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基于空間矢量調(diào)制的三相矩陣式變換器
摘要：介紹了空間矢量調(diào)制的雙向開關(guān)矩陣式變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法�？臻g矢量調(diào)制采用輸出線電壓和輸入電流矢量進(jìn)行同步調(diào)節(jié)的控制策略，能實(shí)現(xiàn)矩陣式變換器輸入輸出波形為良好正弦、功率因數(shù)為1，并能確保感應(yīng)電機(jī)良好工作。為了實(shí)現(xiàn)這種控制策略并把PWM波送到相應(yīng)的開關(guān)，采用了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和通用邏輯陣列（GAL）技術(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種控制策略的實(shí)際可行性。關(guān)鍵詞：空間矢量調(diào)制；矩陣式變換器；數(shù)字信號(hào)處理；通用邏輯陣列
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)：
圖1
--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)；
--無直流母線環(huán)節(jié)，傳遞能量密度高；
--輸入波形好，無低次諧波，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)，近年來它已成為電力電子研究的熱點(diǎn)之一。
圖2
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關(guān)頻率諧波。
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)。
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2 空間矢量調(diào)制（SVM）
能滿足輸入電壓不被短路、輸出電流不突然開路的矩陣式變換器開關(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)輸入相的開關(guān)組合�？捎玫�21種開關(guān)組合。
三相開關(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)某一相的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)記為1，下橋臂開關(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。
如圖3用U1、U6和零矢量來合成新的矢量，各矢量的作用時(shí)間可用開關(guān)周期Ts中的占空比來表示。
U1矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dα=tα/Ts=musin(60°－θv) （1）
U6矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dβ=tβ/Ts=musinθv （2）
零矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dou=tou/Ts=1－Dα－Dβ （3）
式中：mu為電壓調(diào)制系數(shù)，
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。
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程共有I6－U6，I6-U1，I1－U6，I1－U1及零矢量I0－U0五種組合。即
I6－U6：
Dxα=mumisin(60°－θi)sin(60°－θv) （4）
I6-U1：
Dxβ=mumisin(60°－θi)sinθv （5）
I1－U6：
Dyα=mumisinθisin(60°－θv) （6）
I1－U1：
Dyβ=mumisinθisinθv （7）
I0－U0：
D0=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ （8）
式中：mi為電流的調(diào)制系數(shù)；
θi為輸入相電流的相角；
θv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)，將上述開關(guān)組合占空比減半，并以零矢量為中心對(duì)稱分布如下：1P，3N，4N，6P，0A，1P，3N，4N，6P。占空比：
Dxα/2→Dyα/2→Dyβ/2→Dxβ/2→D0→Dxβ/2→Dyβ/2→Dyα/2→Dxα/2
3 GAL四步安全換流方案
用圖6中A相換流到B相為例說明：當(dāng)負(fù)載電流iL>0時(shí)，第一步關(guān)斷S1的負(fù)導(dǎo)通部分S1N；第二步開通S2的正導(dǎo)通部分S2P；第三步關(guān)斷S1的正導(dǎo)通部分S1P；第四步開通S2的負(fù)導(dǎo)通部分S2N，這樣就完成了兩個(gè)雙向開關(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)雙向開關(guān)的理想控制信號(hào)�？梢�，四步換流成功地構(gòu)成了對(duì)兩個(gè)雙向開關(guān)的換流控制，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(shí)刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑。換流過程可用Lattice公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件GAL22V10來實(shí)現(xiàn)。
圖7是用GAL實(shí)現(xiàn)的安全四步換流的時(shí)序圖。
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)。輸入電壓通過三相輸入同步變壓器，過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用來采樣輸入電壓、計(jì)算開關(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。
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。
實(shí)驗(yàn)中采用IGBT以集電極反串聯(lián)組合構(gòu)成雙向開關(guān)，圖11、圖12、圖13是實(shí)驗(yàn)所得的波形。
6 結(jié)語
本文介紹了空間矢量調(diào)制的雙向開關(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。
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