綠色”變換器——矩陣變頻以獨特的優勢占領市場
多年來，電氣傳動專家一直都在討論關于“矩陣變換”技術的變頻器是否會成為下一代變頻器。由于矩陣式交-交變頻器省去了中間直流環節，不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源|穩壓器電流控制與輸出電壓控制”。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大，并能實現輕量化。另外一個吸引點就是矩陣變頻器去掉了直流電容，矩陣變頻器就能長時間可靠工作。幾個主要的傳動供應商包括安川、富士、羅克韋爾、西門子等都積極地研究了該項技術。然而輿論卻認為:盡管矩陣變頻器具有非常誘人的前景，但是由于成本太高而無法在目前進行商業化應用。
早期的矩陣變換器研究
矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina首先提出了由9個功率開關組成的矩陣式交-交變換器結構，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調節的，但后來發現這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關。他們首次系統地給出了矩陣式變換器低頻特性的數學分析，并且提出了“低頻調制矩陣”的概念。同時，他們提出了一種矩陣式變換器的調制算法，被稱為“直接傳遞函數”方法。
1983年J.Rogriguez將矩陣式變換器在理論上等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統的脈寬調制(pwm)技術分別應用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對雙向開關進行調制，從而實現能量的傳輸和回饋，這種方法也被稱為“間接傳遞函數”方法。
矩陣變換器要求大容量和高速開關頻率并具有雙向關斷能力的功率器件，同時還要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的工藝和技術水平所難以達到的。因此，早期的矩陣變換器的研究大都處于理論研究階段，很少有面向工業實際的研究。
矩陣變換器方案改進
隨著電力電子技術和微機控制技術的不斷發展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學者對矩陣變換器進行了一系列的研究工作，并從不同的角度提出了不同的控制方案。如美國學者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調制方法，該方法根據變換器的開關傳遞函數矩陣由電流連續條件，將其分解為若干矩陣分量，通過分別計算，最后合成得到的調制矩陣。P.D.Ziogas等提出了種間接PWM控制方法，其總體思路是首先將輸入電壓“整流”，產生一個虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個類似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。這些研究基本克服了M.Venturini控制方案的缺點，輸出電壓比、功率因數和輸入電流品質方面都取得了很好的改進，但也存在一些不足之處，如P.D.Ziogas的方案輸出頻率限制在300Hz以下、某些方案的效率不夠高等缺點。
矩陣變換器技術成熟
80年代末、90年代初，南斯拉夫學者L.Huber和美國D.Boroievic教授、日本學者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國學者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術逐漸走向成熟。
L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調制技術的PWM技術，首先根據矩陣變換器的PWM的開關狀態，定義出六邊形開關狀態矢量圖，然后按輸出矢量在任意時刻由其相鄰的開關狀態矢量合成，得到每一采樣周期的開關占空比。連續合成一定角速度旋轉的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過實驗樣機帶三相感應電機作為負載運行，證明了采用空間矢量調制法的矩陣變換器與理論分析相一致。即具有輸入功率因數逼近于1，輸入電流波形好等優點。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調制(svpwm)應用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎上，L.Huber和D.Borojevic于1989年至1995年間，發表了一系列矩陣式變換器的研究結果。
A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。其實質即任一時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時值及輸入電壓的狀態決定。該種技術在改善對變換器開關頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨到之處。當輸入電源不對稱或含有諧波時，其控制函數可以自動修正，而不需要額外的計算，有利于實時控制。但該種控制方案使得輸入功率因數不可隨意控制，但能固定在基本恒定值上。同時這種開關狀態的轉換過程和輸入電流的合成規律較為復雜，在軟件實現上較為復雜。
韓國學者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術對實用升壓九開關MC的動、靜態特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過理論分析和仿真，他們證明了升壓式矩陣變換器不能像其它的理想變換器那樣通過選擇參數獨立控制，功率因數并不總保持1，但可以控制。
1989年，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實現半軟開關換流，將兩個雙向開關之間的換流過程根據電壓相對大小或電流方向信號分為四步進行，有效地避免了換流過程中的短路和斷路故障，實現了真正意義上的安全換流。此后，M.Ziegler和W.Hoffmann于1998年提出了矩陣式變換器“兩步換流”方式，進一步縮短了雙向開關的換流時間。同時，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術用于雙向開關的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據檢測到的電流方向信號和開關通斷狀態利用時序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進的多步換流控制策略，省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測電路。LixiangWei和T.Lipo也在2003年提出了專用于矩陣式變換器的電壓換流方式。這些換流策略的應用，基本上實現了雙向開關的安全運行，為矩陣式變換器應用到實際工業生產中掃清了障礙。
矩陣變換器產業探索
矩陣變換器從1976年提出到現在30年的時間了,國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。
1992年，我國教授莊心復作為訪問學者在美國弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調制方法，并以一臺32位數字信號處理器TMS32014作為控制器，設計并制作了一臺實驗樣機。
1994年弗吉尼亞電力電子中心年會上展出了輸入端具有功率因數校正（PFC）的三相--三相矩陣變換器，該變換器采用數字信號處理器（DSP）實現空間矢量調制，最大輸出2kW，開關頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應電動機，輸入端功率因數為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen在他的博士論文中，以SIEMENSC166為控制器做出了試驗裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問學者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。
早期的矩陣變換器研究
矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina首先提出了由9個功率開關組成的矩陣式交-交變換器結構，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調節的，但后來發現這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關。他們首次系統地給出了矩陣式變換器低頻特性的數學分析，并且提出了“低頻調制矩陣”的概念。同時，他們提出了一種矩陣式變換器的調制算法，被稱為“直接傳遞函數”方法。
1983年J.Rogriguez將矩陣式變換器在理論上等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統的脈寬調制(pwm)技術分別應用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對雙向開關進行調制，從而實現能量的傳輸和回饋，這種方法也被稱為“間接傳遞函數”方法。
矩陣變換器要求大容量和高速開關頻率并具有雙向關斷能力的功率器件，同時還要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的工藝和技術水平所難以達到的。因此，早期的矩陣變換器的研究大都處于理論研究階段，很少有面向工業實際的研究。
矩陣變換器方案改進
隨著電力電子技術和微機控制技術的不斷發展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學者對矩陣變換器進行了一系列的研究工作，并從不同的角度提出了不同的控制方案。如美國學者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調制方法，該方法根據變換器的開關傳遞函數矩陣由電流連續條件，將其分解為若干矩陣分量，通過分別計算，最后合成得到的調制矩陣。P.D.Ziogas等提出了種間接PWM控制方法，其總體思路是首先將輸入電壓“整流”，產生一個虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個類似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。這些研究基本克服了M.Venturini控制方案的缺點，輸出電壓比、功率因數和輸入電流品質方面都取得了很好的改進，但也存在一些不足之處，如P.D.Ziogas的方案輸出頻率限制在300Hz以下、某些方案的效率不夠高等缺點。
矩陣變換器技術成熟
80年代末、90年代初，南斯拉夫學者L.Huber和美國D.Boroievic教授、日本學者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國學者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術逐漸走向成熟。
L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調制技術的PWM技術，首先根據矩陣變換器的PWM的開關狀態，定義出六邊形開關狀態矢量圖，然后按輸出矢量在任意時刻由其相鄰的開關狀態矢量合成，得到每一采樣周期的開關占空比。連續合成一定角速度旋轉的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過實驗樣機帶三相感應電機作為負載運行，證明了采用空間矢量調制法的矩陣變換器與理論分析相一致。即具有輸入功率因數逼近于1，輸入電流波形好等優點。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調制(svpwm)應用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎上，L.Huber和D.Borojevic于1989年至1995年間，發表了一系列矩陣式變換器的研究結果。
A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。其實質即任一時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時值及輸入電壓的狀態決定。該種技術在改善對變換器開關頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨到之處。當輸入電源不對稱或含有諧波時，其控制函數可以自動修正，而不需要額外的計算，有利于實時控制。但該種控制方案使得輸入功率因數不可隨意控制，但能固定在基本恒定值上。同時這種開關狀態的轉換過程和輸入電流的合成規律較為復雜，在軟件實現上較為復雜。
韓國學者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術對實用升壓九開關MC的動、靜態特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過理論分析和仿真，他們證明了升壓式矩陣變換器不能像其它的理想變換器那樣通過選擇參數獨立控制，功率因數并不總保持1，但可以控制。
1989年，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實現半軟開關換流，將兩個雙向開關之間的換流過程根據電壓相對大小或電流方向信號分為四步進行，有效地避免了換流過程中的短路和斷路故障，實現了真正意義上的安全換流。此后，M.Ziegler和W.Hoffmann于1998年提出了矩陣式變換器“兩步換流”方式，進一步縮短了雙向開關的換流時間。同時，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術用于雙向開關的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據檢測到的電流方向信號和開關通斷狀態利用時序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進的多步換流控制策略，省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測電路。LixiangWei和T.Lipo也在2003年提出了專用于矩陣式變換器的電壓換流方式。這些換流策略的應用，基本上實現了雙向開關的安全運行，為矩陣式變換器應用到實際工業生產中掃清了障礙。
矩陣變換器產業探索
矩陣變換器從1976年提出到現在30年的時間了,國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。
1992年，我國教授莊心復作為訪問學者在美國弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調制方法，并以一臺32位數字信號處理器TMS32014作為控制器，設計并制作了一臺實驗樣機。
1994年弗吉尼亞電力電子中心年會上展出了輸入端具有功率因數校正（PFC）的三相--三相矩陣變換器，該變換器采用數字信號處理器（DSP）實現空間矢量調制，最大輸出2kW，開關頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應電動機，輸入端功率因數為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen在他的博士論文中，以SIEMENSC166為控制器做出了試驗裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問學者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。
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