(guān)的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據(jù)檢測到的電流方向信號和開關(guān)通斷狀態(tài)利用時序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進的多步換流控制策略，省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測電路。LixiangWei和T.Lipo也在2003年提出了專用于矩陣式變換器的電壓換流方式。這些換流策略的應(yīng)用，基本上實現(xiàn)了雙向開關(guān)的安全運行，為矩陣式變換器應(yīng)用到實際工業(yè)生產(chǎn)中掃清了障礙。
矩陣變換器產(chǎn)業(yè)探索
矩陣變換器從1976年提出到現(xiàn)在30年的時間了,國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。
1992年，我國教授莊心復(fù)作為訪問學(xué)者在美國弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調(diào)制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調(diào)制方法，并以一臺32位數(shù)字信號處理器TMS32014作為控制器，設(shè)計并制作了一臺實驗樣機。
1994年弗吉尼亞電力電子中心年會上展出了輸入端具有功率因數(shù)校正（PFC）的三相--三相矩陣變換器，該變換器采用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)空間矢量調(diào)制，最大輸出2kW，開關(guān)頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應(yīng)電動機，輸入端功率因數(shù)為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen在他的博士論文中，以SIEMENSC166為控制器做出了試驗裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問學(xué)者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。
早期的矩陣變換器研究
矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學(xué)者M.Venturini和A.Alesina首先提出了由9個功率開關(guān)組成的矩陣式交-交變換器結(jié)構(gòu)，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調(diào)節(jié)的，但后來發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關(guān)。他們首次系統(tǒng)地給出了矩陣式變換器低頻特性的數(shù)學(xué)分析，并且提出了“低頻調(diào)制矩陣”的概念。同時，他們提出了一種矩陣式變換器的調(diào)制算法，被稱為“直接傳遞函數(shù)”方法。
1983年J.Rogriguez將矩陣式變換器在理論上等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)分別應(yīng)用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對雙向開關(guān)進行調(diào)制，從而實現(xiàn)能量的傳輸和回饋，這種方法也被稱為“間接傳遞函數(shù)”方法。
矩陣變換器要求大容量和高速開關(guān)頻率并具有雙向關(guān)斷能力的功率器件，同時還要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的工藝和技術(shù)水平所難以達到的。因此，早期的矩陣變換器的研究大都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實際的研究。
矩陣變換器方案改進
隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學(xué)者對矩陣變換器進行了一系列的研究工作，并從不同的角度提出了不同的控制方案。如美國學(xué)者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調(diào)制方法，該方法根據(jù)變換器的開關(guān)傳遞函數(shù)矩陣由電流連續(xù)條件，將其分解為若干矩陣分量，通過分別計算，最后合成得到的調(diào)制矩陣。P.D.Ziogas等提出了種間接PWM控制方法，其總體思路是首先將輸入電壓“整流”，產(chǎn)生一個虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個類似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。這些研究基本克服了M.Venturini控制方案的缺點，輸出電壓比、功率因數(shù)和輸入電流品質(zhì)方面都取得了很好的改進，但也存在一些不足之處，如P.D.Ziogas的方案輸出頻率限制在300Hz以下、某些方案的效率不夠高等缺點。
矩陣變換器技術(shù)成熟
80年代末、90年代初，南斯拉夫?qū)W者L.Huber和美國D.Boroievic教授、日本學(xué)者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術(shù)逐漸走向成熟。
L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)，首先根據(jù)矩陣變換器的PWM的開關(guān)狀態(tài)，定義出六邊形開關(guān)狀態(tài)矢量圖，然后按輸出矢量在任意時刻由其相鄰的開關(guān)狀態(tài)矢量合成，得到每一采樣周期的開關(guān)占空比。連續(xù)合成一定角速度旋轉(zhuǎn)的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過實驗樣機帶三相感應(yīng)電機作為負載運行，證明了采用空間矢量調(diào)制法的矩陣變換器與理論分析相一致。即具有輸入功率因數(shù)逼近于1，輸入電流波形好等優(yōu)點。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)應(yīng)用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎(chǔ)上，L.Huber和D.Borojevic于1989年至1995年間，發(fā)表了一系列矩陣式變換器的研究結(jié)果。
A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。其實質(zhì)即任一時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時值及輸入電壓的狀態(tài)決定。該種技術(shù)在改善對變換器開關(guān)頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨到之處。當輸入電源不對稱或含有諧波時，其控制函數(shù)可以自動修正，而不需要額外的計算，有利于實時控制。但該種控制方案使得輸入功率因數(shù)不可隨意控制，但能固定在基本恒定值上。同時這種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和輸入電流的合成規(guī)律較為復(fù)雜，在軟件實現(xiàn)上較為復(fù)雜。
韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設(shè)MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術(shù)對實用升壓九開關(guān)MC的動、靜態(tài)特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過理論分析和仿真，他們證明了升壓式矩陣變換器不能像其它的理想變換器那樣通過選擇參數(shù)獨立控制，功率因數(shù)并不總保持1，但可以控制。
1989年，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實現(xiàn)半軟開關(guān)換流，將兩個雙向開關(guān)之間的換流過程根據(jù)電壓相對大小或電流方向信號分為四步進行，有效地避免了換流過程中的短路和斷路故障，實現(xiàn)了真正意義上的安全換流。此后，M.Ziegler和W.Hoffmann于1998年提出了矩陣式變換器“兩步換流”方式，進一步縮短了雙向開關(guān)的換流時間。同時，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術(shù)用于雙向開關(guān)的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據(jù)檢測到的電流方向信號和開關(guān)通斷狀態(tài)利用時序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進的多步換流控制策略，省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測電路。LixiangWei和T.Lipo也在2003年提出了專用于矩陣式變換器的電壓換流方式。這些換流策略的應(yīng)用，基本上實現(xiàn)了雙向開關(guān)的安全運行，為矩陣式變換器應(yīng)用到實際工業(yè)生產(chǎn)中掃清了障礙。
矩陣變換器產(chǎn)業(yè)探索
矩陣變換器從1976年提出到現(xiàn)在30年的時間了,國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。
1992年，我國教授莊心復(fù)作為訪問學(xué)者在美國弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調(diào)制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調(diào)制方法，并以一臺32位數(shù)字信號處理器TMS32014作為控制器，設(shè)計并制作了一臺實驗樣機。
1994年弗吉尼亞電力電子中心年會上展出了輸入端具有功率因數(shù)校正（PFC）的三相--三相矩陣變換器，該變換器采用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)空間矢量調(diào)制，最大輸出2kW，開關(guān)頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應(yīng)電動機，輸入端功率因數(shù)為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen在他的博士論文中，以SIEMENSC166為控制器做出了試驗裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問學(xué)者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。
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