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(qū)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(jié)構(gòu)，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方式，并用MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了原理的正確性。
      關(guān)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?qū)⒛骋活l率的交流功率直接轉(zhuǎn)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(shí)踐的各個(gè)方面都進(jìn)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(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有所增長[4,5,6]。當(dāng)前半導(dǎo)體閘流管控制周波變換器已經(jīng)可以應(yīng)用在大功率中，如電力牽引、變頻調(diào)速、恒頻功率供給、交流系統(tǒng)的可控?zé)o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?fù)鋄3]。大部分文章主要研究三電平的電路拓?fù)鋄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(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[12,13]。
      本文的周波變換器采用SPMC結(jié)構(gòu)，并用MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。采用了IGBT作為開關(guān)，仿真中采用SPWM技術(shù)控制和純電阻負(fù)載。
 

      1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      周波變換器是以單相或三相輸入產(chǎn)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(gè)變換器實(shí)現(xiàn)類似Ｈ橋變換器的功能，結(jié)構(gòu)如圖1所示?！?/p>

圖1　傳統(tǒng)單相橋式周波變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 

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

      2 正弦脈寬調(diào)制
      正弦脈寬調(diào)制是電力電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用的調(diào)制技術(shù)，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(shí)現(xiàn)。交叉點(diǎn)決定開關(guān)換相。

圖4 SPWM

      參考信號 與三角波 的比就是調(diào)制系數(shù) 。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(diào)制系數(shù)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(guān)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(guān)操作持續(xù)時(shí)間而改變。設(shè)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(qū)動電路的時(shí)間間隔和狀態(tài)決定開關(guān)順序，如表1所示（單周期）。
表1 開關(guān)順序
 

      4個(gè)雙向開關(guān) （i=1，2，3，4。j=a，b）。其中a和b分別表示驅(qū)動1和驅(qū)動2，規(guī)則如下：
      1）任何時(shí)間，只有兩個(gè)開關(guān)（i=1，4。j=a）導(dǎo)通，電流從輸入端正半周流動（狀態(tài)1）。
      2）任何時(shí)間，只有兩個(gè)開關(guān)（i=1，4。j=b）導(dǎo)通，電流從輸入端負(fù)半周流動（狀態(tài)2）。
      3）任何時(shí)間，只有兩個(gè)開關(guān)（i=2，3。j=b）導(dǎo)通，電流從輸入端正半周流動（狀態(tài)3）。
      4）任何時(shí)間，只有兩個(gè)開關(guān)（i=2，3。j=a）導(dǎo)通，電流從輸入端負(fù)半周流動（狀態(tài)4）。
上面規(guī)則對應(yīng)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(qū)動信號產(chǎn)生電路，如圖11所示。

圖11驅(qū)動信號產(chǎn)生電路
     

      兩個(gè)正弦波模塊用于產(chǎn)生兩個(gè)正弦參考信號 和 。正弦波模塊與常數(shù)模塊相乘代表調(diào)制系數(shù)，通過改變常數(shù)的值就可以改變其幅值。正弦波與三角波通過比較器產(chǎn)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(shí)現(xiàn)要求的開關(guān)狀態(tài)。方波代表希望的輸出頻率。周波變換器最終的開關(guān)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(guān)狀態(tài)（25Hz）

      4 仿真結(jié)果
      純電阻情況下，MATLAB的仿真結(jié)果如圖13所示。所用參數(shù)如表2所示
表2 仿真參數(shù)

(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(jié)果

      5 結(jié)論
      用MATLAB對基于SPMC的周波變換器進(jìn)行了仿真和分析，并應(yīng)用SPWM控制方式實(shí)現(xiàn)輸出頻率的升高和降低。
    

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