中国逆变器行业十年关键词七——矩阵变频

时间:2019-04-05 01:00:52 来源:延庆资讯网 作者:匿名



多年来,电力驱动专家一直在讨论采用“矩阵变换”技术的逆变器是否会成为下一代逆变器。由于矩阵式AC-AC转换器消除了中间直流环节,它不仅可以吸收任何电流杂波,还可以提供干净的输出电压,这意味着“有效的输入电流控制和输出电压控制”。它可以实现功率因数l,输入电流为正弦波,可以在四个象限内工作,系统功率密度高,可以实现轻量化。另一个吸引力是矩阵逆变器去除了直流电容器,矩阵逆变器可以长时间可靠地工作。包括安川,富士,罗克韦尔和西门子在内的几家主要驱动器供应商都积极研究该技术。然而,舆论认为,:虽然矩阵转换器具有非常诱人的前景,但它们太昂贵而无法商用。

早期矩阵变换器研究

矩阵变换器的电路拓扑结构由L.Gyllglli于1976年提出。1979年,意大利学者M.Venturini和A.Alesina首先提出了一种由9个电源开关组成的矩阵型AC-AC变换器结构,并指出了矩阵。转换器的输入功率因数角可以任意调节,但已经发现转换器具有固有极限,最大电压增益为0.866,并且与控制算法无关。他们第一次系统地对矩阵变换器的低频特性进行了数学分析,并提出了“低频调制矩阵”的概念。同时,他们提出了一种矩阵变换器的调制算法,称为“直接传递函数”方法。

1983年,J。Rogriguez理论上将矩阵转换器视为整流器和逆变器之间的虚拟连接,并将传统的脉冲宽度调制(pwm)技术分别应用于“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”。 “向上,双向开关被调制以实现能量传递和反馈。这种方法也称为”间接传递函数“方法。

矩阵转换器需要高容量和高速开关频率以及具有双向关断功能的功率器件。具有快速处理能力的微处理器也需要作为控制单元,这在早期工艺和现有技术中难以实现。因此,早期矩阵变换器的研究大多处于理论研究阶段,对工业实践的研究较少。矩阵转换器方案改进

随着电力电子技术和微机控制技术的不断发展,矩阵变换器的研究工作越来越受到重视。为了解决M.Venturini和A.Alesina控制方案的不足,许多学者改变了矩阵。该装置进行了一系列研究工作,并从不同角度提出了不同的控制方案。例如,美国学者TALIpo和DGHolemes提出了一种电流控制的AC PWM调制方法。根据转换器的切换传递函数矩阵,将电流连续分解为若干矩阵分量,分别计算并最终合成。调制矩阵。 PDZiogas等。提出了一种间接PWM控制方法。一般的想法是首先“整流”输入电压以产生虚拟DC环路,然后以所需频率将其反相以获得类似的PWM逆变器。输出电压波形。这些研究基本上克服了M.Venturini控制方案的缺点,并在输出电压比,功率因数和输入电流质量方面取得了很好的改进,但也存在一些缺点,如PDZiogas方案输出频率限制在300Hz 。以下,一些解决方案效率不高。

成熟的矩阵转换技术

在20世纪80年代末和90年代初期,对矩阵转换器的研究由南斯拉夫学者L. Huber和美国D. Boroievic,日本学者A. Ishiguro和T. Furuhashi以及韩国学者WHKwon和GHCha。而控制技术正在逐渐成熟。

L. Huber和D. Boroievic提出了一种基于空间矢量调制技术的PWM技术。首先,根据矩阵变换器的PWM开关状态,定义六角开关状态矢量图,然后根据输出矢量随时按下输出矢量。组合相邻的开关状态矢量以获得每个采样周期的开关占空比。通过连续合成某个角速度旋转的输出电压矢量来获得所需的输出频率和正弦输出电压。通过三相感应电动机作为负载运行的实验样机,证明了采用空间矢量调制方法的矩阵变换器与理论分析一致。也就是说,它具有输入功率因数接近1,输入电流波形良好的优点。 1983年和1985年,M. Braun和J. Rodriguez提出将空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)应用于矩阵变换器控制。基于这些研究,L。Huber和D. Borojevic在1989年至1995年间,发表了一系列矩阵转换器的研究成果。A. Ishiguro和T. Furuhashi提出了一种双线电压瞬时值方法。其实质是输出电压在任何时间被合成两次,并且每个周期中两个输入线电压的占空比由输出电压的瞬时值和输入电压的状态确定。这种技术在提高转换器的开关频率和提高输出电压比方面有其独特的特性。当输入功率不对称或包含谐波时,其控制功能可以自动校正而无需额外的计算,这有利于实时控制。然而,该控制方案使输入功率因数不可控制,但可以固定在基本恒定的值。同时,开关状态的切换过程和输入电流的合成规律更加复杂,软件实现更加复杂。

韩国学者WHKwon和GHCha认为MC由非理想电流源和电压源组成。利用DQ电路转换技术分析了实际升压九开关MC的动静态特性,为MC分析提供了有效的方法。 。通过理论分析和仿真,证明了升压矩阵变换器不能通过选择其他理想变换器等参数来独立控制,功率因数并不总是保持为1,而是可以控制。

1989年,N.Burany提出了一种四步换向策略,可以实现半软切换换向。两个双向开关之间的换向过程根据电压或电流方向信号的相对大小分为四个步骤。接地避免了换相过程中的短路和开路故障,实现了真正意义上的安全换向。从那以后,M。Ziegler和W. Hoffmann在1998年提出了一种“两步换向”矩阵变换器的方法,进一步缩短了双向开关的换向时间。同时,J.Clare,P.Wheeler和L.Empringham也在1998年使用可编程逻辑器件(pld)技术进行双向开关的换向控制,并提出了矩阵变换器的“智能换向”模式。电流方向信号和开关接通/断开状态利用定时逻辑来确定换向步骤。 2002年,J。Mahlein提出了一种改进的多步换向控制策略,无需专用输入电压或输出电流方向检测电路。李祥伟和T.Lipo在2003年提出了一种专用于矩阵变换器的电压换向方法。这些换向策略的应用基本上实现了双向开关的安全运行,为实际工业中的矩阵变换器的应用扫清了障碍。生产。矩阵变换器行业探索

从1976年到现在的30年,已经提出了矩阵转换器。许多外国文献已经提出了矩阵转换器的实验原型,但它们还没有真正进入实际报道。

1992年,中国教授庄新富用空间矢量调制方法分析了美国弗吉尼亚电力电子中心的直接交叉和AC-DC转换器。在合成之后,获得AC-AC转换器的调制方法,并且使用32位调制方法。数字信号处理器TMS32014用作控制器来设计和构建实验原型。在1994年弗吉尼亚电力电子中心年会上,引入了一个三相三相矩阵变换器,在输入端具有功率因数校正(PFC)。该转换器使用数字信号处理器(DSP)进行空间矢量调制和最大输出。 2kW,开关频率20kHz,带MOSFET器件,负载2kW感应电动机,输入端子功率因数为0.99,输出电压,输入电流均为正弦波。 1995-1996,彼得。在他的博士论文中,尼尔森用西门子C166作为控制器制作了测试装置,并对矩阵变换器的外围电路进行了一系列研究。从1998年到1999年和1999年到2000年,克里斯坦还在美国研究了一套作为访问学者的设备。他还研究了输入电压不平衡时矩阵变换器在人工负载下的控制策略。

近10年来,由于功率半导体器件技术的发展,矩阵变换器的实际应用进入了一个新的阶段。 2001年,欧洲的EUPEC开发了专用矩阵转换器开关矩阵模块。该开关器件采用35A IGBT和快恢复二极管,大大减小了电路尺寸,提高了抗干扰能力,降低了换相控制的难度。 2001年,西门子德国公司推出了一整套用于工业驱动控制的矩阵转换器解决方案。丹麦奥尔堡大学的电力电子研究中心多年来一直致力于矩阵转换器的研究和开发。 2002年,它开发了一种用于工业生产的矩阵转换器原型。富士电机株式会社还于2003年开发出用于矩阵转换器的反向电阻IGBT模块。2004年,使用该模块成功制作了22kW矩阵变换器原型。日本安川电机公司在2004年4月的汉诺威国际展览会上展示了矩阵逆变器的原型。安川矩阵逆变器中有9个开关,每个开关都有2个IGBT双向开关,可以使用。正向电压和负相电压传递给电动机,其容量为5.5~22kW,最终方案为75kW。英国诺丁汉大学的研究人员于2004年成功开发出150kVA矩阵变换器驱动的异步电动机驱动系统。但遗憾的是,没有逆变器制造商可以批量生产矩阵逆变器。中国矩阵变换器的研究

中国对矩阵变换器的研究起步较晚,基本上自20世纪90年代以来,南京航空航天大学,西安交通大学,上海大学,哈尔滨工业大学等都在该领域开展了研究工作,取得了显着成效。结果已达到一定程度。

1994年,在南京航空航天大学庄新富教授向国内同行介绍矩阵变换器之后,对大学矩阵变换器进行了不断的研究。

1997年,南京航空航天大学的庄新福和穆新华在国家期刊上介绍了n×m矩阵变换器的拓扑形式和双向开关的组成。分析了基于三相交流的瞬态电压调制技术。交流矩阵变换器的开关状态和控制律。

1998年,上海大学的陈博士和陆海辉采用矩阵变换器作为AC-DC-AC变换器,广泛应用于逆变器中的空间矢量PWM调制技术,并以80C196KC为控制器,IGBT为开关。该装置采用四步换向方法,成功生产出三相AC-AC矩阵变换器的实验装置。

1999年至2000年,福州大学唐宁平,方旭阳,邱培基分析并推导了三相矩阵变换器在当前磁滞跟踪控制模式下的切换功能,并提出了变换器控制系统的实现方案,并获得了三相敏感性。实验结果如负载条件下的电流波形和频谱分析,以及恒定频率采样电流跟踪控制型矩阵变换器的原型被成功地制作为AC励磁感应发电机的激励器。

2000年,哈尔滨工业大学陈希友,陈雪云将Park变换技术应用于基于空间矢量调制的矩阵变换器,建立了矩阵变换器的线性常数电路模型,得到了输入电流,功率因数和电压增益。输出阻抗等性能指标的分析表达式。通过该模型分析了具有输入滤波的矩阵变换器的瞬态响应特性。同时推导了响应的伴随网络模型,并通过伴随网络方法分析了电压增益的灵敏度。

2001年,由清华大学黄立培教授领导的研究小组开始研究矩阵转换器及其在高性能交流调速系统中的应用。采用IGBT单管模块,反向电阻IGBT和智能功率模块(IPM)设计开发了三个三相三相矩阵变换器实验样机,开发了三相单反相IGBT。相位矩阵转换器原型。2002年,王毅,陈希友,徐殿国提出了一种基于双电压合成的矩阵变换器闭环控制方法。根据矩阵变换器的实际输出电压与预期输出电压之间的偏差,计算出电压的实际占空比。将与理想占空比的偏差作为负反馈添加到下一采样周期的占空比,从而实现系统的闭环控制。

此外,2001年,华中科技大学还提出了一种新的三相三相矩阵变换器。 2002年,浙江大学的何益康提出了矩阵变换器在风力发电中的应用。 2003年,湘潭大学朱建林开始研究提高矩阵变换器的电压传输比。西安交通大学的王宇文等通过数学推导得到了矩阵变换器调制函数的一般解形式,从而可以从不同角度反映变换器的传输性能,并可以调整开关调制律。根据实际系统的改造和传输要求。为了优化,开关时间算法也比原始算法简单。

目前,矩阵变换器的研究热点主要表现在两个方面:(1)在理论研究中,不断探索电压传输比的提高和新的调制策略,并结合模糊等智能控制的相关理论。控制,神经网络控制,自适应控制,模糊神经网络控制等; (2)实际应用和产业化,如可靠的换向实现和保护,双向开关的实现和封装,以及输入滤波器设计。

通常,矩阵转换器随着电路电子技术的发展而不断发展。然而,国内矩阵变换器的发展仍处于理论研究和实验室原型阶段,尚未形成实用和成熟的产品。

Matrix AC-AC作为一种新型变频电源,具有优异的控制性能和发展前景。其研究工作引起了国内外的广泛关注,取得了很好的效果。虽然矩阵变换器仍有许多问题有待进一步解决,例如低输出电压传输比,矩阵变换器的主要缺点;如IGBT成本高,控制电路复杂,适用于大功率应用。然而,矩阵变换器在变频调速中的应用不仅可以产生显着的节能经济效益,而且可以避免谐波污染引起的环境问题,这是一种“绿色”转换器。随着研究的深入,电力电子器件的发展和应用技术以及微机控制技术的发展,控制理论的不断完善和成本的不断降低,矩阵变换器必将充分利用其在未来产品化方面的独特优势。它越来越接近实际使用。引用

[1]朱先龙,陈博士。矩阵变换器的发展现状和发展方向。 1998年4月4日

[2]刘文华,严刚贵。基于三电平中点钳位逆变器的高压变频器。清华大学学报(自然科学版),2003

[3]吴忠智。中(高)压大型变频器应用手册。北京:机械工业出版社,2003

[4] R Teodorescu,J K Pederxen,J K Pederxen。通过级联工业VSI的多级逆变器,IE上的IEEE Transactions,2002,4

[5]赵刚,夏向阳。变频技术中多级电路拓扑概述。微电机,2006年,09

[6]刘勇,何益康。矩阵变换器的AC-AC直接变换控制分析。网格技术,2002,2

[7]孙凯,黄立培,宋伟功。基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制,清华大学学报(自然科学版),2004,7

[8]张兰红,胡玉文,黄文新。容错四开关三相变换器异步发电系统直接转矩控制研究。中国电机工程学报,2005,18


  
延庆资讯网版权与免责声明:

凡本网注明“来源:延庆资讯网”的所有文字、图片和视频,版权均属延庆资讯网所有,任何媒体、网站或个人未经本网协议授权不得转载、链接、转贴或以其他方式复制发表。

已经被本网协议授权的媒体、网站,在下载使用时必须注明“来源:延庆资讯网”,违者本网将依法追究责任。