МАТРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ: ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В РОССИИ
Одноступенчатый преобразователь переменного тока в переменный для
переменной частоты известен с тридцатых годов прошлого века. Но уже на рубеже
1965г., после появления за рубежом и в СССР первых публикаций по новому
перспективному типу вентильных преобразователей – инверторов напряжения,
возникла идея применить способы управления такими преобразователями для
непосредственных преобразователей частоты, снабдив их узлами искусственной
коммутации (матричные преобразователи). Симбиоз
этих преобразователей
с
узлами искусственной коммутации, подобных тем, которые применялись в
инверторах напряжения, позволял получить как бы инверторы напряжения с
непосредственным питанием от трехфазной сети т. е. соединить в себе достоинства
инверторов напряжения и непосредственных преобразователей частоты. Форма
выходного напряжения формировалась методоми синусоидальной ШИМ с
модуляцией по огибающей трехфазной системы питания. Симбиоз
этих
преобразователей с узлами искусственной коммутации, подобных тем, которые
применялись в
инверторах напряжения, позволял получить как бы инверторы
напряжения с непосредственным питанием от трехфазной сети
К нашему сожалению, это новое наше название нового класса преобразователей в СССР
не получило распространения, т. к. у нас в России исследованием их тогда практически
никто не занимался, а чуть позже исследованием этих типов преобразователей начали
заниматься независимо на Украине и в Латвии со своими названиями их.
За рубежом тиристорные непосредственные преобразователи частоты с узлами
искусственной коммутации практически не были исследованы, а транзисторные
непосредственные преобразователи частоты появились на 15 лет позже, чем в СССР,
связывая их появление на Западе с появлением мощных силовых транзисторов.. Эти
преобразователи за рубежом получили название матричных преобразователей (МП), хотя
этот термин был известен в СССР уже 10 лет, но не получил в то время распространения.
Авторами статьи ранее был сделан обзор исследований таких преобразователей в России
до 2003 года [1]. В данной статье данный обзор будет продолжен. В последние годы в
России возобновился интерес [2-8]
Наши исследования были нацелены на две проблемы матричных преобразователей. Вопервых, построение одноступенчатых (прямых , непосредственных) матричных
преобразователей с коэффициентом преобразования по напряжению больше единицы. Вовторых , построение двухступенчатых (непрямых) матричных преобразователей с
трансформаторным промежуточным звеном высокой частоты, обладающих
гальванической изоляцией и любым заданным значением входного коэффициента
мощности .
Низкое предельное значение коэффициента регулирования напряжения Ср (Ср
макс<1) ограничивает область применения традиционного МП. Поэтому для
увеличения Ср исследовались следующие схемы, разработанные на базе топологии
МП, имеющие коэффициент передачи больший единицы
- МП с выходными накопительными ячейками типа Кука ;
- МП с входными накопительными ячейками типа Кука ;
- каскадный МП с реактивными ячейками;
- каскадный МП с повышающим АС-регулятором-преобразователем;
- МП тока и гибридный МП;
- Z-матричный преобразователь.
- МП с промежуточным звеном высокочастотного напряжения
.
Заметим также, что все схемы кроме МП тока являются преобразователями
напряжения, а МП тока – преобразователем тока.
На рис.1 показан МП с выходными накопительными ячейками типа Кука .[9 ]
Lф
C
К2
A
La
B
Lb
C
Lc
К4
К6
К7
К1
К3
Cф
Zн
К5
Рис.1МП с ячейкой Кука на выходе
На рис.2 показан МК с входными накопительными ячейками типа Кука .[10]
Рис.2МП с ячейкой Кука на входе
На рис. 3 показан каскадный МП с реактивными ячейками по мостовой и
полумостовой схемам.[11] Идея использования ячейки однофазного инвертора
напряжения сначала была применена для генерации для питающей сети реактивной
мощности реактивным конвертором а затем и для регулирования величины
выходного напряжения преобразователя, путем создания реактивного напряжения
вольт добавки .Для создания многоуровневого напряжения нагрузки необходимо
применение последовательной цепочки реактивных напряжений вольтдобавок.
Рис. 3 Каскадный МП с реактивными ячейками по мостовой и полумостовой
схемам
На рис.4 показан каскадный МП с повышающим АС-регуляторомпреобразователем[12]
A
B
C
Lф
Lф
K1
Lф
K2
K3
Cф
Cф
K4
LA
CA
Cф
LB
Za
CB
Zb
LC
CC
Zc
Рис. 4 МП с повышающим АС-регулятором-преобразователем
На рис.5 показан гибридный МК с переключаемыми конденсаторами входных и
выходных фильтров[13], позволяющий реализовывать режим понижающего
конвертора напряжения и повышающего конвертора тока].
Рис.5 Гибридный МП с переключаемыми конденсаторами входных и выходных
фильтров
Топология инвертора тока на основе матричного преобразователя,{14] представлена на
Рис 6.
Рис 6. Топология инвертора тока
В настоящем случае, на входе преобразователя должен быть источник тока. Для этих
целей на входе преобразователя имеются индуктивности LA, LB и LC. По аналогии с
инвертором напряжения (выходное напряжение носит импульсный характер), на выходе
инвертора тока наблюдаются импульсы тока, с очень малым временем нарастания и спада.
Принимая во внимание, что чаще всего нагрузкой служат обмотки электродвигателя (нагрузка
носит ярко выраженный индуктивный характер), на выходе инвертора ставят конденсаторы
соответствующей емкости (несколько сотен микрофарад), чтобы обеспечить мгновенное
изменение выходного тока инвертора.
Рис 7. Кривые тока и напряжения инвертора тока на базе матричного преобразователя
Z-матричные ПЧ
Схема Z-матричного ПЧ (рис.8) отличается от классического МПЧ добавлением Zфильтра, который располагается между источником трехфазного напряжения и
матричным конвертором. За счет дополнительно накопленной энергии, преобразователь
способен обеспечивать коэффициент передачи по напряжению Ср в пределах Ср=2–3.
Более подробно принцип управления схемой рассмотрен в
Из преимуществ схемы следует отметить относительную простоту в управлении,
коэффициент передачи по напряжению больший единицы; из недостатков - усложнение
схемы за счет установки дополнительных элементов. В отличие от преобразователя с
реактивными
ячейками
схема
обладает
меньшим
коэффициентом
передачи
по
напряжению, однако имеет меньшее количество ключей и более простую систему
управления.
Графики входных и выходных токов и напряжений показаны на рис.9. Область
применения схемы - устройства средних и больших мощностей.
Рис.8 Z-матричный ПЧ
Рис.9 Эпюры токов и напряжений схемы
МП с промежуточным звеном высокочастотного напряжения
В МП с промежуточным звеном ВЧ-напряжения заложен принцип передачи
напряжения высокой частоты от входного каскада схемы к выходному. На рис.10
представлена одна из реализаций схемы такого преобразователя, в котором передача
осуществляется высокочастотным трансформатором. Трехфазное напряжение сети
преобразуется посредством входного каскада в импульсное прямоугольное напряжение
высокой частоты, а затем передается в схему выходного каскада, которая формирует
синусоидальное выходное напряжение.
Рис.10 МП с высокочастотным трансформатором
С целью улучшения качества выходного напряжения были рассмотрены схемы
многоуровневых матричных преобразователей Схема трехуровневого матричного
преобразователя представлена на Рис.11 Исследование данной схемы производилось в
среде PSIM.
Рис.11 .Модель трехуровневого матричного преобразователя.
Результаты моделирования приведены Рис.12. Здесь представлены: входное напряжение и
входной ток(первый график),выходное напряжение и выходной ток(второй
график),выходной ток трехфазной нагрузки(третий график).
Рис12.входное напряжение и входной ток(первый график), выходное напряжение и
выходной ток(второй график), выходной ток трехфазной нагрузки(третий график).
Помимо известных традиционных областей применения матричных
преобразователей из результатов наших последних исследований следует, что
применение повышающих матричных преобразователей является перспективным
для направления электронные трансформаторы, поскольку они обладают рядом
несомненных преимуществ – сниженные массогабаритные показатели, отсутствие
элементов явного звена постоянного тока, возможность рекуперации энергии в сеть
и др., и при этом обеспечивают требуемое согласно ГОСТ качество потребляемой и
преобразованной энергии.
Литература.
1. V. Popov, G. Zinoviev, H. Weiss Matrix converters: A Review of researches in former
Soviet Union and Russia Proc. EDPE-2003, CD, Slovakia. 2003
2
Карташев Е., Колпаков А. Базовые принципы про-ектирования матричных
конверторов // Силовая электроника. – 2009. – № 5. – С. 59–65.
3
Виноградов А. Б. Новые алгоритмы пространственно-векторного управления
матричным преобразователем частоты // Электричество. 2008. № 3.
4 Мещеряков В.Н. Математический анализ и моде- лирования преобразователя
частоты матричного типа с непосредственным управлением по методу простран- ственновекторной модуляции / В.Н. Мещеряков, Д.В. Байков // Вестник Южно-уральского
государственного университета. Серия: энергетика. – 2015. – том 15. – №1. – С. 21-33.
5 Аракелян А.К., Кокорин Н.В., Моделирование матричного преобразователя // Труды
академии электротехнических наук Чувашской Республики. – 2009. - № 1. С. 47-52.
6 Чаплыгин Е.Е. Анализ искажений выходного напряжения и сетевого тока матричного
преобразователя частоты .Электричество. 2007.№П.С.24_38.
7. Сидоров С. Матричный преобразователь частоты – объект скалярного управления
Силовая электроника. – 2009. – № 3. – С. 31–35.
8. Морозов А. В., Барсуков В. К., Морозов В. А. Разработка матричного преобразователя
частоты // Интеллектуал. системы в пр-ве. – 2013. – № 2. – С. 202–207.
9
10.
11. Попов В. И., Баранов Е. Д. Метод скалярного управления многоуровневым
матричным преобразователем частоты EDM 2013
12
13 Зиновьев Г. С. Зотов Л. Г. ПОВЫШАЮЩЕ-ПОНИЖАЮЩИЙ
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Патент № 2408968
14 Зиновьев Г. С., Зотов Л. Г,. Мальнев Л. Г, Попов В. И.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА
МАТРИЧНЫЙ
