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1 引言 矩陣式變換器是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的新型交—交變換器。它允許頻率單級變換，無(wú)需大容量的貯能元件如大電容，可使輸入電流正弦，輸入功率因數達到0.99以上，并可自由調節，且與負載的功率因數無(wú)關(guān)，輸出電壓正弦，輸出頻率及電壓可調，輸出頻率可高于、低于輸入頻率，特別是其功率可雙向流動(dòng)，具有四象限運行能力。本文在矩陣變換器的空間矢量控制基礎上，給出了一種基與DSP＋PLD的方案，實(shí)驗證明此方案可以提高高頻大電流下?lián)Q流的可靠性，簡(jiǎn)化了控制系統。 2 矩陣式變換器的空間矢量調制 一個(gè)用于實(shí)現交—交變換的矩陣式變換器如圖1所示。它可以用一個(gè)虛擬的整流器和一個(gè)虛擬的逆變器構成的等效交—直—交結構來(lái)代替，如圖2所示。采用這樣的等效結構可以充分利用已有成熟的交—直—交變換中的PWM控制技術(shù)，并 可 通 過(guò) 開(kāi) 關(guān) 函 數 分 析 出 實(shí) 際 矩 陣 式 變 換 器 的 開(kāi) 關(guān) 控 制 規 律 。 分 析 圖1和 圖 2時(shí) ， 首 先 要 定 義 開(kāi) 關(guān) 函 數 。 圖1 矩陣變換器結構 圖2 等效交—直—交結構 對于圖2的等效交—直—交結構，j∈{a,b,c,A,B,C,}，k∈{P,N}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開(kāi)路的原則，虛擬整流器同一直流母線(xiàn)P或N上的開(kāi)關(guān)必須有一個(gè)且只能有一個(gè)處于導通狀態(tài)，即 Sak＋Sbk＋Sck=1,k∈{P,N} （1） 而虛擬逆變器同一輸出相A，B或C上必須有一個(gè)而且只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)導通，即 SjP＋SjN=1，j∈{A,B,C,} （2） 對于圖1的矩陣式變換器實(shí)際結構，j∈{A,B,C,}，k∈{a,b,c}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開(kāi)路的原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個(gè)輸入相，開(kāi)關(guān)函數須滿(mǎn)足 Sja＋Sjb＋Sjc=1,j∈{A,B,C,} （3） 能滿(mǎn)足式（3）的開(kāi)關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交—直—交結構中找不到對應的開(kāi)關(guān)組合，所以共有21種有效的開(kāi)關(guān)組合和矢量，見(jiàn)表1。 表1 矩陣式變換器有效開(kāi)關(guān)組合表及與等效交—直—交變換器對應關(guān)系 21種有效矢量開(kāi)關(guān)組合 開(kāi)關(guān)狀態(tài) S SAbSAcSBaSBb SBcSCaSCbSCc 輸出電壓 輸入電流 UAB UBC UCA Ia Ib Ic 1P 100 010 010 Uab 0 －Uab IA －IA 0 1N 010 100 100 －Uab 0 Uab －IA IA 0 2P 010 001 001 Ubc 0 －Ubc 0 IA －IA 2N 001 010 010 －Ubc 0 Ubc 0 －IA －IA 3P 001 100 100 Uca 0 －Uca －IA 0 IA 3N 100 001 001 －Uca 0 Uca IA 0 －IA 4P 010 100 010 －Uab Uab 0 IB －IB 0 4N 100 010 100 Uab －Uab 0 －IB IB 0 5P 001 010 001 －Ubc Ubc 0 IA IA IC 5N 010 001 010 Ubc －Ubc 0 0 －IB IB 6P 100 001 100 －Uca Uca 0 IB IC IA 6N 001 100 001 Uca －Uca 0 IB 0 －IB 7P 010 010 100 0 －Uab Uab IA －IA 0 7N 100 100 010 0 Uab －Uab －IA IC 0 8P 001 001 010 0 －Ubc Ubc 0 IC －IC 8N 010 010 001 0 Ubc －Ubc 0 －IC IC 9P 100 100 001 0 －Uca Uca －IC 0 IC 9N 001 001 100 0 Uca －Uca IC 0 －IC 0A 100 100 100 0 0 0 0 0 0 0B 010 010 010 0 0 0 0 0 0 0C 001 001 001 0 0 0 0 0 0 經(jīng)過(guò)推導可得到等效交—直—交結構和矩陣變換器的開(kāi)關(guān)函數關(guān)系為 Sjk=SjPSkP＋SjNSkN， j∈{A,B,C,}，k∈{a,b,c} （4） 限定條件為 1≤SGm＋SJn＋SKI≤2 （5） 式中：G，J，K∈{A,B,C,}，m，n，1∈{a,b,c}，且G≠J≠K，m≠n≠1。 根據式（4）可以得到矩陣變換器21種有效開(kāi)關(guān)組合形成的矢量與等效交—直—交結構6個(gè)輸入相電流矢量和6個(gè)輸出線(xiàn)電壓矢量的對應關(guān)系，見(jiàn)圖3和表1，從而由等效交—直—交結構的雙空間矢量調制策略得到矩陣變換器的交—交直接變換空間矢量調制策略。 圖3 輸入相電流和輸出線(xiàn)電壓的矢量圖 在等效交—直—交結構中，逆變器部分的理想輸出線(xiàn)電壓基準矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準矢量圓都被劃分為6個(gè)扇區，從而有36種可能的扇區組合，以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區為例，可以用于矢量合成的空間電流，電壓矢量分別是I6，I1和U6，U1，兩個(gè)空間矢量的綜合調制采用相互嵌套的辦法來(lái)實(shí)現。整個(gè)輸入相電流和輸出線(xiàn)電壓矢量合成過(guò)程共有I6－U6，I6－U1，I1－U6，I1－U1及零矢量I0－U05種組合。每一矢量組合的作用時(shí)間用占空比表示時(shí)是該組合內各矢量占空比的乘積。即 I6－U6： Dxα=Dx·Dα=msin(60°－θi)sin(60°－θv) （6） I6—U1： Dxβ=Dx·Dβ=msin(60°－θi)sinθv （7） I1－U6： Dyα=Dy·Dα=msinθisin(60°－θv) （8） I1－U1： Dyβ=Dy·Dβ=msinθisinθv （9） I0－U0： D0=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ （10） 式中：θi是輸入相電流的相角； θv是輸出線(xiàn)電壓的相角。 以上計算出占空比后，再通過(guò)開(kāi)關(guān)函數找到相對應的真實(shí)的矩陣變換器的矢量和開(kāi)關(guān)組合。開(kāi)關(guān)組合的選擇步驟、原則如下：假設輸出線(xiàn)電壓矢量和輸入相電流都位于第1扇區，則根據圖3得到合成和的固定矢量U1，U6，I1，I6，并得到對應的矩陣變換器的8個(gè)矢量1P，3P，4P，6P，1N，3N，4N，6N，再按照獲得最大電壓傳輸比和單位功率因數的原則從上述8個(gè)矢量中選出4個(gè)矢量。要獲得單位功率因數，則要使輸入相電壓和輸入相電流相角差為0，注意到輸入線(xiàn)電壓矢量超前輸入相電流30°，則輸入線(xiàn)電壓矢量可能位于第1扇區或第2扇區，所以，輸入線(xiàn)電壓的最大值為Uab和－Uca，則在上述8個(gè)矢量中需要選擇4個(gè)矢量使輸出線(xiàn)電壓UOAB等于Uab或－Uca，選出的4個(gè)矢量為1P，3N，4N，6P，4個(gè)矢量按照開(kāi)關(guān)次數最少的原則確定開(kāi)關(guān)順序為1P，3N，4N，6P，加上零矢量，5個(gè)矢量的占空比由式（6），（7），（8），（9），（10）確定。輸出線(xiàn)電壓矢量和輸入相電流共有36種扇區組合，則對應矩陣變換的36種矢量調制開(kāi)關(guān)組合。 3 安全換流策略 本系統采用共集電極的反向串聯(lián)IGBT組合開(kāi)關(guān)組成雙向功率開(kāi)關(guān)，根據輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開(kāi)路的條件，安全切換要求同一相輸出的任意兩組開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導通，三組開(kāi)關(guān)不能同時(shí)斷開(kāi)。由于器件的開(kāi)通時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間，及驅動(dòng)電路的時(shí)延都有差異，不能做到嚴格的同時(shí)切換。為了解決這個(gè)問(wèn)題，N．Burany提出了著(zhù)名的四象限開(kāi)關(guān)多步切換控制法，其換流過(guò)程可用圖4及圖5所示一相輸出電路來(lái)說(shuō)明。以由a輸入相換流到b輸入相為例，當負載電流iL>0時(shí)，第1步關(guān)斷負導通部分SlN，第2步開(kāi)通S2P，第3步關(guān)斷S1P，第4步開(kāi)通S2N，以此完成兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的成功換流，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開(kāi)關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)刻給負載提供至少一條流通路徑。 圖4 一相輸出電路示意圖 圖5 4步換流策略驅動(dòng)信號示意圖 4 控制系統設計及實(shí)驗結果 圖6是以DSP為控制核心的矩陣變換器系統框圖，DSP檢測輸入相電壓的扇區，得到期望的輸出線(xiàn)電壓扇區后，通過(guò)空間矢量調制策略，DSP送出6路驅動(dòng)信號及保護信號到PLD，四步換流，驅動(dòng)等邏輯由模塊內部邏輯器件PLD完成，PLD送出18路驅動(dòng)信號到主電路的18個(gè)分立開(kāi)關(guān)。 圖6 矩陣變換器實(shí)驗系統框圖 波形如圖7，8，9，采樣頻率為10kHz，調制比M=0.866，輸入濾波器參數：L=30mH，C=15μF。 圖7 輸入相電壓ua波形與輸入相電流ia波形 圖8 輸出線(xiàn)電壓uL與輸出線(xiàn)電流iL波形 (a) 輸入相電流 (b) 輸出線(xiàn)電壓 圖9 FET分析 5 結語(yǔ) 以DSP＋PLD構成的矩陣變換器控制系統結構簡(jiǎn)單，系統接線(xiàn)少，控制電路與軟件簡(jiǎn)單，很好地解決了矩陣變換器的關(guān)鍵問(wèn)題——安全換流，大大提高了高頻大電流下順序換流的可靠性，系統可靠性得到提高，為矩陣變換器向大功率，數字化發(fā)展和工業(yè)應用奠定了基礎。 |
