專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電容充電用ac-dc串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及矩陣變換器控制技術(shù)，具體地說(shuō)，是涉及一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
為了滿(mǎn)足未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的軍事需求，高功率微波系統(tǒng)在朝著高功率、小型化、輕量化的方向發(fā)展，相應(yīng)地，人們對(duì)為該系統(tǒng)供電的電源的功率密度、效率和功率因數(shù)等提出了更高的要求，其中，電容充電電源為高功率微波系統(tǒng)中較為普遍的選擇。目前，高功率微波系統(tǒng)中所使用的電容充電電源一般采用存在中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的DC-Link技術(shù)，雖然中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)具有容量大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但是其的存在會(huì)增加電源系統(tǒng)的體積和重量，降低電源的功率密度，且這種電源在電網(wǎng)輸入端的電能質(zhì)量不高、功率因數(shù)較低、諧波含量也較大，若要進(jìn)行校正或抑制則需引入額外的電力電子器件，這樣又會(huì)進(jìn)一步降低供電系統(tǒng)的功率密度和效率，為了解決上述問(wèn)題，研究具有新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制技術(shù)的控制裝置以提高電源的效率、功率密度和功率因數(shù)就變得尤為重要。由于矩陣變換器具有能量雙向流通、正弦輸入輸出電流、輸入功率因數(shù)可控、輸出電壓幅值和相位可控、無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，人們常將矩陣變換器應(yīng)用于電容充電電源中以提高電源的功率密度。然而，現(xiàn)有技術(shù)中矩陣變換器的調(diào)制算法主要分為AV調(diào)制算法、瞬時(shí)電壓合成算法和空間矢量調(diào)制算法，這些調(diào)制算法均較為復(fù)雜、計(jì)算量較大、不利于應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的電容充電電源控制性能不夠高，不能滿(mǎn)足高功率微波系統(tǒng)的供電需求的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下—種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置，包括三相電源和連接有負(fù)載的變壓器，還包括輸入端與三相電源相連、輸出端連接有相位檢測(cè)單元的過(guò)零比較器；輸入端與過(guò)零比較器和相位檢測(cè)單元均相連的開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元；輸出端與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元相連的時(shí)序生成單元；輸入端與相位檢測(cè)單元相連、輸出端與時(shí)序生成單元相連的控制參數(shù)計(jì)算單元；輸入端與負(fù)載相連、輸出端與控制參數(shù)計(jì)算單元相連的負(fù)載電壓采集電路；輸入端與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元相連、輸出端連接有雙向功率開(kāi)關(guān)單元的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路；其中，所述雙向功率開(kāi)關(guān)單元的輸入端與三相電源相連、輸出端連接有變壓器。
為了提高本發(fā)明的準(zhǔn)確性，所述三相電源與過(guò)零比較器之間連接有EMI濾波器；所述三相電源與雙向功率開(kāi)關(guān)單元之間連接有第一濾波器；所述過(guò)零比較器與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元之間連接有電網(wǎng)故障檢測(cè)單元?？紤]到實(shí)際需求，所述開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元與變壓器之間連接有過(guò)流檢測(cè)單元和過(guò)溫檢測(cè)單元?；谏鲜鲇布O(shè)備，本發(fā)明還提供了一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，包括以下步驟:(a)根據(jù)三相電源的輸入相電壓ua、ub和U。的相對(duì)大小關(guān)系,將每個(gè)輸入相電壓的周期劃分為12個(gè)區(qū)間，令每個(gè)輸入相電壓的周期為T(mén)1，則每個(gè)相電壓的每個(gè)區(qū)間所占的時(shí)間 T2=T1/12 ；(b)負(fù)載電壓采集電路采集負(fù)載兩端的電壓，控制參數(shù)計(jì)算單元根據(jù)相位檢測(cè)單元采集到的相位值計(jì)算相電壓的瞬時(shí)值；( c )控制參數(shù)計(jì)算單元根據(jù)相電壓的瞬時(shí)值自動(dòng)生成相應(yīng)相電壓所處不同區(qū)間時(shí)的相應(yīng)調(diào)制策略；(d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元根據(jù)相應(yīng)的調(diào)制策略對(duì)當(dāng)前輸入相電壓所處區(qū)間的雙向功率開(kāi)關(guān)單元進(jìn)行狀態(tài)切換，完成一個(gè)諧振周期的控制；(e)采用電壓型兩步換流策略對(duì)電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行切換；(f)完成步驟(e)后，將所有開(kāi)關(guān)關(guān)斷，待下一個(gè)諧振周期觸發(fā)時(shí)返回步驟(b)，直至工作結(jié)束。進(jìn)一步地，所述三相電源中相電壓周期的區(qū)間劃分如下:區(qū)間1:ua > Uc > ub, Umax=Ua, Umin=Uc, Umid=Ub ；區(qū)間II:ua > Ub > uc, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區(qū)間III:ua > Ub > uc, Umax=Uc, Umin=Ub, Umid=Ua ；區(qū)間IV:ub > Ua > uc, Umax=Uc, Umin=Ua, Umid=Ub ；區(qū)間V:ub > Ua > uc, Umax=Ub, Umin=Ua, Umid=Uc ；區(qū)間VI:ub > Uc > ua, Umax=Ub, Umin=Uc, Umid=Ua ；區(qū)間vn:ub > uc > ua, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區(qū)間珊:uc> ub > ua, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區(qū)間IX:uc > ub > ua, Umax=Uc, Umin=Ub, Umid=Ua ；區(qū)間X:uc > ua > ub, Umax=Uc, Umin=Ua, Umid=Ub ；區(qū)間XI:uc > ua > ub, Umax=Ub, Umin=Ua, Umid=Uc ；區(qū)間ΧΠ:ua > uc > ub, Umax=Ub, Umin=Uc, Umid=Ua ；其中，Umax為絕對(duì)值最大的相電壓；Umid為絕對(duì)值居中的相電壓；Umin為絕對(duì)值最小的相電壓，相應(yīng)地，高線(xiàn)電壓Uj= I Umax-Umid I ;低線(xiàn)電壓Uk= I Umax-UminI。步驟(b)中，所述相電壓瞬時(shí)值的計(jì)算方式如下:在三相電源中任一相電壓過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)將控制參數(shù)計(jì)算單元清零，之后重啟該控制參數(shù)計(jì)算單元，并記錄過(guò)零點(diǎn)到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間t，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)極性和時(shí)序生成單元采xci
集到的相序得出各相的初始相位/Λ各相的當(dāng)前相位
權(quán)利要求
1.一種電 容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，包括: 輸入端連接有三相電源、輸出端連接有相位檢測(cè)單元的過(guò)零比較器； 輸入端與過(guò)零比較器和相位檢測(cè)單元均相連的開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元； 輸出端與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元相連的時(shí)序生成單元； 輸入端與相位檢測(cè)單元相連、輸出端與時(shí)序生成單元相連的控制參數(shù)計(jì)算單元； 輸入端連接有負(fù)載、輸出端與控制參數(shù)計(jì)算單元相連的負(fù)載電壓采集電路； 輸入端與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元相連、輸出端連接有雙向功率開(kāi)關(guān)單元的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路； 其中，所述雙向功率開(kāi)關(guān)單元的輸入端與三相電源相連、輸出端連接有變壓器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，所述三相電源與過(guò)零比較器之間連接有EMI濾波器；所述三相電源與雙向功率開(kāi)關(guān)單元之間連接有第一濾波器；所述過(guò)零比較器與開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元之間連接有電網(wǎng)故障檢測(cè)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元與變壓器之間連接有過(guò)流檢測(cè)單元和過(guò)溫檢測(cè)單元。
4.權(quán)利要求1 3任意一項(xiàng)所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: Ca)根據(jù)三相電源的輸入相電壓ua、ub和U。的相對(duì)大小關(guān)系，將每個(gè)輸入相電壓的周期劃分為12個(gè)區(qū)間，令每個(gè)輸入相電壓的周期為T(mén)1，則每個(gè)相電壓的每個(gè)區(qū)間所占的時(shí)間W12 ； (b)負(fù)載電壓采集電路采集負(fù)載兩端的電壓，控制參數(shù)計(jì)算單元根據(jù)相位檢測(cè)單元采集到的相位值計(jì)算相電壓的瞬時(shí)值； (c)控制參數(shù)計(jì)算單元根據(jù)相電壓的瞬時(shí)值自動(dòng)生成相應(yīng)相電壓所處不同區(qū)間時(shí)的相應(yīng)調(diào)制策略； (d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元根據(jù)相應(yīng)的調(diào)制策略對(duì)當(dāng)前輸入相電壓所處區(qū)間的雙向功率開(kāi)關(guān)單元進(jìn)行狀態(tài)切換，完成一個(gè)諧振周期的控制； (e)采用電壓型兩步換流策略對(duì)電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行切換； (f)完成步驟(e)后，將所有開(kāi)關(guān)關(guān)斷，待下一個(gè)諧振周期觸發(fā)時(shí)返回步驟(b)，直至工作結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(a)中，所述三相電源中相電壓周期的區(qū)間劃分如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(b)中，所述相電壓瞬時(shí)值的計(jì)算方式如下: 在三相電源中任一相電壓過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)將控制參數(shù)計(jì)算單元清零，之后重啟該控制參數(shù)計(jì)算單元，并記錄過(guò)零點(diǎn)到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間t，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)極性和時(shí)序生成單元采集到的相序得出各相的初始相位φ各相的當(dāng)前相位
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(C)中，所述調(diào)制策略如下: (Cl)令每個(gè)開(kāi)關(guān)的周期時(shí)間為T(mén)3，每個(gè)區(qū)間包含的開(kāi)關(guān)周期數(shù)量η為Τ2/Τ3，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期均包括為正向電壓激勵(lì)的第一諧振周期和為反向電壓激勵(lì)的第二諧振周期，每個(gè)諧振周期的時(shí)間為T(mén)4，且T3彡2T4 (max)； 其中，η為正整數(shù)，T4 (max)為最大諧振電流周期的時(shí)間； (c2)根據(jù)電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立由諧振電容器、負(fù)載電容器、變壓器、開(kāi)關(guān)電路和電感構(gòu)成的等效分析模型； 貝U，在每個(gè)諧振周期內(nèi)，三相電源輸出能量，即正向充電時(shí): 從Umin相流出的電荷量
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(c2)中，所述矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括分別與三相電源相連的電感La、電感Lb和電感Lc，分別與電感La、電感Lb和電感Lc相連且相互連接的電容Ca、電容Cb和電容Ce，與電感La相連的由第一雙向功率開(kāi)關(guān)單元和第二雙向功率開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)而成的開(kāi)關(guān)電路Ka ;與電感Lb相連的由第三雙向功率開(kāi)關(guān)單元和第四雙向功率開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)而成的開(kāi)關(guān)電路Kb ;與電感Lc相連的由第五雙向功率開(kāi)關(guān)單元和第六雙向功率開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)而成的開(kāi)關(guān)電路Kc ;所述開(kāi)關(guān)電路Ka、開(kāi)關(guān)電路Kb和開(kāi)關(guān)電路Kc的兩輸出端分別通過(guò)電容Cr和電感Lr連接有變壓器T，所述變壓器的輸出端連接有高壓高頻整流器和負(fù)載電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)電路Ka包括依次相連的開(kāi)關(guān)S1、開(kāi)關(guān)S2、開(kāi)關(guān)S7和開(kāi)關(guān)S8，電感La連接于開(kāi)關(guān)S2和開(kāi)關(guān)S7之間；開(kāi)關(guān)電路Kb包括依次相連的開(kāi)關(guān)S3、開(kāi)關(guān)S4、開(kāi)關(guān)S9和開(kāi)關(guān)S10，電感Lb連接于開(kāi)關(guān)S4和開(kāi)關(guān)S9之間；開(kāi)關(guān)電路Kc包括依次相連的開(kāi)關(guān)S5、開(kāi)關(guān)S6、開(kāi)關(guān)Sll和開(kāi)關(guān)S12,電感Lc連接于開(kāi)關(guān)S6和開(kāi)關(guān)Sll之間； 其中，開(kāi)關(guān)SI和開(kāi)關(guān)S2構(gòu)成了第一雙向功率開(kāi)關(guān)單元、開(kāi)關(guān)S7和開(kāi)關(guān)S8構(gòu)成了第二雙向功率開(kāi)關(guān)單元、開(kāi)關(guān)S3和開(kāi)關(guān)S4構(gòu)成了第三雙向功率開(kāi)關(guān)單元、開(kāi)關(guān)S9和開(kāi)關(guān)SlO構(gòu)成了第四雙向功率開(kāi)關(guān)單元、開(kāi)關(guān)S5和開(kāi)關(guān)S6構(gòu)成了第五雙向功率開(kāi)關(guān)單元、開(kāi)關(guān)Sll和開(kāi)關(guān)S12構(gòu)成了第六雙向功率開(kāi)關(guān)單元，所述第一雙向功率開(kāi)關(guān)單元、第二雙向功率開(kāi)關(guān)單元、第三雙向功率開(kāi)關(guān)單元、第四雙向功率開(kāi)關(guān)單元、第五雙向功率開(kāi)關(guān)單元和第六雙向功率開(kāi)關(guān)單元均由半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(d)中，將正向電壓激勵(lì)時(shí)的輸出電流定義為“ + ”，將反向電壓激勵(lì)時(shí)的輸出電流定義為將雙向功率開(kāi)關(guān)單元中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)用“I”表示、關(guān)斷狀態(tài)用“O”表示，開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元?jiǎng)t控制開(kāi)關(guān)按下表進(jìn)行狀態(tài)切換:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的電容充電電源控制性能不夠高，不能滿(mǎn)足高功率微波系統(tǒng)的供電需求的問(wèn)題。該一種電容充電用AC-DC串聯(lián)諧振矩陣變換器控制裝置，包括過(guò)零比較器、開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制單元、時(shí)序生成單元、控制參數(shù)計(jì)算單元、負(fù)載電壓采集電路和觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，本發(fā)明還公開(kāi)了該控制裝置的控制方法。通過(guò)上述方案，本發(fā)明達(dá)到了性?xún)r(jià)比較高，能充分滿(mǎn)足高功率微波系統(tǒng)的供電需求的目的，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)H02M1/42GK103078522SQ20131001267
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者張政權(quán), 劉慶想, 李偉, 王慶峰, 楊賀 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)