專(zhuān)利名稱(chēng)：矩陣變換器空間矢量調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種得到多相輸出的交流-交流直接變換裝置(矩陣變換器)，該多相輸出從多相交流電源變換成任意電壓或頻率，并且具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種空間矢量調(diào)制方法，借助于該空間矢量調(diào)制方法，其長(zhǎng)度·相位時(shí)時(shí)刻刻變化的空間矢量分別代表在輸入/輸出中，并且通過(guò)選擇基矢量進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)算。

背景技術(shù)：
以前存在的這種交流-交流直接變換裝置是如下變換裝置它迅速地切換具有自滅弧型半導(dǎo)體元件的雙向開(kāi)關(guān)，并且將單相或多相交流輸入變換成任意電壓或頻率的電力，并且它被如圖1所示構(gòu)造。
圖1表示三相/三相交流-交流直接變換裝置的基本構(gòu)造。三相交流電源1通過(guò)由電抗器和電容器形成的輸入濾波部件2和由九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9形成的半導(dǎo)體功率變換部件3連接到任意負(fù)載4上。關(guān)于九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9，盡管其詳細(xì)構(gòu)造方式不受限制，如其中雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9由18個(gè)反向-阻斷IGBT構(gòu)造的情況和其中雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9由在普通IGBT等的半導(dǎo)體元件與二極管之間的組合構(gòu)造的情況，但雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9由可雙向交換功率的切換元件構(gòu)造。
這里，如圖1所示，在下面，電源三相表示成RST相，并且輸出三相表示成UVW相。
交流-交流直接變換裝置(由矩陣變換器代表)是直接將功率從交流變換到交流的裝置，作為在通過(guò)PWM-控制電源電壓而產(chǎn)生輸出電壓的電壓-饋電功率變換器與電流-饋電功率變換器之間的組合的構(gòu)造，該電流-饋電功率變換器將輸出負(fù)載電流當(dāng)作電流源通過(guò)PWM-控制而產(chǎn)生電源電流。為了由九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種控制，兩個(gè)在控制中都彼此鏈接(即，控制具有由輸入和輸出交換的三相瞬時(shí)有效功率要求彼此一致的約束條件)。
接下來(lái)，基于上文，將定義交流-交流直接變換裝置的空間矢量。由于輸出電壓通過(guò)PWM從交流電源電壓產(chǎn)生，并且輸入電流也通過(guò)PWM從交流負(fù)載電流產(chǎn)生，所以不像普通直流-交流變換裝置(逆變器)的空間矢量，交流-交流直接變換裝置可產(chǎn)生的PWM-控制瞬時(shí)空間矢量時(shí)時(shí)刻刻在改變。輸出側(cè)電壓的瞬時(shí)空間矢量的改變?nèi)Q于電源電壓的相位·數(shù)值，所述電源電壓是由PWM斬波的源。輸入側(cè)電流的瞬時(shí)空間矢量取決于輸出負(fù)載電流的相位·數(shù)值而改變。
對(duì)于交流-交流直接變換裝置的切換模式，需要提供如下約束條件(1)電源絕不能短路，(2)負(fù)載電流不能是斷續(xù)電流。(1)用于防止由電源短路引起的過(guò)電流破壞，并且(2)用于防止由在感應(yīng)負(fù)載的電感中存儲(chǔ)的能量引起的過(guò)電壓故障。當(dāng)考慮到這些條件時(shí)，九個(gè)雙向開(kāi)關(guān)SW1～SW9的切換模式被限制為27(33)種組合。
當(dāng)將用于輸入側(cè)和輸出側(cè)的27(33)種切換模式擴(kuò)展到靜止αβ坐標(biāo)系上時(shí)，它們可如圖2A、2B及表1所示的那樣表示(圖2A表示在輸出負(fù)載電流相位15度處的輸入側(cè)電流的空間矢量，圖2B表示在電源電壓相位15度處的輸出側(cè)電壓的空間矢量)。
[表1]
在表1中，空間矢量被分成如下六組簡(jiǎn)諧振蕩矢量S1，它是一組使相位角30度的方向是正軸的簡(jiǎn)諧矢量；使相位角150度的方向是正軸的簡(jiǎn)諧振蕩矢量S2；使相位角270度的方向是正軸的簡(jiǎn)諧振蕩矢量S3；旋轉(zhuǎn)矢量R1，其長(zhǎng)度是最大且恒定，并且它逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)矢量R2，其長(zhǎng)度是恒定的，并且它順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；以及零矢量Z，它被固定在六邊形的中心零點(diǎn)處。這些基矢量中的每一個(gè)取決于輸入電壓的相位θ，即，這些基矢量中的每一個(gè)與輸入電壓的角速度ωi同步地改變。此外，矢量的長(zhǎng)度(六邊形的大小)與輸入線(xiàn)電壓的數(shù)值相對(duì)應(yīng)。
如上所述，因?yàn)樗矔r(shí)空間矢量時(shí)時(shí)刻刻在變化，所以矢量隨每個(gè)相而改變。當(dāng)將注意力集中在靜止αβ坐標(biāo)系中的瞬時(shí)空間矢量的變化方向上時(shí)，27種矢量可分類(lèi)成18種簡(jiǎn)諧振蕩矢量(對(duì)于三個(gè)軸中的每一個(gè)6種矢量，相位關(guān)系是恒定的)和6種旋轉(zhuǎn)矢量(在順時(shí)針?lè)较蛏系?種矢量和在逆時(shí)針?lè)较蛏系?種矢量，它們中的每個(gè)長(zhǎng)度是恒定的)以及三種零矢量(它在原點(diǎn)處不可變)。
表1是其中以輸出側(cè)空間矢量為基準(zhǔn)對(duì)27種模式進(jìn)行分類(lèi)的例子。已經(jīng)通過(guò)非專(zhuān)利文獻(xiàn)1等了解了空間矢量的這樣的基本想法。
接下來(lái)，將簡(jiǎn)單地解釋空間矢量的想法。例如，在輸出側(cè)空間矢量中，當(dāng)將注意力集中在狀態(tài)1上時(shí)在表1中，UVW＝RSS的連接模式，輸出的三相交流按U相→V相→W相的順序具有每個(gè)120度的相位差。由于這里將輸出側(cè)空間矢量定義成使U相是α軸(圖2中的S1軸)，所以V相是S2軸方向，W相是S3軸方向。
在狀態(tài)1下UVW＝RSS，與圖2的例子相同，當(dāng)電源電壓相位θ是15度時(shí)，電源相電壓的關(guān)系成為vr＞0＞vs＞vt的關(guān)系。因而，在狀態(tài)1下，Vu＊＝Vr、Vv＊＝Vs、Vw＊＝Vs。由于Vr是正電壓并且Vs是負(fù)電壓，所以當(dāng)合成Vu＊、Vv＊及Vw＊時(shí)，如圖2中由vRSS所示，輸出側(cè)空間矢量在S1軸正方向上被輸出。同樣關(guān)于其它瞬時(shí)空間矢量，它們可同樣被擴(kuò)展。
現(xiàn)在，如圖3所示，對(duì)于每30度相位劃分輸入側(cè)空間矢量的域，如圖3A所示，并且對(duì)于每60度相位劃分輸出側(cè)空間矢量的域，如圖3B所示，并給出了編號(hào)。在下面，這些叫做扇區(qū)。當(dāng)從下面三相兩相變換(αβ變換)和三角函數(shù)確定輸入相位θ和輸出相位φ時(shí)，可判別扇區(qū)。
[表達(dá)式1] [表達(dá)式2] 這里，作為本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)，已知在非專(zhuān)利文獻(xiàn)2中描述的矩陣變換器的空間矢量調(diào)制方法、和在非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中描述的矩陣變換器的PWM控制方法等。
在以前存在的典型控制系統(tǒng)中(例如，非專(zhuān)利文獻(xiàn)2)，有多種系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，輸入和輸出波形可變換成正弦波，而不使用輸出負(fù)載電流信息。由于對(duì)于矩陣變換器的PWM控制要求的信息只是三相交流電源電壓的相位(或相位和數(shù)值)的信息，并且輸出電流檢測(cè)值的信息也不包括在運(yùn)算中，所以控制可滿(mǎn)足開(kāi)環(huán)控制。
另一方面，當(dāng)將注意力集中在一個(gè)控制周期內(nèi)的切換次數(shù)上時(shí)，在以前存在的典型控制系統(tǒng)的情況下，它是四次或更多次(當(dāng)在載波一個(gè)周期內(nèi)計(jì)數(shù)時(shí)，它是八次或更多次)。
這里，一個(gè)控制周期是PWM周期。如果系統(tǒng)是五矢量調(diào)制系統(tǒng)，則該周期是五個(gè)空間矢量的脈沖信號(hào)(輸出時(shí)間)的總時(shí)間。它是對(duì)于五個(gè)瞬時(shí)空間矢量的PWM要求的單位時(shí)間，即通過(guò)積分將五個(gè)瞬時(shí)空間矢量擬合到指令值上要求的單位時(shí)間(作為平均)，并且通常，指令值的更新也與這個(gè)單位時(shí)間同步。
然而，當(dāng)將它應(yīng)用于在非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中所描述的三角波載波比較系統(tǒng)上時(shí)，因?yàn)樗c其中在三角波的波峰和波谷處更新的指令值的情況相對(duì)應(yīng)，所以一般而言載波頻率成為控制頻率的1/2倍。
例如，載波5kHz→控制頻率10kHz(一個(gè)控制周期＝100μs)。如果系統(tǒng)是五矢量系統(tǒng)，則一個(gè)控制周期由五個(gè)PWM脈沖構(gòu)成，即，切換次數(shù)是四次。此外，在四-矢量調(diào)制系統(tǒng)的情況下，一個(gè)控制周期由四個(gè)PWM脈沖構(gòu)成，即，切換次數(shù)是三次。
非專(zhuān)利文獻(xiàn)1Akio Ishiguro，Takeshi Furuhashi，MuneakiIshida，Shigeru Okuma，Yoshiki Uchikawa“Output Voltage controlMethod of PWM-Controlled Cycloconverters with Space Vectors”，The Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan，Vol·110，No.6，pp，655-663(1990) 非專(zhuān)利文獻(xiàn)2Yugo Tadano，Shota Urushibata，MasakatsuNomura，Tadashi Ashikaga“A Study of Space Vector ModulationMethod for Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter”，Heisei18 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers ofJapan，Industry Society，1-87(2006) 非專(zhuān)利文獻(xiàn)3Yusuke Andou，Takaharu Takeshita“PWMControl of Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter forReducing Number of Commutations”，Heisei 18 Annual Conferenceof the Institute of Electrical Engineers of Japan，Industry Society，1-04-4(2006)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題 在非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的控制方法中，只有輸出被控制且變換成正弦波，并且有輸入波形包含高次諧波的問(wèn)題。如果只有輸出電壓需要變換成正弦波，則這可通過(guò)選擇三個(gè)空間矢量并控制它們來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于在該時(shí)刻的輸入電流不被控制，所以波形包含高次諧波失真。
在非專(zhuān)利文獻(xiàn)2中描述的矢量調(diào)制系統(tǒng)是這樣一種方法，其中在根據(jù)控制的過(guò)程選擇五個(gè)空間矢量之后，使用偽-逆矩陣進(jìn)行負(fù)荷的運(yùn)算，并且這種方法可將輸入和輸出波形變換成正弦波。在其中除輸出外輸入電流也同時(shí)變換成正弦波的情況下，由于進(jìn)一步要求輸入電流的α分量、β分量的兩個(gè)自由度，所以使用五個(gè)空間矢量執(zhí)行控制。
然而，因?yàn)槲?矢量調(diào)制系統(tǒng)，在一個(gè)控制周期內(nèi)的切換次數(shù)是四次，并且由于由這四次換相引起的切換損失，所以系統(tǒng)效率被降低。
在非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中，每三相進(jìn)行負(fù)荷的運(yùn)算，并且通過(guò)三角波載波比較系統(tǒng)產(chǎn)生PWM波形。這在輸出線(xiàn)電壓高次諧波的減少的情況下是有效的。然而，由于輸出電壓高次諧波的減少最重要，所以與常規(guī)系統(tǒng)相比增加了輸入電流脈動(dòng)。
另外，由于在負(fù)荷運(yùn)算之后進(jìn)行載波比較，并且確定PWM脈沖，所以按PWM脈沖的排列順序沒(méi)有自由度。并且在模式的變化處(在扇區(qū)間轉(zhuǎn)移處，例如，當(dāng)扇區(qū)從圖3中的扇區(qū)1轉(zhuǎn)移到扇區(qū)2時(shí))，PWM脈沖不能排列成使得切換次數(shù)減少。不考慮在扇區(qū)間轉(zhuǎn)移時(shí)切換次數(shù)的減少。
本發(fā)明是解決以上問(wèn)題的一種發(fā)明，并且其目的是，提供一種交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，該方法能夠?qū)⑤斎牒洼敵霾ㄐ巫儞Q成正弦波和減少在扇區(qū)間轉(zhuǎn)移時(shí)的切換次數(shù)。
解決問(wèn)題的手段 在解決以上問(wèn)題的權(quán)利要求1中描述的本發(fā)明中，用于多相交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，該多相交流-交流直接變換裝置通過(guò)直接交流/交流變換系統(tǒng)借助于空間矢量調(diào)制而PWM-控制雙向開(kāi)關(guān)，用于多相交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法包括定義其中多相交流輸出的線(xiàn)電壓被擴(kuò)展到兩相靜止αβ坐標(biāo)系上的矢量狀態(tài)；在扇區(qū)中定義相位-滯后簡(jiǎn)諧振蕩矢量軸和相位-超前簡(jiǎn)諧振蕩矢量軸，在該扇區(qū)中輸出電壓指令值矢量Vo＊分別作為X軸和Y軸而存在；將在每個(gè)軸中的最大電壓矢量XL、YL、中間矢量XM、YM、和最小矢量XS、YS、作為電源的中間電壓相位的零矢量Z、以及作為在扇區(qū)中存在的一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量的旋轉(zhuǎn)矢量R，設(shè)置為基矢量；確定由在八種矢量中的四個(gè)矢量的組合形成的切換選擇模式，該切換選擇模式滿(mǎn)足用于減少輸入電流和/或輸出電壓的高次諧波的預(yù)定條件；基于電源電壓信息和輸出電流信息，導(dǎo)出與用于這種選擇模式的四個(gè)矢量的輸入和輸出相關(guān)聯(lián)的負(fù)荷系數(shù)矩陣；計(jì)算其逆矩陣和確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解；以及由所確定的負(fù)荷解同時(shí)將輸入和輸出波形變換成正弦波。
在權(quán)利要求2中描述的本發(fā)明中，預(yù)定條件具有如下條件中的至少一個(gè)或多個(gè)條件輸入波形和輸出波形可同時(shí)變換成正弦波；不選擇這樣一種矢量，當(dāng)向線(xiàn)電壓矢量方向觀(guān)看時(shí)該矢量與指令值的電壓差最大；每一個(gè)相的切換過(guò)渡是可能的；在切換過(guò)渡時(shí)不發(fā)生在電源的最大電壓相位與最小電壓相位之間的直接換相；始終使用電源的中間電壓相位的零矢量。
在權(quán)利要求3中描述的本發(fā)明中，在交流-交流直接變換裝置的所有空間矢量中，輸出側(cè)空間矢量以表格形式列為電源相電壓檢測(cè)值的三相兩相變換α分量Viα和電源相電壓檢測(cè)值的三相兩相變換β分量Viβ的系數(shù)，輸入側(cè)空間矢量以表格形式列為輸出負(fù)載電流檢測(cè)值的三相兩相變換α分量Ioα和輸出負(fù)載電流檢測(cè)值的三相兩相變換β分量Ioβ的系數(shù)，并且通過(guò)使用表格確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解。
在權(quán)利要求4中描述的本發(fā)明中，當(dāng)確定負(fù)荷解時(shí)，預(yù)先進(jìn)行對(duì)于四個(gè)矢量中的每一個(gè)選擇模式是否存在逆矩陣的檢查，并且將得到其負(fù)荷解的選擇模式用作最終負(fù)荷。
在權(quán)利要求5中描述的本發(fā)明中，當(dāng)確定負(fù)荷解時(shí)，針對(duì)其負(fù)荷相加值成為在負(fù)荷系數(shù)矩陣中消除的1的行進(jìn)行運(yùn)算。
在權(quán)利要求6中描述的本發(fā)明中，作為選擇模式，基于輸出電壓指令值的數(shù)值，在低輸出電壓區(qū)域的情況下，使用包含零矢量的選擇模式，以及在高輸出電壓區(qū)域的情況下，使用不包含零矢量的選擇模式。
在權(quán)利要求7中描述的本發(fā)明中，對(duì)于選擇模式以表格形式預(yù)先列出其逆矩陣存在的負(fù)荷系數(shù)矩陣的行列式，并且通過(guò)使用表格確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解。
在權(quán)利要求8中描述的本發(fā)明中，根據(jù)在輸出側(cè)空間矢量的扇區(qū)中的旋轉(zhuǎn)矢量相位的滯后或超前，固定選擇模式。
在權(quán)利要求9中描述的本發(fā)明中，根據(jù)在簡(jiǎn)諧振蕩矢量的中間電壓矢量XM和YM與輸出電壓指令值之間的連接的數(shù)值的比較，固定選擇模式。
在權(quán)利要求10中描述的本發(fā)明中，作為選擇模式，具有兩個(gè)電平的選擇模式優(yōu)先于其它選擇選擇模式被使用。
在權(quán)利要求11中描述的本發(fā)明中，在電流檢測(cè)值很小時(shí)的時(shí)間處或在初始運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，基于電源電壓信息和輸出電流指令值，進(jìn)行用于確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解的運(yùn)算。
本發(fā)明的效果 (1)根據(jù)在權(quán)利要求1～11中描述的本發(fā)明，可以使用電源電壓信息和輸出電流信息通過(guò)四個(gè)矢量將輸入/輸出波形變換為正弦波。由于通過(guò)四個(gè)矢量進(jìn)行調(diào)制，所以在一個(gè)控制周期內(nèi)的切換次數(shù)可從常規(guī)的四次減少到三次。作為切換次數(shù)減少的結(jié)果，由于可降低切換損失，所以可改進(jìn)效率。
(2)根據(jù)在權(quán)利要求2中描述的本發(fā)明，由于提供五種條件，所以可減少高次諧波，并且也能以低噪聲減小輸出電流脈動(dòng)。此外，當(dāng)將注意力集中在PWM脈沖的輸出峰值上時(shí)，由于通過(guò)輸入電壓的中間相位進(jìn)行切換，所以按其中電壓變化盡可能變小的順序進(jìn)行輸出。因此，這在減小由電壓變化引起的損失和實(shí)現(xiàn)低噪聲方面是有效的。況且，也關(guān)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載等的中性點(diǎn)電壓(共模電壓)的轉(zhuǎn)移范圍，它在理論上可被抑制到最小。
(3)根據(jù)在權(quán)利要求5中描述的本發(fā)明，可減輕用于確定負(fù)荷解的運(yùn)算負(fù)載。
(4)根據(jù)在權(quán)利要求6中描述的本發(fā)明，在低輸出電壓區(qū)域或高輸出電壓區(qū)域的情況下，可選擇適當(dāng)?shù)倪x擇模式，并且有可能減少輸出電壓高次諧波。
(5)根據(jù)在權(quán)利要求7中描述的本發(fā)明，由于可從負(fù)荷運(yùn)算過(guò)程排除其中逆矩陣不存在的選擇模式，所以可通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)以容易地判別逆矩陣是否存在來(lái)減輕運(yùn)算負(fù)載。
(6)根據(jù)在權(quán)利要求8和9中描述的本發(fā)明，有可能減少選擇模式。借此，可減輕負(fù)荷運(yùn)算過(guò)程。
(7)根據(jù)在權(quán)利要求10中描述的本發(fā)明，有可能進(jìn)一步減少輸出電壓高次諧波。
(8)根據(jù)在權(quán)利要求11中描述的本發(fā)明，即使在其中電流檢測(cè)值很小的情況下，或即使在初始運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，由于使用電流指令進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)算，所以也可防止運(yùn)算誤差。



[圖1]本發(fā)明應(yīng)用于其上的交流-交流直接變換裝置的基本構(gòu)造圖。
[圖2]這些圖指示空間矢量。圖2A是輸入側(cè)空間矢量圖，并且圖2B是輸出側(cè)空間矢量圖。
[圖3]空間矢量的輸入側(cè)扇區(qū)和輸出側(cè)扇區(qū)的定義例子的解釋圖。
[圖4]輸出扇區(qū)“1”的空間矢量的相位圖。
[圖5]用于解釋本發(fā)明的約束條件的解釋圖。
[圖6]用于解釋本發(fā)明的約束條件的解釋圖。
[圖7]本發(fā)明的方法中的切換過(guò)渡圖。
[圖8]執(zhí)行本發(fā)明的實(shí)施例1的系統(tǒng)的構(gòu)造圖。
[圖9]用于解釋本發(fā)明的效果的解釋圖。
[圖10]用于解釋在本發(fā)明實(shí)施例中的輸出電壓指令區(qū)域的解釋圖。
[圖11]用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例6的解釋圖。
[圖12]用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例7的解釋圖。
[圖13]用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例8的解釋圖。
[圖14]表示執(zhí)行本發(fā)明的實(shí)施例10的系統(tǒng)的構(gòu)造圖。
附圖標(biāo)記的解釋 1...三相交流電源、2...輸入濾波部件、3...半導(dǎo)體電源變換部件、 4...負(fù)載、11...電壓檢測(cè)裝置、12...電流檢測(cè)裝置、13a、13b...三相兩相變換裝置、14...負(fù)荷運(yùn)算裝置、15...選擇裝置、16...柵極信號(hào)產(chǎn)生部件、以及20...電流反饋控制裝置
具體實(shí)施例方式 在下面，將參照附圖，借助于作為矩陣變換器的交流-交流直接變換裝置解釋本發(fā)明的實(shí)施例，該矩陣變換器PWM-控制雙向開(kāi)關(guān)。然而，本發(fā)明不限于如下實(shí)施例。
作為矩陣變換器的使用，一般地，矩陣變換器矢量-控制電動(dòng)機(jī)負(fù)載?；蛘咦鳛闄z測(cè)負(fù)載的過(guò)電流的裝置，矩陣變換器一般具有負(fù)載電流檢測(cè)的裝置，如輸出電流傳感器等。因而，使用用于控制的負(fù)載電流信息也是可能的。
相應(yīng)地，在本發(fā)明中，通過(guò)使用輸出電流信息(例如，輸出電流檢測(cè)值)，將自由度減小一，并且由四個(gè)空間矢量進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明然后將在一個(gè)控制周期內(nèi)的切換次數(shù)從常規(guī)四次減少到三次。
在非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中所描述的載波比較系統(tǒng)的情況下，由于PWM脈沖可僅通過(guò)將電壓指令值與三角波載波相比較而產(chǎn)生，所以控制相對(duì)變得簡(jiǎn)單。另一方面，盡管要求空間矢量調(diào)制系統(tǒng)從產(chǎn)生的負(fù)荷信息按任意順序排列PWM脈沖，但有按其脈沖排列順序的自由度。因而，關(guān)于模式變化的過(guò)渡狀態(tài)(輸入/輸出扇區(qū)轉(zhuǎn)移等；扇區(qū)是由以上表達(dá)式(2)代表的相位的域)，也有可能瞬時(shí)改變排列以減少切換次數(shù)。此外，盡管非專(zhuān)利文獻(xiàn)3僅處理其中輸出電壓高次諧波的減少優(yōu)先的情況，但本發(fā)明的空間矢量調(diào)制系統(tǒng)也可根據(jù)使用應(yīng)用于控制的其它過(guò)程，如其中輸入優(yōu)先的情況和其中磁通量矢量的軌跡優(yōu)先的情況。
(實(shí)施例1) 首先，在本實(shí)施例中，將解釋如下情況的矢量選擇和負(fù)荷運(yùn)算的方法其中使輸出電壓高次諧波最小化是最重要的(輸出電壓高次諧波的最小化優(yōu)先)。
由于要求矩陣變換器同時(shí)控制輸入和輸出，所以如果輸入和輸出中的任一個(gè)的高次諧波減少的控制優(yōu)于另一個(gè)，則另一個(gè)的脈動(dòng)增加，并且發(fā)生這樣的折衷關(guān)系(見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。在PWM-控制輸入和輸出兩者的正弦波的主要前提下，由于不避免以上折衷關(guān)系，所以有根據(jù)使用于預(yù)先確定控制過(guò)程的需要。
在本實(shí)施例中，由于高次諧波的減少優(yōu)先，所以提供如下約束條件。
(1)輸入和輸出都被變換為正弦波。
(2)為了減少線(xiàn)電壓的變化，不選擇這樣一種矢量，當(dāng)向線(xiàn)電壓矢量方向觀(guān)看時(shí)該矢量與指令值的電壓差最大。
(3)每一個(gè)相設(shè)置換相。也就是說(shuō)，防止兩個(gè)相或更多個(gè)相同時(shí)切換，并且使切換次數(shù)最小化。
(4)防止輸入最大電壓相位

最小電壓相位的換相。就是說(shuō)，始終通過(guò)中間電壓相位減少電壓變化，并且降低切換損失。
(5)始終使用電源的中間電壓相位的零矢量，降低共模電壓。
在本發(fā)明中，以上(1)是控制過(guò)程的最重要的前提。并且通過(guò)使用輸出電流檢測(cè)值信息，這個(gè)自由度減少一，然后實(shí)現(xiàn)四矢量系統(tǒng)。相應(yīng)地，使用四個(gè)空間矢量+輸出電流信息通過(guò)提供正弦波到輸入·輸出的指令進(jìn)行控制(條件表達(dá)式是以后提到的表達(dá)式(11))。
關(guān)于以上(2)，選擇這樣一種矢量當(dāng)向Vuv、Vvw和Vwu的線(xiàn)電壓矢量方向(即向[30+60n]度的方向(0≤n≤5的整數(shù)))觀(guān)看時(shí)電壓變化變小。向線(xiàn)電壓方向也觀(guān)看到在該時(shí)刻的電壓指令值的數(shù)值，并且不使用最遠(yuǎn)的矢量組。
例如，為了輸出線(xiàn)電壓高次諧波的減少超過(guò)常規(guī)系統(tǒng)(例如，虛擬間接型控制系統(tǒng))或超過(guò)輸入電流高次諧波的減少，如定義的圖4所示，在60度相位差內(nèi)的任意一個(gè)扇區(qū)考慮8種矢量。
由于在一個(gè)扇區(qū)中始終存在僅一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，所以它由R表示。關(guān)于零矢量，按照以上約束條件(5)，使用電源電壓的中間電壓相位的零矢量Z(如果Vr＞Vs＞Vt，則選擇SSS的模式)。
盡管6種簡(jiǎn)諧振蕩矢量存在于一個(gè)扇區(qū)中，但由于使用的矢量是兩個(gè)軸，所以從相位關(guān)系看，滯后軸是X軸且超前軸是Y軸，并且判別瞬時(shí)電壓的大/中/小的關(guān)系，這些瞬時(shí)電壓中的每一個(gè)處于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。然后，在X軸中其絕對(duì)值最大的矢量定義為XL，中間的定義為XM，并且最小的定義為XS。同樣，對(duì)于Y軸，其絕對(duì)值最大的矢量定義為YL，中間的定義為YM，并且最小的定義為YS。
當(dāng)電壓指令值Vo＊的輸出電壓為高(矢量為長(zhǎng))時(shí)，如圖5中所示，進(jìn)行控制，使得不選擇當(dāng)向線(xiàn)電壓方向觀(guān)看時(shí)最遠(yuǎn)的零矢量。另一方面，輸出電壓為低時(shí)，如圖6所示，進(jìn)行控制使得不選擇處于遠(yuǎn)距離中的XL、YL和R。
這里，在圖3中定義的扇區(qū)中，作為例子，提出輸入扇區(qū)“1”和輸出扇區(qū)“1”的相位狀態(tài)的情形(就是說(shuō)，Vr＞Vs＞Vt，Vu＊＞Vv＊＞Vw＊)。此時(shí)，在圖2B、圖5及圖6中，輸出扇區(qū)中的8種矢量是XL＝RTT、XM＝RSS、XS＝STT、YL＝RRT、YM＝RRS、YS＝SST、R＝RST、以及Z＝SSS。
當(dāng)在考慮以上8種矢量的切換過(guò)渡時(shí)計(jì)及以上約束條件(3)和(4)時(shí)，可畫(huà)出圖7中所示的過(guò)渡圖。在圖7中，通過(guò)作為輸入中間相的S相切換任何過(guò)渡，并且不會(huì)發(fā)生兩個(gè)或更多個(gè)的同時(shí)切換。
當(dāng)考慮其中通過(guò)按照?qǐng)D7的過(guò)渡圖從27種切換模式中選擇四個(gè)矢量而進(jìn)行過(guò)渡的組合時(shí)，它們被限于表格2中所示的10個(gè)選擇模式1～10(模式11～20是在其它輸入和輸出扇區(qū)狀態(tài)下可能出現(xiàn)的過(guò)渡模式。在這個(gè)例子中，只有模式1～10可滿(mǎn)足約束條件。)。
[表格2]
這里，表格2中的矢量號(hào)v1～v4是指四個(gè)矢量。當(dāng)按v1→v2→v3→v4的順序或其相反順序進(jìn)行過(guò)渡時(shí)，在滿(mǎn)足以上約束條件的同時(shí)可進(jìn)行過(guò)渡。矢量按v1→v2→v3→v4→v4→v3→v2→v1→v1→v2→......的這樣一種順序返回，然后執(zhí)行切換。
如以上描述的那樣，其中選擇四個(gè)矢量并且執(zhí)行過(guò)渡的組合限于10個(gè)模式，并且從這些組合中選擇一個(gè)組合(選擇模式)。在本實(shí)施例中，計(jì)算用于10個(gè)模式中的每一個(gè)的四個(gè)矢量的負(fù)荷(脈沖輸出時(shí)間比)，并且采用消除方法，通過(guò)該消除方法排除其解是不適當(dāng)?shù)哪Ｊ健?br> 在下面，將解釋本實(shí)施例中提出的負(fù)荷運(yùn)算方法。首先，對(duì)于輸入側(cè)空間矢量和輸出側(cè)空間矢量中的每一個(gè)，矩陣變換器的所有27種切換模式被分解成靜止αβ坐標(biāo)系的α軸分量和β軸分量。這里作為代表，將解釋表格1中的狀態(tài)1RSS。
在輸出側(cè)空間中，由于Vu＊＝Vr、Vv＊＝Vs、Vw＊＝Vs，所以當(dāng)運(yùn)算這些矢量的三相三相變換時(shí)，導(dǎo)出如下表達(dá)式。
[表達(dá)式3] 另一方面，當(dāng)使用兩相三相變換表達(dá)式用Viα和Viβ的關(guān)系表達(dá)式代替Vr、Vs和Vt時(shí)，導(dǎo)出如下表達(dá)式。
[表達(dá)式4] [表達(dá)式5] 也關(guān)于除以上矢量之外的瞬時(shí)空間矢量Voα和Voβ，這些矢量同樣可作為Viα和Viβ的關(guān)系表達(dá)式被導(dǎo)出。這被如下概括，并且如表格3中所示的那樣預(yù)先產(chǎn)生用于每27種切換模式的Viα和Viβ的系數(shù)表格。
[表格3] 27種切換模式的系數(shù)定義
[表達(dá)式6] Voαn＝Kvaan·Viα+Kvabn·Viβ .........................(6) Voβn＝Kvban·Viα+Kvbbn·Viβ 這里，n是所選的四個(gè)矢量號(hào)1～4的識(shí)別號(hào)，并且Kvaan、Kvabn、Kvban及Kvbbn中的每一個(gè)是系數(shù)的表格。
關(guān)于Viα和Viβ，使用電源電壓檢測(cè)值。也就是說(shuō)，例如，將電源電壓檢測(cè)值的靜止αβ變換(三相兩相變化)值Viα和Viβ代入表達(dá)式(5)中，該電源電壓檢測(cè)值的靜止αβ變換值通過(guò)例如以后提到的圖8中的電壓檢測(cè)裝置檢測(cè)。
在表格3中，Viα指示電源相電壓檢測(cè)值的三相兩相變換α分量，viβ同樣指示β分量。Ioα指示輸出負(fù)載電流檢測(cè)值的三相兩相變換α分量，Ioβ同樣指示β分量。Iiα＊指示輸入電流指令值的α分量，Iiβ＊同樣指示β分量。Voα＊指示輸出相電壓指令值的α分量，Voβ＊同樣指示β分量。
此外，同樣也在輸入側(cè)空間中，瞬時(shí)空間矢量可擴(kuò)展為輸出電流信息Ioα和Ioβ的系數(shù)表格。作為例子，將考慮表格1中的狀態(tài)1的UVW＝RSS。U相連接到R相上，并且V相和W相連接到S相上。T相是斷開(kāi)狀態(tài)，在該斷開(kāi)狀態(tài)下，沒(méi)有相連接到T相上。關(guān)于輸入電流，Ir＊＝Iu、Is＊＝Iv+Iw＝-Iu，It＊＝0。因此， [表達(dá)式7] [表達(dá)式8] 當(dāng)將表達(dá)式(8)的Iu代入表達(dá)式(7)中時(shí)，導(dǎo)出如下表達(dá)式。
[表達(dá)式9] 同樣，其它瞬時(shí)空間矢量也擴(kuò)展為Ioα和Ioβ的系數(shù)表格。
[表達(dá)式10] Iiαn＝Kiaan·Ioα+Kiabn·Ioβ .........................(10) Iiβn＝Kiban·Ioα+Kibbn·Ioβ 這里，n是所選的四個(gè)矢量號(hào)1～4的識(shí)別號(hào)，并且Kiaan、Kiabn、Kiban及Kibbn中的每一個(gè)是系數(shù)的表格。
關(guān)于Ioα和Ioβ，使用輸出負(fù)載電流檢測(cè)值。也就是說(shuō)，使用由例如以后提到的圖8中的電流檢測(cè)裝置檢測(cè)的靜止αβ變換值。
然后，通過(guò)使用以上瞬時(shí)空間矢量的系數(shù)表格(表格3)，計(jì)算四個(gè)矢量的負(fù)荷。因?yàn)檩敵鲭妷褐噶詈洼斎腚娏髦噶畹年P(guān)系表達(dá)式，也因?yàn)樗膫€(gè)負(fù)荷的總和一定是1，所以建立如下表達(dá)式(11)。
[表達(dá)式11] 這里，將負(fù)荷的系數(shù)代入表達(dá)式(6)和(10)中。
然而，由于矩陣變換器同時(shí)控制輸入和輸出，所以不建立表達(dá)式，除非三相瞬時(shí)有效功率的交換在輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是一致的。也就是說(shuō)，如果Vo＊和Ii＊的數(shù)值和相位被獨(dú)立地控制，則不建立有效功率的關(guān)系，并且輸入和輸出的同時(shí)正弦波變換成為不可能。
因而，作為指令值，只使用輸出電壓指令。對(duì)于輸入電流，其數(shù)值被設(shè)置成根據(jù)當(dāng)時(shí)的負(fù)載被自動(dòng)地確定。關(guān)于輸入相位，當(dāng)它與電源電壓相位一致時(shí)，功率因數(shù)是1。另外，當(dāng)執(zhí)行控制使得輸入相位與電源電壓相位具有相位差時(shí)，也有可能調(diào)節(jié)輸入側(cè)的無(wú)功功率。因此，作為輸入電流和電源電壓及其相位差θ＊的關(guān)系表達(dá)式，使用三角公式等導(dǎo)出表達(dá)式(12)的如下輸入側(cè)相位關(guān)系(θ＊是輸入電流相位相對(duì)于電源電壓相位的指令值，也就是說(shuō)，它是相位差指令值。電流超前方向?yàn)檎?。
[表達(dá)式12] 當(dāng)將這個(gè)表達(dá)式(12)代入表達(dá)式(11)中并且消去Iiα＊和Iiβ＊時(shí)，涉及輸入電流的表達(dá)式(表達(dá)式(11)中的第三和第四表達(dá)式)按如下排列。
[表達(dá)式13] {(Kiaa1·Ioα+Kiab1·Ioβ)·(viβ+Viα·tanθ*)-(Kiba1·Ioα+Kibb1·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*)}·d1 +{(Kiaa2·Ioα+Kiab2·Ioβ)·(viβ+Viα·tanθ*)-(Kiba2·Ioα+Kibb2·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*)}·d2 +{(Kiaa3·Ioα+Kiab3·Ioβ)·(viβ+Viα·tanθ*)-(Kiba3·Ioα+Kibb3·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*)}·d3 +{(Kiaa4·Ioα+Kiab4·Ioβ)·(viβ+Viα·tanθ*)-(Kibb4·Ioα+Kibb4·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*)}·d4 ＝0 ..................(13) 相應(yīng)地，通過(guò)使用表達(dá)式(13)和表達(dá)式(11)中的第一、第二及第五表達(dá)式，導(dǎo)出涉及四個(gè)負(fù)荷的如下公式。
[表達(dá)式14] ※Kiin＝(Kiaan·Ioα+Kiabn·Ioβ)·(Viβ+Viα·tanθ*)-(Kiban·Ioα+Kibbn·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*) n是矢量號(hào)。
通過(guò)確定負(fù)荷系數(shù)矩陣的逆矩陣，可確定如下四個(gè)負(fù)荷。
[表達(dá)式15] 以這種方式，導(dǎo)出負(fù)荷運(yùn)算表達(dá)式。在當(dāng)前實(shí)施例中，在從表格2選擇四個(gè)矢量的選擇模式之后，由表達(dá)式(15)確定四個(gè)負(fù)荷，并且根據(jù)其輸出時(shí)間比產(chǎn)生PWM脈沖。
圖8是本實(shí)施例的基本控制框圖(其它實(shí)施例也具有基本相同的構(gòu)造)。
在圖8中，與圖1中的元件相同的元件由相同附圖標(biāo)記表示。借助于由諸如變壓器之類(lèi)的某一電壓檢測(cè)裝置11檢測(cè)的電源電壓從三相交流電源1的三相電源電壓接入電源電壓。在圖8中，盡管在輸入濾波部件2的電源側(cè)上檢測(cè)電源電壓，但檢測(cè)位置在濾波器之前或之后是可能的。由諸如電流傳感器之類(lèi)的某一電流檢測(cè)裝置12檢測(cè)輸出負(fù)載電流。
接入的電源電壓·負(fù)載電流值都分別通過(guò)三相兩相變換裝置13a和13b被三相兩相變換，并且在負(fù)荷運(yùn)算裝置14中進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)算時(shí)使用這些裝置。從任意高階控制系統(tǒng)接收輸出電壓指令值和輸入相位指令值，并且在進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)算時(shí)和在由選擇裝置15選擇四個(gè)矢量時(shí)，這些值用于空間矢量的扇區(qū)判別和低電壓·高電壓區(qū)域等的判別。也關(guān)于以上電源電壓檢測(cè)值的相位，它用于選擇四個(gè)矢量。
然后，盡管在選擇四個(gè)矢量之后執(zhí)行表達(dá)式(15)的負(fù)荷運(yùn)算，但作為四個(gè)矢量的選擇模式，如表格2中所示存在20種模式。在其中提供輸出電壓高次諧波減少的約束條件的情況下，盡管模式限于10種模式，但在表達(dá)式(15)中不必解出所有這些模式(有其中矩陣沒(méi)有逆矩陣的情況)。由于沒(méi)有逆矩陣意味著矢量的選擇方式是錯(cuò)誤的，所以模式被變化到其它矢量選擇模式。在本實(shí)施例中，首先，進(jìn)行用于10種選擇模式中的每一種的負(fù)荷系數(shù)矩陣的逆矩陣是否存在的檢查。得到其解的模式然后最終被用在柵極信號(hào)產(chǎn)生部件16中。
這里，在以上解釋中，通過(guò)三相兩相變換使用靜止坐標(biāo)系的α軸方向和β軸方向的關(guān)系表達(dá)式來(lái)執(zhí)行運(yùn)算。然而，也有可能由R、S、T、U、V、W的三相方向建造運(yùn)算表達(dá)式。
在圖9中表示通過(guò)本發(fā)明的模擬結(jié)果的代表性例子。波形從圖的上側(cè)起是電源相電壓、輸入電流、輸出線(xiàn)電壓、輸出電流。圖9A是其中輸出電壓指令是低的情況，圖9B是其中輸出電壓指令是高的情況。實(shí)現(xiàn)輸入/輸出波形的正弦波變換，那么可得到良好結(jié)果。另外，由于線(xiàn)電壓高次諧波的減少優(yōu)先，所以在低輸出電壓指令的情況下不輸出高-峰值線(xiàn)電壓。相反，在高輸出電壓指令的情況下，由于不使用零矢量，所以輸出高-峰值脈沖。以這種方式，由于輸出接近指令值的脈沖電壓，所以有可能減少高次諧波和降低損失。
(實(shí)施例2) 在實(shí)施例1中，作為負(fù)荷系數(shù)矩陣，使用像表達(dá)式(15)的4×4矩陣。這里，當(dāng)將注意力集中在表達(dá)式(15)中第4行的“負(fù)荷相加值＝1”的公式上時(shí)，系數(shù)矩陣始終是1。由此，消去d4，并且按如下考慮運(yùn)算表達(dá)式。
[表達(dá)式16] 這里，按如下預(yù)先計(jì)算系數(shù)矩陣的元素。
[表達(dá)式17] Voα1-Voα4＝(Kvaa1-Kvaa4)·Viα+(Kvab1-Kvbb4)·Viβ Voα2-Voα4＝(Kvaa2-Kvaa4)·Viα+(Kvab2-Kvab4)·Viβ Voα3-Voα4＝(Kvaa3-Kvaa4)·Viα+(Kvab3-Kvab4)·Viβ Voβ1-Voβ4＝(Kvba1-Kvba4)·Viα+(Kvab1-Kvbb4)·Viβ Voβ2-Voβ4＝(Kvba2-Kvba4)·Viα+(Kvbb2-Kvbb4)·Viβ Voβ3-Voβ4＝(Kvba3-Kvba4)·Viα+(Kvbb3-Kvbb4)·Viβ Kii1-Kii4＝((Kiaa1-Kiaa4)·Ioα+(Kiab1-Kiab4)·Ioβ)·(Viβ+Viα·tanθ*)-((Kiba1-Kiba4)·Ioα+(Kibb1-Kibb4)·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*) Kii2-Kii4＝((Kiaa2-Kiaa4)·Ioα+(Kiab2-Kiab4)·Ioβ)·(Viβ+Viα·tanθ*)-((Kiba2-Kiba4)·Ioα+(Kibb2-Kibb4)·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*) Kii3-Kii4＝((Kiaa3-Kiaa4)·Ioα+(Kiab3-Kiab4)·Ioβ)·(Viβ+Viα·tanθ*)-((Kiba3-Kiba4)·Ioα+(Kibb3-Kibb4)·Ioβ)·(Viα-Viβ·tanθ*) .........................(17) 根據(jù)本實(shí)施例，有可能將來(lái)自實(shí)施例1的4×4逆矩陣的運(yùn)算簡(jiǎn)化為3×3逆矩陣。
(實(shí)施例3) 在實(shí)施例1中，關(guān)于表格2中的四個(gè)矢量的20種選擇模式，進(jìn)行逆矩陣是否存在的檢查。在本實(shí)施例中，關(guān)于輸入·輸出扇區(qū)狀態(tài)和在其狀態(tài)下不能夠產(chǎn)生的模式，本實(shí)施例構(gòu)造成使得不進(jìn)行負(fù)荷系數(shù)矩陣的行列式的運(yùn)算。借此，可減輕運(yùn)算負(fù)載。
關(guān)于表格2中的20種選擇模式，首先，如表格4中所示，將模式分成1～10和11～20兩組。
[表格4]
這里，每組叫做扇區(qū)樣式1(sm1)和扇區(qū)樣式2(sm2)。盡管這兩組是一對(duì)模式組，其中只有X與Y之間的關(guān)系被顛倒，但從輸入和輸出矢量狀態(tài)，進(jìn)行依據(jù)模式所屬的那個(gè)組是否滿(mǎn)足輸出電壓高次諧波減少的約束條件的確定。當(dāng)概括它時(shí)，它成為表格5。
[表格5]
由于從輸入和輸出之間的扇區(qū)的關(guān)系可確定sm1和sm2，所以關(guān)于負(fù)荷運(yùn)算矩陣的逆矩陣，沒(méi)有規(guī)則地進(jìn)行20個(gè)模式的運(yùn)算的需要，它變?yōu)?0個(gè)模式的一半，即10個(gè)模式。根據(jù)本實(shí)施例，逆矩陣的存在檢查的運(yùn)算負(fù)載被降低一半。
(實(shí)施例4) 在本實(shí)施例中，除實(shí)施例3之外，通過(guò)檢查輸出電壓指令值的數(shù)值，執(zhí)行低輸出電壓區(qū)域和高輸出電壓區(qū)域的分離。注意，表格4中的模式1、6、11及16包含零矢量Z，其它選擇模式包含旋轉(zhuǎn)矢量R。
在低電壓區(qū)域的情況下，當(dāng)選擇包含零矢量的選擇模式時(shí)，可減少線(xiàn)電壓高次諧波，這在以上描述。在高電壓區(qū)域的情況下，使用包含旋轉(zhuǎn)矢量R的模式(不包含零矢量的選擇模式)。作為其判別，檢查當(dāng)向線(xiàn)電壓矢量方向觀(guān)看時(shí)的電壓指令值的數(shù)值，并且將最大簡(jiǎn)諧振蕩矢量(XL、YL、R)的線(xiàn)電壓方向瞬時(shí)值的1/2當(dāng)作為分界線(xiàn)。然后，在其中電壓指令值的線(xiàn)電壓方向瞬時(shí)值很大的情況下，高電壓區(qū)域的選擇模式優(yōu)先。在其中線(xiàn)電壓方向瞬時(shí)值為低的情況下，低電壓區(qū)域的選擇模式優(yōu)先。使用例如XL的數(shù)值由如下表達(dá)式(18)確定分界線(xiàn)。
[表達(dá)式18]

這里，φ是由X軸和電壓指令值Vo＊形成的角度。
根據(jù)本實(shí)施例，由于有可能從電壓指令值的數(shù)值判別應(yīng)該給予優(yōu)先選擇的四個(gè)矢量的選擇模式，所以可減少電壓高次諧波。
(實(shí)施例5) 在實(shí)施例1和2的方法中，根據(jù)輸入和輸出扇區(qū)狀態(tài)唯一固定應(yīng)用于一個(gè)扇區(qū)中的8種矢量[XL、XM、XS、YL、YM、YS、R、Z]的27種切換模式。例如，當(dāng)輸入扇區(qū)是“1”并且輸出扇區(qū)是“1”時(shí)，XL＝RTT、XM＝RSS、XS＝STT、YL＝RRT、YM＝RRS、YS＝SST、R＝RST、以及Z＝SSS。
然后，從每個(gè)切換模式的系數(shù)表格選擇四個(gè)矢量，并且將其代入負(fù)荷系數(shù)矩陣中。因?yàn)檫@個(gè)，如果四個(gè)矢量不固定，則不能進(jìn)行負(fù)荷的數(shù)學(xué)運(yùn)算。
因而，在本實(shí)施例中，關(guān)于表格2中的每個(gè)選擇模式，預(yù)先準(zhǔn)備運(yùn)算表達(dá)式本身的表格，系數(shù)被代入到該運(yùn)算表達(dá)式中。
將解釋輸入扇區(qū)“1”和輸出扇區(qū)“1”的例子。這里，對(duì)于負(fù)荷運(yùn)算，使用實(shí)施例2的樣式。
表格6是在對(duì)于每個(gè)選擇模式代入系數(shù)之后用于檢查負(fù)荷系數(shù)矩陣的逆矩陣是否存在的表達(dá)式的表格。
[表格6]
當(dāng)負(fù)荷系數(shù)矩陣是A時(shí)，如果其行列式|A|≠0，則逆矩陣存在，因而在表格中表示每個(gè)行列式。這里，由于在矩陣變換器的控制期間建立電源，所以通常，沒(méi)有其中電源電壓檢測(cè)值Via和fVib同時(shí)為0的情況。因此，Via2+Vib2≠0，并且如表格6中的右側(cè)所示，可簡(jiǎn)化逆矩陣的存在的判別式。同樣，模式判別式本身表現(xiàn)為某種程度的模式。逆矩陣存在判別式的這樣一種表格對(duì)于所有扇區(qū)被預(yù)先擴(kuò)展，并且它按照輸入和輸出扇區(qū)從表格讀出，然后被使用。根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)橛锌赡芟鄬?duì)簡(jiǎn)單地判別系數(shù)矩陣的逆矩陣是否存在，所以可減輕運(yùn)算負(fù)載。
(實(shí)施例6) 在矩陣變換器中使用的四個(gè)矢量的選擇模式可通過(guò)實(shí)施例3減少到10個(gè)模式。但是，為了進(jìn)一步減輕負(fù)荷運(yùn)算負(fù)載，可通過(guò)確定區(qū)域判別方法來(lái)減少選擇模式出現(xiàn)的可能性。然而，在其中輸出電壓和輸入電流在矩陣變換器中被同時(shí)變換成正弦波的情況下，因?yàn)樗踩Q于與矩陣變換器相連接的負(fù)載的狀態(tài)，所以通過(guò)區(qū)域判別不容易唯一地固定四個(gè)矢量的選擇模式。盡管也有可能用多個(gè)表達(dá)式代表判別式，但相反，可能增加運(yùn)算負(fù)載。因而，在本實(shí)施例中，以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式，建造將選擇模式從10個(gè)模式減少到9個(gè)模式的方法。
首先，按照電源電壓和輸出電壓指令，輸入和輸出的扇區(qū)判別是可能的，這在上面進(jìn)行了解釋。這里，將考慮在任意輸出側(cè)一個(gè)扇區(qū)中的10個(gè)模式的區(qū)域?，F(xiàn)在，假定輸出側(cè)扇區(qū)的內(nèi)部是圖4的狀態(tài)，當(dāng)示出能夠?qū)崿F(xiàn)在表格2中定義的選擇模式1～40的輸出電壓指令區(qū)域時(shí)，它成為圖10。這里，圖10A～10J與模式1～10相對(duì)應(yīng)。為了選擇這個(gè)選擇模式，輸出電壓指令必須至少存在于圖10A～10J中的黑色陰影區(qū)域中。
然而，這些區(qū)域是滿(mǎn)足輸出側(cè)的條件的最少條件。因此，必須注意，即使輸出電壓指令存在于這個(gè)區(qū)域中，其選擇模式也不一定滿(mǎn)足輸入電流側(cè)的條件。因而，盡管在這些10個(gè)模式的區(qū)域中有彼此重疊的部分，但關(guān)于這些區(qū)域，要求選擇滿(mǎn)足輸入條件的任意一個(gè)模式(在本實(shí)施例中，為了避免復(fù)雜性，省去其解釋)。
當(dāng)將注意力集中在圖4和圖10中的旋轉(zhuǎn)矢量R的相位上時(shí)，如圖11所示，關(guān)于滯后側(cè)區(qū)域(2)，以這個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量相位R作為基準(zhǔn)不選擇模式7(圖10G)。另一方面，關(guān)于超前側(cè)區(qū)域(1)，不選擇模式2(圖10B)。由于從輸入電源電壓相位可檢測(cè)在輸出側(cè)空間矢量的扇區(qū)中的旋轉(zhuǎn)矢量相位，所以當(dāng)以這個(gè)相位作為基準(zhǔn)進(jìn)行滯后或超前的判別時(shí)，有可能省去模式2或7的負(fù)荷運(yùn)算過(guò)程。作為結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)用于一個(gè)負(fù)荷運(yùn)算的負(fù)載減少。
(實(shí)施例7) 與實(shí)施例6相同，作為用于判別區(qū)域的手段，如圖12所示，本實(shí)施例新考慮在輸出側(cè)空間矢量的扇區(qū)中的簡(jiǎn)諧振蕩矢量的中間電壓相位XM和YM之間的連接。從圖10，在是這種連接的低電壓側(cè)的區(qū)域(1)的情況下，不選擇模式9和10(圖10I和10J)。另一方面，在是這種連接的高電壓側(cè)的區(qū)域(2)的情況下，不選擇模式1和6(圖10A和10F)。這里，有以這種連接作為分界線(xiàn)的一些判別方法。例如，如果比較XM cos30°和輸出電壓指令Vo＊的線(xiàn)電壓方向的瞬時(shí)值Vo＊cosγ(γ是與線(xiàn)電壓方向的相位差)這兩個(gè)數(shù)值時(shí)，其中當(dāng)向線(xiàn)電壓方向觀(guān)看由輸入電源電壓固定的XM瞬時(shí)值時(shí)得到XM cos30°，并且可判別區(qū)域(1)和(2)。
如以上描述的那樣，通過(guò)判別由在輸出側(cè)空間矢量的扇區(qū)中的簡(jiǎn)諧振蕩矢量的中間電壓相位XM和YM之間的連接分離的區(qū)域，四個(gè)矢量的選擇模式可從10個(gè)模式減少到8個(gè)模式。
(實(shí)施例8) 當(dāng)組合以上實(shí)施例6和7時(shí)，如圖13所示，四個(gè)區(qū)域的分離是可能的。選擇模式按如下分離。
區(qū)域(1)除模式7、9、10之外(1、2、3、4、5、6、8) 區(qū)域(2)除模式2、9、10之外(1、3、4、5、6、7、8) 區(qū)域(3)除模式1、6、7之外(2、3、4、5、8、9、10) 區(qū)域(4)除模式1、2、6之外(3、4、5、7、8、9、10) 因而，當(dāng)一次執(zhí)行實(shí)施例6和7的判別過(guò)程時(shí)，四個(gè)矢量的選擇模式的負(fù)荷運(yùn)算過(guò)程可從10個(gè)模式減少到7個(gè)模式。
(實(shí)施例9) 當(dāng)使用本發(fā)明的方法時(shí)，存在有其中依據(jù)負(fù)載條件或運(yùn)算狀態(tài)通過(guò)四個(gè)矢量的10種選擇模式中的兩個(gè)選擇模式來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足負(fù)荷條件的情況。
這里，在其中四個(gè)負(fù)荷d1～d4滿(mǎn)足如下條件的情況下，計(jì)算出的負(fù)荷是正確的。
d1+d2+d3+d4＝1 0≤dn≤1(n1～4) 在其中同時(shí)滿(mǎn)足負(fù)荷條件的兩個(gè)或更多個(gè)方式存在的情況下，盡管當(dāng)考慮可控制性時(shí)可使用樣式中的任一個(gè)，但在本實(shí)施例中，執(zhí)行如下過(guò)程其中，優(yōu)先于其它模式來(lái)選擇表格2中的模式4、5、9及10。
以選擇模式9作為例子將描述原因。由于選擇模式9是XL、R、YL、YM，所以使用兩個(gè)簡(jiǎn)諧振蕩矢量(大)XL和YL、一個(gè)簡(jiǎn)諧振蕩矢量(中)YM及一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量R。當(dāng)向輸出線(xiàn)電壓矢量方向觀(guān)看這些矢量時(shí)，簡(jiǎn)諧振蕩矢量(大)XL和YL與旋轉(zhuǎn)矢量R在數(shù)值上是相同的。因此，作為輸出到線(xiàn)電壓的脈沖的電壓峰值，它限于“XL、R、YL”和“YM”的兩個(gè)電平。也關(guān)于模式4、5及10，情況同樣如此。另一方面，至于其它選擇模式，使用當(dāng)向線(xiàn)電壓方向觀(guān)看時(shí)的三個(gè)電平的峰值。為了減少輸出線(xiàn)電壓高次諧波，期望使脈沖電壓變化和脈沖頻率最小化。因而，應(yīng)該主動(dòng)地使用模式4、5、9及10。
相應(yīng)地，當(dāng)模式4、5、9及10中的兩-電平樣式和其它模式的三-電平樣式同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，本實(shí)施例執(zhí)行過(guò)程，使得最終反映兩-電平樣式的負(fù)荷運(yùn)算結(jié)果。借此，輸出電壓高次諧波的進(jìn)一步減少成為可能。
(實(shí)施例10) 本發(fā)明是使用電源電壓檢測(cè)值和輸出電流檢測(cè)值的信息通過(guò)四個(gè)矢量進(jìn)行矢量調(diào)制的矢量調(diào)制系統(tǒng)。然而，對(duì)于輸出電流檢測(cè)值，在電流瞬時(shí)值原始很小的這樣一種負(fù)載運(yùn)行條件的情況下，或者在初始運(yùn)行狀態(tài)下，由于小電流檢測(cè)值或多種誤差等，有其中出現(xiàn)從選擇模式中的任一個(gè)不能得到負(fù)荷運(yùn)算的解的這樣一種不穩(wěn)定樣式的情況。
因而，在本實(shí)施例中，電流控制運(yùn)算(在電動(dòng)機(jī)負(fù)載的矢量控制處)作為前提，并且電流指令值被用于矩陣變換器的負(fù)荷運(yùn)算表達(dá)式(然而，它僅在其中反饋電流控制系統(tǒng)在適當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)下并且實(shí)現(xiàn)良好跟隨的情況下，才有效)。
在圖14中表示其控制構(gòu)造。在圖14中，與在圖8中的元件相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。電流反饋控制裝置20從三相兩相變換裝置13b接收輸出電流檢測(cè)值，并且也從高階控制系統(tǒng)接收輸出電流指令值，然后將輸出電壓指令輸出到負(fù)荷運(yùn)算裝置14和選擇裝置15。另外，輸出電壓指令值被輸入到負(fù)荷運(yùn)算裝置14。
在本實(shí)施例中，電流檢測(cè)值被用于反饋電流控制系統(tǒng)，并且電流指令值被用于矩陣變換器的負(fù)荷運(yùn)算。借此，在初始運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)或在電流檢測(cè)誤差不能被忽略的這樣一種低輸出電流處的運(yùn)算中，有可能使運(yùn)算穩(wěn)定。
另外，例如，對(duì)于在運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)的幾秒、或在輸出電流是任意值或更小時(shí)，從輸出電流檢測(cè)值到電流指令值的變化是可能的。
(實(shí)施例11) 考慮到即使使用實(shí)施例10也不能得到合理運(yùn)算結(jié)果的情況，控制被變化成按照故障自動(dòng)保護(hù)甚至通過(guò)開(kāi)環(huán)也能夠進(jìn)行運(yùn)算的常規(guī)系統(tǒng)。例如，它們是使用非專(zhuān)利文獻(xiàn)2的五個(gè)矢量的空間矢量調(diào)制系統(tǒng)或已經(jīng)普通使用的虛擬間接型調(diào)制系統(tǒng)。由于這些系統(tǒng)不要求使用輸出電流信息，所以可輸出某一合理負(fù)荷。
因而，在初始運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)或在其中負(fù)荷運(yùn)算誤差易于發(fā)生的低電流時(shí)的運(yùn)算中，使用開(kāi)環(huán)型常規(guī)方法。在穩(wěn)定操作條件下，使用本發(fā)明的四矢量系統(tǒng)(使用四個(gè)矢量的系統(tǒng))的電流反饋空間矢量調(diào)制方法。關(guān)于變化條件，它根據(jù)電流檢測(cè)值的數(shù)值通過(guò)任意電平進(jìn)行判斷。根據(jù)本實(shí)施例，即使當(dāng)輸出電流很小時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)安全和穩(wěn)定的運(yùn)算。
權(quán)利要求
1.一種用于多相交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，所述多相交流-交流直接變換裝置通過(guò)直接交流/交流變換系統(tǒng)借助于空間矢量調(diào)制而PWM-控制雙向開(kāi)關(guān)，用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法包括
定義其中多相交流輸出的線(xiàn)電壓被擴(kuò)展到兩相靜止αβ坐標(biāo)系上的矢量狀態(tài)；
在扇區(qū)中定義相位-滯后簡(jiǎn)諧振蕩矢量軸和相位-超前簡(jiǎn)諧振蕩矢量軸，在該扇區(qū)中輸出電壓指令值矢量Vo＊分別作為X軸和Y軸而存在；
將在每個(gè)軸中的最大電壓矢量XL、YL、中間矢量XM、YM、和最小矢量XS、YS、作為電源的中間電壓相位的零矢量Z、以及作為在扇區(qū)中存在的一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量的旋轉(zhuǎn)矢量R，設(shè)置為基矢量；
確定由在八種矢量中的四個(gè)矢量的組合形成的切換選擇模式，所述切換選擇模式滿(mǎn)足用于減少輸入電流和/或輸出電壓的高次諧波的預(yù)定條件；
基于電源電壓信息和輸出電流信息，導(dǎo)出與用于這種選擇模式的四個(gè)矢量的輸入和輸出相關(guān)聯(lián)的負(fù)荷系數(shù)矩陣；
計(jì)算其逆矩陣，并且確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解；以及
由所確定的負(fù)荷解同時(shí)將輸入和輸出波形變換成正弦波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
預(yù)定條件具有如下條件中的至少一個(gè)或多個(gè)條件
輸入波形和輸出波形可同時(shí)變換成正弦波；
不選擇這樣一種矢量，當(dāng)向線(xiàn)電壓矢量方向觀(guān)看時(shí)該矢量與指令值的電壓差最大；
每一個(gè)相的切換過(guò)渡是可能的；
在切換過(guò)渡時(shí)不發(fā)生在電源的最大電壓相位與最小電壓相位之間的直接換相；
始終使用電源的中間電壓相位的零矢量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
在交流-交流直接變換裝置的所有空間矢量中，輸出側(cè)空間矢量以表格形式列為電源相電壓檢測(cè)值的三相兩相變換α分量Viα和電源相電壓檢測(cè)值的三相兩相變換β分量Viβ的系數(shù)，
輸入側(cè)空間矢量以表格形式列為輸出負(fù)載電流檢測(cè)值的三相兩相變換α分量Ioα和輸出負(fù)載電流檢測(cè)值的三相兩相變換β分量Ioβ的系數(shù)，以及
通過(guò)使用表格確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
當(dāng)確定負(fù)荷解時(shí)，預(yù)先進(jìn)行對(duì)于四個(gè)矢量的每個(gè)選擇模式是否存在逆矩陣的檢查，以及
將可得到其負(fù)荷解的選擇模式用作最終負(fù)荷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
當(dāng)確定負(fù)荷解時(shí)，針對(duì)其負(fù)荷相加值成為在負(fù)荷系數(shù)矩陣中消除的1的行進(jìn)行運(yùn)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
作為選擇模式，基于輸出電壓指令值的數(shù)值，
在低輸出電壓區(qū)域的情況下，使用包含零矢量的選擇模式，以及
在高輸出電壓區(qū)域的情況下，使用不包含零矢量的選擇模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
對(duì)于選擇模式以表格形式預(yù)先列出其逆矩陣存在的負(fù)荷系數(shù)矩陣的行列式，并且
通過(guò)使用表格確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
根據(jù)在輸出側(cè)空間矢量的扇區(qū)中的旋轉(zhuǎn)矢量相位的滯后或超前，固定選擇模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
根據(jù)在簡(jiǎn)諧振蕩矢量的中間電壓矢量XM和YM與輸出電壓指令值之間的連接的數(shù)值的比較，固定選擇模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
作為選擇模式，具有兩個(gè)電平的選擇模式優(yōu)先于其它選擇模式被使用。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其中
在電流檢測(cè)值很小時(shí)的時(shí)間處或在初始運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，基于電源電壓信息和輸出電流指令值，進(jìn)行用于確定所述四個(gè)矢量的負(fù)荷解的運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明提供用于交流-交流直接變換裝置的空間矢量調(diào)制方法，其可將輸入和輸出波形變換成正弦波，并減少在扇區(qū)間轉(zhuǎn)移處的切換次數(shù)。定義其中多相交流輸出的線(xiàn)電壓被擴(kuò)展到兩相靜止αβ坐標(biāo)系上的矢量狀態(tài)。其中輸出電壓指令值矢量Vo*存在的扇區(qū)的簡(jiǎn)諧振蕩矢量軸被定義為X軸和Y軸。每個(gè)軸中的大/中/小矢量、是相電壓的中間電壓的零矢量Z及在扇區(qū)中存在的一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量R，設(shè)置為基矢量。由選擇裝置15確定由在這些矢量中的四個(gè)矢量的組合形成的切換選擇模式，其滿(mǎn)足預(yù)定條件?；陔娫措妷盒畔⒑洼敵鲭娏餍畔⒂韶?fù)荷運(yùn)算裝置14執(zhí)行用于四個(gè)矢量的逆矩陣運(yùn)算，確定四個(gè)矢量的負(fù)荷解，及由確定的負(fù)荷同時(shí)將輸入和輸出波形變換成正弦波。
文檔編號(hào)H02M5/293GK101652919SQ20088000815
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者只野裕吾 申請(qǐng)人:株式會(huì)社明電舍