Matlab新型矩阵式变换器的分析与设计(3)
图1.2 普通三相输入-三相输出拓扑形式的矩阵式变换器
图中的M 为异步电动机，表示矩阵式变换器的负载，
矩阵式变换器在广义上包括M相-N相变换的各类拓扑，目前研究的最多：间接型三相输入-三相输出拓扑、三相输入-单相输出拓扑形式的矩阵变换器、单相输入-单相输出拓扑形式的矩阵变换器等等，如图1.3所示。间接型三相-三相拓扑形式的矩阵式变换器是由整流级电路和逆变级电路两部分构成。与传统的交-直-交变频器不同的地方在于中间环节不采用电容器或者电感器等直流储能元件，如图1.4所示。
图1.3 不同种类的矩阵式变换器拓扑
图1.4 间接型矩阵式变换器简单构成形式
三相-单相矩阵式变换器是指输入侧为标准三相交流电，而输出部分为单相负载的矩阵式电路拓扑，它的构成分为带中线式与不带中线两种形式，如图1.5所示。
图1.5 三相输入-单相输出拓扑形式的矩阵式变换器
a）带中线式 b）不带中线式
单相-单相矩阵式变换器是指输入部分为单相交流电，而输出连接的也是单相负载的矩阵式拓扑。如图1.6所示。
图1.6 单相输入-单相输出拓扑形式的矩阵式变换器
1.2.2 矩阵变换器的研究历程
矩阵式变换器的研究经历30多年的发展历程，分为以下几个方向：电路拓扑上最初1976年提出三相-三相MC拓扑这一概念；调制策略上，1980年提出直接传递函数法，1983年提出间接传递函数法，1985年提出间接空间矢量脉宽调制方法，1989年提出双电压控制法；换流方式上，1989年出现了四步换流方式，1997年出现了两步换流方式和智能换流方式；器件模块上2000年出现了EUPEC18合1开关矩阵模块，2003年研究出了富士电机RB-IGBT；样机产品方面，Aalborg大学于2002年制造出4KW工业用MC样机，Nottingham大学在2004年研究出MC-IM传动系统，安川电机公司生产出通用型MC产品（22kW）[4]。
在国内，矩阵式变换器的起步比较晚，但是也取得一定的成就。先后有来自于南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、浙江大学和清华大学的教授和他们的团队对于矩阵式变换器的各个方面展开研究，很大程度上推动了国内矩阵式变换器技术的发展。
1.2.3 矩阵式变换器存在的问题与研究热点
作为一种电力电子变频装置，矩阵式变换器在技术有着许多可以改变的地方，需要研究人员解决：（1） 三相-三相矩阵式变换器的数学建模复杂难懂，含有大量开关器件，调制和换流的策略都极为繁琐，导致变换器的稳定性和可靠性不能达到工业生产的要求；（2）矩阵式变换器会给电网带来严重的谐波污染，所以为了消除输入侧电流谐波，需要设计LC滤波电路参数，而这一过程工作量十分大，且不易实现。同时也会使矩阵式变换器的电磁兼容性能达不到实验前设定的要求，需要进一步改善；（3）矩阵变换器的电压利用率不是特别高，在其最大值的时候也只有86.6%，需要通过在输出波形中注入一定的谐波成分才能得到更高的电压利用率，而这样做的后果是会降低输出波形质量，从而影响输出侧电能质量；（4）矩阵式变换器这种电力变换装置十年属于直接型种类的，它可以简化设备原因是因为中间没有加入直流大电感和直流大电容，但是这也造成非正常工作情况下，矩阵式变换器在电网中，对于电压的控制非常困难。特别是在工业生产中，需要为交流电动机调速系统供电时，如果电网突然发生瞬时断电，恢复供电后，必须要检测电动机负载的状态，确定无误后，才能恢复系统正常工作[5]。