矩阵变换器研究综述汇总
矩阵变换器研究综述
1 引言
随着电力电子技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了广泛的应用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输入电流品质而又成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。
矩阵式变换器是一种直接交-交变频器，与传统的自然换流变频器相比，具有以下优点:
l 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化;
l 无需较大的滤波电容，动态响应快;
l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行;
l 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调;
l 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0;
l 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小;
l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输入功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。
矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起人们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势[2]。特别是它具有本身不产生谐波污染的同时,能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性能高于其它变换器。在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。
矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和工作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下面就这些关键技术的研究进行一一介绍。
2 主回路拓扑结构和工作原理
矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。一个m相输入、n相输出的矩阵变换器，由m×n个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。
图1 单级矩阵变换器拓朴结构
2.1 单级矩阵变换器
常规的矩阵变换器是一种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷:
l 最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关;
l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术;
l 必须采用复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。
单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于:
l 其控制策略复杂，计算量大;
l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性;
l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。
2.2 双级矩阵变换器
双级矩阵变换器的结构同传统的交-直-交变换器相似(见图2), 包含交-直(整流)和直-交(逆变)两级变换电路。
图2 双级矩阵变换器
所不同的是:
l 双级矩阵变换器的两级变换协调同步，直流侧不需要滤波元件;
l 整流电路采用由两个单向开关(如igbt)组成的双向开关，是一个三相输入两相输出的3/2相变换;
l 在其输出的直流电压极性保持为正的情况下，逆变电路为一个标准的电压源逆变器，可采用单向开关。
双级矩阵变换器克服了传统矩阵变换器的缺点，此外还具有以下优点:
l 控制容易，电网侧的单桥可实现零电流开关，负载侧开关控制类似于传统的dc/ac逆变器; l 不同负载，开关数目可以减少;
l 箝位电路大大简化。双级矩阵变换器一般由18个单向开关组成，在一些只需要能量单向传输的场合，可采用15个单向开关、12个单向开关或者9个单向开关的拓扑电路结构，从而降低了系统成本[5]。
2.3 双向开关及开关频率
矩阵变换器所用双向开关有多种形式，如开关内嵌式、开关反并联式等。常用的有两个igb t和两个二极管反并联组成共发射极电路(ce开关模式)和共集电极电路(cc开关模式)。最终使矩阵变换器能够成为产品的是由标准双向开关单元构成的集成功率模块。
主电路的双向开关的频率并不是越高越好，在谐波注入法中，开关频率为2khz时，变换器的性能和电机直接与电网相连时最为相似。在实际应用中，受开关器件、控制器和外围电路处理速度的限制，调制频率不可能无限制地加高，根据具体调制方法和电路特点优选开关频率是至关重要的[6]。
3 安全换流技术
换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中，矩阵式变换器开关管通断状态不断改变，换流始终存在，因此安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。为实现双向开关之间安全切换或抑制换流不安全所带来的危害，除了在输出侧增加整流式阻容箝位电路限制过压、在输入端增加一组共铁心的线圈对磁通进行调整外，还需要探索新的安全换流方法。
换流方法主要有死区换流、交叠换流、辅助谐振换流、两步换流和四步换流等[7-8]。
3.1 死区换流
死区换流，即插入死区延时法。它要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。这种方法控制简单，但不能工作在电流连续的情况下，且开关损耗大，电压利用率较低，另外缓冲网络比较复杂，故很少使用。
3.2 交叠换流
交叠换流要求输出侧开关关断之前，输入侧开关触发。这种方法必然带来输入相间瞬时短路，需要额外的输入电感限流。由于电感体积大，价格昂贵，故很少使用。
3.3 辅助谐振换流策略
(1) 台湾学者潘晴财教授提出的基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略,仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器。
(2) ching-tai pan提出一种低损耗的双向可控开关，能够实现开关的零电流开通，零电压关断，可以实现近于零损耗的换流。如果采用滞环电流pwm调制方法，可无附加缓冲电路。但是当负载电流大、开关关断速度快、电感量较大以及二极管快速性不够时，电感将产生瞬时高电压降，此时应采用箝位电路。
(3) cho, jung g与steffen bernet提出了辅助谐振换流方案。利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换流电容。在辅助谐振下，主开关只有容性换流，通过增加换流电容可以做到关断瞬间零电压，实现零电压切换。辅助开关只有感性换流，通过增加换流电感可以做到零电流开通，能够完成零电流切换。这种换流策略能够安全、高效地高频切换，但功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且零电压、零电流的检测困难。
(4) steffen bernet又提出一种基于辅助谐振换流的矩阵式整流器，可以用于工业直流传动。以上换流策略均不安全或不实用，安全的换流策略一般需要事先了解某些电量信息，如输入电压和/或输出电流。常用的有两步换流和四步换流等。
3.4 两步换流策略
(1) svensson. t提出两步换流策略，在应该导通的开关单元中，只触发正确的单向开关，而另一单向开关则关闭。在输入相间换流时，根据实际负载电流方向，在欲导通的开关单元中只触发应该导通的单向开关，而另一单向开关保持关闭，然后关闭上一导通的开关单元中导通的单向开关。两步换流方法要求准确地检测负载电流方向，在实际中不可避免地存在误差;当电流变号时，两个开关之间不能进行换流。对于大功率变换器，电流阈值过大，将影响输出电流波形。
(2) l. empringham提出了改进型两步换流方案。通过检测正在导通的开关单元中每个单向开关的管压降，可以确定电流方向，而且将该信息作为其他开关单元门极驱动的一个条件。为避免负载电流变向时换流引起的短通状态，可采取如下解决办法:当电流过零时，增加换流死时，其间不再触发任何开关。由于延时很短，负载电流失真程度不大。
3.5 四步换流策略
目前比较普遍采用的是n. burany提出的四步换流策略。四步换流策略属于半软开关换流策略，被认为是最有前途的方法。每次换流可以实现一次零电流零电压关断和一次零电流开通，但由于换流时间过长，且每次换流依赖于负载电流的方向，换流过程中不许有负载电流方向的改变，不免有一些局限性，如负载很轻或负载刚启动时，待机状态以及启动瞬间，负载过零点时电流方向很难准确判定，这些可能会造成换流停滞。
为此, 有学者提出用pld/cpld技术的解决换流问题, 用可编程逻辑器件实现四步换流, 在输出频率为10hz~60hz的范围内，以交流电机作负载进行了相关实验。该换流策略简化了控制系统，提高了控制系统的可靠性[9-10]。
4 调制策略
矩阵变换器有多种控制方法。根据控制目标不同，可分为电流控制法和电压控制法两大类。
4.1电压控制法
电压控制法以矩阵变换器输出电压(通常要求为正弦量，但也可为其他波)为控制目标。根据变换器合成输出电压时有无中间环节又可分为间接控制法和直接控制法。
(1) 间接控制法是基于空间矢量变换的一种方法, 主要指空间矢量调制法(svm)，它将变换器虚拟为一个整流器和一个逆变器经中间直流环节串联，然后对输入整流器和输出逆变器分别进行电压空间矢量和电流空间矢量调制(svpwm)，再消去中间直流环节，就可以得到整个变
换器的空间矢量调制。这一控制方法的物理意义明确，简单易懂，目前已有专用的svpwm 集成芯片商品化产品。更重要的是，对于采用矢量控制的电机调速应用场合，可将电机调速系统的矢量控制和变换器的矢量控制合为一体[11]。
(2) 矢量调制法也可直接实现。直接控制法的基本思想是:不同开关连接状态对应着不同的空间矢量。当进行空间矢量合成时，选取适当的矢量后，可以直接按一个统一的公式计算出各个矢量的开关组合占空比。两者的结果完全相同，但直接实现更适合于计算机控制。
直接控制法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，但也存在一定问题，因此，限制了它们的应用范围和深度[12]。
矢量调制法的缺点是抗干扰性差，实际应用中由于电网输入的不对称给变换器的输出电压的输入电流带来难以滤除的低次谐波。通常的解决方法有负序分量注入法和变系数法。但这需增加额外计算量和软件的复杂度，且电压传输比有所降低，这样便可采用目前流行的高频整流和高频pwm波形合成技术，变换器的性能可得到较大的改善。
4.2 电流控制法
电流控制法以输出电压为控制目标。一般要求电流为对称正弦量，因此变换器输出电流要跟踪给定电流呈正弦变化。它有两种基本实现方法:滞环电流控制法和预测电流控制法[13]。(1) 滞环电流跟踪法是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、鲁棒性好等优点，但开关频率不够稳定，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。(2) 预测电流控制法的基本思想是:利用变换器下一开关周期的期望电流值和当前的实际电流值可以计算出符合电流变化的变换器输出电压矢量，然后在变换器的虚拟逆变器中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，就可以达到跟踪输出电流的目的，但复杂性和计算量将有所增加。
电流控制法具有开关函数求解简便，控制简单，对控制器硬件要求较低，输出电流波形谐波分量小，抗干扰性能好、动态响应快、能限流、鲁棒性好等优点;但开关频率不够稳定，输出电压谐波分量大，输入滤波器难以设计，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等;主要应用于高性能电机驱动场合。如果将输入端虚拟整流器采用输入电流空间矢量调制，可改变输入电流谐波情况，同时输出电流的跟踪性能不变。
4.3 其他新型调制策略
(1) 非平衡输入时矩阵变换器的调制策略
矩阵变换器没有中间直流环节，其输出电压对输入的干扰非常敏感。由于实际输入电压总有一些不平衡和失真，常规调制策略会造成输入电流的谐波和输出电压的低次谐波。因此，深入研究非平衡输入时矩阵变换器的调制策略是矩阵变换器实用化和工业化的关键技术之一。在非平衡输入时，电源电压存在负序分量，导致输入电压矢量角速率和大小的变化，因此必须对输入电压或电流采样，并进行闭环调制。目前实现的方法有两种:
l 通过采用空间矢量时变调制比的方法，消除不对称输入电压的影响，从而获得对称正弦输出电压或输入电流对矩阵式变换器中双向开关的逻辑控制。
l 在输入非平衡、输出平衡矩阵变换器中采用输入电流偏置角动态调制策略。该策略比输入电流偏置角恒定调制策略更能有效抑制输入电流高次谐波[14-16]。
(2) 降低开关损耗的优化调制策略
矩阵变换器的损耗主要时硬件的损耗, 尤其是开关损耗,因此减少器件的开关次数是降低开关损耗的主要手段。
l 在任何情况下，采用标准的双向调制(输出电压和输入电流同时调制)矢量顺序，依靠参考电流矢量合理选择零矢量，平均开关周期中的开关转换9次; 如果采用最小开关转换的矢量顺序组合策略[17]，平均开关周期中的开关转换8次开关损耗同样减少1/9。
l 常规的空间矢量调制法通常采用两个瞬时值最大的线电压合成输出电压。如果利用两个瞬时值最小的线电压来合成空间矢量，在输出频率低于输入频率1/2的情况下，与常规方法相比，矩阵变换器的损耗减小了15%~25%，而且在整个线性范围内，波形质量有所改善。(3) 多边形磁通调制法
多边形磁链调制法由丹麦学者christian klumpner提出，是一种基于间接调制模型的新型调制方法。在采样期间，只用到逆变阶段的一个有效矢量和一个零矢量，使得定子磁链误差达到最小; 而在整流阶段，按照输入电流参考矢量角误差最小的原则，只选单个电流矢量。该方法由于磁链按多边形投影，而多边形非常接近于圆，因而使得电机漏磁减到最少。其主要优点有:
l 可以准确估计输入电流;
l 直接控制输入电流矢量角;
l 减少开关次数，提高脉冲分辨率;
l 提高输入端开关频率。
5 保护电路
由于矩阵变换器没有直流环节的储能，对输入电压的任何干扰，都会立即影响到输出电压，所以需要设置合适的保护，常见的有元件保护、主回路保护、控制电路保护。
5.1 元件保护
元件的保护包括:
l 每个元件都有反并联的快速恢复二极管，在元件关断时形成方向电流，以释放电感负载中的电能;
l 采用四步换流保证双向开关的顺利转换，实现半软开关换流;
l 采用与元件配套的驱动电路, 实现元件的过流保护等。
5.2 主电路保护
主电路保护包括:
(1) 输入滤波器:通常为lc串联结构, 主要用来防止电源接通时的过电压和电压下降引起的干扰，改善输入电流波形，滤除高频成分。
(2) 箝位电路:造成矩阵变换器过压问题的原因主要有矩阵变换器换流不安全、电网过压、系统关闭瞬间与系统突然掉电等，这些将损坏功率器件，为此需要增加箝位电路。通常采用在矩阵变换器前后增加整流式阻容缓冲电路或压敏电阻缓冲电路，也可以采用二极管缓冲电路(有为针对共发射极与桥式型双向可控开关两种方案)。
另外，a.shuster提出一种通过控制续流状态使电动机电流逐渐减低至零而无需电压箝位的缓冲方案。
5.3 控制电路保护
一个完整的矩阵变换器的控制系统应该根据工艺要求设置一些常规的保护，如系统的过流保护、过压保护等。除此以外，在控制回路中还可以增加一些闭锁和联锁回路，如控制系统上电时，要求所有的开关器件都处于关断状态，防止两个双向开关都连至同一输出相或同一输入相。
6 矩阵变换器的研究热点及应用前景
6.1 研究热点
目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面:
l 在理论研究方面，继续探讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研究;
l 在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实现
与封装以及输入滤波器的设计等。
(1) 间接变换方式提高电压传输比
根据理论分析，采用空间矢量调制方法，且当输入功率因数为1时，电压传输比最大可达0. 866，实际的系统也证实了这一点，这给工业应用带来问题。因此提高电压传输比是人们追求的主要目标[18]。
p. d ziogas 提出一种间接pwm控制方法，采用虚拟整流器与逆变器均采用6脉冲工作，矩阵变换器的电压传输比可达1.05。如果虚拟整流器采用二极管不可控整流方式，电压传输比可达0.95。
e. p wiehmanndne 提出的直接频率变换器的两种预测空间矢量控制策略，利用输出电流反馈来确定变换器的下一个最佳状态，可以使矩阵变换器的电压传输比达0.99。
jie chang等人设计出3合1集成双向功率模块(ibpm)，可使电压传输比达0.955。
另外，可以设计专门的配套电机，采用直接转矩控制的矩阵变换器-电动机传动系统。这种电压电机传动方案，在目前情况下也是解决矩阵变换器低电压传输比的有效方案。
在某些应用场合，需要提供一种非标准的电压，如矿井提升机专用低频电源:主电机额定电压为10000v，低频运行时(3～5hz)所需的电压为750～1200v，则可根据矩阵变换器的电压传输比来确定输入电源的电压。在这里，低电压传输比就不是问题了。
(2) 集成功率模块的出现
由于分立功率器件组成的双向可控开关设计的分散性比较大，故出现了集成或模块化矩阵变换器的趋势。jie chang等人设计出额定电压1200v/150a的3合1集成双向功率模块，已经应用到矩阵变换器的硬件设计中。eupec公司已经设计了基于共发射极的完全矩阵变换器功率电路economac，可以商业化。模块化的矩阵变换器可以减少换流路径的杂散电感，提高矩阵变换器的紧凑性，必将促进矩阵变换器的发展。
(3) 输入滤波器的设计
为了吸收矩阵变换器输入电流中的开关频率谐波，可以采用单级和多级lc滤波器。但是许多研究显示，无源器件的容量比较大，与最初设想的不一致。但是lc滤波器在瞬态操作中产生的过压，可以采取在电感前接入阻尼电阻或将阻尼电阻与滤波电感并联的方法解决。因此说矩阵变换器是由“纯硅”组成的变换器，它的输入滤波器的设计必须得到优化。
6.2 应用前景
矩阵变换器是一种通用的电力变换器型式，由它的拓扑结构与开关函数可以引申出多种变换器型式和控制算法，可以应用于许多现有变换器中，如vsi、csi、单相boost pfc、可控整流器等多种基本的变换器中，开关函数算法甚至可以成为一种很重要的控制算法，具有很强的工程价值，有利于电力变换的整体发展[19-20]。矩阵式变换器的应用范围可归纳为: (1) 应用于转速较低的传动系统中:矩阵变换器的电压传输比受到一定限制，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合;但免去了更换电解电容的麻烦，在低频大功率变频调速系统中可以长时间可靠工作。
(2) 作为电源产品:与目前的电源产品相比，矩阵变换器有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长，在这方面，矩阵式变换器的研究有良好的市场前景。(3) 用于高压大功率变换:在需要高压的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达到高压大功率输出的目的。
(4) 用于功率因数校正:由于矩阵式变换器的输入功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。由于它具有柔性变换能力，可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。
7 结束语
经过20多年的研究和开发工作，人们对矩阵式变换器的研究越来越透彻，获得了大量的理
论成果和实验结果，并已经成功地应用到电力传动领域。随着矩阵式变换器控制算法的日益成熟，安全换流策略的日益成功，输入滤波器设计与过压保护措施的日趋完善，矩阵式变换器产品化的步伐也越来越快。可以预见，作为一种环保变换器，矩阵变换器将在变换器世界掀起一场绿色变换器应用风暴。
车用新型AC_DC矩阵式变换器汇总
2011年8 月电工技术学报 Vol.26 No. 8 第26卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2011 车用新型AC-DC 矩阵式变换器 徐壮殷冠贤徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对车用电子系统容量扩大和传统PWM 整流器缺点问题，为实现输入单位功率因数和一级降压整流，去除死区时间引起的谐波带来的影响，本文提出一种新型基于42V PowerNet的车用双向AC-DC 矩阵变换器。在基于三相 - 三相矩阵变换器理论基础上，推演出AC-DC 矩阵 变换器的整流调制策略，并研究了开关序列和换相的方法，采用优化AV 法调制策略来控制整流器。运用四步换流策略解决了开关换相存在的短路、断路风险和死区时间问题，仿真和实验结果验证了车用新型AC-DC 矩阵式整流器的有效性和正确性。 关键词：AC-DC 变换器矩阵变换器功率因数四步换流中图分类号：TM464 A New Bidirectional AC-DC Converter Using
a Matrix Converter Topology Xu Zhuang Yin Guanxian Xu Dianguo （Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract The expansion of automotive electronic system and the disadvantage of the conventional rectifier should not be ignored. To achieve unity power factor and complete the step-down rectification in single stage, this paper presents a new type of AC-DC matrix converter with 42V for automotives. It removed the impact of harmonics which is caused by the dead time and reduced the cost of the system. In this paper, the modulation strategy of AC-DC matrix converter derived from that of three-phase – three-phase matrix converter and the methods of commutation are studied. The optimized modulation strategy named AV method is used to control the switch-state. The four-step commutation strategy is a solution of the risks for short circuit, open circuit and the dead-time problem. The experimental results based on DSP system and the simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the system. Keywords ：AC-DC converter, matrix converter, power factor, four-step current commutation 1 引言 随着汽车电子系统容量的扩大，极限功率为3kW 左右的传统14V 供电系统已经逐渐过渡到42V 系统，其中42V 为整流器工作时的直流端电压，蓄电池电压为36V 。而42V 车用整流器在汽车行驶过程中将发电机所发出的变频变幅的交流电变换为42V 直流电。21世纪汽车的发展受到能源、环保和 安全的三大挑战。未来车辆对电能的需求和效率的要求使得设计适合的车用整合起动发电系统（ISA ）显得尤为必要。目前的解决方案离真正意义上的ISA 还有一定的距离。考虑到中国和世界巨大的市场，ISA 的研发对中国的汽车产业将带来相当大的益处。ISA 系统（见图1）起动时由电动机带动引擎，当达到预定转速
矩阵变换器的研究现状分析
矩阵变换器的研究现状分析 1引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-直-交电压型变频调速装置已经广泛地应用于交流调速系统中，且结构愈来愈紧凑。但由于装置中应用了二极管桥式整流器，所以输入电流波形失真度大、功率因数低。随着电网负载中电力电子设备的增加，畸变电流对电网品质的污染已成为不可忽视的问题，因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。交-交型矩阵式变换器可以克服上述缺点，它是一种单级电源变换器，除了应用一个体积不大的交流滤波器外不需贮能环节。它与交-直-交型变换器相比具有如下优点: （1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制； （2）输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1不受负载限制； （3）输入电流正弦，对电网无谐波污染； （4）能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行； （5）无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块化，特别适合实现电机与变频器一体化。 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；因此提出了新型的电路拓扑—多电平矩阵变换器和双级矩阵变换器。多电平矩阵变换器可以用电压等级较低的器件完成高压电能的变换，使得电力电子技术可以应用在高压、大功率的场合，且突破了电压传输比小于或等于0.866的限制，既可以降压也可以实现升压；可实现多电平操作，进一步改善了输出电压波形；开关损耗小。双级矩阵变换器不仅能够实现交-交矩阵变换器的所有功能，并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。但这两种新型变换器研究的时间不长，自身还有许多问题要解决，不如单级矩阵变换器成熟。 交-交型矩阵变换器经过近30年的发展，基本趋于成熟，近年来有以下的一些应用。如矩阵式变换器驱动的交流电动机调速系统已被应用于电梯、起重机、风力发电等需要能量双向流通的场合。另外，还应用于一些安装空间有限、对变频装置体积和重量要求很严格的场合，如铁道机车、电动车辆、飞机等独立电源系统中。可以预料，矩阵变换器将有广阔的发展前景。三相-三相矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。 图1三相-三相矩阵变换器的简化拓扑 2控制策略 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在其实际应用中，采用
快思聪DM高清矩阵概述及应用方案参考
1.DM 产品概述 DM 平台包括了三种型号可供选择，DM-MD8x8, DM-MD16x16, 和DM-MD32X32。 DM 平台通过一根线缆集成视频、音频、网络和控制信号，完成了2D/3D 无损高清视频、7.1声道立体声、以太网、串口、红外和USB 信号的综合传输，包括了目前所有IT\AV 行业的主流音视频信号及控制信号的传输。 1.1支持及传输音视频信号 监控领域：Composite 、S-Video 、Component 工业领域：DVI-I 、RGHV IT 领域：VGA 、DP 民用高清领域：HDMI1.3 广电领域：SDI(SD)、HD-SDI 、3G-SDI 3D 领域：HDMI1.4（DVI-DL+同步或2XDVI-SL+同步的方式在调研中） DM-MD8X8 DM-MD16X16 DM-MD32X32
1.2传输介质与距离 DM系统的传输介质采用CRESNTRON原厂电缆或市场上通用的双绞线或多模光纤，布线施工、管理、维护均相比传统方式简单。使用超5类类屏蔽双绞线可提供高达100 m 的电缆传输距离。使用OM3 50um万兆多模光纤可提供高达300 m 的电缆传输距离。 由于双绞线和光纤的价格便宜且施工方便，在系统设计之时可考虑充分的余量，在系统搭建完成之后，就无需为新增设备时为昂贵而且敷设困难的高清线缆而烦恼，DM平台的传输介质不管是光纤还是铜缆都能满足高清信号格式的传输。 1.3管理 软件操控界面分为2D信号视频界面模块、3D信号视频界面模块、音频界面模块3大板块，结构从使用者角度出发，通过最合理简单的软件模块编排来完成对这套复杂系统的驾驭。 DM平台可由任何Crestron 2系列主机控制，通过触摸屏即可起送搞得完成信号的切换和处理，以及对系统状态以及输入输出信号的监视。 2.DM产品性能特点 ●提供带超高12.5 Gbps 背板数据速率的全矩阵切换 ●处理带Deep color、3D和高位速率7.1嵌入式音频的HDMI? ●支持高达WUXGA 1920x1200 和高清1080p60的视频分辨率 ●使用DM 8G+?双绞线或者超五类屏蔽双绞线可提供高达330’(100 m) 的电缆传输距离
浅谈人工神经网络在电力矩阵变换器中的应用
浅谈人工神经网络在电力矩阵变换器中的应用 摘要：近年来，人工神经网络国际上掀起的一股研究热潮，人工神经网络独特的结构和处理信息的方法，使其在许多实际应用领域中取得了显著的成效，能够解决一些传统计算机极难求解的问题。神经网络实现技术的研究，主要是探讨利用电子、光学、光电和生物等技术实现神经计算机的途径。神经网络应用则是探讨如何利用神经网络解决实际问题，即模拟人类的某些智能行为。随着人们对低质量电力变换器功率因数、谐波污染日益重视，研制新型优质电力变换以逐渐成为热点。矩阵变换器由于其诸多理想特性，正吸引着愈来愈多的科研人员对其开展广泛的研究。本文介绍神经网络机理功能，把神经网络与矩阵变换器控制原理有机的结合起来，提出利用神经网络控制矩阵变换器的输出电压的科学方法。 关键词：神经网络；矩阵变换器；BP网络 一、神经网络的综述? 神经网络系统是由大量的，同时也是很简单的处理单元（或称神经元）广泛地互相连接而形成的复杂网络系统，它反映了人脑功能的许多基本特性，但它并不是人脑神经网络系统的真实写照，而只是对其作某种简化，抽象和模拟，这也是现实情况所能达到的，是目前神经网络研究的基本出发点。我们研究神经网络系统的目的在于探索人脑加工，存储和处理信息的机制，进而研制基本具有人类智能的机器。神经网络只有通过学习才能逐步具有某模式变换的能力，神经网络的具有学习能力、信息存储能力和计算能力，神经网络的具有巨大潜在应用。二、神经网络基础 图2.1表示了一个简单的神经网络，其中每个小圆圈表示一神经元（也称处理单元或节点）。各个神经元之间通过相互连接形成一个网络拓扑，这个网络拓扑的形式称为神经网络的互连模式。 输出 输入 图2.1 一个简单的神经网络 各个神经元之间的连接并不只是一个单纯的传送信号的通道，而是在每对神经元之间的连上有一个加权系数，这个加权系数起着生物神经系统中神经元的突触强度的作用，它可以加强或减弱上一个神经元的输出对下一个神经元的刺激，这个加权系数通常称为权值。在神经网络中，修改权值的规则称为学习算法。这也就是说权值并非固定不变的，是动态非线性函数系数。 2.2神经元（处理单元）模型 处理单元，或称之为神经元，是神经网络的最基本的组成部分，在构造神经网络模型时，首先就要确定处理单元的各种特性。一个神经网络系统中有许多处理单元，设为N个。第i个单元表示为ui，每个处理单元的具体操作都是从与其相邻的其它单元中接受输入，然后产生输出送到与其相邻的单元中去。 神经网络的处理单元可以分为三种类型：输入单元、输出单元和隐含单元。输入单元是从外界环境接受信息，输出单元则给出神经网络系统对外界环境的作用。隐含单元则处于神经网络之中，它从网络内部接受输入信息，所产生的输出则只作用于神经网络系统中的其它处理单元。 2 .3神经网络互连模式
关于矩阵式变换器现状和发展的思考
关于矩阵式变换器现状和发展的思考 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，因具有不需要中间直流储能环节，对任意负载均可实现单位输入侧功率因数等优势而成为电力电子技术研究的热点之一。论文主要分析了矩阵式变换器的研究背景、国内外发展现状和存在的问题以及矩形变换器的当前研究热点，并根据分析提出了具有原创性的新研究方法。 【Abstract】Matrix converter （MC）is a kind of power conversion device based on bidirectional switch and pulse width modulation to obtain the desired output voltage，because it does not need the intermediate DC energy storage link. The power factor of unit input side can be realized for any load，which has become one of the hot research topics in power electronics technology. This paper mainly analyzes the research background of matrix converter，development of domestic and foreign and existing problems，as well as the current research focus of rectangular converter. Based on the analysis，a new research method with originality is proposed. 标签：矩形变换器；新研究方法；编译原理 1 矩阵式变换器的研究背景 随着工业电气自动化的不断进步发展，以及对节能和环保要求的提高，传统的变频装置已无法满足工作要求。当前，尽管已有成熟的高性能交-直-交型变频装置在市场上出现，但是仍有许多方面存在不足：输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重；含有大电容或大电感作为直流储能环节，体积重量大；在电动机制动运行时，能量一般消耗在制动电阻上，从而在化工厂、酒精厂等生产危险品的工业场所，其中大容量制动电阻可能引起火灾，引发安全事故。 传统的交-交型变频电路缺点是：功率晶闸管多、接线复杂、输出频率范围窄（只能是电网频率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因数低，只能用于大容量低速重载调速场合。 矩陣式变换器作为现有交-直-交型PWM变频器和传统交-交变频电路的一种补充和替代技术，已成为电力电子技术研究的热点之一，并在军事和工程上有着广泛的应用前景。其优于传统交流电力变换装置的特性：输入与输出电流品质好；电能的直接双向流通；对任意负载均可实现输入侧功率因数为1；不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，可以产生交流和直流电压。 2 矩阵变换器的研究现状
矩阵式变换器四步换流的仿真研究
矩阵式变换器四步换流的仿真研究 郭有贵,朱建林 (湘潭大学信息工程学院 湖南湘潭 411105) 摘 要:利用SIM U L IN K 对矩阵变换器的四步换流进行了仿真,验证了理论的正确性。关键词:矩阵变换器;四步换流;SIM U LI NK 仿真;电流 中图分类号:T P 337 文献标识码:A 文章编号:1004373X (2003)0706202 A Simulation Study on Four step Commutation for Matrix C onverters GU O Y oug ui,ZHU Jianlin (Colleg e of Info rmatio n Engineering ,Xi a ng tan University ,Xiangta n,411105,China) Abstract :Simula tes t he fo ur st ep comm ut atio n fo r mat rix conv erter s by means o f SIM U L IN K .It ver ifies the cor rectness o f four step commutat ion theo ry. Keywords :mat rix co nv ert er s;fo ur st ep co mmutatio n;SIM U LI NK simulatio n;cur rent 收稿日期:200301 02 矩阵式变换器的安全换流非常重要,否则,将导致开关管的损坏。换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中,矩阵式变换器开关管通断状态不断改变,从而使换流始终存在于矩阵式变换器的运行过程中,因此,安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。 同一输出相的双向开关的换流方法主要有3种:(1)插入死区延时法。他不能工作在电流连续的情况下,且开关损耗大,但控制方法简单。 (2)N.Burany 提出的一种四步换流策略,可实现半软开关换流。被认为是最有前途的方法。 (3)台湾学者潘晴财教授提出的一种基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略。这仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器换流。1 四步换流 1.1 2个双向开关之间的换流 如图1所示,1和2是同一输出相的2个双向开关,1c 和2c 是开关1和2的正向开关,1nc 和2nc 是反向开关。假定电流方向为正向,现在要关断开关1,开通开关2,要保证电流连续,又不能出现短路情况,共要经过4步才能完成: 1关断开关1的反向开关1nc,由于电流是正向流动,这一步不会带来开关损耗。 o开通开关2的正向开关2c ,打开2c 后,如果开关2所连接的电压高于开关1所连接的电压,那么电流将自动换流到2c 中。 ?关断开关1的正向开关1c,由于电流有一半的可能已经换流到2c 中了,所以1c 的关断有50%的可能性为零电流关断。 ?开通开关2的反向开关2nc 。 图1 四步换流法 这样的四步换流策略,既禁止了电源发生短路的开关组合,又保证了在任意时刻给负载电流提供了至少一条流通路径,且换流过程中有一半的可能性实现软开关中的零电流关断,所以被称为四步半软开关换流法。 如果电流是反相流动的,仍采用原来的换流顺序,将导致不安全后果。电流为反向时要按以下顺序进行:第1步,关断1c;第2步,开通2nc;第3步,关断1nc;第4步,开通2c 。 1.2 3个双向开关之间的换流 在矩阵式变换器中,每一输出相通过3个双向开 62 郭有贵等:矩阵式变换器四步换流的仿真研究
高清矩阵概述及应用方案参考
1.DM产品概述 和DM-MD36X36。 DM平台通过一根线缆集成视频、音频、网络和控制信号，完成了2D/3D无损高清视频、7.1声道立体声、以太网、串口、红外和USB信号的综合传输，包括了目前所有IT\AV行业的主流音视频信号及控制信号的传输。 1.1支持及传输音视频信号 监控领域：Composite、S-Video、Component 工业领域：DVI-I、RGHV IT领域：VGA、DP 民用高清领域：HDMI1.3
广电领域：SDI(SD)、HD-SDI、3G-SDI 3D领域：HDMI1.4（DVI-DL+同步或2XDVI-SL+同步的方式在调研中）1.2传输介质与距离 DM系统的传输介质采用CRESNTRON原厂电缆或市场上通用的双绞线或多模光纤，布线施工、管理、维护均相比传统方式简单。使用超5类类屏蔽双绞线可提供高达100 m 的电缆传输距离。使用OM3 50um万兆多模光纤可提供高达300 m 的电缆传输距离。 由于双绞线和光纤的价格便宜且施工方便，在系统设计之时可考虑充分的余量，在系统搭建完成之后，就无需为新增设备时为昂贵而且敷设困难的高清线缆而烦恼，DM平台的传输介质不管是光纤还是铜缆都能满足高清信号格式的传输。 1.3管理 软件操控界面分为2D信号视频界面模块、3D信号视频界面模块、音频界面模块3大板块，结构从使用者角度出发，通过最合理简单的软件模块编排来完成对这套复杂系统的驾驭。 DM平台可由任何Crestron 2系列主机控制，通过触摸屏即可起送搞得完成信号的切换和处理，以及对系统状态以及输入输出信号的监视。 2.DM产品性能特点 ●提供带超高12.5 Gbps 背板数据速率的全矩阵切换 ●处理带Deep color、3D和高位速率7.1嵌入式音频的HDMI?
矩阵变换器研究综述
矩阵变换器研究综述 1 引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了广泛的应用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输入电流品质而又成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。 矩阵式变换器是一种直接交-交变频器，与传统的自然换流变频器相比，具有以下优点: l 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化; l 无需较大的滤波电容，动态响应快; l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行; l 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调; l 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0; l 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小; l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输入功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。 矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起人们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势[2]。特别是它具有本身不产生谐波污染的同时,能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性能高于其它变换器。在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。 矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和工作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下面就这些关键技术的研究进行一一介绍。
2 主回路拓扑结构和工作原理 矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。一个m相输入、n相输出的矩阵变换器，由m×n个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。 图1 单级矩阵变换器拓朴结构 2.1 单级矩阵变换器 常规的矩阵变换器是一种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷: l 最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关; l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术; l 必须采用复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。 单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于: l 其控制策略复杂，计算量大; l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性; l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。
轻型功率变换器拓扑结构及其控制技术综述
辍型功率变撼器拓扑结构及其控制拽术综述电气传动２００７年第３７卷第５期 轻型功率变换器拓扑结构及其控制技术综述 杜海江李耀华王平 中毽辩学院电蒜研究所 摘要：酋先概述了一般意义的功率变换器擞型和常规开关型功率变换器拓扑结构。在检索国内外大爨文献戆基磁羔，蓄次挺爨较囊功率交换器瓣概念，舞总结了监懑挺塞魏较熬凌率变换器络季萼秘控簇方法，静矩黪变换器、减小媛流电容的举ＰＷＭ功率变换器、减小直流电容的双删嬲功率变换器、无直流电窬的单ＰｗＭ型 功率变换器、无直流电容的双ＰＷＭ型功率变换器等５大类。把针对常规功率变换器改进而设计的各种拓扑结构及其控溯技术统一越来，以理想功率变换器佟为这类装麓豹蘩究基标，具有理论穰波蘑指导意义。 关键谲：功率变换器矩阵交换器双向歼关 Ｓ珏ｍｍａ搿蚰Ｔ印珙。影ａ珏ｄＣｏｎ￡ｒ一７ｒｅｃ歉ｎｏｌｏ豁ｏ￡ｐｏ转ｅｒＣｏｎＶｅｒ耄ｅｒ－ｌｉ曲ｔ ＤｕＨａｉｊｉａｎｇＬｉＹａｏｈｕａＷａｎｇＰｉｎｇ Ａ弧￡脯ｃ毫：Ｇｅｎｅｆａｌｐｏｗｅｒｅｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄｃｏｍｍｏｎｓｗｉｔｃ拉ｔｙｐｅｏｎｅｓｗｅｆｅｉｎｔｍｄｕｃｅｄａｔ蠢鹅ｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｅａｒｃｈｉｎｇ赫ａｎｙｄｏｍｅ８ｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｐｏｗｅｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒ＿ｌｉｇｈｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｖｅｒｓｆｉｖｅｋｉｎｄｓｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ：ｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｎｅｓｉｄｅＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｓｍａＵＤＣｃａｐａ出 ｔｏｒ，ｄｏｕｂｌ∥ｓｉｄｅＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔ｝ｌｓｍａｌｌＤＣ ｅａｐａｃｉｔｏｒ，ｏｎｅｓｉｄｅ ｐＷＭｃｏｎｖｅｒ￡ｅｒｗｉｔｈｏｕｔｃａｐａｃｉｔｏｒａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ—ｓｉｄｅｐＷｌ涯ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｏｕｔＤＣｅａｐａｅｉｔＤｒ。Ｃｏｍｐａｆｅｄｗｉｔｂｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｎｅｓ，ｄｉｓｔｉｎｃｔｅ量ｌａｒａｃｔｅｒｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｌｉｇｈｔｉ８ｔｏｄｅｃｒｅａ８ｅｏｒｅｌｉｍｉｎａｔｅＤＣｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｙｍｅａｎｉｎｇａｎｄａｃｔｕａｌｕｓｉｎｇｖａｌｕｅｏｎｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｎｅｗｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ． Ｋ蟛ｗ静靠弧：ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒ擞ａｔｆｉｘｅｏｎｖｅｆｔｅｒｂ主－蠢ｉｆｅｃｔｉｏｎａｌｓｗｉｔｃ魏 ｌ辱ｌ言 功率变换器是进行电功率变换的装置，表现为瞧压或电漉的幄值、频率、相位的变换。具备此功髓的设备包括变压器、旋转变流枧组、功率放大器和开关型功率变换器等。 变压器只熊实现电疆幅值、槌健的有级调带，变藤器属于电磁元件，设备的体积和重量较大。电磁耦合器、磁放大器也是基于电磁感应原理的功率变换器。 旋转变流桃组也称作Ｇ—Ｍ系统，这种方式设备多、体积大、效率低并且费用高。 基于电子管、离子管程晶体管越功率放大器也是一种功率变换器，器件工作予放大状态，波形特性好，但是损耗大，只能用于微功率和小功率场合，翔无线电镶号放大。 在２０世纪初，人们将离子管和电子管工作于开关状态，并利用时间比率控制实现功率变换功熊，显著提高了效率势扩展了应用范围。这一时期所震器件有汞弧整流管和阕沆管，并发瞬了主要功率回路（整流器、逆变器、循环变流器）的拓扑结构和控制方法。使器件工作予开关状态显著减小了器彳牛掇耗，但是开关频率骶时，谐波泷较大，躺提高开荚频率时，开关损耗又非常显著，功率电子技术正是在这种矛盾中不断发展和完善。 魂２０擞纪６０年代，随着华导体功率器件（晶体管、晶闸管、ＧＴＯ）的发明，功率变换技术成为一门独立、迅速发展的研究领域。 交流功率变换器发展为两大类型，蟊ｐ带中闯赢流环节型（交直交型，包括电压型和电流型）和童接变换型（交交型）。直接变换型主要指豫终循环变流器（简称ＮＣＣ）的一种功率变换器。 循环变流器可以利用高压犬功率的半控器件扶爵适用予大功率场合，其典型控裁方法是余弦交点法，相当于波形拼接技术，所以工作频率必须低于交流电源频率。驻然循环变流器可以减少无 ３ 万方数据
对称矩阵的主子矩阵及其性质概要
毕业论文 题目对称矩阵的主子矩阵及其性质 学生姓名王强学号1109014134 所在院(系) 数学与计算机科学学院 专业班级数学与应用数学专业(师范类)11级2班指导教师邓方安 2015 年 6 月 12日
对称矩阵的主子矩阵及其性质 王强 （陕西理工学院数学与计算机科学学院数教1102班，陕西汉中 723101） 指导教师邓方安 [摘要]：本文总结了对称矩阵的主子矩阵的一些基本性质, 探讨了对称矩阵的主子矩阵的特征值与原矩阵的关系, 通过实例说明了主子矩阵的主子式的应用． [关键词]：对称矩阵;主子矩阵;特征值;主子式 Principal submatrix and its properties of symmetric matrix WangQiang (Grade02 Class2011 School of mathematics and computer science Shaanxi University of Technology Hanzhong 723001 Shaanxi) Tutor: Fang-an Deng [Abstract]：This paper is divided into four parts and discusses some important properties of symmetry matrices, including some basic properties of symmetry matrices, diagonalization of symmetry matrices, eigenvalue, eigenvector, positive definiteness of symmetry matrices and etc. [Key words]：S ymmetric matrix；Master matrix；eigenvalue；principal minor. 1.引言 矩阵在数学的许多分支中经常用到，比如线性方程组、二次型都可以归结为有关矩阵某些方面的研究，有些完全不同的性质归结为矩阵以后却是相同的。而对称矩阵的主子矩阵作为特殊的矩阵无论在矩阵理论方面，还是在实际应用方面都有重要意义。那么对称矩阵的主子矩阵有什么特殊性质，又有那些实际应用呢？这就是本文的主要内容． 2.预备知识 2.1 主子矩阵定义 以矩阵对角线元为其对角线元的子矩阵，从1阶到n阶. 例 1
矩阵式变换器
矩阵式交流/交流变频器 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGB T（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini 和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通
电力电子技术领域的现状和展望
电力电子技术领域的现状和展望 王 震 占江山 罗运成 (武汉数字工程研究所 武汉 430074) 摘 要 从产业的角度简介电力电子技术的现状,从技术的角度综述电力电子技术在今后五至十年的展望以及努力方向。 关键词:电力电子 产业现状 技术展望 中图分类号:T M76 C urrent Situation and Prospects of Electric Power and Electronic Technology Wang Zhen Zhan Jiangshan Luo Yuncheng (W uhan Dig ital Engineer ing Institute,Wuhan 430074) Abstract:T his paper briefly introduces the curr ent situatio n of electric power and electronic technology from the point of view of industr y,and summarizes the prospects and the direction of efforts in the field of electric power and electronic technology for the next fiv e to ten years fr om the point of view of technology. Key words:electric power and electronics,cur rent situation of industry,prospects o f technology C lass number:T M76 1 引言 电力电子技术属电气工程!一级学科目录下的二级学科:电力电子与电力传动,学科编号为080804。最近几年来,经国务院学位委员会和教育部批准并备案,全国许多重点高校在电气工程!及相关的电子科学与技术!、控制科学与工程!、计算机科学与技术!、信息与通信工程!等一级学科目录中又自主增设了数拾种专业(二级学科),学科之间的相互交叉、渗透日益增强。电力电子技术已在发展中实现了多学科的交叉,它的典型特点是强电与弱电相结合,以弱电控制强电,用以实现电能的转换、控制、分配和应用的最优化、高效率、智能化。电力电子技术的高速发展与半导体及其集成技术!、计算机科学与技术!、控制科学与技术!、仿真技术!等学科的高速发展和市场及社会需求的强力牵引等因素息息相关。 2 现状 电力电子技术的研究对象是电能形态的各种转换、控制、分配、传送和应用,本学科的研究成果和产品含盖了所有军事、工业和民用等产业中的一切电子设备、数字信息系统和通讯系统。电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源,正是有赖于对电能的充分开发和利用,人类才得以进入如此发达的工业化和信息化的社会。电力电子技术的诞生和发展使人类对电能利用的方式发生了革命性的变化,并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内,用电总量中经过电力电子装置变换、调节和控制的比例已成为衡量一个国家工业发达程度的重要标志。据统计,到1995年,发达国家所使用的电能中有75%左右是经过电力电子技术变换和控制后才使用的,估计在今后五年内,这一比例将高达95%以上。人类社会发展的需求给电力电子技术提出了严峻挑战。近年来,随着半导体及其集成技术、电子科学与技术、计算机科学与技术和现代通讯产业的高速发展,使得电力电子技术及其产业得到了强力的技术基础支撑和巨大的需求牵引,无论是技术发展水平还是产业规模和产值都得到了飞速发展,特别是近十年来,更是进入了高速发展时期,下面从电力电子技术产业的角度分门别类予以简介。 16 计算机与数字工程 第33卷 收到本文时间:2004年12月10日
矩阵式变换技术
矩阵式变换技术 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Bu rany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构 （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流； （2）从三相交流变换到单相交流； （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器； （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑； （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。 三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。
矩阵变换器安全换流策略综述
矩阵变换器安全换流策略综述 矩阵变换器四步换流辅助谐振换流两步换流一步换流 1引言 矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的交交直接变换性能优越。它能提供正弦的输出电压，并从电网中吸收正弦的输入电流、输出频率不受输入频率的影响；具有四象限运行能力、动态响应快、功率密度大等优点。近年来，由于其简单的拓扑结构及其优良特性，而成为变换器研究的热点之一。目前对矩阵式变换器的研究重点之一在于双向开关的安全换流问题。矩阵变换器的换流是指将某一相负载电流由一个输入相切换到另一个输入相。因为开关器件的通断都是需要时间的，为了避免换流时电源短路和（感性）负载开路而对电源和矩阵变换器的安全造成的威胁，因此需要采用一个能够使开关安全切换的换流策略。本文综述了多种形式的换流策略。 2换流技术简述 附图所示为双向可控开关器件的常见构造形式[3]，其中附图（a）所示为最早出现的开关形式，由于通态功耗较大已经逐渐被淘汰了，仅在谐振型矩阵变换器中还有应用；附图(b)、(c)所示是最常用的两种由传统的单向可控开关和快恢复二极管构成的双向开关；附图（d）所示为采用非穿通型可控器件构成的双向开关形式，由于单向通流的开关器件可以承受反向电压，因此省略了二极管；目前正逐渐得以使用。附图（e）所示是近年来出现的多电平矩阵变换器采用的双向开关；该结构形式拓宽了双向可控开关的设计理念，但也使变换器换流过程的复杂程度大大增加；当前业界普遍使用的双向可控开关形式还是如附图(b)、(c)、(d)所示的三种形式，已有的各种换流策略都是针对这三种开关形式设计的，本文对各种换流策略进行了综述。 附图常见双向开关形式 2基本换流策略 （l)死区换流
矩阵代数概述
矩阵代数概述 一、基本定义 定义1：矩阵： 一个矩阵就是一个矩阵数组，更准确地讲，一个m*n 维矩阵就有m 行和n 列。正整数m 被称为行维数，n 被称为列维数。 11121212221 2n n ij m m mn a a a a a a A a a a a ????????==???????? 定义2：方阵 方阵具有相同的行数和列数。 一个方阵的维数就是其行数和列数 定义3：向量 （1）一个1*m 的矩阵被称为一个（m 维）行向量，并可记为： []12,,...,m x x x x ≡ （2）一个n*1的矩阵被称为一个（n 维）列向量，并可记为： 12n y y y y ???? ??≡?????? 定义4：对角矩阵 当一个方阵A 的非对角元素都为零时，它就是一个对角矩阵。我们总能将一个对角矩阵写成： 1122000000ij mn a a A a a ????????==???????? 定义5：单位矩阵和零矩阵 （1）用I （或为了强调维数而用I n ）表示的n*n 单位矩阵就是对角位置都是1，而其它位置都是0的对角阵； 10002000n I I n ??????=≡?????? （2）一个用0表示的m*n 零矩阵，就是所有元素都为零的m*n 矩阵。它并不一定是方阵。
二、矩阵运算 1. 矩阵加法 两个都是m*n 维的矩阵A 和B 可通过对应元素相加而相加： A+B=[a ij ]+[b ij ]。更准确地，有： 11111212112121 22222211 22n n n n m m m m mn mn a b a b a b a b a b a b A B a b a b a b +++????+++??+=????+++?? 数值例子： 说明：不同维数的矩阵不能相加 2. 数乘 给定任意一个实数k （常被称为一个数量），数乘被定义为kA=[ka ij ] 数值例子： 3. 矩阵乘法 为了使矩阵A 乘以矩阵B ，得到AB ，A 的列维数和B 的行维数必须相同。因此，令A 为一个m*n 矩阵，而B 为一个n*p 矩阵，于是，矩阵乘法被定义为： 1n ik kj k AB a b =??=???? ∑ 换句话说，新矩阵AB 的第（i,j ）个元素，等于A 中第i 行的每个元素与B 中第j 列对应元素的乘积之和。如下简图可以使这个过程更一目了然： 11221...n ik kj i j i j in nj k a b a b a b a b ==+++∑ 数值例子：略 我们可以将一个矩阵与一个向量相乘。如果A 是一个n*m 矩阵，而y 是一个m*1向量，那么Ay 就是一个n*1的向量；如果x 是一个1*n 的向量，那么xA 就是一个1*m 的向量。 矩阵加法、数乘和矩阵乘法可以用各种方式组合，而且这些运算还满足几个熟悉的基本数值运算规则。在如下性质表中，A ，B 和C 都具有运算所需要的适当的维数，而α和β则是