矩阵式单相电源调压技术

摘要：提出了一种矩阵式单相电源调压技术，并分析了其工作原理，给出了一种安全的换流策略。仿真结果表明这种变换器输出电压在宽范围内连续可调，而且具有高正弦度的输入电流波形。

关键词：单相电源；矩阵式电源变换；安全换流策略

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

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：0219－2713(2003)04－0156－04

1 引言

单相交流电源的应用是非常广泛的，比如在农村、轻工业、家用电器等小功率传动领域以及电力机车供电系统。对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种。

1）磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。

2）机械式调压器机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。

3）电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。

从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。它是通过AC/DC/AC变换实现的。具有中间直流环节——储能电容和变换效率低是它的不足。随着现代电力电子技术的发展，单相电源变换技术也有了很大的进步，先后出现了多种利用全控器件的交步恢苯颖浠环桨浮＠如Han-Wood Park等提出了一种新颖的高性能单相交流调压器^[1]；Douglas Giardini等提出了一种用于机场的航空照明矩阵式单相降压变换器^[2]；Zuckerberger等提出了一种具有输出电压调幅调频能力的单相-单相矩阵式变换技术^[3]。本文基于矩阵式变换理论，提出一种矩阵式单相电源变换电路，该电路只使用两个双向开关管，可以实现输出电压连续可调及获得高正弦度的输入电流波形。

2 矩阵式单相电源调压原理

单相-单相矩阵式电力变换的典型拓扑如图1所示。通过一组开关函数可以将输入的工频交流电压转换成幅值与频率可调的单相交流电压，其中S₁₁～S₂₂为4只双向可控开关。

图1 单 相-单 相 矩 阵 式 电 力 变 换 器 拓 扑

将单相电源视为两相电源，单相-单相矩阵式变换器期望输出两相余弦电压v_o1(t)和v_o2(t)，包含 输 出0 Hz， 其 中 四 象 限 开 关 （ 4QS）S₁₁与S₁₂负 责 产 生v_o1(t)，S₂₁与S₂₂负 责 产 生v_o2(t)。 输 出 目 标 函 数 为 两 相 正 弦 函 数 ， 这 种 方 法 可 以 称 为 SPWM法 。

令 输 出 目 标 函 数 为

(1)

设电源电压为v_i(t)=V_isin(ω_it)，则期望输出电压为

(2)

式中：V_o1与V_o2分别为v_o1(t)与v_o2(t)的有效值。

可得开关函数矩阵

H=,(3)

式中：h_ij代表对应双向可控开关的瞬时占空比，0≤h_ij≤1，i、j=1，2，h₁₁＋h₁₂=1，h₂₁＋h₂₂=1；

q_o1与q_o2为电压变比；

θ∈[0,2π]。

注意当输入电压过零时，开关函数不再收敛，需要利用L′hospital法则处理。这种控制方法有以下优点：

1）q_o1与q_o2独立可调，则输出电压范围扩大；

2）开关利用率大大增强；

3）三次谐波注入PWM、开关损耗最小PWM、基于开关函数SVPWM等方法能够直接采用。

通过对上述变换器拓扑的分析，对于单相输出可以简化电路的结构。将双向开关4QS－S₂₂短接、4QS－S₁₂开路。