矩阵变换式AC/AC直接变频

　　一、从AC/AC直接变频说起

   　　异步电动机的调速可以有很多种方法，其中变频调速是比较优秀的一种方法。它的理论基于电动机的转速公式：

　　n=(1 - S)no   no=60f/P    其中= n_异步电动机的转速；n0＿同步转速，即旋转磁场的转速；S-转差率，S=(no - n)/n0;f_电源频率；P-旋转磁场的磁极对数。

　　由公式可知当磁极对数P不变时，改变频率f就可以改变电动机的转速，这就是变频调速。

　　变频调速如果按变换环节可分为交一交直接变频和交一直一交变频两大类。其中交一直一交变频是先把50赫兹的工频通过整流变成直流，然后再通过逆变把直流变成频率、幅值可变的交流电去驱动电动机。它的显着优点是频率调节范围宽，但也有缺点，就是存在一个直流中间环节，因此效率低。而交一交变频是把50赫兹的工频直接变换成另外频率的交流电。下面以下图的分频规律为例说明单相交流AC/AC直接变频（分频）的实现方法。

　　由图可知，只要对工频的半周波进行控制，就可以实现整数倍分频。比如进行二分频，只要能按二分频的波形图在连续输出两个正半周后，接着连续输出两个负半周就可以实现。可以看出，分频后的正半周时间变为20ms，负半周时间也变为20ms，一个周期为40ms，频率变为50Hz的二分之一，即25Hz，从而实现了二分频。要实现这样的分频，就需要一种变换电路，当然可以有多种方法，其中包括所谓的矩阵变换。单相矩阵变换电路的电路结构如下图所示。

　　由图可知，这个矩阵由4只双向开关和输入、输出电路组成。通过4只开关接通的不同组合，可以控制输出电流的流向，从而搬动交流输入某个半周至图1横轴中的上方或下方，即实现分频。显然，这种变频方法无需整流环节，属于交一交直接变频，有时把这种经矩阵变换的直接变频也称为矩阵变频。它的特点是：无中间直流环节，效率高：功率密度大并且可以双向传输：可以四象限运行：输出波形好，谐波含量小；功率因数高：同一个主电路，采用不同的控制规律，可实现AC/AC、AC/DC、DC/AC、DC/DC的变换。图中的双向开关可以选用IGBT，在没有高频PWM斩控的过零控制时也可以选用双向晶闸管。

　　二、单相矩阵变频

　　上图是单相矩阵变频的主电路。

　　它由4只双向晶闸管组成，也可以用其它双向开关。这种二分频电路的原理本质上就是半周波控制的特殊整流。由图1可知，控制电路要保证输入交流的第一个周波的正半周（ui上正．下负）触发开关K1、K4，电流由输入正端一Kl→负载一K4回到输入负端，输出正向电流：而第一个周波的负半周（ui上负、下正）触发开关K2、K3，电流由输入正端一K2一负载一K3回到输入负端，也输出正向电流；第二个周波的正半周电流要换向，触发开关K3、K2，输出负向电流：第二个周波的负半周电流流向不变，这时开关K4、K1触发导通，第二个周波的电流流向不再叙述，后边的周波按上述循环进行。

　　按上述要求，四只双向开关的控制时序如上图所示。

　　根据时序图，有控制电路如上图。

　　上图的控制电路由取样变压器B1，过零比较器IC1，微分电路C1、R1、D1、C2、R2、D2，D触发器IC2，组合门电路IC3、IC4、IC5，三极管驱动电路，触发变压器82、B3等组成。B1进行输入取样，IC1将取样信号变换为与输入同频同相的方波，A点为IC1输出上升沿的正微分，B点为IC1输出反相后上升沿的正微分，lC1输出经D触发器二分频，并用其输出与IC3、IC4、IC5按图3组合形成控制逻辑。这是一个二分频的例子，按着同样的方法可以实现3分频、4分频……为了简化硬件电路，可采用单片机实现。其框图见下图。

      三、三相矩阵变频

　　三相矩阵变频电路见上图a为矩阵图b为实际矩阵主电路。二分频的波形图见下图，图中阴影部分为实际输出波形，uoa、uob、uoc为模拟输出波形。

　　三相变频主电路由9只双向开关的矩阵组成。它的工作原理与单相变频相同，只不过复杂一些而已。由图a、b可知，三相电源的输入为L1、L2、L3，U L1-L2为A相，U L2-L3为B相，UL3-L1为C相，变频输出为U、V、W。

　　先以二分频为例，说明主电路各开关的动作过程。

　　A相各开关的动作如下：

　　第1个正半周，不需倒向，电流流向为L1一K2一U—RL—V—K5—L2，K2、K5接通，输出U+、V一；第1个负半周，应倒向输出，电流流向为L2一K3一U—RL一V一K1一L1，K3、K1接通，输出仍为U+、V-；第2个正半周，应倒向输出，电流流向为L1一K1一V—RL—U—K3一L2，K1、K3接通，输出为V+、U-；第2个负半周，不需倒向，电流流向为L2一K5一V—RL—U—K2一L1，K5、K2接通，输出仍为V+、U-;以上完成A相的二分频。可以看出，有规律是：K2、K5( K5、K2)接通是不倒向输出：而K1、K3( K3、Kl)接通是倒向输出。    B相各开关的动作如下：

　　第1个正半周，不需倒向，电流流向为L2一K5一V—RL—W一K8一L3,K5、K8接通，输出V+、W-；第1个负半周，应倒向输出，电流流向为L3一K6一V—RL—W—K4一L2，K6、K4接通，输出仍为V+、w-；第2个正半周，应倒向输出，电流流向为L2- K4一W一RL—V一K6一L3，K4、K6接通，输出为W+、V-；第2个负半周，不需倒向，电流流向为L3一K8一W—RL—V一K5一L2，K8、K5接通，输出仍为W+、V-；以上完成B相的二分频。可以看出，有规律是：K5、K8( K8、K5)接通是不倒向输出：而K6、K4( K4、K6)接通是倒向输出．C相各开关的动作如下：

　　第1个负半周，不需倒向，电流流向为L1一K2一U一RL一W—K8一L3，K2、K8接通，输出为U+、W-：

　　第1个正半周，不需倒向，电流流向为L3一K8一W—RL一U一K2一L1，K8、K2接通，输出W+、U-；第2个负半周，应倒向输出，电流流向为L1一K9一W—RL一U—K7一L3，K9、K7接通，输出仍为w+、U-；第2个正半周，应倒向输出，电流流向为L3一K7一U一RL一W—K9一L1，K7、K9接通，输出为U+、W-：

　　以上完成C相的二分频。可以看出，有规律是：K2、K8( K8、K2)接通是不倒向输出：而K9、K7( K7、K9)接通是倒向输出，    可以看出，各相正负半周的触发顺序是：A+一C-一B+一A-一C+一B-三分频及其它整数分频与以上分析类似，不再赘述。当不需要分频即工频工作时，只要接通K2、K5、K8即可。另外，这种分频方法能够保证三相相位平衡，即三相相位互差1 200。一般的，在额定频率以下调速时都采用V／F=C的恒压频比方式，在降频的同时也要降压。在这里，可以根据不同的分频系数，采用不同的PWM占空比进行斩控调压，或者引入不同的调相角进行相控调压。采用微电脑的2-10分频矩阵变频硬件框图如下图所示。

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