近10年来,由于功率半导体器件技术的发展,矩阵变换器的实用化进入了一个全新的阶段。2001年,欧洲EUPEC公司成功开发出矩阵变换器专用开关矩阵模块。开关器件采用35A IGBT和快恢复二极管,大大缩小了电路体积,提高了抗干扰能力,降低了变换器控制难度。2001年,德国西门子公司提出了一整套用于工业驱动控制的矩阵变换器解决方案。丹麦奥尔堡大学电力电子研究中心多年来一直致力于矩阵变换器的研发。2002年,开发出适合工业化生产的矩阵变换器样机。日本富士电机公司也在2003年开发了矩阵变换器的反向电阻IGBT模块,并在2004年利用该模块成功开发了22kW矩阵变换器样机。安川电机公司在2004年4月的汉诺威国际展览会上展示了将要生产的矩阵逆变器的原型。安川矩阵逆变器有9个开关,每个开关由2个IGBT双向开关组成,可以允许直流电压和负相电压传到电机。其容量覆盖5.5~22kW,最终计划达到75kW。2004年,英国诺丁汉大学的研究人员成功开发了150kVA矩阵变换器驱动的异步电机驱动系统。但是很遗憾,没有一家逆变器企业量产矩阵逆变器。
我国对矩阵变换器的研究起步较晚。基本上,自20世纪90年代以来,南京航空航天大学、Xi交通大学、上海大学和哈尔滨工业大学相继开展了这项研究工作,并取得了显著的成果,达到了一定的水平。
1994年,南京航空航天大学庄新福教授向国内同行介绍了矩阵变换器后,各大学开始研究矩阵变换器。
1997年,南京航空航天大学庄新富、穆新华在国内期刊上介绍了n×m矩阵变换器的一般拓扑和双向开关的结构,分析了基于瞬时电压调制技术的三相交-交矩阵变换器的开关状态和控制规律。
1998年,上海大学的陈和卢海辉等。通过将矩阵变换器等效为AC-DC-AC变换器,采用逆变器中广泛应用的空间矢量PWM调制技术,以80C196KC为控制器,IGBT为开关器件,采用四步换相法成功制作了三相AC-AC矩阵变换器实验装置。
999年至2000年,福州大学唐宁平、方、邱培基对电流滞环跟踪控制模式下三相矩阵变换器的开关函数进行了分析推导,提出了变换器控制系统的实现方案。获得了三相感性负载条件下电流波形和频谱分析的实验结果,并成功研制了恒频采样电流跟踪控制矩阵变换器样机,作为交流励磁感应发电机的励磁机。
2000年,哈尔滨工业大学的陈希友和陈学云将Park变换技术应用于基于空间矢量调制的矩阵变换器,建立了矩阵变换器的线性稳态等效电路模型,得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。利用该模型分析了带输入滤波的矩阵变换器的瞬态响应特性。同时推导了响应的伴随网络模型,并用伴随网络法分析了电压增益的灵敏度。
001年,清华大学黄教授领导的课题组开始研究矩阵变换器及其在高性能交流调速系统中的应用。分别采用IGBT单管模块、逆阻IGBT和智能功率模块(IPM)设计并研制了三相-三相矩阵变换器实验样机,并研制了一台采用逆阻IGBT的三相-单相矩阵变换器样机。
2002年,王毅、陈锡友和徐殿国提出了基于双电压合成的矩阵变换器闭环控制方法。根据矩阵变换器实际输出电压与期望输出电压的偏差,计算实际占空比与理想占空比的偏差,并将该偏差作为负反馈加入到下一个采样周期的占空比中,从而实现系统的闭环控制。
此外,2001年,华中科技大学还提出了一种新型的三相-三相矩阵变换器。2002年,浙江大学的何宜康等人提出了矩阵变换器在风力发电中的应用。2003年,湘潭大学的朱建林等人开始研究如何提高矩阵变换器的电压传输比。Xi交通大学的王儒文等。,通过数学推导得到矩阵变换器调制函数的一般解形式,可以从不同角度反映变换器的传输性能,可以根据实际系统的变换和传输要求优化开关调制规律。开关时间算法比原来的算法简单。
目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面:(1)在理论研究上,要继续探讨电压传输比的提高和新的调制策略,也可以结合智能控制的相关理论,如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等。(2)在实际应用研究中具有实用性和产业化,如可靠换流的实现和保护、双向开关的实现和封装、输入滤波器的设计等。
总的来说,矩阵变换器是随着电路电子技术的发展而发展的,但目前国内对矩阵变换器的研究开发还处于理论研究和实验室样机阶段,尚未形成实用的成熟产品。