矩阵式变频技术应用于电梯的研究

摘 要：变频器作为一种电气控制元件广泛应用在了现代电梯的控制系统中，并以其启动平稳、调速精确、高效节能的优点成为了机电设备控制系统的发展方向。近年来出现了一种新型的变频控制技术――矩阵式变频器，它的出现将带来变频电梯控制技术的二次革命。本文介绍了矩阵变换器及矩阵式变频技术，通过与传统的交交变频器和交直交变频器的对比，分析了矩阵式变频器的优点，并就矩阵式变频器在电梯上的应用进行了详细的研究。结合电梯技术的发展趋势，探讨了矩阵式变频器的发展前景。

关键词：矩阵变换器；变频器；电梯

引言

近年来，采用变频调速技术作为控制系统的变频电梯成为了我国电梯市场的主流，凭借其先进的技术特性及良好的性能，提高了乘客的舒适度，降低了电梯的能耗，引领了电梯控制技术的一次革命。然而，变频器作为核心控制元件的系统中普遍有晶闸管、整流二极管及大功率IGBT开关等非线性元器件，在使用中会产生大量谐波，不可避免的会对周围的元器件产生一定的谐波干扰。不仅会影响电气设备的正常运行，还会引起电网中局部的串联或并联谐振，对电梯的安全性有一定的危害。为了消除谐波干扰的影响，电梯行业的科研技术人员做了大量的工作，虽然能够将危害降到最低，但都无法找到一种彻底解决这一难题的方法。就在广大科研人员努力寻找突破口的同时，矩阵变换器的出现为解决这一难题打开了一扇门。

1.矩阵变换器简介

矩阵变换器是一种直接变换型的交流-交流电力变换装置，由九个双向开关排成三行三列的矩阵，故称矩阵变换器。作为一种具有优良控制特性和广阔发展前景的新型变频装置，它的研究工作在国内外引起了广泛的关注，在部分领域展开了应用。由于矩阵变换器即可以达到高效节能的效果，又能避免传统变频器的谐波干扰，因此非常适合代替传统变频器作为新型的变频电梯控制系统。

矩阵变换器属于电力变换器，其电路是一种新型的拓扑结构，如图1所示。整个电路系统包含两级变换电路，分别是交-直（整流）变换电路和直-交（逆变）变换电路。这两套变换电路均采用双向开关，由交流三相变换到直流三相。

图1

2.矩阵变换器优势分析

传统的变频器主电路一般由交-直-交组成，输入电源经三相桥路晶闸管整流成直流电压信号后，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关器件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路及逆变回路中，电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和高次谐波，其中高次谐波不仅会干扰供电系统，而且干扰邻近电气设备，这就是变频器的谐波干扰。而先进的矩阵变换器的输入电流和输出电压为规则的正弦波形，产生的谐波干扰非常小，甚至可以忽略不急，从根本上避免了传统变频器的谐波干扰，更适合应用于变频电梯的控制系统。

由于矩阵式变频器采用呈矩阵式排列的双向可控开关，内部不含任何能耗元件，再加上可控开关的双向作用，使能量能够双向流动，便于电机实现四象限运行，输出电压幅值和频率宽范围连续可调。因此，新型矩阵式变频器控制系统结构简单，无储能元件，省去了中间的直流环节，传递能量效率高，有传统变频器不可比拟的优势。

3.矩阵式变频器在电梯上的应用

矩阵式变频器控制电梯的原理可通过对电压频率的分析进行研究。对于单相交流电压来说，输出电压uo为

式中Tc―开关周期；ton―个开关周期内开关导通时间；σ―占空比；us―单相交流电压

由公式可知，不同的开关周期中采用不同的单相交流电压，可得到频率和波形都不同的输出电压。单相交流电压波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有单相电压阴影部分，因此输出电压将受到很大局限，无法得到所需输出波形。如果把输入改为三相，就可利用三相相电压包络线中所有的阴影部分，理论上来说所构造的电压的频率可不受限制。

矩阵式变频器应用于电梯的控制方法主要有三种。第一种为直接变换法，是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的方式进行变换，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。另一种方法为电流跟踪法，这种方法是将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的开关频率不够稳定、谐波随机分布，且输入电流波形不够理想、存在较大的谐波的缺点。第三种方法为空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交―直―交等效变换法，是基于空间矢量变换的一种方法，它将交―交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采用目前流行的高频整流和高频波形合成技术，变频器的性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是目前在矩阵式变频器电梯控制技术中研究较多也是较为成熟的一种控制方法，既能控制输出波形，又能控制输入电流波形，可改变输入功率因数。

4.矩阵式变频器应用于电梯的发展前景

新型矩阵式变频器作为变频电梯的控制系统，可以达到平稳起停、精确调速、避免干扰、降低能耗的作用。与传统变频器相比，矩阵式变频器控制系统能够使整个电力拖动系统动静态性能得到提高，将电梯运行过程中产生的谐波干扰降到最低，完美的解决了一直以来困扰着广大电梯技术人员的问题。因此我们可以大胆的推测，在不远的将来，矩阵式变频器将替换传统变频器，成为变频电梯控制系统的主流元件，带领电梯行业进入后变频时代。

参考文献：

[1]陆海慧，陈伯时，夏承光.矩阵式交交变换器[J].电力电子技术，1997（1）：105-108.

[2]王建华，高海生.矩阵变频器研究综述[J].科技广场，2006（2）

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