基于空間矢量調(diào)制的三相矩陣式變換器

0 引言

隨著可控交流電氣傳動的發(fā)展，PWM變頻器的應(yīng)用為自動化和節(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：

——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；

——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??；

——體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

正因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/矩陣式">矩陣式變換器具有如此明顯的優(yōu)勢，近年來它已成為電力電子研究的熱點(diǎn)之一。

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。

圖1 矩陣式變換器的原理結(jié)構(gòu)圖

Fig 1 principle configuration of matrix converter

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)。

圖2 矩陣式變換器的等效交—直—交結(jié)構(gòu)

Fig 2 the equivalent AC/DC/AC structure of matrix converter

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?1種開關(guān)組合如表1所列，表1中的“1”表示開關(guān)導(dǎo)通，“0”表示開關(guān)關(guān)斷，第一組1P—9N三個(gè)輸出相分別與兩個(gè)輸入相相連，剩下的第二組三個(gè)輸出相僅與一個(gè)輸入相相連而被短路。對于等效交—直—交變換的每一個(gè)合法的開關(guān)狀態(tài)，矩陣式變換器有唯一的開關(guān)狀態(tài)與之相對應(yīng)。

三相開關(guān)動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。

圖3 電壓空間矢量圖

Fig 3 the inverter voltage vector

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T_s中的占空比來表示。

U₁矢量的占空比（作用時(shí)間）為

D_α=t_α/T_s=m_usin(60°－θ_v)（1）

U₆矢量的占空比（作用時(shí)間）為

D_β=t_β/T_s=m_usinθ_v（2）

零矢量的占空比（作用時(shí)間）為

D_ou=t_ou/T_s=1－D_α－D_β（3）

式中：m_u為電壓調(diào)制系數(shù)，0=m_u==1。同理對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。

圖4 電流空間矢量圖

Fig 4 the rectifier current vector

表1 矩陣式變換器有效開關(guān)組合表及與等效交—直—交變換器對應(yīng)關(guān)系

Tab 1 Valid switch combinations of a matrix converter and thestationary vectors