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矩阵式变频器原理及其电气应用前景【摘要】矩阵式变频器是一种新型的交- 交直接电力变换器，本文首先介绍矩阵式变频器的电路结构，然后简述两种主要的控制方法，最后通过其优点描述矩阵式变频器在电气工程领域的应用前景。
0 引言：矩阵变频器（Matrix Converter ）作为一种新型的交- 交直接电力变换器，在M.Venturini 及Huber.L 各自提出两种有效的开关控制策略后，其特点已为人们所关注。
和传统的交-直- 交以及相控式交-交变频器相比，它具有如下优点：（1）无中间直流环节，能量直接传递，传输效率高；（2）可获得正弦波的输入电流和输出电压，无低次谐波，高次谐波较少；（3）输入功率因数可任意调节，且与负载功率因数无关；（4）能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统；（5）控制自由度大，与相控式交- 交变频相比，输出频率不受输入电源频率的限制。
1 矩阵式变频器拓扑结构：图1 所示为三相- 三相矩阵式变频器的电路结构。
该电路拓扑中含有9个双向开关（图2）S11〜S13, S21〜S23, S31〜S33;通过对这9个双向开关的逻辑控制，可实现对电源的电压和频率的变换，从而向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。
即：对一组频率为的三相输入电压，通过一定的规则控制变频器中的功率开关，可以合成所需频率为的三相输出电压，，式中不同的变换矩阵的确定方法就是各种矩阵式变频器的控制策略。
2 矩阵式变频器的控制原理：2.1 基于开关函数的Venturini 法：对于图1所示的三相-三相矩阵式变频器，将S11〜S13, S21〜S23,S31〜S33这9个双向开关的逻辑控制看作一个3X3的矩阵函数，则输出相电压与输入相电压之间的关系可用式1 表示。
根据矩阵理论，满足式1，式2 的矩阵和有无穷个。
基于开关函数的Venturini 法就是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束条件下，得出最优化的矩阵和，使矩阵变频器中相关的一组功率开关各自的占空比由一个连续函数或分段连续函数来表示，利用精确的数学表达式来确定开关的具体动作。
机器人学变换矩阵-概述说明以及解释1.引言1.1 概述机器人学是研究机器人的机械结构、运动规划、感知与控制等方面的学科。
作为人工智能和自动化领域的重要分支，机器人学在工业、医疗、农业、航空航天等领域有着广泛的应用。
本文旨在介绍机器人学中的一个重要概念——变换矩阵。
变换矩阵能够描述机器人在三维空间中的位置和姿态，是机器人学中的核心概念之一。
通过对变换矩阵的研究，可以帮助我们更好地理解机器人的运动规划、姿态表示以及感知与控制等问题。
在本文中，我们将从机器人学基础开始，介绍机器人学的概述和机器人的运动学知识。
然后，我们将详细讨论变换矩阵的应用，包括机器人姿态表示、运动规划以及感知与控制等方面。
最后，我们将介绍变换矩阵的计算方法，包括坐标系变换、旋转矩阵与平移矩阵以及变换矩阵的乘法与逆矩阵等内容。
通过本文的阅读，读者将能够了解机器人学中的变换矩阵的概念、应用和计算方法。
同时，我们也将对变换矩阵的未来发展进行展望，并总结本文的内容。
机器人学的研究对于推动自动化技术的发展具有重要的意义，希望本文能够为读者对机器人学的研究和应用提供一定的帮助和启示。
*（请注意，以上内容仅为示例，具体内容需要根据文章内容和结构进行编写）*文章结构是指文章按照一定的组织方式和逻辑顺序来呈现内容的方式。
本文的结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 机器人学基础2.1.1 机器人学概述2.1.2 机器人运动学2.1.3 机器人学中的变换矩阵2.2 变换矩阵的应用2.2.1 机器人姿态表示2.2.2 机器人运动规划2.2.3 机器人感知与控制2.3 变换矩阵的计算方法2.3.1 坐标系变换2.3.2 旋转矩阵与平移矩阵2.3.3 变换矩阵的乘法与逆矩阵3. 结论3.1 总结3.2 对变换矩阵的展望3.3 结束语本文的结构按照从前到后的逻辑顺序组织，首先通过引言部分引入了文章的背景和目的，然后在正文部分逐步介绍了机器人学的基础知识、变换矩阵的应用以及计算方法，最后在结论部分进行总结，并对变换矩阵的未来发展进行展望，并以结束语作为文章的结尾。
基于四步换流策略的矩阵整流器的研究摘要：本文在分析比较几种换流策略的基础上，着重分析四步换流策略的优点及其安全性，并利用基于空间矢量法的四步换流策略的矩阵整流器的仿真模型，通过matlab/simulink7.0软件进行仿真。
仿真结果表明基于四步换流策略的矩阵整流器输出的电压所含谐波成分较少，畸变较小，特别在处理电流过零点的脉冲信号，四步换流策略更能做到安全换流。
基于该理论分析和仿真结果，采用可编程逻辑器件（cpld）实现，硬件电路实现结果验证了理论分析和仿真结果的正确性。
abstract： the paper analyzed and compared several commutation strategies， especially the four-step commucation strategy. then， it had been simulated by the matrix rectifier model based on space vector method in the software of matlab/simulink7.0. the results show that by using four-steps commutation strategy， the output voltage of matrix rectifier owned lower harmonic components and small distortion. it is succeed in safety current converter particularly in the procession of zero current. because of those theorists， the hardware circuit which adopted programmable logic device also proved the theoretical analysis and the simulation results are right.关键词：矩阵整流器；空间矢量调制；四步换流策略；可编程逻辑器件key words： matrix rectifier；space vector modulation；four-steps commutation strategy；programmable logic device 中图分类号：tm46 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）07-0026-030 引言矩阵整流器是一种比较新型的通用降压型三相ac-dc变换器，具有能够实现四象限运行，功率密度大，以及提供正弦的输入电压和输入电流，输入功率因数可调等优点[1-4]，吸引了越来越多研究者的关注。
三相单相矩阵变换器在现代电力系统中，电能的传输和分配是至关重要的。
为了满足不同的需求，电力系统中使用了各种类型的变压器来实现电能的转换和传输。
其中，三相、单相和矩阵变换器是常用的类型之一。
三相变换器是一种用于将三相电能转换为单相电能或反之的设备。
它由三个相互连接的线圈组成，每个线圈都与电源相连。
当三相电源输入到变压器时，它会将三相电能转化为单相电能，并输出到负载中。
三相变压器通常用于工业和商业领域，因为它们能够提供大量的功率，并且可以满足大型设备的需求。
相比之下，单相变压器是一种用于将单相电能转换为三相电能或反之的设备。
它由一个主要线圈和若干个次级线圈组成。
当单相电源输入到变压器时，它会将单相电能转化为三相电能，并输出到负载中。
单相变压器通常用于家庭和小型商业领域，因为它们能够提供适量的功率，并且可以满足一般家用电器的需求。
另一种常见的变压器类型是矩阵变换器。
矩阵变换器是一种使用多个可控开关来实现电能转换的设备。
它由多个矩阵模块组成，每个模块都包含若干个开关和线圈。
当电源输入到矩阵变换器时，开关会根据控制信号的变化，将电能转换为所需的相位和电压形式，并输出到负载中。
矩阵变换器通常用于高精度电力转换和电力质量控制领域，因为它们能够提供高度可控的电能转换，并且可以满足特定的电力要求。
无论是三相变换器、单相变换器还是矩阵变换器，它们都在电力系统中扮演着重要的角色。
它们能够实现电能的转换和传输，满足不同负载的需求。
同时，它们还能够提供高效、稳定的电力供应，确保电力系统的正常运行。
三相、单相和矩阵变换器是电力系统中常用的变压器类型。
它们能够实现电能的转换和传输，满足不同负载的需求。
无论是在工业、商业还是家庭领域，它们都发挥着重要的作用。
通过合理选择和使用变压器，我们可以确保电力系统的稳定运行，为人们的生活和工作提供可靠的电力供应。
矩阵变换器安全换流策略综述矩阵变换器四步换流辅助谐振换流两步换流一步换流1引言矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的交交直接变换性能优越。
它能提供正弦的输出电压，并从电网中吸收正弦的输入电流、输出频率不受输入频率的影响；具有四象限运行能力、动态响应快、功率密度大等优点。
近年来，由于其简单的拓扑结构及其优良特性，而成为变换器研究的热点之一。
目前对矩阵式变换器的研究重点之一在于双向开关的安全换流问题。
矩阵变换器的换流是指将某一相负载电流由一个输入相切换到另一个输入相。
因为开关器件的通断都是需要时间的，为了避免换流时电源短路和（感性）负载开路而对电源和矩阵变换器的安全造成的威胁，因此需要采用一个能够使开关安全切换的换流策略。
本文综述了多种形式的换流策略。
2换流技术简述附图所示为双向可控开关器件的常见构造形式[3]，其中附图（a）所示为最早出现的开关形式，由于通态功耗较大已经逐渐被淘汰了，仅在谐振型矩阵变换器中还有应用；附图(b)、(c)所示是最常用的两种由传统的单向可控开关和快恢复二极管构成的双向开关；附图（d）所示为采用非穿通型可控器件构成的双向开关形式，由于单向通流的开关器件可以承受反向电压，因此省略了二极管；目前正逐渐得以使用。
附图（e）所示是近年来出现的多电平矩阵变换器采用的双向开关；该结构形式拓宽了双向可控开关的设计理念，但也使变换器换流过程的复杂程度大大增加；当前业界普遍使用的双向可控开关形式还是如附图(b)、(c)、(d)所示的三种形式，已有的各种换流策略都是针对这三种开关形式设计的，本文对各种换流策略进行了综述。
附图常见双向开关形式2基本换流策略（l)死区换流死区换流，即插入死区延时法。
它要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。
这种方法控制简单，但不能工作在电流连续的情况下，且开关损耗大。
又由于死区期间电源能量得不到利用，使得电压利用率降低，另外缓冲网络比较复杂，故此法很少使用。
（2）交叠换流交叠换流要求出侧开关关断之前，输入侧开关触发。
矩阵变换器研究综述汇总引言矩阵变换器是一种广泛应用于计算机图形学、机器人学和计算机视觉等领域的数学工具。
它可以描述物体在空间中的位置、旋转、缩放和扭曲等变换，是计算机图形学中重要的基础概念之一。
本文将对矩阵变换器的研究进行综述汇总，并对其应用进行简要介绍。
矩阵变换器的基本原理矩阵变换器是基于线性代数的一种数学工具，它通过矩阵的乘法运算来描述物体在空间中的各种变换。
矩阵变换器通常由一个矩阵和一个向量组成，矩阵表示变换的方式，向量表示待变换的物体。
在二维空间中，矩阵变换器可以描述平移、旋转和缩放等变换。
平移变换可以通过对原始向量加上一个平移向量来实现，旋转变换可以通过对原始向量进行旋转角度的线性变换来实现，缩放变换可以通过对原始向量进行缩放比例的线性变换来实现。
矩阵变换器的乘法运算可以将这些变换组合起来，以实现多种复杂的变换效果。
在三维空间中，矩阵变换器可以描述平移、旋转、缩放和投影等变换。
平移、旋转和缩放的原理与二维空间中类似，而投影变换可以通过对原始向量进行投影矩阵的乘法运算来实现。
矩阵变换器的应用矩阵变换器在计算机图形学中有广泛的应用。
它可以用来实现三维模型的变换和渲染，例如将一个三维模型平移、旋转和缩放到指定位置并进行渲染。
此外，矩阵变换器还可以用来实现相机视图的变换和投影，例如将一个三维场景投影到二维屏幕上。
在机器人学中，矩阵变换器可以用来描述机器人在空间中的位置和姿态。
通过不断地更新变换矩阵，机器人可以实时地感知其在空间中的位置和姿态，并做出相应的动作。
在计算机视觉中，矩阵变换器可以用来处理图像的变换和校正。
例如，可以通过变换矩阵将一个图像中的特定区域提取出来，或者将多个图像进行叠加和融合。
矩阵变换器的改进和拓展虽然矩阵变换器已经被广泛应用于各个领域，但仍然存在一些问题和挑战，需要不断改进和拓展。
一方面，矩阵变换器在处理大规模数据时存在性能问题。
随着计算机图形学和机器人学等领域的发展，对于处理大规模三维模型和点云数据的需求越来越高。
矩阵变换器研究综述1 引言随着电力电子技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了广泛的应用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输入电流品质而又成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。
矩阵式变换器是一种直接交-交变频器，与传统的自然换流变频器相比，具有以下优点:l 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化;l 无需较大的滤波电容，动态响应快;l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行;l 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调;l 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0;l 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小;l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输入功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。
矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起人们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势[2]。
特别是它具有本身不产生谐波污染的同时,能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性能高于其它变换器。
在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。
矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和工作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下面就这些关键技术的研究进行一一介绍。
2 主回路拓扑结构和工作原理矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。
一个m相输入、n相输出的矩阵变换器，由m×n个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。
图1 单级矩阵变换器拓朴结构2.1 单级矩阵变换器常规的矩阵变换器是一种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷:l 最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关;l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术;l 必须采用复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。
单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于:l 其控制策略复杂，计算量大;l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性;l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。
2.2 双级矩阵变换器双级矩阵变换器的结构同传统的交-直-交变换器相似(见图2), 包含交-直(整流)和直-交(逆变)两级变换电路。
图2 双级矩阵变换器所不同的是:l 双级矩阵变换器的两级变换协调同步，直流侧不需要滤波元件;l 整流电路采用由两个单向开关(如igbt)组成的双向开关，是一个三相输入两相输出的3/2相变换;l 在其输出的直流电压极性保持为正的情况下，逆变电路为一个标准的电压源逆变器，可采用单向开关。
双级矩阵变换器克服了传统矩阵变换器的缺点，此外还具有以下优点:l 控制容易，电网侧的单桥可实现零电流开关，负载侧开关控制类似于传统的dc/ac逆变器; l 不同负载，开关数目可以减少;l 箝位电路大大简化。
双级矩阵变换器一般由18个单向开关组成，在一些只需要能量单向传输的场合，可采用15个单向开关、12个单向开关或者9个单向开关的拓扑电路结构，从而降低了系统成本[5]。
2.3 双向开关及开关频率矩阵变换器所用双向开关有多种形式，如开关内嵌式、开关反并联式等。
常用的有两个igb t和两个二极管反并联组成共发射极电路(ce开关模式)和共集电极电路(cc开关模式)。
最终使矩阵变换器能够成为产品的是由标准双向开关单元构成的集成功率模块。
主电路的双向开关的频率并不是越高越好，在谐波注入法中，开关频率为2khz时，变换器的性能和电机直接与电网相连时最为相似。
在实际应用中，受开关器件、控制器和外围电路处理速度的限制，调制频率不可能无限制地加高，根据具体调制方法和电路特点优选开关频率是至关重要的[6]。
3 安全换流技术换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。
在调制过程中，矩阵式变换器开关管通断状态不断改变，换流始终存在，因此安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。
为实现双向开关之间安全切换或抑制换流不安全所带来的危害，除了在输出侧增加整流式阻容箝位电路限制过压、在输入端增加一组共铁心的线圈对磁通进行调整外，还需要探索新的安全换流方法。
换流方法主要有死区换流、交叠换流、辅助谐振换流、两步换流和四步换流等[7-8]。
3.1 死区换流死区换流，即插入死区延时法。
它要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。
这种方法控制简单，但不能工作在电流连续的情况下，且开关损耗大，电压利用率较低，另外缓冲网络比较复杂，故很少使用。
3.2 交叠换流交叠换流要求输出侧开关关断之前，输入侧开关触发。
这种方法必然带来输入相间瞬时短路，需要额外的输入电感限流。
由于电感体积大，价格昂贵，故很少使用。
3.3 辅助谐振换流策略(1) 台湾学者潘晴财教授提出的基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略,仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器。
(2) ching-tai pan提出一种低损耗的双向可控开关，能够实现开关的零电流开通，零电压关断，可以实现近于零损耗的换流。
如果采用滞环电流pwm调制方法，可无附加缓冲电路。
但是当负载电流大、开关关断速度快、电感量较大以及二极管快速性不够时，电感将产生瞬时高电压降，此时应采用箝位电路。
(3) cho, jung g与steffen bernet提出了辅助谐振换流方案。
利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换流电容。
在辅助谐振下，主开关只有容性换流，通过增加换流电容可以做到关断瞬间零电压，实现零电压切换。
辅助开关只有感性换流，通过增加换流电感可以做到零电流开通，能够完成零电流切换。
这种换流策略能够安全、高效地高频切换，但功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且零电压、零电流的检测困难。
(4) steffen bernet又提出一种基于辅助谐振换流的矩阵式整流器，可以用于工业直流传动。
以上换流策略均不安全或不实用，安全的换流策略一般需要事先了解某些电量信息，如输入电压和/或输出电流。
常用的有两步换流和四步换流等。
3.4 两步换流策略(1) svensson. t提出两步换流策略，在应该导通的开关单元中，只触发正确的单向开关，而另一单向开关则关闭。
在输入相间换流时，根据实际负载电流方向，在欲导通的开关单元中只触发应该导通的单向开关，而另一单向开关保持关闭，然后关闭上一导通的开关单元中导通的单向开关。
两步换流方法要求准确地检测负载电流方向，在实际中不可避免地存在误差;当电流变号时，两个开关之间不能进行换流。
对于大功率变换器，电流阈值过大，将影响输出电流波形。
(2) l. empringham提出了改进型两步换流方案。
通过检测正在导通的开关单元中每个单向开关的管压降，可以确定电流方向，而且将该信息作为其他开关单元门极驱动的一个条件。
为避免负载电流变向时换流引起的短通状态，可采取如下解决办法:当电流过零时，增加换流死时，其间不再触发任何开关。
由于延时很短，负载电流失真程度不大。
3.5 四步换流策略目前比较普遍采用的是n. burany提出的四步换流策略。
四步换流策略属于半软开关换流策略，被认为是最有前途的方法。
每次换流可以实现一次零电流零电压关断和一次零电流开通，但由于换流时间过长，且每次换流依赖于负载电流的方向，换流过程中不许有负载电流方向的改变，不免有一些局限性，如负载很轻或负载刚启动时，待机状态以及启动瞬间，负载过零点时电流方向很难准确判定，这些可能会造成换流停滞。
为此, 有学者提出用pld/cpld技术的解决换流问题, 用可编程逻辑器件实现四步换流, 在输出频率为10hz~60hz的范围内，以交流电机作负载进行了相关实验。
该换流策略简化了控制系统，提高了控制系统的可靠性[9-10]。
4 调制策略矩阵变换器有多种控制方法。
根据控制目标不同，可分为电流控制法和电压控制法两大类。
4.1电压控制法电压控制法以矩阵变换器输出电压(通常要求为正弦量，但也可为其他波)为控制目标。
根据变换器合成输出电压时有无中间环节又可分为间接控制法和直接控制法。
(1) 间接控制法是基于空间矢量变换的一种方法, 主要指空间矢量调制法(svm)，它将变换器虚拟为一个整流器和一个逆变器经中间直流环节串联，然后对输入整流器和输出逆变器分别进行电压空间矢量和电流空间矢量调制(svpwm)，再消去中间直流环节，就可以得到整个变换器的空间矢量调制。
这一控制方法的物理意义明确，简单易懂，目前已有专用的svpwm 集成芯片商品化产品。
更重要的是，对于采用矢量控制的电机调速应用场合，可将电机调速系统的矢量控制和变换器的矢量控制合为一体[11]。
(2) 矢量调制法也可直接实现。
直接控制法的基本思想是:不同开关连接状态对应着不同的空间矢量。
当进行空间矢量合成时，选取适当的矢量后，可以直接按一个统一的公式计算出各个矢量的开关组合占空比。
两者的结果完全相同，但直接实现更适合于计算机控制。
直接控制法可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定问题，因此，限制了它们的应用范围和深度[12]。
矢量调制法的缺点是抗干扰性差，实际应用中由于电网输入的不对称给变换器的输出电压的输入电流带来难以滤除的低次谐波。
通常的解决方法有负序分量注入法和变系数法。
但这需增加额外计算量和软件的复杂度，且电压传输比有所降低，这样便可采用目前流行的高频整流和高频pwm波形合成技术，变换器的性能可得到较大的改善。
4.2 电流控制法电流控制法以输出电压为控制目标。
一般要求电流为对称正弦量，因此变换器输出电流要跟踪给定电流呈正弦变化。
它有两种基本实现方法:滞环电流控制法和预测电流控制法[13]。
(1) 滞环电流跟踪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、鲁棒性好等优点，但开关频率不够稳定，谐波随机分布，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等。
(2) 预测电流控制法的基本思想是:利用变换器下一开关周期的期望电流值和当前的实际电流值可以计算出符合电流变化的变换器输出电压矢量，然后在变换器的虚拟逆变器中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，就可以达到跟踪输出电流的目的，但复杂性和计算量将有所增加。
电流控制法具有开关函数求解简便，控制简单，对控制器硬件要求较低，输出电流波形谐波分量小，抗干扰性能好、动态响应快、能限流、鲁棒性好等优点;但开关频率不够稳定，输出电压谐波分量大，输入滤波器难以设计，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等;主要应用于高性能电机驱动场合。
