矩陣式單相電源調(diào)壓技術(shù)

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(lèi)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(chē)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(guò)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(guò)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步恢苯穎浠環(huán)槳?。廊鏗an-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(kāi)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(guò)一組開(kāi)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(kāi)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(kāi) 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(chēng) 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(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣

H=,(3)

式中：h_ij代表對(duì)應(yīng)雙向可控開(kāi)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(guò)零時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)利用率大大增強(qiáng)；

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

通過(guò)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(kāi)關(guān)4QS－S₂₂短接、4QS－S₁₂開(kāi)路。