0 引言

目前對于交交變頻技術(shù)的研究主要集中在三相—三相交交變頻電路拓撲，但隨著工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展三相—單相交交變頻電路，特別是矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究逐漸受到人們的重視。其應(yīng)用主要有以下幾個方面，一個是小功率變頻電源，這方面的應(yīng)用會越來越廣泛;另一個是可以通過三組模塊化的三相—單相交交變頻電路來實現(xiàn)三相—三相交交變頻，文獻[3]在這方面做了有益的嘗試。

1 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路

以下分別介紹傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及電路特點。

1.1 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路構(gòu)成

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路由P 組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和四象限變流電路相同，如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的工作原理

P 組工作時，負載電流i0為正，N 組工作時，為負;兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電;人為地改變切換頻率，就可改變輸出交流電的交變頻率棕0;改變變流電路的控制角琢，就可以改變交流輸出電壓幅值。為使輸出交流電u0波形接近正弦，可按正弦規(guī)律對琢角進行調(diào)制，在半個周期內(nèi)讓P 組的琢角按正弦規(guī)律從90°減到0°或從某個值，再增加到90°，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零，如圖2 所示。u0由若干段電源電壓拼接而成，在u0 一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。

1.3 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的控制策略[1]

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的控制策略主要有兩種，一種是余弦交截法，這是最基本的、廣泛使用的方法;另一種是規(guī)則采樣法，這種方法應(yīng)用的相對較少。

1.3.1 余弦交截法

用一系列余弦同步電壓波和模擬量基準電壓波的交點去決定整流器中相應(yīng)晶閘管的控制角的方法稱為余弦交截法。

其基本實現(xiàn)思路可表示如下：

1.3.2 規(guī)則采樣法

余弦交截法控制的交交變頻器中的晶閘管的開關(guān)時刻取決于給定波的離散采樣值，這種采樣方式通常稱為自然采樣。它的特點是各采樣點之間的時間間隔是不相等的，而且交交變頻器的換相時刻就發(fā)生在采樣瞬間。而規(guī)則采樣法則不同，其實現(xiàn)方法是在余弦同步波的每個起始時刻對給定基準波采樣，這些采樣值在同步波持續(xù)的時間內(nèi)保持不變，將這些采樣值與余弦同步波相比較，采樣值與余弦同步波的相交時刻就是交交變頻器的換相時刻?？梢?，規(guī)則采樣法的特點是采樣點之間的時間間隔是相同的，即采樣的時刻是規(guī)則的，但是交交變頻器的換相時刻卻發(fā)生在采樣時刻之后。

在一定條件下，規(guī)則采樣法不但可以減少輸出波形中的諧波含量，改善輸出特性，而且便于計算機實現(xiàn)，因而具有算法簡單的特點。

1.4 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點[1]

傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點很多，歸納起來主要有以下幾點。

1)輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。電網(wǎng)頻率為50 Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20 Hz。

2)輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率;一周期內(nèi)，琢角以90°為中心變化，半周期內(nèi)琢的平均值越靠近90°，負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。

3)輸出電壓諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率有關(guān)。

4)輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。

2 矩陣式三相—單相交交變頻電路

近年來人們關(guān)注的是矩陣式三相—三相交交變頻電路的研究，但隨著工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，對于矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究將愈來愈受到關(guān)注。所謂矩陣式三相—單相交交變頻電路指的是利用矩陣變換器直接實現(xiàn)三相到單相的變換，而不需要中間直流儲能環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

2.1 矩陣式三相—單相交交變頻電路的結(jié)構(gòu)[4][5]

矩陣式三相—單相交交變頻電路的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種：帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖3 所示)、不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖4 所示)和改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖5所示)。

圖3中的開關(guān)均為雙向開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已在圖3中示出。帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有三個雙向開關(guān)S1、S2和S3，這種電路實際上是3×1的矩陣變換器，共有8種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓撲的有效開關(guān)狀態(tài)為3 種。不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有6個雙向開關(guān)S11、S12、S21、S22、S31和S32，這種電路實際上是3×2 的矩陣變換器，共有64 種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓撲的有效開關(guān)狀態(tài)為6 種。而對于改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路來說，它是在不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路的基礎(chǔ)上又增加了兩個雙向開關(guān)SP和SN ，8 個雙向開關(guān)共有256種開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)分析其中有用的開關(guān)狀態(tài)為12種。

2.2 矩陣式三相—單相交交變頻電路的控制策略

矩陣式三相—單相交交變頻電路和傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路相比有其自身的特點，因此它的控制策略也有很大的不同。對于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路通常采用的控制策略有開關(guān)函數(shù)法和平均電壓法;對于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路除了可以采用開關(guān)函數(shù)法外，還可以采用空間電壓矢量法;改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路也可以采用開關(guān)函數(shù)法來進行控制。

2.2.1 開關(guān)函數(shù)法[3] [7]

所謂開關(guān)函數(shù)是指在給定輸入電壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及約束條件下，使電力變換器中相關(guān)的一切功率開關(guān)各自的占空比由一個連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來表示，利用精確的數(shù)學定義來確定開關(guān)的具體動作，使變換概念更加清晰。開關(guān)函數(shù)法具體的原理，在文獻[3]中作了詳細的闡述，對于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，其低頻開關(guān)函數(shù)矩陣有3種，如式(5)。

它不但可以采用最大電壓傳輸比為0.5 的開關(guān)函數(shù)矩陣，而且也可以采用最大電壓傳輸比為姨3 /3與姨3 /2的開關(guān)函數(shù)矩陣。在相同電壓傳輸比情況下，這種不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路輸出的基波電壓幅值為帶中性線型的姨3 倍。

對于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，其低頻開關(guān)函數(shù)矩陣有3種，分別為

它只能采用最大電壓傳輸比為0.5 的開關(guān)函數(shù)矩陣，不能采用最大電壓傳輸比為姨3 /3與姨3 /2的開關(guān)函數(shù)矩陣。

2.2.2 空間電壓矢量法[8]

空間矢量調(diào)制起源于磁鏈追蹤型PWM 法，其控制原理是將變換器的交交變換虛擬為交直和直交變換，把輸出線電壓和輸入相電流表示為空間矢量，采用高頻整流及高頻逆變PWM波形合成技術(shù)，綜合電流、電壓矢量，消去中間直流環(huán)節(jié)，得到頻率、幅值可調(diào)的交流電源。對于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路可以應(yīng)用空間電壓矢量法。

空間電壓矢量法在三相—三相交交變頻電路中的應(yīng)用比較多。其控制核心一般采用微處理器、計算機和數(shù)字信號處理器(DSP)，通過規(guī)則采樣，合理地選擇和安排開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、通斷和持續(xù)時間，改變脈寬調(diào)制電壓波的波形寬度和組合，獲取期望的輸出電壓和輸入電流。

2.2.3 平均電壓法[2]

對于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，在給定理想對稱三相輸入電源電壓的情況下，想要得到

的平均輸出電壓，就無法直接使用傳統(tǒng)的空間矢量法。文獻[2]提出了一種平均電壓調(diào)制策略。

具體實現(xiàn)方法為在每個采樣周期中，只利用輸入電壓的最大相和最小相合成目標輸出，保證變換器的電壓傳輸比為理論最大值0.5。通過定義最大相Vmax為某時刻三相電壓中的最大值，定義最小相Vmin為某時刻三相電壓中的最小值，相應(yīng)地，定義其開關(guān)分別為Smax和Smin。在一個采樣周期中，兩開關(guān)的導通時間T1、T2分別為

考慮到要減少輸出諧波，文中還建議采用對稱分布的脈寬調(diào)制模式。通過簡單的計算就可以實現(xiàn)輸出為正弦電壓，保證最大電壓傳輸達到50%。

2.3 矩陣式三相—單相交交變頻電路的特點

和傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路相比，矩陣式三相—單相交交變頻電路有很多優(yōu)點，主要有以下幾點：

1)輸出頻率不受輸入頻率的限制，既可以比輸入頻率高，也可以比其低，理論上可以為任意值;

2)輸入功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，可以超前也可以滯后，通過調(diào)節(jié)可以使功率因數(shù)逼近于1;

3)使用雙向開關(guān)，能量可以雙向流動;

4)無中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積相對較小，能量傳輸效率高。

3 結(jié)語

目前對于三相—單相交交變頻電路的研究主要包括對電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略的研究，而對于雙向開關(guān)的組成、開關(guān)之間的換流方法以及過流保護都可以采用三相—三相交交變頻電路中成熟的方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的三相—單相交交變頻電路逐漸會減少應(yīng)用，而矩陣式三相—單相交交變頻電路因其具有優(yōu)良的性能，所以必將會成為未來關(guān)注的重點和研究的熱點。