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变频节能技术--双级矩阵变换器

 

       双级矩阵变换器拓扑结构与双PWM变频器结构相似,但它们的电路结构不同,双级矩阵变换器为提供能量双向传输整流电路采用双向开关,一般由两个单向功率开关组成一个双向开关。直流侧不需要大体积的储能元件。在保证直流侧上正下负的条件下,逆变电路只需采用单向开关,这就形成了图12所示的18只单向开关的双级矩阵变换器电路。本实验室研制的基于该拓扑结构的50kW双级矩阵变换器装置如图13所示。


图12 双级矩阵变换器结构图

a) 50KW双级矩阵变换器功率开关和输入滤波器

b) 50KW双级矩阵变换器控制系统

图13 50KW双级矩阵变换器装置

 

(1)基本原理
       双级矩阵变换器的功能和性能可以与双PWM变频器相媲美。双PWM变频器输入端为三相全控桥,采用PWM整流方式可以调节输入端功率因数并保证输入波形质量;通过电解电容将整流级和逆变级物理上解耦,使得整流级和逆变级可以独立控制,从而简化了控制算法。缺点是成本较高,输入端需要笨重的滤波电感,中间环节需要大的储能电解电容。双级矩阵变换器无需中间大体积的储能环节,直接由整流级和逆变级两级变换电路连接而成。双级矩阵变换器通过严格同步实现整流级和逆变级的稳态解耦,从而取得和双PWM变频器相媲美的功能和性能。
(2)技术优点
       1)具有优良的输入输出性能、输入功率因数可调和能量传输可逆的特点;
       2)直流环节无需储能元件,结构紧凑;
       3)电网侧开关可实现零电流换流,负载侧开关采用传统DC/AC逆变器换流方法,系统换流简单,降低了控制复杂性,提高了系统的可靠性;
       4)在一定约束条件下,可以减少功率开关元件的数量,以便进一步降低装置成本、提高可靠性。
(3)应用场合
       1)矩阵变换器省去中间储能环节,电压传输比受到一定的限制,其输出的频率较高时会出现输出电压不足,因此适合应用于调速范围较低的场合;
       2)矩阵变换器可以实现AC-DC、DC-AC、DC-DC等变换,可以用作将输入端的变压变频电源转换成输出端的恒压恒频电源,特别适用于高功率密度的应用场合,如变速恒频电源系统,在船舶、航空等对电源装置体积严格控制的领域,将有着广阔的应用前景;
       3)矩阵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电路的功率因数校正;
       4)矩阵变换器应用于风力发电、统一潮流控制器等高性能电力变换系统。