矩陣式變頻技術(shù)應(yīng)用于電梯的研究

王木菊

摘 要：變頻器作為一種電氣控制元件廣泛應(yīng)用在了現(xiàn)代電梯的控制系統(tǒng)中，并以其啟動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速精確、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)成為了機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型的變頻控制技術(shù)——矩陣式變頻器，它的出現(xiàn)將帶來(lái)變頻電梯控制技術(shù)的二次革命。本文介紹了矩陣變換器及矩陣式變頻技術(shù)，通過(guò)與傳統(tǒng)的交交變頻器和交直交變頻器的對(duì)比，分析了矩陣式變頻器的優(yōu)點(diǎn)，并就矩陣式變頻器在電梯上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。結(jié)合電梯技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，探討了矩陣式變頻器的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：矩陣變換器；變頻器；電梯

引言

近年來(lái)，采用變頻調(diào)速技術(shù)作為控制系統(tǒng)的變頻電梯成為了我國(guó)電梯市場(chǎng)的主流，憑借其先進(jìn)的技術(shù)特性及良好的性能，提高了乘客的舒適度，降低了電梯的能耗，引領(lǐng)了電梯控制技術(shù)的一次革命。然而，變頻器作為核心控制元件的系統(tǒng)中普遍有晶閘管、整流二極管及大功率IGBT開(kāi)關(guān)等非線(xiàn)性元器件，在使用中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，不可避免的會(huì)對(duì)周?chē)脑骷a(chǎn)生一定的諧波干擾。不僅會(huì)影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，對(duì)電梯的安全性有一定的危害。為了消除諧波干擾的影響，電梯行業(yè)的科研技術(shù)人員做了大量的工作，雖然能夠?qū)⑽：档阶畹停紵o(wú)法找到一種徹底解決這一難題的方法。就在廣大科研人員努力尋找突破口的同時(shí)，矩陣變換器的出現(xiàn)為解決這一難題打開(kāi)了一扇門(mén)。

1.矩陣變換器簡(jiǎn)介

矩陣變換器是一種直接變換型的交流-交流電力變換裝置，由九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)排成三行三列的矩陣，故稱(chēng)矩陣變換器。作為一種具有優(yōu)良控制特性和廣闊發(fā)展前景的新型變頻裝置，它的研究工作在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注，在部分領(lǐng)域展開(kāi)了應(yīng)用。由于矩陣變換器即可以達(dá)到高效節(jié)能的效果，又能避免傳統(tǒng)變頻器的諧波干擾，因此非常適合代替?zhèn)鹘y(tǒng)變頻器作為新型的變頻電梯控制系統(tǒng)。

矩陣變換器屬于電力變換器，其電路是一種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。整個(gè)電路系統(tǒng)包含兩級(jí)變換電路，分別是交-直（整流）變換電路和直-交（逆變）變換電路。這兩套變換電路均采用雙向開(kāi)關(guān)，由交流三相變換到直流三相。

圖1

2.矩陣變換器優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)的變頻器主電路一般由交-直-交組成，輸入電源經(jīng)三相橋路晶閘管整流成直流電壓信號(hào)后，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)器件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路及逆變回路中，電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅里葉級(jí)數(shù)分解為基波和高次諧波，其中高次諧波不僅會(huì)干擾供電系統(tǒng)，而且干擾鄰近電氣設(shè)備，這就是變頻器的諧波干擾。而先進(jìn)的矩陣變換器的輸入電流和輸出電壓為規(guī)則的正弦波形，產(chǎn)生的諧波干擾非常小，甚至可以忽略不急，從根本上避免了傳統(tǒng)變頻器的諧波干擾，更適合應(yīng)用于變頻電梯的控制系統(tǒng)。

由于矩陣式變頻器采用呈矩陣式排列的雙向可控開(kāi)關(guān)，內(nèi)部不含任何能耗元件，再加上可控開(kāi)關(guān)的雙向作用，使能量能夠雙向流動(dòng)，便于電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，輸出電壓幅值和頻率寬范圍連續(xù)可調(diào)。因此，新型矩陣式變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)儲(chǔ)能元件，省去了中間的直流環(huán)節(jié)，傳遞能量效率高，有傳統(tǒng)變頻器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.矩陣式變頻器在電梯上的應(yīng)用

矩陣式變頻器控制電梯的原理可通過(guò)對(duì)電壓頻率的分析進(jìn)行研究。對(duì)于單相交流電壓來(lái)說(shuō)，輸出電壓uo為

式中Tc—開(kāi)關(guān)周期；ton—個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；σ—占空比；us—單相交流電壓

由公式可知，不同的開(kāi)關(guān)周期中采用不同的單相交流電壓，可得到頻率和波形都不同的輸出電壓。單相交流電壓波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有單相電壓陰影部分，因此輸出電壓將受到很大局限，無(wú)法得到所需輸出波形。如果把輸入改為三相，就可利用三相相電壓包絡(luò)線(xiàn)中所有的陰影部分，理論上來(lái)說(shuō)所構(gòu)造的電壓的頻率可不受限制。

矩陣式變頻器應(yīng)用于電梯的控制方法主要有三種。第一種為直接變換法，是通過(guò)對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波來(lái)合成“輸出電壓”的方式進(jìn)行變換，它可以分為坐標(biāo)變換法、諧波注入法、等效電導(dǎo)法及標(biāo)量法，這些方法雖各有一定的優(yōu)越性，但也存在一定的問(wèn)題，限制了它們的應(yīng)用范圍。另一種方法為電流跟蹤法，這種方法是將三相輸出電流信號(hào)與實(shí)測(cè)的輸出電流信號(hào)相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當(dāng)前的開(kāi)關(guān)電源狀態(tài)決定開(kāi)關(guān)動(dòng)作，它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、魯棒性好等特點(diǎn)，但也有滯環(huán)電流共有的開(kāi)關(guān)頻率不夠穩(wěn)定、諧波隨機(jī)分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波的缺點(diǎn)。第三種方法為空間矢量調(diào)制技術(shù)，又稱(chēng)為間接變換法、交—直—交等效變換法，是基于空間矢量變換的一種方法，它將交—交變換虛擬為交直和直交變換，這樣便可采用目前流行的高頻整流和高頻波形合成技術(shù)，變頻器的性能可以得到較大的改善。當(dāng)然具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是將整流和逆變一步完成的，諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為復(fù)雜，缺少有效的動(dòng)態(tài)理論分析支持。它是目前在矩陣式變頻器電梯控制技術(shù)中研究較多也是較為成熟的一種控制方法，既能控制輸出波形，又能控制輸入電流波形，可改變輸入功率因數(shù)。

4.矩陣式變頻器應(yīng)用于電梯的發(fā)展前景

新型矩陣式變頻器作為變頻電梯的控制系統(tǒng)，可以達(dá)到平穩(wěn)起停、精確調(diào)速、避免干擾、降低能耗的作用。與傳統(tǒng)變頻器相比，矩陣式變頻器控制系統(tǒng)能夠使整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能得到提高，將電梯運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波干擾降到最低，完美的解決了一直以來(lái)困擾著廣大電梯技術(shù)人員的問(wèn)題。因此我們可以大膽的推測(cè)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，矩陣式變頻器將替換傳統(tǒng)變頻器，成為變頻電梯控制系統(tǒng)的主流元件，帶領(lǐng)電梯行業(yè)進(jìn)入后變頻時(shí)代。

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