矩阵式交_交变换器及其控制

2 MC 的主电路和控制系统
图 1 是基于双向开关的 MC 主电路 ,功率开 关器件为反向串联的 I GB T ,L 、C 为输入滤波器 , TA1～3 为三相输出电流霍尔检测器 ,用于安全换 流和过流保护 ,输出侧有整流式阻容吸收电路 (图 中未画出) 。基于 80C196 KC 的控制系统框图如
(2) MC 的输入相电压和相电流仿真和实测 波形示于图 10 和图 11 。
由波形可见 ,设置了适当的输入滤波器后 ,输 入相电流是连续的正弦波 ,其相位是可控的 ,图中 所示是功率因数接近于 1. 0 的情况 。
(3) 输出电压的频率连续可调 ,图 12 是在额
矩阵式交2交变换器及其控制
11Baidu Nhomakorabea
定负载下恒压频比测试曲线 。
步换流的时间间隔下限为 2μs ,即 PLD 的时钟频
率上限为 500kHz 。
4 等效交2直2交变换和双空间矢量
PWM 控制
MC 的任务就是将一个频率为 ωi 的三相系 统变换为一个频率为 ω0 的三相系统 。对于任意 一组三相输入电压 Ui ,通过按一定规则控制 MC 主回路矩阵中的功率开关 ,可以合成所需要的三
S jk = S jpS kp + S jN S kN
j ∈{ A , B , C} , k ∈{ a , b , c}
(5)
限定条件为 :
l ≤S Gm + SJ n + S Kl ≤2
(6)
式中 , G , J , K ∈{ A , B , C} , m , n , l ∈{ a , b ,
c} ,且 G ≠J ≠K , m ≠n ≠l 。
为了保证 MC 的输入电流和输出电压都是正 弦波 ,对 9 组双向开关都实行 PWM 控制 ,各开关 须按一定规律进行切换 。为了保证安全切换 ,同
矩阵式交2交变换器及其控制
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一相输出的任意两组开关不能同时导通 ,否则将 造成输入两相短路 ;三组开关也不能同时断开 ,也 就是说 ,在两组开关切换期间不能插入死区 ,否则 将造成感性负载开路而感应高电压 。这样 ,既不 允许两组开关交叠导通 ,又不允许有切换死区 ,必 须有严格的逻辑控制才行 ,四步换流法则就是为 了这个需要而提出来的 。
图 4 接到同一相负载的两组双向开关电路图
表 1 4 个单向开关的允许组合
VS1P VS1n VS2P VS2n iL 方向
1
1100
+-
2
0011
+-
3
1000
+
4
0100
-
5
0010
+
6
0001
-
7
1010
+
8
0101
-
如果原始状态是表 1 中的第 1 种开关状态 , 即 VS1 正反向都能导通 ,直接切换到第 2 种开关 状态是不行的 ,因为这样会造成电源短路 。但当 iL > 0 时 ,经过状态 3 、7 、5 ,再切换到状态 2 则始
这个限定条件的含义是 ,采用等效交2直2交结
构的间接变换后 ,MC 的三个输出线只能连到一
条或两条输入线 ,不能分别连到三条不同的输入
线 。这样允许的开关组合受到限制 ,共牺牲了 6
种开关状态 ,输出电压波形会受到影响 ,但是 ,换
来了可以利用已经比较成熟的 PWM 控制策略的
便利 ,使控制方法简单 、有效 。
5 矩阵式变换器的性能
仿真与装置实验结果如下 : (1) 经空间矢量调制的输出线电压仿真波形 和实测波形如图 8 和图 9 所示 。
图 8 矩阵式变换器的虚拟直流电压 及输出线电压仿真波形
图 9 实测输出线电压波形 ( f 0 = 40 Hz , t = 5ms/ 格)
图 8 中还给出了虚拟直流环节电压的仿真波 形 。由 MC 与交2直2交变换器的等效关系可知 , MC 相当于一台取消了中间贮能电容的双 PWM 四象限变流器 ,没有贮能电容使装置的体积减小 , 但也使直流环节电压不能保证恒定 ,其波形的包 络线与输入线电压包络线相同 。
安全换流次序 。 当要关 断 的 器 件 被 要 开 通 的 器 件 施 以 反 压
时 ,可实现零电流开关 。这种情况发生的概率只 有 50 %. 所以这种换流策略又称半软换流策略 。
图 3 共集电极的反向串联双向开关 图 4 绘出了把任意两相输入电压连接到同一 相负载的两组双向开关 , u1 和 u2 表示两相输入 电压瞬时值 ,VS1 和 VS2 是两组双向开关 ,为清楚 起见 ,每组开关的正向和反向部分分别用 p 和 n 表示 , UL 和 iL 分别是负载上的输出电压和电流 。 要满足输入电压不能短路 ,测 V S1p 、V S2n不能同 时导通 ,V S2p 、V S1n也不能同时导通 ; 要满足输出 不能突然开路 ,则四个单向开关中至少有一个处 于导通状态 ,满足这些要求的开关组合共有 8 种 , 列于表 1 。
目前 ,空间矢量调制是交2直2交变换器最优越
的一种 PWM 调制技术 。这种方法与其它调制技
术不同之处在于 :它不仅限于获得正弦波输出电 压 ,而直接着眼于如何使电机获得圆形磁场 ,从而 获得均匀的电磁转矩 。现在对于等效交2直2交结 构的逆变部分 ,采用输出线电压空间矢量调制策 略 ,与此相比 ,对整流部分采用输入相电流空间矢 量调制策略 ,最后 ,根据开关函数的瞬时对应关系 综合出矩阵式变换器的 PWM 控制策略 ,称作双 空间矢量 PWM 策略 。用这样的调制策略 ,既能 控制输出波形 ,也能控制输入电流波形 。
图 10 输入相电压和输入相电流仿真波形
实验结果表明 ,在纯阻负载下 ,最高输出频率 可达 320 Hz ,在电机负载下 ,也能达到额定频率以 上 ,但是最高输出电压有一个限制 。理论可以证 明 ,采用高频调制并要求输入电流为正弦波时 ,最 高输出电压为输入电压的 0. 866 倍 。若降低对输 入电流波形的要求 ,可以提高输出电压 。例如 ,虚 拟整流器采用二极管不控整流 ,则电压增益可达 0. 95 ,若虚拟整流器和逆变器都采用一周期 6 脉 冲控制方式 ,还可提高到 1. 05 。若对波形要求很 高 ,最好采用专用的额定电压低一些的负载电机 。
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《电力电子技术》1999 年第 1 期 1999. 2
对于图 6 的等效交2直2交结构 , j ∈{ a , b , c , A , B , C} , k ∈{ P , N } 。
图 7 矩阵式变换器的简化结构
为了研究 MC 与等效交2直2交结构开关函数 之间的关系 ,可将图 1 的 MC 简化成图 7 的形式 , 其开关函数中 , j ∈{ A , B , C} , k ∈{ a , b , c} 。
Abstract :The main circuit wit h anti2series bi2directional IGB T switches and control system of MC are ap2 proached. To guarantee safe commutation ,a four2stepped switching strategy is realized by using programmable logic devices. The instantaneous corresponding relationship between t he switching functions of MC and its equivalent AC2 DC2AC topology wit h t he limiting conditions is deduced ,so t hat t he PWM strategy of MC can be synt hesized on t he basis of space vector modulation of input phase currents and output line voltages. Finally ,t he simulation and experi2 mental waves are given.
终是安全的 ;当 iL < 0 时 ,由状态 1 经过 4 、8 、6 到 2 也能实现安全换流 。图 5 绘出了这两种四步换 流次序 。对于其他输出相也同样可以找出类似的
图 5 安全的四步换流次序
可采用可编程逻辑器件 ( PLD) 中的序列发生
器实现四步换流 ,考虑到 I GB T 的开关时间 ,每一
S jP + S jN = 1 , j ∈{ A , B , C}
(3)
同样 ,对矩阵式变换器而言 ,开关函数须满足 :
S ja + S jb + S jc = 1 , j ∈{ A , B , C}
(4)
在上述限定条件下分别推导 MC 及等效交2
直2交结构的输入输出电压变换阵 T ,可得两种结
构开关函数之间的瞬时对应关系 :
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《电力电子技术》1999 年第 1 期 1999. 2
矩阵式交2交变换器及其控制
Mat rix AC2AC Converter and It s Cont rol 上海大学 陈伯时 陆海慧 (上海 200072)
摘要 :讨论了矩阵式交2交变换器 ( MC) 的主电路和控制系统 。主电路采用反向串联的双向 IGB T 开关 , 用可编程逻辑元件实现四步切换 ,以保证安全换流 。在输入相电流空间矢量调制和输出线电压空间矢量调制 的基础上 ,根据开关函数的瞬时对应关系及其限定条件 ,综合出 MC 的 PWM 控制策略 。最后 ,给出了仿真与 实验波形 。
按照输入电压不能被短路 、输出电路不能突
然开路的条件 ,交2直2交结构同一直流母线 P 或
N 上的开关必须有一个而且只能有一个处于导通
状态 ,因此 :
S ak + S bk + S ck = 1 , k ∈{ P , N }
(2)
而且同一输出线 A 、B 或 C 上必须有一个而
且只能有一个开关导通 ,即 :
图 2 所示 。
图 1 矩阵式交2交变换器的主电路
图 2 控制系统框图
3 双向开关与四步换流
由 I GB T 构成的双向开关有多种连接形式 , 我们采用的是共集电极的反向串联模式 ,如图 3 所示 。利用功率模块中的续流二极管作为反向电 流通道 ,两个方向的 I GB T 可以分别控制 ,容易实 现安全换流 。
图 6 矩阵式变换器的等效交2直2交结构
其中有一个虚拟的直流环节 P2N 。采用这样 的等效结构可以充分利用已经比较成熟的交2直2 交变换器的 PWM 控制策略 。矩阵式变换器的简 化结构如图 7 所示 。
定义开关函数 S jk如下 :导通时 , S jk = 1 ;断开 时 , S jk = 0 。
叙词 :变换器/ 矩阵式变换器 双向开关 等效交2直2交结构 Keywords :converter ;matrix converter ;bi2directional switches;equivalent AC2DC2AC topology.
1 引 言
交流变频调速已成为当代电气传动中 实现自动化和节能的主要技术手段 。它的 发展突飞猛进 。然而目前流行的交2直2交 变频器和交2交周波变换器 ,均有其负面影 响 ———无功功率和谐波污染 。随着变频调 速的推广应用 ,防治“电力公害”变得日益 重要 。无功补偿和有源滤波是当前主要的 防治手段 。更根本的办法则是开发高功率 因数和低谐波污染的电力电子变换器 ,MC 正是适应这一需要而诞生的 。此外 ,可以 四象限运行 、不需要中间贮能环节 、体积 小 、效率高 ,也是 MC 的突出优点 。 MC 的拓扑结构早在 80 年代就已提出来 了 ,但所用的功率开关器件较多 、控制技术比 较复杂 ,因此在国际上至今还处于研制阶段 。 鉴于防治“电力公害”的迫切性 ,并随着微机 控制技术的发展 ,矩阵式变换器近来日益受 到重视 ,我们研究了 MC 的控制机理 ,研制了一台 装置 ,已于 1998 年 4 月 2 日通过了上海市科委主 持的技术鉴定 。
相输出线电压 Uo ,可写成 :
U 0 = T·U i
(1)
MC 的控制策略就体现在如何确定变换矩阵
T 。在已发表的文献中 ,提出了以下几种确定 T
的方法 :直接变换法 、间接变换法 、电流滞环跟踪
控制法 。间接变换法是由一个虚拟的整流器和一
个虚拟的逆变器构成等效的交2直2交结构来代替
实际的交2交变换器 ,如图 6 所示 。