（控制理论与控制工程专业论文）基于开关损耗最小的矩阵变换器调制策略研究.pdf

摘要 矩阵变换器是一种先进拓扑结构的“全硅”功率变换器，它允许 频率单级变换，无需大容量的贮能元件，而且输入电流、输出电压正 弦，输入功率因数可达到0 9 9 以上并可自由调节，能量可双向流动。 论文简要介绍了矩阵变换器的数学基础、工作原理、电路组成及 开关换流问题。在分析v e n t u r i n i 调制法、空间矢量调制法的基础上， 引入了一种新的表示矩阵变换器开关状态的数学方法占空比空 间矢量法，提出了一种简单且直观的占空比矢量几何表示方法，得到 一种新的基于占空比矢量法的调制策略。占空比矢量调制策略具有一 般性，所有已知的调制策略都可作为其特例，简化了研究变换器调制 策略的难度。深入分析占空比空间矢量调制策略后，在保证矩阵变换 器输入输出性能良好的前提下，提出了一种新的基于开关损耗最小的 矩阵变换器调制策略，并详细阐述了开关状态选择原理及引入参数的 计算方法。采用该调制策略可以将变换器一个周期开关换流次数由目 前的八次减少到六次，有效地减少了由开关换流引起的开关损耗。仿 真结果证实了该调制策略的正确性和可行性。论文最后采用美国德 州仪器公司专门为电机控制所推出的t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列d s p 作为 矩阵变换器的控制器，完成了矩阵变换器控制系统软硬件设计。 关键词矩阵变换器，占空比空间矢量，开关损耗最小，调制策 略，仿真，d s p a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sc o n s i d e r e da sa l l “a l ls i l i c o n ”p o w e rc o n v e r t e r w i t ha na d v a n c e dc i r c u i tt o p o l o g y i tp e r m i t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni na s i n g l e - s t a g ep r o c e s s i n gw i t h o u tl a r g er e a c t i v ee n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s i td r a w ss i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t sa n da l l o w st h ei n p u tf u n d a m e n t a l d i s p l a c e m e n tf a c t o rt ob es e ta tu n i t yo rf r e e l yv a r i e dr e g a r d l e s so ft h e l o a dp o w e rf a c t o r b e s i d e st h e s e ，i ti sc a p a b l eo fp e r f o r m i n gf r e q u e n c y c o n v e r s i o nw i t hs i n u s o i d a lo u t p u tv o l t a g e sa n dc u r r e n t sa tt h ed e s i r e d o u t p u tf r e q u e n c ya n da l l o w sb i d i r e c t i o n a lp o w e r f l o w t h e p a p e ra n a l y s e sm a t h e m a t i c sf o u n d a t i o n t h ep r i n c i p l eo fw o r k , t h e e l e c t r i cc i r c u i tc o m p o s i t i o na n dt h es w i t c h i n gc o m m u t a t i o nq u e s t i o no f t h em a t r i xc o n v e r t e r t h e nan o v e lr e p r e s e n t a t i o no ft h es w i t c hs a t eo fa t h r e e - p h a s et ot h r e e - p h a s em a t r i xc o n v e r t e r , b a s e do ns p a c e - v e c t o r n o t a t i o n , i si n t r o d u c e d au s e f u lg e o m e t r i c a lr e p r e s e n t a t i o no ft h e d u t y c y c l es p a c ev e c t o rh a sb e e np r e s e n t e d an o v e lm o d u l a t i o ns t r a t e g y b a s e do nd c s va p p r o a c hi sd e r i v e d n ed u t y - c y c l es p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n s t r a t e g y i s u n i v e r s a l i t y , w h i c h i n c l u d e st h e a l r e a d y e s t a b l i s h e dm o d u l a t i o n s t r a t e g i e s a s p a r t i c u l a rc a s e s ，r e d u c e d t h e d i f f i c u l t yo fs t u d yt h ec o n v e r t e rm o d u l a t i o ns t r a t e g y a f t e rt h et h o r o u g h a n a l y s i sd u t y - c y c l es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g y , ip r e s e n t sa nn o v e l m o d u l a t i o ns t r a t e g y , w h i c hk e e p st h em a t r i xc o n v e r t e ro nt h eg o o d p e r f o r m a n c e ，b a s e do nt h ed e t e c t i o no ft h eo u t p u tc u r r e n t sa n dr e d u c e d t h en u m b e ro ft h es w i t c h i n gc o m m u t a t i o nt o6i ne a c hc y c l e ，w h i c hl e a d s t oae f f e c t i v er e d u c t i o no ft h ec o n v e r t e rs w i t c h i n gl o s s a n de x p a t i a t i n g p r i n c i p l eo fh o wt oc h o o s et h es w i t c h i n gp a t t e r na n dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l tc o n f i r m e dt h i sm o d u l a t i o n s t r a t e g ya c c u r a c ya n dt h ef e a s i b i l i t y f i n a l l y , w ea d o p tt m s 3 2 0 f 2 4 x ， w h i c hw a ss p e c i a l l yd e s i g n e df o r t h em o t o rc o n t r o lb yt e x a si n s t r u m e n t s c o m p a n ya sc o n t r o l l e rw h e nw ed e s i g nt h es y s t e m t h ed e s i g no f h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r eo f t h em a t r i xc o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mw a s f i n i s h e d k e yw o r d sm a t r i xc o n v e r t e r , d u t y - c y c l es p a c ev e c t o r , m i n i m i z e d t h es w i t c h i n gl o s s e s ，m o u d u l a t i o ns t r a t e g y , s i m u l a t i o n ， d s p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：翼：查日期：羔立牡月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储揣垃导师签名萨隰2 吐年上膛日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 交流变频传动技术综述 第一章绪论 在当前，现代电力电子技术、微电子技术以及电动机控制技术的进步使得交 流调速用变频传动技术得到了巨大发展，加强了交流传动在电力传动领域中的主 导地位。在原有直流调速系统和新建调速系统中，相当一部分都已经改造成或采 用交流变频调速系统。变频调速技术在自动控制、电气传动、电力变换等方面的 广泛应用，使电能在变换、控制、利用方式上获得了本质的变化，达到了高效、 节能和充分柔性的效果【l - 7 1 目前交流变频传动领域用量最大的是基于交一直一交变换的电压源型通用 变频器以及用于低速高压大功率的相控式交一交变频器【明。 基于交一直交变换的电压源型通用变频器拓扑如图l l 所示。这种拓扑 已在工业上，特别是中小功率场合得到了广泛的应用。它的前级通过不控整流得 到中间直流电压，后级控制开关调压调频满足负载的要求。随着功率器件和p w m 调制技术的发展，其输出性能有了很大的改进。但是，由于前级为不控整流，因 此输入电流非正弦，会给电网带来谐波污染【刀；另外它不能实现四象限运行；并 且存在中间储能元件，使得系统体积大，特别是在大功率的应用中，中间储能电 容价格高、易于损坏，降低了整个系统的可靠性。 - 叫自1 岛 jlj lj l a b c 三 c _ - 叫(1 _ (11 i = 3 jljlji 。jj a b c 图1 - - i 普通电压型变额器拓扑 为改善交一直一交变换的电压型变换器对电源的影响，人们又提出了双向 p w m 电压型结构，如图l 一2 所示，这一结构使得变换器对供电电源和负载电 机都有良好的特性。但还是存在中间储能元件，同时使用的可控器件比图l i 多一倍，控制也相对复杂。 硕士学位论文第一章绪论 图1 - - 2 双向p w m 电压型变换器 另外一种变频器拓扑交一交交频器又称作交一交直接变频器 ( c y c l o c o n v e r t e r ) 。交一交变频器可以分为电流型和电压型，电流型的交一交变 频器在输出侧采用电抗器将输出电流强制为矩形波( 阶梯波) ，并缓冲负载的无 功能量；电压型的交一交变频器输出端直接接负载，由于供电电源的低阻抗使其 具有电压源性质，负载的无功能量直接来自电源。交交变频器的每一相由两组 整流桥反并联构成，通过按特定规律连续改变晶闸管触发角可实现对输出电压波 形的控制。三相输出交一交变频器由三组单相交交变频器按相位差互为1 2 0 。 的关系组成，若变频器的调制信号是一组频率、幅值和相位可调的三相正弦信号， 则变频器输出为相应变化的三相正弦交流电压，依次实现变频。其原理线路示意 图如图l 一3 所示。 绷 巾俐 = i i l ：二：l 渊 l 二l l _ j 1 i 二lc ：j 甘。制嘈畸l 划 仁q ” 图l - - 3 输出星型连接方式三相交一交变频器结构 电压型交一交变频器的输出电压可以是正弦波，它是由输入电源电压波形的 一些“片段”拼合调制而成的 9 1 ，如图l 一4 ，对于三相5 0 h z 而占有相当于3 0 0 h z 的调制频率。因此，输出电压波形中含有很大的谐波分量，且以调制频率整倍数 为中心成谐波群分布。由于输出电压波形是由输入电压的“片段”组成，受输出 谐波限制，输出电压频率不可能太高，一般低于输入电压频率的1 2 或l 3 ( 有 环流控制方式为l 2 ，无环流控制方式为1 3 ) 嗍。 2 硕士学位论文 第一章绪论 输出电压 勰对卅b 也慨 粼讥哨甜叽。 图1 - - 4 三相交一交变频输入电压输入电流 交一交交频器中的正、反组整流桥控制方式可分为有环流控制和无环流控 制。有环流控制方式的正反两组桥切换动态过程快，输出谐波较小，但需要环流 电抗器限制瞬时环流，导致装置成本增加，效率和功率因数降低，多数情况下不 采用此方案；无换流控制方式避免了有环流方式的一些不足，但由于换桥死区的 存在，会产生对系统不利的低次谐波。 由于传统的交一交变换器由三套可逆整流装置组成，它采用移相触发控制的 方式实现功率变换，会引起电流、电压波形的畸变，无论是输入侧还是输出侧都 含有丰富的谐波，造成严重的谐波效应。而且其最高输出频率一般不超过电源频 率的1 3 1 2 ，且用元器件较多，控制线路复杂，低速功率因数低，因而仅适用 于大功率电机低速调节和大型水轮发电机的交流励磁嗍。 综上所述，基于交一直交变换的电压源型通用变频器以及用于低速高压大 功率的相控式交一交变频器虽然具有各自的优势和特点，但是存在各自的缺陷， 如寿命、可靠性、体积、成本等等。其中最突出的缺陷是对电网造成的谐波污染。 谐波污染影响到整个电力系统的电气环境，并对电力系统本身和广大用户的各种 电气设备甚至其他用户和设备会造成极大的危害 r l 1 0 - 1 2 l 。 在这种情况下，从事电力电子技术研究和开发的人们开始讨论各种新的变频 电源用电力变换器主电路拓扑结构。努力开发输入电流、输出电压正弦、输入功 率因数为l ，实现谐波主动削减，无中间储能环节，能量可双向流动的“绿色”电 源变频器，并逐步完善各种方案以促进实用化。“绿色”电源变频器应具有如下 特征 8 1 ： ( 1 ) 良好的输出特性 标准的交流电机一般都是设计成采用三相正弦工频交流电源供电的，采用变 频器作为电源时，要求电源不含低次谐波。与此同时，p w m 电压的高次谐波成 分容易造成电气系统的电磁兼容性问题，因此迫切要求提高变频器的输出性能。 ( 2 ) 高输入功率因数，消除对电网的谐波污染 3 硕士学位论文第一章绪论 当变频器的输入电流含有大量谐波，将使谐波噪声水平提高，整流电路的输 入端必须增加滤波器，其成本高，体积、重量又庞大，笨重。大量电流谐波分量 注入电网后，造成对电网的谐波污染。这样一方面会产生“二次效应”，即谐波 电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面会造 成电路故障，使变电设备损坏。由于谐波对电力系统造成的污染，影响了整个电 力系统的电力环境，不仅导致电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波形发生 畸变，并对电力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害。 ( 3 ) 能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行的需要 电动机不同的负载情况具有不同的特点，为了达到高效、节能和充分柔性的 效果，希望变频器输出电压、输出频率宽范围可调，既能工作在电动状态，又能 工作在发电状态，满足电机四象限运行的需要。这同时也是交流励磁发电对励磁 电源的要求。 ( 4 ) 结构简单，具有较高的能量密度和效率 目前通用的交一直一交型p w m 变频器采用了不控整流加大电容作直流滤 波的配置，滤波用电解电容随变频器容量而增大，成为变频器寿命、可靠性的隐 患，更是变频器功率密度提高的严重制约因素。因此理想的变频电源应该不含储 能无功元件，集成度高，具有较高的能量密度和效率。 矩阵变换器允许频率单级变换。无需大容量的储能元件；能使输入电流正弦， 输入功率因数可达到o 9 9 以上并可自由调节，且于负载的功率因数无关；输出 可以四象限运行，功率可双向流动；体积小、效率高，符合模块化发展方向。矩 阵式交一交变换器是实现“绿色”电源变频器最具发展前景的技术方梨1 3 d 钔。 1 2 矩阵变换器的研究现状及面临的问题 矩阵变换器作为一种新型的交一交变频电源，其电路拓扑形式早在1 9 7 6 年 就被提出，但直到1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 提出了矩阵变换 器存在的控制策略后，其特点才为人们所关注和研究【1 列。 矩阵变换器从提出到现在接近三十年时间里，国内外有众多的学者在矩阵变 换器的研究中取得了显著的成果，主要研究内容和成果体现在以下几个方面： ( 1 ) 电路拓扑结构的研究 矩阵变换器最初提出时指的是m 相输入变换到n 相输出的一般化结构，因 此被称为通用变换器，根据m 、n 取值的不同及输入、输出端电源性质的不同， 人们提出了许多拓扑： 从三相交流变换到直流； 从三相交流变换到单相交流： 4 硕七学位论文第一章绪论 从直流变换到三相交流； 基于双向开关的单相一单相直接交流变换器： 从三相交流变换到三相交流，它的输入输出端之间采用双向开关互相连 接，即9 开关矩阵变换器，它是研究最多的一种拓扑。 ( 2 ) 矩阵变换器元器件的研究 矩阵变换器元器件的研究进展充分体现了电力电子技术的进步和它的发展 趋势。由于矩阵变换器要求的双向开关并不存在，实际使用分立的开关组合而成， 大致有图l - - 5 所示几种： 口 ( a ) 桥式组合( b ) 反向并联 ( 工3 ( - t ) b w ，有a ) = o ，亦即输出变量具有有限带宽或输出平滑。如 果变换器实际输出变量满足如下条件：不等式l l 细) 一厶佃 0 s a l s a 2 s b l s b 2 l “2t 3“ ( b ) i l 乩 以。两步换流控制方式下， 仍以图2 - - 4 的a 输出相为例，a 输出相六个单向开关在每个相区中有六个开关 状态，可以记为：三个主状态( p m n ) 和三个中间状态( p m ，m n , n p ) 。图2 7 所示即为输入相电压处于第二相区时的六个开关状态，图中标出了主状态p 的符 号意义，其它状态类推，箭头表示该方向单向开关导通。从图2 7 可看出，在每 个主状态中，6 个单向开关只有两个关断，而四只单向开关触发导通，但其中有 两只单向开关因为承受反相电压而冗余导通。如图2 7 的主状态p 下，s b 2 、s c 2 关断；s a i 、s a 2 和s b i ，s c i 触发导通，其中s a i 、s a 2 提供双向电流路径，而 因为u 矾 ，所以 、 承受反压而冗余导通。如图2 7 所示，从一o v o s b is c l 个主状态( 原主状态) 到另外一个主状态( 目标主状态) 之间换流需要经过一次 中间状态。原主状态到目标主状态之间的切换过程是：第一步，关闭对于目标主 状态不必须的原状态的单向开关，执行完此步，将产生一个中间状态，持续时间 应该大于开关的开通时间；接着在第二步，触发目标主状态全部单向开关。例如 在图2 - - 5 中，要完成由主状态p 到m 的转换。主状态p 下有四个单向开关处于 触发导通状态，其中s a i 、s a 2 导通，提供双向电流路径，而s b i 、s c i 冗余导通， 不消耗功率。第一步，关断目标状态m 不需要的s a l ，电流导入目标路径，负 载电流转由b 相或c 相维持，达到状态m 。同样方法可以实现由主状态m 换流 到主状态n 。当从主状态n 换流到主状态p 或从主状态p 换流到n 时，可以不 经过主状态m ，而经过一个中间状态n p 即可。两步换流中，开关的零电流开通 和零电流关断的概率也各占5 0 ，故称为两步半软换流。 1 7 硕士学位论文第二章矩阵变换器结构及基本原理 s a l 、s a 2 导通 s b l 导通s b 2 s o l 导通，$ 0 2 图2 6 两步换流输入相区划分 1 1 1 0 1 0 图2 7 输出相两步半软换流开关状态 辅助谐振软开关换流【3 0 】：它利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换 流电容。在辅助谐振下，主开关可以实现z v s ，辅助开关可以实现z c s 。主开 关之间只有感性换流，零电流切换，通过增加换流电感可以做到零电流开通。这 种换流方式能够安全、高效的高频切换。改善系统动态性能和频谱特性，简化保 护逻辑和缓冲电路。但是功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且需要谐振 网络和辅助开关，零电压、零电流的检测很困难。谐振回路易受元件时漂的影响， 整机成本增加。 2 5 小结 本章首先介绍了矩阵变换器的基本结构及数学基础。数学基础包括矩阵变 换器的开关模型及矩阵变换器高频合成原理，给出了矩阵变换器的开关传递函 数，为随后章节的矩阵变换器建模和分析提供数学基础。最后介绍了四步换流策 略、两步半软换流策略及辅助谐振开关换流的基本原理。本章为全文的理论基础。 1 8 硕士学位论文 第三章矩阵变换器调制策略研究 第三章矩阵变换器调制策略研究 由于三相矩阵变换器能同时提供正弦输入电流和输出电压；功率可以真正实 现双向流动；输出电压幅值、相位和频率均可以独立调节；输入电流可调节为超 前、滞后或同相于输入电压；没有中间直流环节，体积小，重量轻，可靠性高等 优点，在最近十多年被人们广泛研究，并渐渐成为传统交一直一交变频器的替代技 术。但另一方面变换器拓扑结构的复杂性也增加了研究矩阵变换器调制策略的难 度。 目前已有两种不同的数学方法被普遍用于矩阵变换器调制策略的研究，第一 种是调制占空比矩阵法( m d c m ) ，即开关函数算法，它从数学角度为m c 理论 实现提供了一个坚实的基础。第二种为空间矢量调制法( s v m 或s p v m ) ，它是 对传统p w m 逆变器电压空间矢量调制算法( s v p w m 或s v m ) 的推广应用，其概 念本质是相同的，只是由于电路结构原因使得m c 的算法相对复杂一些。 本章首先回顾了几种已被广泛研究的调制策略，在分析它们的基本工作机理 之后，引入了一种新的表示开关状态的方法一占空比空间矢量法，对该方法进行 了深入研究。 论文公式较多，以下是常用变量申明，将不在公式后赘述： j j ； 1 巧= 妻( + 珥2 e 口栌+ 坼，p 一印) = 哆p 阚 输入相电压空间矢量； j 瓦= 委( + u 0 2 p 7 2 印+ 3 p 7 4 柙) = v 口p 厢输出相电压空间矢量； j i = 喜( 毛+ 2 p 。2 舻+ e j 4 邢) = p m 输入电流空间矢量； j t o = 委( + i 0 2 e 7 驯+ 3 p 一印) = o e 膈 输出电流空间矢量； j q = v o v , 电压增益； 幸上标表示复数的共轭；表示数量积。 3 1 调制占空比矩阵法 三相三相矩阵式变换器基本拓扑结构如图3 - - 1 。 1 9 硕士学位论文第三章矩阵变换器调制策略研究 口 眺遵h 旷t ， 毫封讣i l 即， 其中0 1 ，h = l 23 ，j = l2 3 ，变量表示变换器九个开关的占空 比，挣k 可以用一个占空比矩阵m t ) 表示。为了防止输入端短路，保证输出端有 硕士学位论文第三章矩阵变换器调制策略研究 1 9 8 1 年，数学家a l b e r t o a l e s i n a 和电力专家v e n t u r i n i 两个人合作，提出矩 阵变换器基于高频合成的严格数学证明，并描述了第一种矩阵变换器实用控制策 略【3 ”，不妨称之为v e n m r i n i 控制法。正是由于这一方法的提出，才使得矩阵变 换器的实现成为真正可能。其它所有控制方法都是在对v e n t u r i n i 控制法进行改 进或针对它的局限性而推导出来的。 基本a v 法可以实现对输出电压、输入功率因数的控制，根据a v 法得到的 占空比计算公式可以总结为式( 3 4 ) ，此公式在输入功率因数为l ( q = 屈) 时 成立： m n ：导 1 + 2 9 c 。s 【口。一( h - 1 ) 寻万】c o s 【一( k - 1 ) 寻万】 ( 3 - - 4 ) ) l jj j 式中h = l23 ，k = l2 3 输入和输出平衡条件下，基本a v 法得到的电压增益q 最大为0 5 ，因此电 压增益过低是此调制策略最大的缺陷。 此外，变换器一个开关周期内总共需要换流1 2 次，其中有三个开关要换流 两次。不论怎样安排开关策略，换流次数总是不变的。因此，选择开关元件时， 器件频率必须比变换器开关频率要高一倍，这些不利因素限制了v e n t u r i n i 控制 法的应用。一个周期采用的典型的双向开关状态如图3 2 所示。 。啊，2 一啊：2 。舅，2 。：。玛，2 。m 。：2 、玛。2 。 、j - - ( 。”) 7 、j n ( n 玎) 7 、，( d ”) ；、 ，( n 拧) 7 、 ：( 。n ) 7 - ，( o n ， 。2 一，2 。m ：，缓。m ：，乏m 2 ：2 。鸭t 2 ( d ) s ( o n )沏)( 删( 册)屯l ( 0 功 n 。2 。m ，2 。，2 。，2 m 3 ，2 。舅，仁 己l c o n 一) 嘞一c o n ) 7、( d 功一( d n ) 西( 卯) 7 j12-。 l 2 。 图3 2 一个周期内双向开关状态 3 1 2a l e s i n a - v e n t u r i n i1 9 8 9 ( 改进的a v 法) 基本v e n t u r i n i 调制法的提出，使得矩阵变换器的实现变得切实可行。但是 这一调制方法有很大的局限性，其中最大的缺点就是它的电压增益最大值只能达 到0 5 ，这对许多应用场合( 如交流电机调速) 显得偏低。为了提高电压增益，须 2 1 硕士学位论文 第三章矩阵变换器调制策略研究 对v e n t u r i n i 调制法进行改进。 v e n t u r i n i 控制法的电压增益只有o 5 ，如何才能达到最大值0 8 6 6 7 分析三相 正弦波形可知，正弦波呈现一个对时间轴不对称的波峰波谷图，如果能将输出电 压波峰拉平，输入电压上下界最小差值也能变大。这两者的综合就有可能使电压 增益达到最大值。 在逆变器的研究中，为了解决正弦波p w m 调制时，输出电压偏低的缺点， 曾经在正弦调制信号中注入三次谐波使调制信号变为马鞍形，导致输出线电压提 高了1 5 3 2 。采用注入三次谐波的方法同样可提高矩阵变换器的输出电压幅值。 由于输入电压是不能改变的，因此可采用将输入端注入三次谐波等效为输出端减 去三次谐波。 变换器期望输出电压被注入三次谐波，输出电压谐波分量的存在使得开关调 制函数也必然包含一些谐波分量，原来的调制矩阵不再适合。文献【3 3 】给出了改 进的v e n t u r i n i 法的占空比计算公式： 1 肼艟= = l + 2 9 c o s i 屈一( k - 1 ) 刍 j c o s 一( 一1 ) 孚一吉c 。s ( 3 ) + 三茜c 。“3 届) 1 一去如s ( 4 尼m - 1 ) 争一州2 属m - 1 ) 争】 ( 3 5 ) 其中 = 123 ，t = l23 。 该公式是在变换器输入功率因数为l 时得到的。从式( 3 5 ) 的长度就可以得 知：电压增益的提高是以计算和控制的复杂度为代价的。 为了提高输入电流的可控性、减少开关换流次数和控制复杂度，有必要寻找 更有效的控制方法。 3 2 空间矢量法( s v m ：s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ) 空间矢量法最初由逆变器的研究而被提出来，利用逆变器电压空间矢量法跟 踪电机的磁链，可以获得比较理想的电机调速效果。而矩阵变换器的空间矢量法 由南斯拉夫学者h u b e r 和美国教授b o r o j e v i c 两人在1 9 8 9 年联合提出。自提出后， 它得到了众多学者的关注和进一步的研究【3 禾加l ，成为了矩阵变换器控制方法的主 流，并有可能被最先实用化。根据实现空日j 矢量法时有无虚拟中间直流环节，可 将空日】矢量法分为间接实现和直接实现两大类。下面只讨论直接实现空间矢量 法。 硕士学位论文 第二章矩阵变换器调制策略研究 3 2 1 直接实现空间矢量的调制原理 受到输入侧不能短路，输出侧不能开路的限制，矩阵变换器9 个双向开关的 状态共有2 7 种不同的组合方式，而每种组合都产生一个电压矢量和电流矢量， 在整个电压矢量和电流矢量空间各有2 7 个矢量存在。其中6 个开关组的三个开 关接在不同的输入相，使产生的电压电流矢量是旋转的动态矢量。这样的矢量不 适合空间矢量合成的要求，通常不采用。其余2 l 开关组合( 包含3 种零输出) 可 用于空间矢量调制，以产生所需的输出电压电流。这2 1 种开关组合如表3 1 所 示。 由表3 1 可以看出，前1 8 种开关组的三个开关中2 个接在同一输入相，其 他一个接在另外一个输入相这时产生的电压矢量和电流矢量都是静止矢量，但它 们的幅值是输入线电压或输入线电流的函数，这正是矢量合成所需要的。产生的 1 8 种电压电流矢量扇区划分如图3 - - 3 ( a ) ( b ) 所示。表3 1 最后三个开关组 合的三个开关接在同一输入相上，这时产生的电压电流矢量都是零矢量。在空间 矢量调制中，需要零矢量调节输出电压或输入电流的幅值。确定开关策略时，零 矢量的选取是一个非常关键的问题。 t，4案p,5p,6p 7n,8n,n,2n 3 n i p ，2 p , 3 p o ；j 证 l ，* = 】冷， ； 甲 二柴= 一 【也一 ，哦，i 、哦。即p 硕士学位论文第三章矩阵变换器调制策略研究 2 4 硕士学位论文第三章矩阵变换器调制策略研究 3 2 2 直接空间矢量调制算法 采用空间矢量法可做到控制输出电压矢量和瞬时输入电流矢量偏置角【4 1 卅。 在任意采样时刻，输出电压矢量瓦和输入电流偏置角识为参考量，如图3 - - 4 ( a ) ( b ) 。输入相电压矢量瓦由电源电压决定且可测量。因此，控s t i r , 就可以做到控 制输入电流矢量相角屈 s v m 运算法则的原理就是从电压电流矢量中选取合适的4 个有效矢量，将 这四个矢量按照合理的时间间隔应用在每个周期。为了更清楚的解释这种调制策 略，不妨设期望输出电压矢量、输入电流矢量均在第一扇区( 下同) ，如图3 - - 4 c a ) ( b ) ，参考电压矢量瓦可沿着两个相邻矢量方向分解成和瓦。瓦可以用 两个与它同方向的电压矢量合成，满足要求的六个开关状态为士7 ，8 ，9 ， 但是这六个开关状态必须同时满足输入电流矢量的调制要求，因此8 状态被剔 除。在其余四个状态中，我们假设选择+ 7 ，+ 9 两个开关状态。同理得到合成瓦。的 两个开关状态+ l ，+ 3 ( 具体使用正矢量还是负矢量是无关紧要的，因为计算调制 比时，如果没有正确使用将导致负的调制比出现，这表明需采用相反的矢量) 。 用同样的方法可以得到输出电压矢量和输入电流矢量扇区的任意组合所对应的 四个开关状态，结果总结于表3 - 2 。 彩鞠 淡 ( b ) 图3 4 ( a ) 输出电压空间矢量合成图( b ) 电流空间矢量合成示意图 硕士学伊论文 第三章矩阵变换器调制策略研究 表3 - - 2 最后一行的四种标记( i ，u ，i v ) 分别表示四种一般的开关 组合，对于输入电流和输出电压扇区的任意组合都有效。 由上面的分析，可以得到直接空间矢量算法四个同时满足输出电压矢量和输 入电流偏置角要求的基本等式： 瓦；艿1 + - - v 。1 1 艿。”= 百2v 。c o s ( 疗。一手) p 巾r 叫那+ ，例( 3 - 6 ) v j j 。v o = v - - ，h 铲+ v - - 登i r = 2 - - 兰? - ，v ? c o s ( f fo + n 1 ) 。e j r ( 。3 1 ) ( 3 - 7 ) v j j ( 千艿+ 7 1 艿“) j e 埔p 儿蜀- l 埽届= 0 ( 3 - - 8 ) 砰6 冒矿、j 窖蝎。r 3 = 0 ( 3 - - 9 ) 式( 3 6 ) ( 3 9 ) 中吃，属是以相应扇区等分线为基准测量得出的输出电压 和输入电流相角，不同于和屈。吃，磊的取值范围： 一詈 吃 + 吾，一詈 矗 + 詈( 3 - 1 0 )一i 吒 + i 一i 崩 + i 占，矿，艿4 ，6 ”代表四种开关状态的占空比( 艿= f 忽) ，k ，= l ，2 ， 6 代表输出电压扇区；墨= l ，2 ，6 表示输入电流扇区；，锣，i ，够是与 表( 3 2 ) 中四种开关状态( i ，i i ，i 1 ，) 相对应的输出电压矢量。 联立( 3 6 ) ( 3 9 ) 式，可得如下占空比计算公式】： 如( - 1 万2 。丝鬻产塑( 3 - 1 1 ) 占”：( 一1 ) 暑+ 岛下2geos(ao-n3)eos(e+n3) ( 3 1 2 ) 、，3 c o s 识 ：( 一1 ) 一下2g 型堑塑型墅生至盟 ( 3 1 3 ) 、3 c o s 仍 儿( 妒纠万2g 型鼍芸警地( 3 - - 1 4 ) 硕士学位论文 第三章矩阵变换器调制策略研究 式( 3 - - 1 1 ) ( 3 1 4 ) 具有一般性，可以用于计算任意组合的输出电压扇 区墨和输入电流扇区k 。 此外，为了实现此控制策略四个占空比绝对值的和必须小于或等于l ： 川+ p i + 1 8 ”i + l i s l ( 3 1 5 ) 当四个占空比之和小于一个周期时，补充零开关组合占空比来完成一个 p w m 周期。 将式( 3 1 1 ) ( 3 1 4 ) 带入式( 3 1 5 ) 可得以下等式： g s 孚毒告 ( 3 1 6 ) 由上式可知，在任意时刻，直接空间矢量调制的矩阵变换器理论最大电压增 益与输出电压和输入电流相角以及输入电流矢量偏置角相关。值得注意的是，在 输入输出平衡条件下，电压最大电压增益出现在式( 3 - - 1 6 ) 取值最小( c o s 矗和 c o s 吃都等于1 ) ： 斤 g s 半i c o s 仍l ( 3 - - 1 7 ) 假设输入功率因数为1 ，从( 3 1 7 ) 式可以得到矩阵变换器最大电压增益 为理论上最大值0 8 6 6 。 计算出参与合成的四个矢量的开关占空比后，通过一定的开关策略就可以具 体实现矩阵变换器的控制。在这一阶段，开关策略的确定对变换器的性能有很大 的影响。 仍以输出电压和输入电流在第一扇区为例，被选出的开关状态一般是0 l ，0 2 ， 0 3 ，+ l ，- 3 ，7 ，+ 9 。可以证明只有一种开关状态顺序可以保证每次开关状态改 变时只有一个开关动作，即，0 3 ，3 ，+ 9 ，0 l ，7 ，+ 1 ，0 2 ，相应的双向开关状 态如图3 5 。 型。，2 。m i ，2。坍l ：，：廖。肘i 。2，。，虐 i ，( o 矿 s ，( 叫 7 s 1 , 2 ( o n i墨：而 s 。 7 墨，( o 二 。珊。乏m ：。2 。m ：2一m ：。乏肼“2 ，z ， s ，( o 西、岛，“，7 1 s z z t o n ；1 ) 71 晶) 1 f 。r h 。2 。m ，丝m ”2 。鸭z 2 弘，肛。鸭，2 。 s ，。h ) 7 ；，( 。五1 ( ”) 71 马：( o 一) 7l 。( 二j 1 ( ) 7 o ，| 弓ho 。m o ：o ：” 0 。淄- 3 | 0 ， 8 0 3 簿溺垒围砻8 0 2 8 0 2l 鱼澍垒銎基l 亟 21 2 ；2 | 2 2 1 2 l22 | 2 1 2 21 2 i 2 l2 1 2i 2 图3 - 5 一个周期双向开关状态 2 7 硕士学位论文 第三章矩阵变换器调制策略研究 根据上图，按照每个周期加入的零空间矢量数目和位置的不同可以将空间矢 量调制法分为两种特殊的情况：第一种对称空间矢量调制( s y m m e t r i c a ls v m ) ， 每个周期加入三个等占空比的零空间矢量，换流次数1 2 次；第二种非对称空日】 矢量调制( a s y m m e t r i c a ls v m ) ，每个周期加入一个零空间矢量，零空间矢量位 置如图3 5 中0 l 矢量所示，在这种情况下，矩阵变换器的一行开关( 图3 - - 1 第一行) 在一个周期内不改变开关状态，开关换流次数减少到8 次( 在一个周期 内开关s 常闭，开关& 、s ，常开，如图3 - - 5 ) 以上简要回顾了两种已被广泛研究的矩阵变换器调制策略，它们各有优缺 点，应用场合也各有不同。下面就这两种方法进行简要的比较； v e n t u r i n i 法： 采用基本控制法时电压增益只有0 5 ，但这时输出相电压也是正弦量， 这是其他方法所不具备的； 不管输入输出电压的相位如何，开关占空比计算有统一的计算公式； 当输入电压发生畸变时，可动态计算开关占空比，使输出电压能保持正 弦量输出不变【4 5 】； 变换器开关策略要求变换器一个周期内共换流1 2 次，换流损耗比较大， 开关器件频率要求也较高。 在输出电压中加入三次谐波后，开关控制变得非常复杂，对实时控制不 利。 空间矢量法： 采用p 咖调制，电压增益可方便地达到最大值0 8 6 6 ，而且开关占空比计 算简单方便； 可以方便的结合负载进行矢量控制，无须外加矢量控制器； 采用对称s v m 法时，一个周期开关换流1 2 次；采用非对称s v m 法时一个 周期开关换流8 次，开关损耗相对减少。 上节简要回顾了两种广泛被研究的调制策略，以下将重点分析一种新的表示 矩阵变换器九个开关状态数学方法。 3 3 占空比空间矢量法 意大利学者d c a s a d e i 提出了一种新的非常有效的数学方法分析矩阵变换 器调制策略，即占空比空间矢量法f 4 6 l ( d c s v ) 。本节主要推导采用此方法后的 矩阵变换器输入输出关系。 d c a s a d e i 根据空自j 矢量概念提出矩阵变换器调制矩阵m ( t ) 第一行的三个 占空比，啊：，啊，可以用一个占空比空日j 矢量厩表示： 硕士学位论文第三章矩阵变换器调制策略研究 厨1 = 詈( 辨i t + m 1 2 e j ( 2 7 3 ) + m r 3 e j ( 4 r 3 ) ) ( 3 - 1 8 ) 为了防止变换器输入端出现短路，保证输出端有连续的负载电流，占空比必 须满足条件： f m a l + 啊2 + 3 = l l + + ，= l