Matlab新型矩阵式变换器的分析与设计(2)
结 论 40
致 谢 41
参考文献42
1 引言
1.1 矩阵变换器技术的发展背景
近几年以来，由于工业制造的飞速发展，研究人员研制出了IGBT、功率MOSEFT、IGBT等性能优越、体积较小，价格低廉的电力电子器件。这些器件的出现同时为交流电力变换器的发展提供了很大的动力。而目前为止，交流电力变换器已经成为许多家用电器和工业设备中必不可少的重要组成部分，同时也是交流变频调速系统的核心部分[1,2]。可以毫不夸张地说，没有交流电力变换器，就没有现代电力工业的发展。
可以对交流电力变换形式的种类进行划分的方法非常多，将交流电力变换器划分为交-直-交型和交-交型变换两种形式就是根据有没有中间直流储能环节的条件来判定的。交-直-交型变换器，顾名思义，中间是具有着直流储能环节。同时，可以通过判定所用储能元件性质的不同这一条件，又可以将变换器的种类分为电压型与电力行两种。而交-交型变换器主要包括传统的交-交型变频和矩阵式交-交型变换两种形式。
科研人员在对交-直-交型变频装置的研究上取得了很大的成就，工业上，也已经生产出了性能强大的交流变换器成品，这些产品为我们的生产生活带来了很多便利。与此同时，随着21世纪的到来，人们更加追求工业生产上的自动化，智能化，电气工业尤为如此。而且，世界上越来越多的国家和人民开始注重生产绿色环保节能的理念。在这种时代背景下，传统的交-直-交型PWM变频器如图1.1已经不能满足工业发展的需求，仍然存在很多不足，如不容易文护变频器，使用寿命容易受到影响；输入侧具有不是很高的功率因数，这样会对电网带来严重的谐波污染；不利于节约能源；由于大量使用容量十分大的制动电阻，PWM变频器极为有可能因为发热过多而引发火灾甚至爆炸，这一潜在危险因素极大地影响了工业生产的安全性。虽然传统的三相交-交变频电路具有许多优点，例如拥有较高的换流效率，在四象限都能方便地运行，给定低频条件下，输出波形几乎为我们所期望的标准的正弦波形，同时这种交-交变频电路的缺点也是十分明显的，如接线复杂；输入频率范围窄；功率因数低。
图1.1 交-直-交拓扑形式变频器
a)电压型 b)电流型
基于以上所述，研究人员极力研发新的技术作为现有交-直-交型PWM变频器与传统交-交变频电路的替代产品，经过不懈的努力，矩阵式变换器技术应运而生了，出现在人们的视野里。矩阵变换器具有许多明显的好处：双向传输能量，四象限都可以正常运行；输入输出电流均为我们所期望的正弦形式；连接任意负载，矩阵式变换器的输入功率因数都几乎接近为1；不需要直流元件来实现储能功能等等。矩阵式变换器从30年前提出概念之后，历经发展，近十年间逐步成熟并实现商品化发展，这极大程度上也是源于微电子技术的重大突破与电力电子器件的不断更新。所以，矩阵式变换器的发展离不开其他行业发展的支撑[3]。
1.2 矩阵式变换器的特点和分类
1.2.1 矩阵变换器的分类与基本概念
矩阵变换器（Matrix Converter）本质上也是一种电力变换装置，它是通过采用脉宽调制技术而得到实验预想的输出电压波形，既可以产生直流，也可以产生交流电压。整个主电路拓扑采用的都是双向开关。狭义上来说，矩阵变换器就是三相-三相拓扑形式的矩阵式变换器。三相-三相拓扑形式的矩阵式变换器的应用范围非常广，同时也是研究人员最先开始探索的领域。如图1.2所示。普通三相-三相矩阵式变换器含有9个拥有双向导通和双向关断的能力的双向开关Sij,(i=A,B,C;j=a,b,c）。按照3×3的矩阵形式，9个开关进行规则排列。控制双向开关的状态，即导通和关断，三相交流输入中的任意一相和三相交流输出中的任意一相就这样，都可以直接的被联系起来。因为开关动作时会产生高次谐波，所以需要在矩阵式变换器的输入侧以串联形式接入三相电感器，并以并联形式接入三相电容器，这样可以起到很好的滤波作用。