0 引言

目前對(duì)于交交變頻技術(shù)的研究主要集中在三相—三相交交變頻電路拓?fù)?，但隨著工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展三相—單相交交變頻電路，特別是矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究逐漸受到人們的重視。其應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面，一個(gè)是小功率變頻電源，這方面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛;另一個(gè)是可以通過三組模塊化的三相—單相交交變頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)三相—三相交交變頻，文獻(xiàn)[3]在這方面做了有益的嘗試。

1 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路

以下分別介紹傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及電路特點(diǎn)。

1.1 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路構(gòu)成

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路由P 組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和四象限變流電路相同，如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的工作原理

P 組工作時(shí)，負(fù)載電流i0為正，N 組工作時(shí)，為負(fù);兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電;人為地改變切換頻率，就可改變輸出交流電的交變頻率棕0;改變變流電路的控制角琢，就可以改變交流輸出電壓幅值。為使輸出交流電u0波形接近正弦，可按正弦規(guī)律對(duì)琢角進(jìn)行調(diào)制，在半個(gè)周期內(nèi)讓P 組的琢角按正弦規(guī)律從90°減到0°或從某個(gè)值，再增加到90°，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零，如圖2 所示。u0由若干段電源電壓拼接而成，在u0 一個(gè)周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。

1.3 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的控制策略[1]

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的控制策略主要有兩種，一種是余弦交截法，這是最基本的、廣泛使用的方法;另一種是規(guī)則采樣法，這種方法應(yīng)用的相對(duì)較少。

1.3.1 余弦交截法

用一系列余弦同步電壓波和模擬量基準(zhǔn)電壓波的交點(diǎn)去決定整流器中相應(yīng)晶閘管的控制角的方法稱為余弦交截法。

其基本實(shí)現(xiàn)思路可表示如下：

1.3.2 規(guī)則采樣法

余弦交截法控制的交交變頻器中的晶閘管的開關(guān)時(shí)刻取決于給定波的離散采樣值，這種采樣方式通常稱為自然采樣。它的特點(diǎn)是各采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是不相等的，而且交交變頻器的換相時(shí)刻就發(fā)生在采樣瞬間。而規(guī)則采樣法則不同，其實(shí)現(xiàn)方法是在余弦同步波的每個(gè)起始時(shí)刻對(duì)給定基準(zhǔn)波采樣，這些采樣值在同步波持續(xù)的時(shí)間內(nèi)保持不變，將這些采樣值與余弦同步波相比較，采樣值與余弦同步波的相交時(shí)刻就是交交變頻器的換相時(shí)刻?？梢?，規(guī)則采樣法的特點(diǎn)是采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是相同的，即采樣的時(shí)刻是規(guī)則的，但是交交變頻器的換相時(shí)刻卻發(fā)生在采樣時(shí)刻之后。

在一定條件下，規(guī)則采樣法不但可以減少輸出波形中的諧波含量，改善輸出特性，而且便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，因而具有算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1.4 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點(diǎn)[1]

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點(diǎn)很多，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。

1)輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素。電網(wǎng)頻率為50 Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20 Hz。

2)輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率;一周期內(nèi)，琢角以90°為中心變化，半周期內(nèi)琢的平均值越靠近90°，負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。

3)輸出電壓諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率有關(guān)。

4)輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。

2 矩陣式三相—單相交交變頻電路

近年來(lái)人們關(guān)注的是矩陣式三相—三相交交變頻電路的研究，但隨著工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)于矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究將愈來(lái)愈受到關(guān)注。所謂矩陣式三相—單相交交變頻電路指的是利用矩陣變換器直接實(shí)現(xiàn)三相到單相的變換，而不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

2.1 矩陣式三相—單相交交變頻電路的結(jié)構(gòu)[4][5]

矩陣式三相—單相交交變頻電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種：帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖3 所示)、不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖4 所示)和改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖5所示)。

圖3中的開關(guān)均為雙向開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已在圖3中示出。帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有三個(gè)雙向開關(guān)S1、S2和S3，這種電路實(shí)際上是3×1的矩陣變換器，共有8種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓?fù)涞挠行ч_關(guān)狀態(tài)為3 種。不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有6個(gè)雙向開關(guān)S11、S12、S21、S22、S31和S32，這種電路實(shí)際上是3×2 的矩陣變換器，共有64 種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓?fù)涞挠行ч_關(guān)狀態(tài)為6 種。而對(duì)于改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路來(lái)說(shuō)，它是在不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路的基礎(chǔ)上又增加了兩個(gè)雙向開關(guān)SP和SN ，8 個(gè)雙向開關(guān)共有256種開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)分析其中有用的開關(guān)狀態(tài)為12種。

2.2 矩陣式三相—單相交交變頻電路的控制策略

矩陣式三相—單相交交變頻電路和傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路相比有其自身的特點(diǎn)，因此它的控制策略也有很大的不同。對(duì)于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路通常采用的控制策略有開關(guān)函數(shù)法和平均電壓法;對(duì)于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路除了可以采用開關(guān)函數(shù)法外，還可以采用空間電壓矢量法;改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路也可以采用開關(guān)函數(shù)法來(lái)進(jìn)行控制。

2.2.1 開關(guān)函數(shù)法[3] [7]

所謂開關(guān)函數(shù)是指在給定輸入電壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及約束條件下，使電力變換器中相關(guān)的一切功率開關(guān)各自的占空比由一個(gè)連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來(lái)表示，利用精確的數(shù)學(xué)定義來(lái)確定開關(guān)的具體動(dòng)作，使變換概念更加清晰。開關(guān)函數(shù)法具體的原理，在文獻(xiàn)[3]中作了詳細(xì)的闡述，對(duì)于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，其低頻開關(guān)函數(shù)矩陣有3種，如式(5)。

它不但可以采用最大電壓傳輸比為0.5 的開關(guān)函數(shù)矩陣，而且也可以采用最大電壓傳輸比為姨3 /3與姨3 /2的開關(guān)函數(shù)矩陣。在相同電壓傳輸比情況下，這種不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路輸出的基波電壓幅值為帶中性線型的姨3 倍。

對(duì)于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，其低頻開關(guān)函數(shù)矩陣有3種，分別為

它只能采用最大電壓傳輸比為0.5 的開關(guān)函數(shù)矩陣，不能采用最大電壓傳輸比為姨3 /3與姨3 /2的開關(guān)函數(shù)矩陣。

2.2.2 空間電壓矢量法[8]

空間矢量調(diào)制起源于磁鏈追蹤型PWM 法，其控制原理是將變換器的交交變換虛擬為交直和直交變換，把輸出線電壓和輸入相電流表示為空間矢量，采用高頻整流及高頻逆變PWM波形合成技術(shù)，綜合電流、電壓矢量，消去中間直流環(huán)節(jié)，得到頻率、幅值可調(diào)的交流電源。對(duì)于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路可以應(yīng)用空間電壓矢量法。

空間電壓矢量法在三相—三相交交變頻電路中的應(yīng)用比較多。其控制核心一般采用微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，通過規(guī)則采樣，合理地選擇和安排開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、通斷和持續(xù)時(shí)間，改變脈寬調(diào)制電壓波的波形寬度和組合，獲取期望的輸出電壓和輸入電流。

2.2.3 平均電壓法[2]

對(duì)于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，在給定理想對(duì)稱三相輸入電源電壓的情況下，想要得到

的平均輸出電壓，就無(wú)法直接使用傳統(tǒng)的空間矢量法。文獻(xiàn)[2]提出了一種平均電壓調(diào)制策略。

具體實(shí)現(xiàn)方法為在每個(gè)采樣周期中，只利用輸入電壓的最大相和最小相合成目標(biāo)輸出，保證變換器的電壓傳輸比為理論最大值0.5。通過定義最大相Vmax為某時(shí)刻三相電壓中的最大值，定義最小相Vmin為某時(shí)刻三相電壓中的最小值，相應(yīng)地，定義其開關(guān)分別為Smax和Smin。在一個(gè)采樣周期中，兩開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間T1、T2分別為

考慮到要減少輸出諧波，文中還建議采用對(duì)稱分布的脈寬調(diào)制模式。通過簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以實(shí)現(xiàn)輸出為正弦電壓，保證最大電壓傳輸達(dá)到50%。

2.3 矩陣式三相—單相交交變頻電路的特點(diǎn)

和傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路相比，矩陣式三相—單相交交變頻電路有很多優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：

1)輸出頻率不受輸入頻率的限制，既可以比輸入頻率高，也可以比其低，理論上可以為任意值;

2)輸入功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，可以超前也可以滯后，通過調(diào)節(jié)可以使功率因數(shù)逼近于1;

3)使用雙向開關(guān)，能量可以雙向流動(dòng);

4)無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積相對(duì)較小，能量傳輸效率高。

3 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)于三相—單相交交變頻電路的研究主要包括對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的研究，而對(duì)于雙向開關(guān)的組成、開關(guān)之間的換流方法以及過流保護(hù)都可以采用三相—三相交交變頻電路中成熟的方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的三相—單相交交變頻電路逐漸會(huì)減少應(yīng)用，而矩陣式三相—單相交交變頻電路因其具有優(yōu)良的性能，所以必將會(huì)成為未來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。