專利名稱：矩陣式變換器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于矩陣式變換器控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種矩陣式變換器的控制方法。
背景技術(shù)：
矩陣式變換器(Matrix Converter, MC)是一種含有mXn個(gè)雙向開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型“綠色”交-交變頻器，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量可以雙向流動(dòng)、輸入功率因數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三相輸入-三相輸出矩陣式驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示。目前，矩陣式變換器的實(shí)用化受到諸多因素的影響，其中的主要因素包括:一、矩陣式變換器電壓傳輸比低；二、調(diào)制策略復(fù)雜以及開(kāi)關(guān)損耗大。因此簡(jiǎn)化調(diào)制策略提高電壓傳輸比是矩陣式變換器能否實(shí)用化的關(guān)鍵。目前的研究工作主要是通過(guò)改進(jìn)調(diào)制策略來(lái)達(dá)到提高矩陣式變換器電壓傳輸比的目的，通過(guò)減少換流步數(shù)來(lái)達(dá)到減小開(kāi)關(guān)損耗的目的。矩陣式變換器的間接空間矢量調(diào)制策略是一種較為成熟的調(diào)制策略，但其最大電壓傳輸比也只有0.866，提高電壓傳輸比的研究主要采用間接空間矢量的過(guò)調(diào)制策略。過(guò)調(diào)制技術(shù)雖然是矩陣變換器的電壓傳輸比達(dá)到了 0.91，但是因?yàn)檫^(guò)調(diào)制技術(shù)是一種非線性調(diào)制技術(shù)，在提高電壓傳輸比的同時(shí)導(dǎo)致了輸出波形諧波畸變嚴(yán)重，而且增加了控制算法的復(fù)雜度，不利于實(shí)時(shí)控制。在換流策略方面矩陣式變換器的傳統(tǒng)四步換流技術(shù)已經(jīng)較為成熟，為了減少換流步數(shù)縮短換流時(shí)間近年來(lái)雖有不少對(duì)兩步換流技術(shù)的相關(guān)報(bào)道，但是都必須基于極為精確的檢測(cè)裝置和復(fù)雜的換流算法，因此兩步換流策略可靠性低、成本高、算法復(fù)雜不利于實(shí)時(shí)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種矩陣式變換器的控制方法，解決現(xiàn)有矩陣式變換器控制技術(shù)中存在電壓傳輸比低、開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:首先將常規(guī)的三相輸入三相輸出矩陣式變換器等效為一個(gè)虛擬整流器和一個(gè)虛擬逆變器的虛擬連接，然后按照輸入線電壓最大值原則，將矩陣式變換器等效為6個(gè)相同的逆變器，每個(gè)逆變器是從9組雙向開(kāi)關(guān)中選擇相應(yīng)的6組雙向開(kāi)關(guān)作為逆變器的工作開(kāi)關(guān)，而其余三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；此時(shí)虛擬整流級(jí)采用虛擬不可控整流控制策略，能夠獲得最大的虛擬直流母線電壓，逆變級(jí)采用電壓空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明具有如下有益效果:1、本發(fā)明解決了矩陣式變換器在傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略控制下在線性調(diào)制范圍內(nèi)電壓傳輸比低的問(wèn)題，將矩陣式變換器在線性調(diào)制范圍內(nèi)的電壓傳輸比從原來(lái)的
0.866 提高到了 0.955。2、本發(fā)明解決了矩陣式變換器在傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略控制下開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，將開(kāi)關(guān)損耗減小到了原開(kāi)關(guān)損耗的50%。


圖1為現(xiàn)有三相-三相矩陣式變換器主電路拓?fù)?；圖2為三相-三相矩陣式變換器的等效虛擬整流和虛擬逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓區(qū)間劃分方法；圖4為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于1#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖5為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于2#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖6為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于3#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖7為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于4#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖8為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于5#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖9為本發(fā)明矩陣式變換器三相輸入電源電壓處于6#區(qū)間時(shí)的等效逆變器；圖10為傳統(tǒng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖11為矩陣式變換器逆變級(jí)采用的電壓空間矢量六個(gè)扇區(qū)劃分；圖12為矩陣變換器逆變級(jí)輸出電壓矢量處于六個(gè)扇區(qū)中的任意一個(gè)扇區(qū)時(shí)的合成原理圖；圖13為矩陣式變換器采用傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略在一個(gè)完整載波周期ts內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)的9個(gè)狀態(tài)；圖14為矩陣式變換器采用虛擬不可控整流調(diào)制策略在一個(gè)完整載波周期ts內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)的5個(gè)狀態(tài)；圖15為三相-三相矩陣式變換器樣機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；圖16為矩陣式變換器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)輸入線電壓波形，輸入三相線電壓有效值為150V，50Hz ；圖17為矩陣式變換器樣機(jī)采用傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略控制輸出50Hz時(shí)的線電壓波形；圖18為矩陣式變換器樣機(jī)采用傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略控制輸出IOOHz時(shí)的線電壓波形；圖19為矩陣式變換器樣機(jī)采用新型虛擬不可控整流調(diào)制策略控制輸出50Hz時(shí)的線電壓波形；圖20為矩陣式變換器樣機(jī)采用新型虛擬不可控整流調(diào)制策略控制輸出IOOHz時(shí)的線電壓波形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:首先將常規(guī)的三相輸入三相輸出矩陣式變換器等效為一個(gè)虛擬整流器和一個(gè)虛擬逆變器的虛擬連接，然后按照輸入線電壓最大值原則，將矩陣式變換器等效為6個(gè)相同的逆變器，每個(gè)逆變器是從9組雙向開(kāi)關(guān)中選擇相應(yīng)的6組雙向開(kāi)關(guān)作為逆變器的工作開(kāi)關(guān)，而其余三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；此時(shí)虛擬整流級(jí)采用虛擬不可控整流控制策略，可以獲得最大的虛擬直流母線電壓，逆變級(jí)采用電壓空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明的技術(shù)路線是將如圖1所示的三相-三相矩陣式變換器在理論上等效為一個(gè)虛擬整流器和一個(gè)虛擬逆變器的虛擬連接，如圖2所示，其中Ua、Ub和U。為矩陣變換器的三相輸入電源，Upn為虛擬逆變級(jí)的虛擬直流母線電壓，P為虛擬逆變級(jí)輸入電源正極，η為虛擬逆變級(jí)輸入電源負(fù)極。按照虛擬整流級(jí)輸出虛擬直流母線電壓Upn最大原則對(duì)虛擬整流級(jí)采用虛擬不可控整流控制策略，然后對(duì)虛擬逆變級(jí)采用電壓空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)如圖1所示三相-三相矩陣式變換器的輸入電壓檢測(cè)電路檢測(cè)出三相輸入電源Ua、Ub、U。在任意時(shí)刻的電壓，然后根據(jù)三相輸入電壓的實(shí)時(shí)值對(duì)輸入電源電壓進(jìn)行區(qū)間劃分，當(dāng)三相輸入電壓Ua>Ue>Ub時(shí)定義為1#區(qū)間；三相輸入電壓Ua>Ub>U。時(shí)定義為2#區(qū)間；三相輸入電壓Ub>ua>u。時(shí)定義為3#區(qū)間；三相輸入電壓Ub>Ue>Ua時(shí)定義為4#區(qū)間；三相輸入電壓Ue>Ub>Ua時(shí)定義為5#區(qū)間；三相輸入電壓Ue>Ua>Ub時(shí)定義為6#區(qū)間。圖3是矩陣式變換器三相輸入電源電壓區(qū)間劃分，可以看出，在所劃分的每一個(gè)區(qū)間內(nèi)都有一個(gè)輸入電壓最大相、一個(gè)輸入電壓中間相和一個(gè)輸入電壓最小相。虛擬不可控整流控制策略的控制方法是選取三相輸入電壓的最大相作為逆變器輸入直流電壓的正極，選取三相輸入電壓的最小相作為逆變器輸入直流電壓的負(fù)極，從而獲得最大的虛擬直流母線電壓。傳統(tǒng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示，Upn為逆變器的輸入直流電壓，kp k2、k3、k4、k5、k6為逆變器的六個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6為逆變器的六個(gè)續(xù)流二極管。根據(jù)矩陣式變換器的輸入三相實(shí)時(shí)電源電壓區(qū)間并結(jié)合虛擬不可控整流的最大輸出虛擬直流母線電壓原則，可以將三相-三相矩陣式變換器等效為如圖4-圖9所示的6個(gè)具有6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的逆變器,這6個(gè)逆變器的輸出相均連接于同一個(gè)三相負(fù)載。由于矩陣式變換器的雙向開(kāi)關(guān)具有 能量雙向流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)需續(xù)流二極管。表I為三相-三相矩陣式變換器按照三相輸入電源電壓區(qū)間劃分后分別對(duì)應(yīng)的直流母線電壓以及逆變級(jí)工作開(kāi)關(guān)與普通逆變器的對(duì)照關(guān)系表。表I三相-三相矩陣變換器不同輸入電源電壓區(qū)間逆變級(jí)工作開(kāi)關(guān)表
Iji I hJ__Aj_Aj_kj__A_k0
UttbS4oSBaSCaS4bSmScb
2義 UacSAaSBaScaSacSbcScc3 翻 UbcSAbSmScbSacSbcScc 4 跑JhJ UbaS4bSgbScbS4aSBaSca 5嘔間 UcaSacSbcSccSAaSBaSca 6_ UcbSacSbcSccSAbSmScb當(dāng)三相-三相矩陣式變換器的輸入電源電壓處于不同區(qū)間時(shí)，對(duì)所對(duì)應(yīng)的6個(gè)逆變器采用如圖11和圖12所示電壓空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)，即可得到期望頻率的逆變輸出電壓，即實(shí)現(xiàn)了三相-三相矩陣式變換器的交-交變換。本發(fā)明提高矩陣式變換器電壓傳輸比減小開(kāi)關(guān)損耗的理論依據(jù):虛擬不可控整流器MC的傳遞函數(shù)矩陣為:
[M(t)] = [N(coot)] X [Z(G^t)]
權(quán)利要求
1.矩陣式變換器的控制方法，其特征在于:首先將常規(guī)的三相輸入三相輸出矩陣式變換器等效為一個(gè)虛擬整流器和一個(gè)虛擬逆變器的虛擬連接，然后按照輸入線電壓最大值原貝U，將矩陣式變換器等效為6個(gè)相同的逆變器，每個(gè)逆變器是從9組雙向開(kāi)關(guān)中選擇相應(yīng)的6組雙向開(kāi)關(guān)作為逆變器的工作開(kāi)關(guān)，而其余三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；此時(shí)虛擬整流級(jí)采用虛擬不可控整流控制策略，能夠獲得最大的虛擬直流母線電壓，逆變級(jí)采用電壓空間矢量調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制。
全文摘要
矩陣式變換器的控制方法，首先將常規(guī)的三相輸入三相輸出矩陣式變換器等效為一個(gè)虛擬整流器和一個(gè)虛擬逆變器的虛擬連接，然后按照輸入線電壓最大值原則，將矩陣式變換器等效為6個(gè)相同的逆變器，每個(gè)逆變器是從9組雙向開(kāi)關(guān)中選擇相應(yīng)的6組雙向開(kāi)關(guān)作為逆變器的工作開(kāi)關(guān)，而其余三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；此時(shí)虛擬整流級(jí)采用虛擬不可控整流控制策略，能夠獲得最大的虛擬直流母線電壓，逆變級(jí)采用電壓空間矢量調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明在線性調(diào)制范圍內(nèi)解決了傳統(tǒng)間接空間矢量調(diào)制策略控制下矩陣式變換器電壓傳輸比低、開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，將電壓傳輸比從0.866提高到了0.955，將開(kāi)關(guān)損耗減小到了原損耗的50%。
文檔編號(hào)H02M7/48GK103138613SQ20131004838
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者李生民, 鄭元, 孫旭霞 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)