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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(shù)達(dá)到0.99以上，并可自由調(diào)節(jié)，且與負(fù)載的功率因數(shù)無關(guān)，輸出電壓正弦，輸出頻率及電壓可調(diào)，輸出頻率可高于、低于輸入頻率，特別是其功率可雙向流動，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(chǔ)上，給出了一種基與DSP＋PLD的方案，實驗證明此方案可以提高高頻大電流下?lián)Q流的可靠性，簡化了控制系統(tǒng)。 2 矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制 一個用于實現(xiàn)交—交變換的矩陣式變換器如圖1所示。它可以用一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器構(gòu)成的等效交—直—交結(jié)構(gòu)來代替，如圖2所示。采用這樣的等效結(jié)構(gòu)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 開 關(guān) 函 數(shù) 分 析 出 實 際 矩 陣 式 變 換 器 的 開 關(guān) 控 制 規(guī) 律 。 分 析 圖1和 圖 2時 ， 首 先 要 定 義 開 關(guān) 函 數(shù) 。 圖1 矩陣變換器結(jié)構(gòu) 圖2 等效交—直—交結(jié)構(gòu) 對于圖2的等效交—直—交結(jié)構(gòu)，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路的原則，虛擬整流器同一直流母線P或N上的開關(guān)必須有一個且只能有一個處于導(dǎo)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上必須有一個而且只能有一個開關(guān)導(dǎo)通，即 SjP＋SjN=1，j∈{A,B,C,} （2） 對于圖1的矩陣式變換器實際結(jié)構(gòu)，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路的原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個輸入相，開關(guān)函數(shù)須滿足 Sja＋Sjb＋Sjc=1,j∈{A,B,C,} （3） 能滿足式（3）的開關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中找不到對應(yīng)的開關(guān)組合，所以共有21種有效的開關(guān)組合和矢量，見表1。 表1 矩陣式變換器有效開關(guān)組合表及與等效交—直—交變換器對應(yīng)關(guān)系 21種有效矢量開關(guān)組合 開關(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)過推導(dǎo)可得到等效交—直—交結(jié)構(gòu)和矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)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(jù)式（4）可以得到矩陣變換器21種有效開關(guān)組合形成的矢量與等效交—直—交結(jié)構(gòu)6個輸入相電流矢量和6個輸出線電壓矢量的對應(yīng)關(guān)系，見圖3和表1，從而由等效交—直—交結(jié)構(gòu)的雙空間矢量調(diào)制策略得到矩陣變換器的交—交直接變換空間矢量調(diào)制策略。 圖3 輸入相電流和輸出線電壓的矢量圖 在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中，逆變器部分的理想輸出線電壓基準(zhǔn)矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準(zhǔn)矢量圓都被劃分為6個扇區(qū)，從而有36種可能的扇區(qū)組合，以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)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，U1，兩個空間矢量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的辦法來實現(xiàn)。整個輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有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間用占空比表示時是該組合內(nèi)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是輸出線電壓的相角。 以上計算出占空比后，再通過開關(guān)函數(shù)找到相對應(yīng)的真實的矩陣變換器的矢量和開關(guān)組合。開關(guān)組合的選擇步驟、原則如下：假設(shè)輸出線電壓矢量和輸入相電流都位于第1扇區(qū)，則根據(jù)圖3得到合成和的固定矢量U1，U6，I1，I6，并得到對應(yīng)的矩陣變換器的8個矢量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(shù)的原則從上述8個矢量中選出4個矢量。要獲得單位功率因數(shù)，則要使輸入相電壓和輸入相電流相角差為0，注意到輸入線電壓矢量超前輸入相電流30°，則輸入線電壓矢量可能位于第1扇區(qū)或第2扇區(qū)，所以，輸入線電壓的最大值為Uab和－Uca，則在上述8個矢量中需要選擇4個矢量使輸出線電壓UOAB等于Uab或－Uca，選出的4個矢量為1P，3N，4N，6P，4個矢量按照開關(guān)次數(shù)最少的原則確定開關(guān)順序為1P，3N，4N，6P，加上零矢量，5個矢量的占空比由式（6），（7），（8），（9），（10）確定。輸出線電壓矢量和輸入相電流共有36種扇區(qū)組合，則對應(yīng)矩陣變換的36種矢量調(diào)制開關(guān)組合。 3 安全換流策略 本系統(tǒng)采用共集電極的反向串聯(lián)IGBT組合開關(guān)組成雙向功率開關(guān)，根據(jù)輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的條件，安全切換要求同一相輸出的任意兩組開關(guān)不能同時導(dǎo)通，三組開關(guān)不能同時斷開。由于器件的開通時間，關(guān)斷時間，及驅(qū)動電路的時延都有差異，不能做到嚴(yán)格的同時切換。為了解決這個問題，N．Burany提出了著名的四象限開關(guān)多步切換控制法，其換流過程可用圖4及圖5所示一相輸出電路來說明。以由a輸入相換流到b輸入相為例，當(dāng)負(fù)載電流iL>0時，第1步關(guān)斷負(fù)導(dǎo)通部分SlN，第2步開通S2P，第3步關(guān)斷S1P，第4步開通S2N，以此完成兩個雙向開關(guān)的成功換流，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合，又保證了在任意時刻給負(fù)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(qū)動信號示意圖 4 控制系統(tǒng)設(shè)計及實驗結(jié)果 圖6是以DSP為控制核心的矩陣變換器系統(tǒng)框圖，DSP檢測輸入相電壓的扇區(qū)，得到期望的輸出線電壓扇區(qū)后，通過空間矢量調(diào)制策略，DSP送出6路驅(qū)動信號及保護(hù)信號到PLD，四步換流，驅(qū)動等邏輯由模塊內(nèi)部邏輯器件PLD完成，PLD送出18路驅(qū)動信號到主電路的18個分立開關(guān)。 圖6 矩陣變換器實驗系統(tǒng)框圖 波形如圖7，8，9，采樣頻率為10kHz，調(diào)制比M=0.866，輸入濾波器參數(shù)：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 輸出線電壓uL與輸出線電流iL波形 (a) 輸入相電流 (b) 輸出線電壓 圖9 FET分析 5 結(jié)語 以DSP＋PLD構(gòu)成的矩陣變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)接線少，控制電路與軟件簡單，很好地解決了矩陣變換器的關(guān)鍵問題——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(tǒng)可靠性得到提高，為矩陣變換器向大功率，數(shù)字化發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 |
