基于空間矢量調(diào)制的三相矩陣式變換器

0    引言

    隨著可控交流電氣傳動(dòng)的發(fā)展，PWM變頻器的應(yīng)用為自動(dòng)化和節(jié)能贏得了可觀的效益，同時(shí)也帶來(lái)了諧波污染、低功率因數(shù)、直流濾波電容壽命有限等負(fù)面影響。而“綠色”變頻器應(yīng)具備輸入和輸出電流都是正弦波；輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1.0；可獲得工頻上下可控的輸出頻率等品質(zhì)。目前的三電平雙PWM交—直—交變頻器、多逆變單元串聯(lián)的中壓變頻器雖都可達(dá)到或接近這些要求，但這些裝置非常笨重。矩陣式變換器與其相比具有下述非常明顯的優(yōu)勢(shì)：

    ——輸入功率因數(shù)正負(fù)可調(diào)，輸出電壓頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，功率可雙向流動(dòng)；

    ——無(wú)直流母線環(huán)節(jié)，傳遞能量密度高；

    ——輸入波形好，無(wú)低次諧波，波形失真度小；

    ——體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

    正因?yàn)榫仃囀阶儞Q器具有如此明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)它已成為電力電子研究的熱點(diǎn)之一。

1    矩陣式變換器的結(jié)構(gòu)

    3φ－3φ矩陣式變換器是一種強(qiáng)迫換相的交—交變換器，它由9個(gè)可控的雙向開(kāi)關(guān)，利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負(fù)載所需的變壓變頻電源。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入側(cè)的L－C濾波器可有效減少輸入電流的開(kāi)關(guān)頻率諧波。

圖1    矩陣式變換器的原理結(jié)構(gòu)圖

Fig 1  principle configuration of matrix converter

    采用空間矢量調(diào)制時(shí)，矩陣式變換器認(rèn)為是兩個(gè)部分的串聯(lián)組合。第一部分是AC/DC電壓源整流，第二部分是DC/AC電壓源逆變。圖2是矩陣式變換器的等效交—直—交結(jié)構(gòu)。

圖2    矩陣式變換器的等效交—直—交結(jié)構(gòu)

Fig 2  the equivalent AC/DC/AC structure of matrix converter

2    空間矢量調(diào)制（SVM）

    能滿(mǎn)足輸入電壓不被短路、輸出電流不突然開(kāi)路的矩陣式變換器開(kāi)關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交—直—交變換中找不到對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)組合，這6種是三個(gè)輸出相分別連到三個(gè)輸入相的開(kāi)關(guān)組合?？捎玫?1種開(kāi)關(guān)組合如表1所列，表1中的“1”表示開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，“0”表示開(kāi)關(guān)關(guān)斷，第一組1P—9N三個(gè)輸出相分別與兩個(gè)輸入相相連，剩下的第二組三個(gè)輸出相僅與一個(gè)輸入相相連而被短路。對(duì)于等效交—直—交變換的每一個(gè)合法的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，矩陣式變換器有唯一的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與之相對(duì)應(yīng)。

    三相開(kāi)關(guān)動(dòng)作所能形成的定子電壓空間矢量有8種，即6種有效矢量U₁～U₆，依次表示U₁（100）、U₂（110）、U₃（010）、U₄（011）、U₅（001）、U₆（101），2種零矢量U₇及U₈，表示為U₇（000）和U₈（111），它們的空間位置和相互關(guān)系如圖3所示。括號(hào)中的數(shù)字，第一位表示A相，第二位表示B相，第三位表示C相，當(dāng)某一相的上橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)記為1，下橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)記為0。利用這些電壓空間矢量的線性組合，可以獲得更多的與U₁～U₈相位不同的新的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相位的電壓空間矢量。

圖3    電壓空間矢量圖

Fig 3  the inverter voltage vector

    如圖3用U₁、U₆和零矢量來(lái)合成新的矢量，各矢量的作用時(shí)間可用開(kāi)關(guān)周期T_s中的占空比來(lái)表示。

    U₁矢量的占空比（作用時(shí)間）為

    D_α=t_α/T_s=m_usin(60°－θ_v)（1）

    U₆矢量的占空比（作用時(shí)間）為

    D_β=t_β/T_s=m_usinθ_v（2）

    零矢量的占空比（作用時(shí)間）為

    D_ou=t_ou/T_s=1－D_α－D_β（3）

式中：m_u為電壓調(diào)制系數(shù)，0<=m_u=<=1。同理對(duì)于虛擬整流器部分也可采用復(fù)空間表達(dá)方式定義輸入相電流矢量，獲得輸入電流空間矢量調(diào)制的方案。

圖4    電流空間矢量圖

Fig 4  the rectifier current vector

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(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab 1  Valid switch combinations of a matrix converter and thestationary vectors

    雙空間矢量PWM調(diào)制是對(duì)輸入電流和輸出電壓同步調(diào)制，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(gè)扇區(qū)，從而有36種可能的組合。以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)為例，整個(gè)輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過(guò)程共有I₆－U₆，I₆—U₁，I₁－U₆，I₁－U₁及零矢量I₀－U₀五種組合。即

I₆－U₆：

    D_xα=m_um_isin(60°－θ_i)sin(60°－θ_v)（4）

I₆—U₁：

    D_xβ=m_um_isin(60°－θ_i)sinθ_v（5）

I₁－U₆：

    D_yα=m_um_isinθ_isin(60°－θ_v)（6）

I₁－U₁：

    D_yβ=m_um_isinθ_isinθ_v（7）

I₀－U₀：

    D₀=1－D_xα－D_xβ－D_yα－D_yβ（8）

式中：m_i為電流的調(diào)制系數(shù)；

            θ_i為輸入相電流的相角；

            θ_v為輸出線電壓的相角。

    為減少輸入線電流和輸出線電壓的諧波分量，我們采取對(duì)稱(chēng)空間矢量調(diào)制策略。如圖5所示，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，將上述開(kāi)關(guān)組合占空比減半，并以零矢量為中心對(duì)稱(chēng)分布如下：1P，3N，4N，6P，0A，1P，3N，4N，6P。占空比：

    D_xα/2→D_yα/2→D_yβ/2→D_xβ/2→D₀→D_xβ/2→D_yβ/2→D_yα/2→D_xα/2

圖5    8開(kāi)關(guān)對(duì)稱(chēng)調(diào)制方案

Fig 5  the 8-switches double-sided modulator

3    GAL四步安全換流方案

    用圖6中A相換流到B相為例說(shuō)明：當(dāng)負(fù)載電流i_L>0時(shí)，第一步關(guān)斷S₁的負(fù)導(dǎo)通部分S_1N；第二步開(kāi)通S₂的正導(dǎo)通部分S_2P；第三步關(guān)斷S₁的正導(dǎo)通部分S_1P；第四步開(kāi)通S₂的負(fù)導(dǎo)通部分S_2N，這樣就完成了兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)之間的換流，其換流波形如圖7所示，其中S₁和S₂為兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的理想控制信號(hào)?？梢?jiàn)，四步換流成功地構(gòu)成了對(duì)兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的換流控制，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(fù)載提供至少一條流通路徑。換流過(guò)程可用Lattice公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件GAL22V10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6    矩陣式變換器一相輸出電路示意圖

Fig  6  one phase circuit of matrix converter

    圖7是用GAL實(shí)現(xiàn)的安全四步換流的時(shí)序圖。

圖7    四步換流次序圖

Fig  7  the sequence of four-step commutation

4    DSP實(shí)現(xiàn)

    TMS320LF2407A具有25ns的指令周期，500nsA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，低功耗3.3V設(shè)計(jì)，2個(gè)獨(dú)立的事件管理器，4個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并于同類(lèi)其它系列完全兼容。

    為使輸入電流與輸入電壓保持頻率相位一致，需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)。輸入電壓通過(guò)三相輸入同步變壓器，過(guò)零比較器得到三相互相間隔120°的數(shù)字電平信號(hào)，分別送入DSP的3個(gè)IO口和捕獲口，三相電平信號(hào)的上升沿和下降沿把輸入電壓空間矢量圓劃分為6個(gè)扇區(qū)，設(shè)定DSP捕獲單元對(duì)上升沿和下降沿均產(chǎn)生中斷，以啟動(dòng)定時(shí)器對(duì)每個(gè)扇區(qū)定時(shí)，采樣周期到達(dá)時(shí)讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和IO口的電平情況，從而得出當(dāng)前時(shí)刻輸入電壓矢量所在的扇區(qū)和相位，也就是得到了期望的輸入電流矢量所在的扇區(qū)和相位。

    DSP程序中，每100μs產(chǎn)生5個(gè)PWM脈沖，系統(tǒng)的采樣頻率是5kHz，輸入電壓每200μs采樣一次。采用通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2，通用定時(shí)器1周期是100μs用來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖和GAL的扇區(qū)值，通用定時(shí)器2周期是200μs用來(lái)采樣輸入電壓、計(jì)算開(kāi)關(guān)次數(shù)，并決定輸出線電壓和輸入電流的扇區(qū)值。DSP的程序流程圖如圖8所示。

圖8    DSP程序流程圖

Fig  8  the flowchat of DSP program [!--empirenews.page--]

5仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    應(yīng)用Matlab/Simulink軟件包和交—交直接變換控制開(kāi)關(guān)表對(duì)三相矩陣式變換器進(jìn)行了仿真。當(dāng)負(fù)載為電阻性負(fù)載時(shí)其典型的輸入電流和輸出電壓波形如圖9所示。當(dāng)輸入采用了高頻濾波器以使輸入相電流連續(xù)并拖動(dòng)三相異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)其典型的輸入、輸出電壓、電流波形如圖10所示。

(a)    輸入電流

(b)    輸出電壓

圖9    電阻負(fù)載時(shí)波形

Fig.9  the input current（a）and output voltage（b）wave when the load is resistor

(a)    輸入電流

(b)    輸出電壓

圖10    穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)波形

Fig.10 the input current（a）and output voltage（b）wave when it is properly working

    實(shí)驗(yàn)中采用IGBT以集電極反串聯(lián)組合構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)，圖11、圖12、圖13是實(shí)驗(yàn)所得的波形。

圖11    輸入電流實(shí)驗(yàn)波形

Fig.11  the experimental wave of input current

圖12    線電壓開(kāi)路實(shí)驗(yàn)波形

Fig.12    the experimental wave of line voltage

圖13    濾波后線電壓實(shí)驗(yàn)波形

Fig.13    the experimental wave of line voltage after filter

6    結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了空間矢量調(diào)制的雙向開(kāi)關(guān)矩陣式變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。利用交—直—交等效模型得到矩陣式變換器等效的21種有效的開(kāi)關(guān)組合，提出了四步安全換流方案，并采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和通用邏輯陣列（GAL）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙矢量的空間調(diào)制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輸入電壓、電流基本同相，輸出線電壓THD較小，線電流正弦變化。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種控制策略的實(shí)際可行性。