变换器

变换器，是将信源发出的信息按一定的目的进行变换。矩阵式变换器是一种新型的交－交电源变换器。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压波形；可自由控制的功率因数。矩阵式变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。

变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交—交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求
大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。

人们发现，采用全控器件，不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形进行控制。80年代末，矩阵式变换器的实验装置问世了。早期的实验装置由于工作频率不够高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但突破以往交—交变换器的上限。随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵式变换器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单向开关间多步换流控制技术被推广开来，装置的性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的2～3倍，输入侧电流波形畸变率小于2％，用于恒压频比、电流跟踪及矢量控制等，取得了一定成果。与此同时，由于计算机软、硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实验相结合的基础上，更多地采用了仿真方法，以进一步提高的研究地深度和广度，提高研究的效率。其中最引人注意的有南斯拉夫学者L.Huber 和美国教授D.Bdrojecvic提出的基于空间矢量调制的控制技术，并成功地研制出了2kW实验样机，台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方法。英国学者Watthanasarn 等基于DSP和IGBT硬件条件完成了2kW的实验样机。1997年英国学者P.Wheeler和D.Grant提出了一种对构成双向开关的单向开关间切换实现四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵式变换器仿真研究，并研制出了5kW的实验装置。

随着电路电子技术的发展在不断发展，世界范围内已经形成实用化的产品。日本的安川电机（Yaskawa）推出了矩阵式变换器型高压马达用驱动装置，其力率超过了0.95，而效率则达到了97％左右。它主要面向在大负荷下回馈电力较大的钢铁加工生产线。此外，还可应用于造纸、薄膜生产线的收卷机等存在长时间电力回馈的用途。锅炉鼓风机等需要较高响应性能的用途也将存在相应的需求。

直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。

这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺点：开关频率不够稳定、谐波随机分布，且输入电流波形不够理想、存在较大的谐波等。
空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交—直—交等效变换法，是基于空间矢量变换的一种方法，它将交—交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采用流行的高频整流和高频PWM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是在矩阵式变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制策略，比较有发展前途。这种调制策略既能控制输出波形，又能控制输入电流波形，可改变输入功率因数，是最具有前途的一种调制策略。