摘要：單相周波變換器常用于AC/AC功率變換系統(tǒng)，特別是交流驅動系統(tǒng)的速度控制。本文的周波變換器采用單相矩陣變換器（SPMC）結構，正弦脈寬調制（SPWM）方式，并用MATLAB/Simulink仿真驗證了原理的正確性。
      關鍵詞：周波變換器；SPWM;MATLAB 

Simulation of single-phase cycloconverter

                     WU huimei  CHEN yongjun
   

（school of electric eng,southwest jiaotong university,chengdu610031,china）

      abstract：singl-phase cycloconverters are used for AC/AC power conversion, especially for speed control of AC drives. In this work the single-phase matrix converter(SPMC) topology is used for cycloconverter operation, and the well-known sinusoidal pluse width modulation(SPWM) scheme is used in this instance,also the cycloconverter is simulated by MATLAB.
      keywords：cycloconverter；SPWM;  MATLAB
      周波變換器能夠將某一頻率的交流功率直接轉換為另一頻率的功率而不需要中間的直流環(huán)節(jié)。在70年代，周波變換器理論和實踐的各個方面都進行了討論[1,2,3]。在80年代，基于微處理器的控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得周波變換器的應用經驗有所增長[4,5,6]。當前半導體閘流管控制周波變換器已經可以應用在大功率中，如電力牽引、變頻調速、恒頻功率供給、交流系統(tǒng)的可控無功功率供給等。
      矩陣變換器（MC）用于交交變換可以省去傳統(tǒng)整流變換器系統(tǒng)中的電抗儲能部分[7]。Gyugyi于1976年首先描述了這種拓撲[3]。大部分文章主要研究三電平的電路拓撲[8,9,10]。單相矩陣變換器由Zuckerberger首先提出[11]，其他文章里也都不包含實驗的驗證[12,13]。
      本文的周波變換器采用SPMC結構，并用MATLAB進行了仿真驗證。采用了IGBT作為開關，仿真中采用SPWM技術控制和純電阻負載。
 

      1系統(tǒng)結構
      周波變換器是以單相或三相輸入產生單相或三相交流輸出。傳統(tǒng)的周波變換器由一對或多對背靠背連接的可控整流器組成分別叫做P變換器和N變換器，每個變換器實現類似Ｈ橋變換器的功能，結構如圖1所示?！?/p>

圖1　傳統(tǒng)單相橋式周波變換器拓撲結構 

      相比較而言，SPMC（單相矩陣變換器）作為周波變換器應用時需要4個雙向開關，如圖2所示。它要求雙向開關在每個方向都可以阻斷電壓和傳導電流，用發(fā)射級反并聯IGBT和二極管組成，如圖3所示。二極管提供開關模塊反向阻斷能力，IGBT具有高頻開關能力和大電流承載能力。

      2 正弦脈寬調制
      正弦脈寬調制是電力電子技術中廣泛應用的調制技術，原理如圖4所示。通過高頻三角載波 與希望得到正弦參考信號 相比來實現。交叉點決定開關換相。

圖4 SPWM

      參考信號 與三角波 的比就是調制系數 。輸出電壓的基波成分大小與  成比例。三角波 的幅值保持恒定。改變調制系數就可以控制輸出電壓。
周波變換器的輸出想要得到期望頻率需要不同的雙向開關排列。變換器的輸出電壓由SPWM控制，但變換器頻率隨控制開關操作持續(xù)時間而改變。設定輸入電壓頻率為50Hz，希望的輸出頻率為25Hz和12.5Hz，如圖5所示。

圖5 (a)輸入50Hz (b)輸出25Hz (c)輸出12.5Hz

      驅動電路的時間間隔和狀態(tài)決定開關順序，如表1所示（單周期）。
表1 開關順序
 

      4個雙向開關 （i=1，2，3，4。j=a，b）。其中a和b分別表示驅動1和驅動2，規(guī)則如下：
      1）任何時間，只有兩個開關（i=1，4。j=a）導通，電流從輸入端正半周流動（狀態(tài)1）。
      2）任何時間，只有兩個開關（i=1，4。j=b）導通，電流從輸入端負半周流動（狀態(tài)2）。
      3）任何時間，只有兩個開關（i=2，3。j=b）導通，電流從輸入端正半周流動（狀態(tài)3）。
      4）任何時間，只有兩個開關（i=2，3。j=a）導通，電流從輸入端負半周流動（狀態(tài)4）。
上面規(guī)則對應圖6至圖9。 

      3 仿真模型
      周波變換器仿真模型：

圖10 周波變換器主電路模型
 

       驅動信號產生電路，如圖11所示。

圖11驅動信號產生電路
     

      兩個正弦波模塊用于產生兩個正弦參考信號 和 。正弦波模塊與常數模塊相乘代表調制系數，通過改變常數的值就可以改變其幅值。正弦波與三角波通過比較器產生的“0”和“1”信號代表SPWM脈沖信號。
      狀態(tài)選擇部分如表1所示實現要求的開關狀態(tài)。方波代表希望的輸出頻率。周波變換器最終的開關狀態(tài)由SPWM的輸出與狀態(tài)選擇相乘，如圖12所示。
 

圖12 開關狀態(tài)（25Hz）

      4 仿真結果
      純電阻情況下，MATLAB的仿真結果如圖13所示。所用參數如表2所示
表2 仿真參數

(a) 輸出25Hz， =0.7
 

（b）輸出25Hz， =1.0

（c）輸出100Hz， =0.
 
（d）輸出100Hz， =1.0
圖13 MATLAB仿真結果

      5 結論
      用MATLAB對基于SPMC的周波變換器進行了仿真和分析，并應用SPWM控制方式實現輸出頻率的升高和降低。
    

      參考文獻
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