一种新颖的矩阵式三相_单相变换器的设计与实现.docVIP

一种新颖的矩阵式三相/单相变换器的设计与实现 姜伟基1 李彦哲1 张冬梅2 (1. 兰州交通大学，兰州 730070；2. 河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061001） 摘要：提出了一种新颖的矩阵式三相/单相变换器，变换器由三相整流桥和单相逆变桥组成，其最大特点是开关管只需要采用单极性开关管并且无需直流母线支撑电容。三相整流桥采用基于扇区判断的同步整流控制策略，得到六脉波直流母线电压，并经过单相逆变桥得到频率和幅值可调的单相交流电。设计并制作了一台1.5kVA的样机，PSIM仿真结果和样机实验结果的吻合验证了本文所提出变换器的可行性。 关键词：矩阵式变换器；三相/单相；扇区判断；设计 中图分类号：TM 文献标识码： 文章编号：College of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China 2. Department of Electrical Automation, Hebei Engineering and Technical College, Cangzhou 061001, Hebei, China) Abstract: A novel three-phase/single-phase matrix converter has been proposed in this paper, which is composed of three-phase rectifier bridge and single-phase inverter bridge. The main characteristic lies on the only use of the unidirectional power transistor and no need for DC-link capacitor. The three-phase rectifier bridge adopts the synchronous rectifying control scheme based on sector judgment, so as to obtain six-pulse DC bus voltage as well as the single-phase AC with adjustable frequency and amplitude through single-phase inverter bridge. A 1.5kVA prototype has been designed and made out. The results of PSIM simulation and prototype experiment are the same which verify the feasibility of the proposed converter. Key words: Matrix converter, Three-phase/single-phase, Sector judgment, Design 0 引 言 间接式三相/单相变换器在工业控制等领域得到广泛应用[1-2]，其拓扑结构如图1所示。交流电压先经过前级整流，并经过直流电容稳压和滤波得到稳定的直流母线。该母线再经过一级逆变得到单相交流电。该类变换器最大的弊端在于体积巨大的直流支撑电容。一方面会增加变换器成本，另一方面，使得变换器在启动过程中存在电流过冲。 矩阵式变换器是一种直接式AC/AC变换器，传统的矩阵式三相/单相变换器拓扑结构如图2所示，该变换器无需中间支撑电容就可以实现交交变换，因此得到广泛关注[3-8]。然而矩阵式变换器的突出问题在于控制的复杂性及庞大的开关管数量。 为此，本文提出了一种新颖的矩阵式三相/单相变换器，开关管只需要采用单个IGBT而不是传统的矩阵式变换器中的两个IGBT组成的双向开关管。同时，通过采用基于扇区判断的同步整流控制策略，该变换器无需直流母线支撑电容就可以得到六脉波直流母线电压，这就解决了传统间接式三相/单相变换器电容体积大与启动电流过冲问题。 1 变换器拓扑结构及工作原理 图3显示了一种新颖的矩阵式三相/单相变换器，该变换器由三相输入滤波电容、三相整流桥、单相逆变桥和RL负载组成。三相交流电压先经过三相同步整流得到六脉波直流母线，再经过逆变桥变换得到单相交流电。该变换器中每个开关管均为IGBT单管，而传统的矩阵式变换器至少要用两个IGBT组成一个开关管。 图中整流侧开关管的开关频率与输入电压的频率一致，整流侧采用基于扇区判断的同步