摘要：提出了一種矩陣式單相電源調(diào)壓技術(shù)，并分析了其工作原理，給出了一種安全的換流策略。仿真結(jié)果表明這種變換器輸出電壓在寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且具有高正弦度的輸入電流波形。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嚯娫?；矩陣式電源變換；安全換流策略

Matrix Single-phase Power Supply Conversion Technique 

CAO Yi-long, GONG You-min, YANG Xi-jun, CHEN Bo-shi 

Abstract:A matrix single-phase power supply conversion technique is analyzed and a safety current commutation strategy is given. The simulation results show that it can output variable voltage continuously over a wide range and its input current wave is sinuous. 

Keywords:Single-phase power supply; Matrix SVR; Safety commutation strategy 

中圖分類號(hào)：TN86    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：0219－2713(2003)04－0156－04

1  引言

    單相交流電源的應(yīng)用是非常廣泛的，比如在農(nóng)村、輕工業(yè)、家用電器等小功率傳動(dòng)領(lǐng)域以及電力機(jī)車供電系統(tǒng)。對(duì)于單相交流電源，調(diào)壓和穩(wěn)壓是最為普遍的要求。目前能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求的調(diào)壓器有下面三種。

    1）磁飽和式調(diào)壓器該調(diào)壓器通過控制主電路中電感的飽和程度，以改變電抗值以及其上的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種調(diào)壓器具有一定的動(dòng)態(tài)性能，但輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍小，體積和重量較大。

    2）機(jī)械式調(diào)壓器機(jī)械式調(diào)壓器由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)碳刷實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種調(diào)壓器輸出波形較好，但體積、重量大，動(dòng)態(tài)性能差。

    3）電子式調(diào)壓器這種調(diào)壓器采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)。目前有晶閘管調(diào)壓器和逆變式調(diào)壓器兩種。晶閘管調(diào)壓器采用的是相控方式，因此其輸出波形差；逆變式調(diào)壓器采用的是斬波控制方式，其輸出波形和動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

    從上面可知，逆變式電子調(diào)壓器具有最好的性能。逆變式電子調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)不僅具有調(diào)壓、穩(wěn)壓的能力，而且還可以實(shí)現(xiàn)頻率的變換。它是通過AC/DC/AC變換實(shí)現(xiàn)的。具有中間直流環(huán)節(jié)——儲(chǔ)能電容和變換效率低是它的不足。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，單相電源變換技術(shù)也有了很大的進(jìn)步，先后出現(xiàn)了多種利用全控器件的交?交直接變換方案。例如Han-Wood Park等提出了一種新穎的高性能單相交流調(diào)壓器^[1]；Douglas Giardini等提出了一種用于機(jī)場(chǎng)的航空照明矩陣式單相降壓變換器^[2]；Zuckerberger等提出了一種具有輸出電壓調(diào)幅調(diào)頻能力的單相-單相矩陣式變換技術(shù)^[3]。本文基于矩陣式變換理論，提出一種矩陣式單相電源變換電路，該電路只使用兩個(gè)雙向開關(guān)管，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)及獲得高正弦度的輸入電流波形。

2  矩陣式單相電源調(diào)壓原理

    單相-單相矩陣式電力變換的典型拓?fù)淙鐖D1所示。通過一組開關(guān)函數(shù)可以將輸入的工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成幅值與頻率可調(diào)的單相交流電壓，其中S₁₁～S₂₂為4只雙向可控開關(guān)。

圖1  單 相-單 相 矩 陣 式 電 力 變 換 器 拓 撲

    將單相電源視為兩相電源，單相-單相矩陣式變換器期望輸出兩相余弦電壓v_o1(t)和v_o2(t)，包含 輸 出0 Hz， 其 中 四 象 限 開 關(guān) （ 4QS）S₁₁與S₁₂負(fù) 責(zé) 產(chǎn) 生v_o1(t)，S₂₁與S₂₂負(fù) 責(zé) 產(chǎn) 生v_o2(t)。 輸 出 目 標(biāo) 函 數(shù) 為 兩 相 正 弦 函 數(shù) ， 這 種 方 法 可 以 稱 為 SPWM法 。

    令 輸 出 目 標(biāo) 函 數(shù) 為

           (1)

    設(shè)電源電壓為v_i(t)=V_isin(ω_it)，則期望輸出電壓為

             (2)

式中：V_o1與V_o2分別為v_o1(t)與v_o2(t)的有效值。

    可得開關(guān)函數(shù)矩陣

    H=,(3)

式中：h_ij代表對(duì)應(yīng)雙向可控開關(guān)的瞬時(shí)占空比，0≤h_ij≤1，i、j=1，2，h₁₁＋h₁₂=1，h₂₁＋h₂₂=1；

      q_o1與q_o2為電壓變比；

          θ∈[0,2π]。

    注意當(dāng)輸入電壓過零時(shí)，開關(guān)函數(shù)不再收斂，需要利用L′hospital法則處理。這種控制方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

    1）q_o1與q_o2獨(dú)立可調(diào)，則輸出電壓范圍擴(kuò)大；

    2）開關(guān)利用率大大增強(qiáng)；

    3）三次諧波注入PWM、開關(guān)損耗最小PWM、基于開關(guān)函數(shù)SVPWM等方法能夠直接采用。

    通過對(duì)上述變換器拓?fù)涞姆治?，?duì)于單相輸出可以簡(jiǎn)化電路的結(jié)構(gòu)。將雙向開關(guān)4QS－S₂₂短接、4QS－S₁₂開路。 [!--empirenews.page--]

3  簡(jiǎn)化的矩陣式單相電源調(diào)壓器

    簡(jiǎn)化后的單相電源變換電路如圖2所示。其工作原理為：利用固定占空比的PWM脈沖波驅(qū)動(dòng)SB₁，將等寬的電源脈沖電壓施加到變壓器的原邊，同時(shí)利用上述PWM脈沖的補(bǔ)脈沖驅(qū)動(dòng)SB₂，實(shí)現(xiàn)變壓器的原邊電流續(xù)流。只要輸出濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關(guān)頻率越高效果越好。上述SB₁與SB₂之間的換流方式由一步完成，簡(jiǎn)稱一步換流方式。

    由圖2，這種變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于雙向可控開關(guān)SB₁與SB₂之間的是否能夠安全切換。因?yàn)殚_關(guān)非理想特性，在二者之間換流時(shí)存在電源直通與變壓器原邊開路的可能性，而這兩點(diǎn)是不期望的。為此必須在二者切換時(shí)采取安全換流策略。

    下面給出一種四步換流方式。這是一種根據(jù)電源電壓極性而確定的換流方式。根據(jù)電源電壓極性的不同將一個(gè)電源電壓周期劃分為兩個(gè)扇區(qū)，電源電壓正極性時(shí)定為扇區(qū)1，電源電壓負(fù)極性時(shí)定為扇區(qū)2。

圖2  簡(jiǎn) 化 的 單 相 電 源 變 換 電 路

    1）扇區(qū)1內(nèi)開關(guān)動(dòng)作規(guī)則

    （1）預(yù)備

    開關(guān)狀態(tài)為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態(tài)為等待。

    （2）正半周供電狀態(tài)

    按照期望開關(guān)周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態(tài)為供電。

    （3）由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài)

    Q₄開通，延時(shí)→Q₁關(guān)斷，延時(shí)→Q₂開通，延時(shí)→Q₃關(guān)斷，工作狀態(tài)為續(xù)流。

    （4）由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài)

    Q₃開通，延時(shí)→Q₂關(guān)斷，延時(shí)→Q₁開通，延時(shí)→Q₄關(guān)斷，工作狀態(tài)為供電。

    2）扇區(qū)2內(nèi)開關(guān)動(dòng)作規(guī)則

    （1）預(yù)備

    開關(guān)狀態(tài)為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態(tài)為等待。

    （2）負(fù)半周供電狀態(tài)

    按照期望開關(guān)周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態(tài)為供電。

    （3）由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài)

    Q₂開通，延時(shí)→Q₃關(guān)斷，延時(shí)→Q₄開通，延時(shí)→Q₁關(guān)斷，工作狀態(tài)為續(xù)流。

    （4）由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài)

    Q₁開通，延時(shí)→Q₄關(guān)斷，延時(shí)→Q₃開通，延時(shí)→Q₂關(guān)斷，工作狀態(tài)為供電。

    在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準(zhǔn)確快速地檢測(cè)電源電壓極性來確定扇區(qū)，而不需要電流傳感器檢測(cè)變壓器原邊電流的極性。當(dāng)然，傳感器要有良好的線性度、快速性和光電隔離，由于電源電壓很穩(wěn)定，其過零點(diǎn)的檢測(cè)比較準(zhǔn)確可靠。扇區(qū)之間的切換不需要特別考慮，因?yàn)榍袚Q點(diǎn)只出現(xiàn)在電源電壓過零點(diǎn)，切換時(shí)只要保證變壓器的原邊續(xù)流有路徑即可。為此可以采取下述方法，即不論變壓器原邊電流與各開關(guān)此時(shí)處于什么狀態(tài)，首先開通Q₂和Q₄，進(jìn)行續(xù)流，短暫延時(shí)后，再關(guān)閉Q₁和Q₃，然后再按照四步換流流程進(jìn)行即可。

4  仿真結(jié)果

    采用PSPICE對(duì)采用四步換流方式的矩陣式單相電源調(diào)壓器進(jìn)行仿真，為增強(qiáng)效果，仿真電路在變壓器原邊增加了一個(gè)濾波器，其中電感為1mH，電容為1μF。變壓器原邊電感為100mH，原邊電阻為2Ω，副邊為100mH，電壓變比為1。電源側(cè)濾波電容為2μF，濾波電感為2mH。負(fù)載電阻R_o=5Ω，輸出濾波電容C_o=10μF，輸出濾波電感L_o=20mH。電源為單相工頻交流電源，開關(guān)頻率為10kHz，功率開關(guān)為IGBT。圖4、圖6、圖8與圖10為占空比100％、95％、50％與7.5％時(shí)變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形，圖3、圖5、圖7與圖9為占空比100％、95％、50％與7.5％時(shí)電源電壓與電流波形。仿真表明，開關(guān)頻率越高，輸出電壓與電流波形正弦度越好；占空比越大，輸出電壓幅值越高；輸入電流波形的正弦度很高，對(duì)電網(wǎng)幾乎無諧波電流污染。

圖3  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=100％)

圖4  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負(fù) 載 電 流 波 形(D=100％) [!--empirenews.page--]

圖5  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=95％)

圖6  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負(fù) 載 電 流 波 形(D=95％)

圖7  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=50％)

圖8  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負(fù) 載 電 流 波 形(D=50％)

圖9  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=7.5％)

圖10  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負(fù) 載 電 流 波 形(D=7.5％)

5  結(jié)語

    本文所提的矩陣式單相電源變換器具有開關(guān)器件數(shù)量少、中間無需儲(chǔ)能電容、輸出電壓連續(xù)可調(diào)、高正弦度輸入電流等特點(diǎn)，適用于恒頻調(diào)壓調(diào)速、UPS、工業(yè)加熱、調(diào)光器等應(yīng)用場(chǎng)合。仿真結(jié)果驗(yàn)證了四步換流策略是矩陣式單相電源變換器的一種安全換流技術(shù)。矩陣式單相電源變換器是電力電子技術(shù)與變壓器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，變壓器體積和整機(jī)體積可以做得很小，這是一種有前途的單相電源變換裝置。