（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp与cpld的矩阵变换器的控制策略研究.pdf

s t u d yo f m a t r i xc o n v e r t e rb a s e do nd s pa n dc p l d a b s t r a c t t h em a t r i xc o n v e r t o ri sa na r r a yo fc o n t r o l l e ds e m i c o n d u c t o rs w i t c h e st h a t c o n n e c t sd i r e c t l yt h et h r e e p h a s es o u r c et ot h et h r e e p h a s el o a d i ti sc o n s i d e r e da sa l l ”t o t a ls i l i c o n ”p o w e rc o n v e r t e rw i t ha d v a n c e dc i r c u i tt o p o l o g y m cp e r m i t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni nas 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 e r 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 e i n p u tf u n d a m e n t a ld 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 f t h el 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 yc o n v e r s i o n w 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 do u t p u tf r e q u e n c ya n d a l l o w sb i - d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w i th a sa d v a n t a g e so ns a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n g e n v i r o n m e n t a no ft h ea t t r a c t i v ef e a t u r e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h el a s tt w od e c a d e s i nt h e l a s tf e wy e a r s ，a ni n c r e a s ei nr e s e a r c hw o r kh a sb e e no b s e r v e d ，b r i n g i n gt h i st o p o l o g y c l o s e rt ot h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e sp r i n c i p a li s s u e so ft h em a t r i xc o n v e r t e rs u c ha sp r i m e p r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，c u r r e n tc o m m u t a t i o ne t c s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n d c o n c l u s i o n sa r eg i v e n ，w h i c hf o u n dt h eb a s i so f t h ep r o j e c tf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s f i r s t l yt h i sp a p e rp r e s e n t ss e v e r a lr e s e a r c hf o c u s e sa b o u tt h em a t r i xc o n v e r t e r , a n dt h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fm cw i l lb ed i s c u s s e d t h e r ea r em a n ym o d u l a t i o n a l g o r i t h m sf o rm c a n do n eo ft h e m t h ei n d i r e c ts p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) - i su s e d i nt h i s p a p e r 1 1 1 ei n d i r e c ts v p w m i sd e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a n dt h e f u n c t i o ni sa l s og i v e n as i m p l es i m u l a t i o nm o d a lo fm cb a s e do nm a l a bw a s i m p l e m e n t e dt ot e s tt h em e t h o d i nt h es i m u l a t i o n as p e e dc o n t r o ls y s t e mi sa l s o d r i v e nb yt h em c r e l i a b l ec u r r e n tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et h r e e - p h a s es o b r c ei sv e r yi m p o r t a n t t h es t r u c t u r eo fb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e sf o rm ca r ea n a l y z e d r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y o ff o u r s t e pc o m m u t a t i o ns t r a t e g yi sp r o v e d t h es t r a t e g yi sa c c o m p l i s h e db yc p l d i n t h ee n d ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa l le x p e r i m e n ts y s t e mt ov e r i f yt h ea l g o r i t h m e f f e c t i v e n e s s t h es y s t e md e s i g na b o u tt h eh a r d w a r ea n ds o t h a r eo fm ci sg i v e n t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e db vd s pa n dc p l d t h ea l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di n d s p a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r et r a n s p o r t e dt oc p l d t h ec p l da c h i e v e dt h e r e l i a b l ec u r r e n tc o m m u t a t i o n t h ef i n a le x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f i e dt h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r , i n d i r e c ts v p w m ，f o u r - s t e pc o m m u t a t i o n ，b i - d i r e c t i o n a l s w i t c h e s ，d s p ，c p l d 插图清单 图1 1 理想开关2 图1 23 3 直接矩阵变换器2 图1 3 间接式3 3 矩阵变换器3 图1 4 三相一单相矩阵变换器3 图1 5 单相一单相矩阵变换器4 图l - 6 二极管桥式双向开关4 图1 7 两种背靠背式双向开关单元5 图1 8 逆阻式i g b t 双向开关5 图1 - 9 英飞凌双向开关模块6 图1 1 0e u p e c 生产的e c o n o m a c 型矩阵模块6 图2 1 三相交一交矩阵式变换器主电路结构1 4 图2 2 两种需要避免的错误状态1 5 图2 3 矩阵变换器等效虚拟整流器和虚拟逆变器串联结构图2 0 图2 - 4 空间矢量调制的d c 几c 调制。2 1 图2 5 虚拟逆变器输出电压空间矢量调制2 2 图2 - 6 空间矢量调制的a c d c 调制一2 3 图2 7 “虚拟整流器”输入相电流空间矢量调制2 4 图2 8 空间矢量调制的三相m c 等效电路结构图2 5 图2 9 三相m c 开关状态合成2 6 图2 1 0 输入1 扇区、输出l 扇区时的状态切换3 l 图2 1 1 输入1 扇区，输出2 扇区时的状态切换3 1 图2 1 2 输入1 扇区、输出1 扇区优化后的开关切换次序3 l 图3 1 矩阵变换器间接空间矢量控制仿真结构图3 4 图3 2 理想开关组成的3 3 开关矩阵3 4 图3 3 输入三相相电流3 5 图3 - 4 输出三相线电压3 5 图3 5 输出三相相电流3 5 图3 - 6 电机矢量控制仿真结构图3 6 图3 7 转子磁链3 7 图3 8 输出相电流、转速和电磁转矩波形3 7 图3 - 9 输入相电流3 7 图4 1 两种需要避免的错误状态3 9 图4 2 两相变单相的矩阵变换器4 0 图4 - 3 四步换流时序图4 1 图4 4 四步换流状态转换图4 2 图4 5 利用二极管检测电流方向的电路4 2 图4 6 用比较器检测电流方向的电路4 2 图4 7 输出电流过零点附近换流出现故障的两种情况4 4 图4 8 四步换流功能仿真结果图4 5 图4 9 四步换流功能仿真结果图4 6 图5 1 实验平台系统结构简图4 7 图5 2 双向开关模块结构图4 8 图5 3 带有吸收电容的双向开关管5 0 图5 _ 4 驱动电路内部结构图和接线图。5 0 图5 5 矩阵变换器中的钳位电路5 2 图5 - 6 矩阵变换器的输入滤波器5 3 图5 7 输入输出电流关系图5 5 图5 8 不同阻尼电阻条件下的输入滤波器电流频率响应5 5 图5 9 电压采样和捕获电路5 6 图5 1 0 电流采样电路。5 7 图5 1 1 电流过零点检测电路。5 7 图5 1 2 过电流检测电路5 7 图5 1 3 控制电路结构图。5 8 图5 1 4c p l d 四步换流控制结构5 9 图5 1 5c p l d 对d s p 送入的占空比脉冲信号进行译码6 0 图5 1 6c p l d 延迟器结构6 1 图5 1 7 主程序流程图。6 3 图5 1 8 主中断程序流程图6 4 图5 1 9 嵌套中断程序流程图6 5 图5 2 0l e 与占空比脉冲信号同步示意图6 6 图5 2l 输出电压矢量合成图。6 7 图5 2 2p w m 整流器矢量图6 9 图5 2 3 等效后的扇区6 9 图5 2 4 输出相电压空间等效矢量图7 0 图5 2 5 方法二得到的开环仿真结果7 1 图6 1 占空比脉冲信号与l e 信号。7 2 图6 2l e 与扇区信号7 2 图6 3 四步换流波形图7 3 图6 - 4 开关驱动信号7 3 图6 5 空载及带负载时的输出线电压及其滤波效果7 4 图6 - 6 输出相电压和输出线电流7 4 图每7 输入相电压和相电流及输出线电流7 5 图6 - 82 5 h z 时输出线电压滤波后波形以及管压降波形7 5 图6 - 95 0 h z 时输出线电压滤波后波形以及管压降波形7 6 图6 1 0 电流方向信号检测7 7 图6 1 1 输出电流及其方向信号7 7 图6 1 2 输出电流过零点出出现错误状态7 8 图6 - 1 3 扇区切换点对应的电流波形畸变。8 0 表格清单 表2 1 开关组合表1 6 表2 2 电压空间矢量开关组合表2 1 表2 3 电流空间矢量开关组合表2 4 表2 - 4 不同扇区的调制组合2 6 表2 5a c a c 变换的开关状态合成2 7 表2 - 6 矩阵变换器间接空间矢量调制开关状态表2 8 表3 1 仿真参数。3 5 表5 1 换流策略码6 l 表5 2 输出a 相从输入a 换到输入b 时的四步换流开关状态6 2 表5 3 逆矩阵7 0 表5 - 4 扇区确定表7 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了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 佥目巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：乡长龙及 签字日期：口：7 年归广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鲤王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弥7 镑& 签字日期：c 可年印月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 尸日 新躲亏修 签字日期：一f 7 年午月7 日 电话： 邮编： 致谢 在本人攻读硕士学位的将近三年的时间里，自始至终得到了我的导师张兴教 授的悉心指导和无微不至的关怀以及大力支持，无论是从课程学习、研究方向选 择以及论文选题，还是到资料搜集、论文定稿，都倾注了张兴老师的大量心血。 张老师渊博的知识、严谨的治学态度、务实的科研精神和精益求精的工作作风时 时刻刻影响和感染着我；生活中，张兴老师开阔的胸怀、豁达的人生态度、诲人 不倦的良师风范向我展示了为人的道德风尚。张老师对我的谆谆教诲使我受益终 生。在此，谨向恩师张兴教授致以最诚挚的敬意和忠心的感谢。 感谢杨淑英老师，在我课题研究的过程中，经常得到杨老师的指点和帮助， 在此对杨老师表示深深的感谢! 在学习和科研工作中，还得到了谢振老师，王付胜老师，汪令祥博士，刘淳 博士的热情帮助和指点，在此对他们表示感谢! 实验室同学邵文昌，田新全，陈玲，纪明伟，曹伟，孙龙林，王鸿山，汪永 智，王江，孙荣丙，王成悦在我学习和牛活上给予了我很大的帮助和支持，在此 一并表示感谢! 感谢蒲道杰，童诚，戚振彪等师弟师妹们平时的帮助与支持! 感谢我的父母，他们对我的关心、支持和鼓励是我最大的动力，我的任何成 绩都应该归功于他们对我的教育和支持。感谢妹妹和妹夫以及他们两个可爱的小 孩，他们带给了我很多的欢乐，让我的研究生生活更加丰富多彩。 最后感谢所有给予我帮助的老师和同学! 作者：张龙云 2 0 0 9 4 第一章绪论 1 1 交交矩阵变换器的研究目的与意义 在现代电气设备中，电力电子技术的应用无处不在。电力变换器极大地改善 了人们的生活质量。各种电力变换器如整流器、逆变器、变频器已经在工业生产、 交通运输及日常生活等领域发挥巨大的作用。在发达工业国家，有7 5 的电能需 经电力变换后再加以利用，而本世纪初期，这一比例会高达9 5 t 。 在当前，微电子技术和电力电子技术迅猛发展，可控交流电气传动技术取代 直流传动已经称为不争的事实。作为可控交流传动专用的变压变频电源一一 p w m 变频器也已成为炙手可热的电力电子产品。常用变频器的主电路拓扑几乎 全都是“交一直一交变换( 先将交流整流成直流，再将得到的直流逆变成频率 可调的交流) 。“交一直一交”变换技术的成熟推广，为自动化、节能等领域赢得 了可观的效益。但其必须的直流滤波电容寿命有限，维护麻烦；且这些变频器的 使用带来了谐波污染、功率因数降低等缺点，这些都是当前一些电力电子设备的 缺陷，防治“电力公害已成为电工领域内的环保专题。 无功补偿和有源滤波是当前主要的防治手段，但只是消极意义上的谐波抑 制。如何能从积极意义上去消除谐波产生的根源，研究具有优良输入、输出特性 的“绿色变频器很重要。 “绿色”变频器应该具备的品质是： 1 ) 输入和输出电流都是正弦波； 2 ) 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1 ； 3 ) 可获得工频上下任意可控的输出频率。 目前已经获得应用的三电平双p w m 交一直一交变频器、多逆变单元串联的 中压变频器都可以达到或接近这些要求，但功率电路和装置仍嫌笨重。自从 v e n t u r i n i 和a l e s i n a 在1 9 8 0 年发表关于矩阵变换器( m a t r i xc o n v e r t e r - m c ) 的两 篇论文【2 【3 】以来，其优越性能很快就受到重视。矩阵变换器完全符合上面的三条 指标，而且其能量可以双向传输，也省去了体积庞大的直流滤波电容环节，这些 都是现有变频器不能完全企及的。 其理论研究价值大，应用前景广阔，在诸如电动机调速、变频电源，高压大 功率变换，功率因数校正等领域有很大的潜力。因此，愈来愈多的学者在从事这 一研究，交交矩阵变换器已成为变频技术研究的热点【引。 1 2 矩阵变换器的概念和分类 矩阵变换器从本质上讲只包括无功器件和开关元件。最简单的开关模型是理 想化的开关模型，它由一个不连续的开关调制函数m ( t ) 来描述。开关闭合时为1 ， 开关断开时为0 ，不存在传输延时。设f , c t ) 为开关输入，则开关输出f o ( f ) 为： z ( f ) = m ( t ) z ( f ) ( 1 - 1 ) 理想开关的实现总是处于一定的电路之中，根据开关输入输出变量特性可以 分为两大类：电压开关和电流开关，如图1 1 所示。 ( a ) 电压开关( b ) 电流开关 图1 - 1 理想开关 对于电压开关，满足下列关系： 玑( f ) = m ( f ) u ( f ) ( f ) = 膨( f ) z o ( t )( 1 - 2 ) 对于电流开关，满足下列关系： i o ( t ) = m ( t ) ( f ) u ( f ) = m ( f ) u o ( f ) ( 1 3 ) 图1 1 所示的理想开关为单相开关，将多个单相电压开关进行串联或者将多 个电流开关进行并联即可以得到多相开关，因此很容易组成m 相输入，n 相输 出的m x n 矩阵变换器。实际应用中以三到三的交一交变换最实用，所以狭义的 矩阵变换器仅指普通3 3 直接式矩阵式变换器，这种拓扑应用最广，是被研究 的最早也是最多的一种矩阵式电力变换形式，其结构如图1 2 所示。 “ s a n q 孓i b 口 ， 6 cq c哆彳6 吁b 6 ， c a c q 令c哆b c 彳bc 图1 - 23 3 直接矩阵变换器 2 其输入是三相a 、b 、c ，输出为三相a 、b 、c ，输出一般接三相交流电机。 输入和输出之间依靠9 个双向开关连接，如图中所示的s j k ，j a ，b ，c ) ， k e a ，b ，c ) 。每个开关都有双向导通和双向关断的功能，排列成矩阵形式。通过 适当的调制策略来控制9 个开关的通断，可以得到所需要的输出电压。 到目前为止，人们已经提出了多种调制策略，用于控制开关动作，得到所需 要的输出电压。这其中有一种间接空间矢量调制策略是将该结构矩阵变换器等效 成虚拟整流器和虚拟逆变器的串联陋1 ，从而可以利用成熟的p w m 整流器、逆变 器的控制策略进行m c 控制，取得了良好的效果。之后人们根据这种思想提出了 另外一种结构的矩阵变换器间接式矩阵变换器，其结构如图1 3 所示。 口 彳 整 逆l t b 流 亦 b x c 级级 c 图1 - 3 间接式3 x3 矩阵变换器 该矩阵变换器由整流级电路和逆变级电路组成，中间是直流环节，但是与传 统的a c d c a c 比，其直流环节没有储能电容，因此减小了体积，并且没有了 传统交交变换储能电容寿命的问题。与传统整流器不同的是，其输入整流器部 分每个开关管都是双向开关，可以控制电流流向，其逆变器部分与传统逆变器结 构一致。这种结构所用的开关数目与普通m c 相同，为了减少开关数目，人们又 接连提出了稀疏矩阵式变换器【6 】，9 开关双桥矩阵变换器【7 】等，这些都是普通矩 阵式变换器的衍生拓扑。 除了三相到三相的变换，三相一单相以及单相一单相矩阵变换器也是目前研 究较多的拓扑结构。其结构如1 4 所示。 ( a ) 带中线式( b ) 不带中线式 图1 4 三相一单相矩阵变换器 三相一单相矩阵变换器的输入为三相交流电，输出为单相交流电，分为带中 线和不带中线两种。而单相一单相矩阵变换器的输入输出都是单相交流电，如图 1 5 所示。 图1 - 5 单相一单相矩阵变换器 本文只研究基本的三相三相直接变换的矩阵变换器，以后简称交一交矩阵 变换器。与传统的交一直一交变频器、交一交变频器相比，m c 有着一系列的优 点，不过其也有自身的一些缺陷： 电压传输比较低。理论证明当输出电压频率独立于输入电压频率时，采用 常规调制策略输出输入电压增益最大值为0 8 6 6 。因此影响了基于恒压频比调速 原理的电机调速范围； 需要较多的电力电子元件。还没有成熟的模块化的双向功率开关，要靠数 个单向开关与多个二极管的组合来实现，相间安全换流和开关保护困难； 某些控制规律的实时计算量较大，对控制单元的计算速度和存贮容量要求 高，需要成本较高的d s p 作为控制器，有时候还需要c p l d 逻辑器件配合。 这些都有待于广大研究人员去研究克服改善。本文主要研究图1 2 所示的 3 3 直接矩阵。 1 3 矩阵变换器的国外研究热点 1 3 1 双向开关 矩阵变换器需要双向的开关，它应该可以流过双向的电流，双向控制电压。 遗憾的是，目前并没有这种器件可以使用，因此需要用分立器件来组成合适的开 关单元。 一种二极管桥双向开关结构如图1 6 所示。 图i - 6 二极管桥式双向开关 该结构由单相二极管桥和当中的一个i g b t 组成。其主要优点是两个方向的 4 电流都流过同一个开关器件，因此门极驱动仅需要一个。但是由于每一条通路共 有三个器件，器件的损耗相对较大。而且流过开关单元的电流方向是不能控制的， 因此不能用于一些先进的需要控制电流方向的换相方法。 更常用的双向开关结构是共射极和共集电极结构的背靠背式双向开关，其结 构如图1 7 所示。 上 l “ h j 丁 上 1 “ h j t ( a ) 共发射极背靠背( b ) 共集电极背靠背 图1 7 两种背靠背式双向开关单元 共射极结构背靠背双向开关可以用两个普通的带有二极管的逆导式i g b t 将 射极接在一起反串联组成，从而可以独立控制电流的方向，且任意时刻仅有两个 器件导通电流，导通损耗也减少了，其缺点是每一个双向开关需要一个独立的门 极驱动电源，对于3 3 的m c 需要9 个独立的开关电源。 共集电极结构背靠背双向开关导通损耗和共发射极结构开关相同，而且对于 3 3 结构矩阵变换器，其驱动电源仅需要6 创引。然而，像必须降低寄生电感这 样的制约意味着仅有六个独立电源一般是不行的。因此，组成矩阵变换器的双向 开关单元一般仍情愿选择共发射极结构的双向开关。 共发射极和共集电极形式的开关都可以在中间不接线时应用，但是有这样的 联线在开关时会有某些瞬态过程的好处。 近年来出现了一种逆阻式i g b t ( r b i g b t ) 反并联组成的双向开关【9 1 。 r b i g b t ( r e v e r s eb l o c k i n gi n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是一种具有反向阻断能 力的新型功率半导体器件，正、反向均可承受电压。其结构如图1 8 所示。 上 p 丁 图i - 8 逆阻式i g b t 双向开关 该结构双向开关由两个r b i g b t 反并联构成，可对两个方向的电流进行控 制。与传统的由两个普通i g b t 和两个快恢复二极管构成的双向开关相比，在流过 相同电流情况下，由于少了一个二极管的压降，该结构的双向开关通态损耗比较 低。 为了降低两个单相开关组合带来的引线电感，提高矩阵变换器主电路的可靠 性，可以采用集成模块用于m c 主电路。作者的实验平台采用的就是英飞凌公司 生产的双向开关模块f f 2 0 0 r 1 2 k t 3e ，其额定电压1 2 0 0 v ，电流达到2 0 0 a ，内 部集成的双向开关为共射极结构，模块图如图1 - 9 所示。 图l - 9 英飞凌双向开关模块 此外，d y n e x 公司的d i m 2 0 0 m b s l 2 - a 也是2 0 0 a 的双向功率模块，为共集 电极结构，i x y s 也研制了可用于矩阵式变换器的r b - i g b t 。为了进一步提高集 成度，减小引线电感，可毗考虑将三个双向开关集成在一个模块中，富士电机公 司的6 0 0 v 1 0 0 a 的r b i o b t 模块既是这种结构，其内部封装了6 个基于超薄晶 片技术的r b 一1 g b t 功率芯片。而e u l 弛e 则更进一步将整个m c 丰电路需要的功 率开关都集成在一个模块中，傲到了接线电感犀小。图1 1 0 即为e u p e e 公司的 额定电流为3 5 a 的三相。三相开关矩阵功率模块，其双向开关为共集电极形式。 图1 1 0e u p e c 生产的e c o n o m a c 型矩眸模块 1 3 2 换流拄术 矩阵变换器拓扑有多种，各种拓扑结构其换流难度不一，其中以3 x3 的 直接m c 最具有典型性。下面将介绍几种目前最主要的换流方式。 1 四步换流 四步换流策略是b u r a n yn 于1 9 8 9 年提出来的【。1 9 9 5 年，z h a n gl 、 w a t h a n a s a mc 和s h e p h e r dw 设计了一种开关逻辑电路，以三相脉宽调制信号和 负载电流方向作为逻辑电路的输入信息，则该电路产生6 个控制信号来控制三个 双向开关，用硬件来实现四步安全换流【1 1 】。其特点是： 1 ) 按输出相划分交一交矩阵变换器独立子系统，子系统个数与输出相数相 等，如三相一三相交一交矩阵变换器可以划分成三个独立的子系统； 2 ) 换流在各个子系统的输入相之间进行，各个子系统互不干扰； 3 ) 电流从一相换到另一相，实现零电流开通和关断的可能性各为5 0 ，因 此，被称为半软开关换流； 4 ) 对双向开关构成的交一交矩阵变换器，电流从一相安全地换到另一相需 要经过四步来完成； 5 ) 换流的四步开关顺序以负载电流的方向为依据，因此，准确检测负载电 流的方向是非常关键的。 2 辅助电路换流法 1 9 9 5 年，h e yh l 、p i n h e i r oh 和p i n h e i r oj r 设计出了一种辅助换流电路。 其线路由l c 并联组成，每相输出均并联了辅助换流电路，其中电感l 由辅助双 向开关控制其通断状态【1 2 】。其特点是： 1 ) 辅助换流电路在主回路以外，减少了功率损耗； 2 ) 双向辅助开关电流值小； 3 ) l c 容量与负载无关； 4 ) 不必采用四步换流，简化了控制逻辑； 5 ) 实现了主双向开关的零电压导通； 6 ) 双向辅助开关在零电流情况下关断，降低了附加损耗。 1 9 9 7 年b e r n e ts 和t e i c h m a n nr 把交一交矩阵变换器演化为整流器作为直流 电源应用，在换流技术上采用软开关辅助电流换流法，给每相负载端并联一个电 感，用一个双向开关控制其开通与关断，在每个双向开关两端并联一个电容，这 样在主电路上开关实现零电压操作，在辅助电路开关上实现零电流操作，仿真实 验验证了其可行性【1 3 】。 3 两步换流法 1 9 9 8 年，e m p r i n g h 锄l 、w h e e l e rp w 和c l a r ej c 通过对双向开关控制极 电流的检测来实现两步换流【14 1 。1 9 9 9 年z i e g l e rm 和h o f i n a n nw 通过同时检测 输入电压的极性和负载电流的方向，实现了两步换流策略。2 0 0 0 年，e m p r i n g h 锄 l 、w h e e l e rp 、c l a r ej 利用f p g a 逻辑器件检测开关器件的门极驱动信号，来 实现两步换流，电流方向是由器件上的电压来确定，克服了低电流时难以检测准 确的缺陷。在实验中，交一交矩阵变换器带1 8 k w 的异步电机，验证了换流的 可行性【l5 1 。2 0 0 1 年l i x i a n gw e i 和l i p ot a 提出了一种类似于传统的交一直一交 7 结构的改进型交一交矩阵变换器拓扑结构和零电流开关换流技术【l6 1 ，通过仿真研 究，实现了整流侧零电流开关换流，有效解决了常规交一交矩阵变换器的换流难 题，并且降低了开关损耗。该交一交矩阵变换器的特点是： 1 ) 输入电流、输出电压为正弦，只在开关频率附近有少量谐波； 2 ) 单位功率因数； 3 ) 能四象限运行； 4 ) 中间的直流环节没有大电容，结构紧凑； 5 ) 电压传输比与传统的交一交矩阵变换器一样大； 6 ) 用传统的p w m 方法来控制变换器输出端； 7 ) 完全解决了传统交一交矩阵变换器换流难的问题； 8 ) 较传统的交一交矩阵变换器具有更高的效率，因为变换器输入端的开关 只在中间直流环节电流为零时才动作。 1 3 3 调制策略研究 从最开始v e n t u r i n i 提出的直接计算法调制m c 以来，人们已经发展出了多种 调制策略。 1 坐标变换法 1 9 8 1 年由意大利数学家m v e n t u r i n i 和电气学家a o a l e s i n a 提出了坐标变换 法【1 7 】用来对矩阵变换器进行调制。该方法是第一种具有现实意义的交一交矩阵变 换器调制法，适用于所有交交矩阵变换器的控制。该调制函数矩阵的各元素均 由两个交流分量和一个直流分量相加而成。其交流分量的角频率为蛾+ 够和 妃一劬，其中妃和鸱为输出电压和输入电压的角频率。将输出相电压直接看作 是输入相电压的采样合成。这种将输入角频率劬变换成输出角频率鸭的过程可 以看作为一种坐标变换。2 0 0 1 年z h a n gl 、w a t t h a n a s a r nc 、s h e p h e r dw 在 v e n t u r i n i 法的基础上，针对非平衡输入，提出了一种改进的坐标变换法【l8 1 。 2 谐波注入法 a a l e s i n a 和m v e n t u r i n i 于1 9 8 4 年对交一交矩阵变换器电压传输比进行深 入研究后，给出了输入频率劬和输出频率蛾不相关时，m x n 相的交一交矩阵变 换器电压传输比关系式【1 9 】。在上述有关传输比论证的基础上，针对坐标变换法传 输比较低的缺陷，提出了两种谐波注入法：一种是在输出相电压中注入幅值为输 入相电压幅值的o 2 5 倍、角频率为输入相电压角频率的3 倍的零序谐波分量， 将交一交矩阵变换器的电压传输比提高到0 7 5 ；另种是在前者的基础上，再 在输出相电压中注入幅值为输出相电压的1 6 倍、角频率为输出相电压角频率的 3 倍的零序谐波分量，进一步将交一交矩阵变换器的电压传输比提高到0 8 6 6 。 19 9 6 年w a t t h a n a s a mc 、z h a n gl 、l i a n gd t w ：在此基础上进行了进一步的研 8 究，并用d s p 加以实现1 2 0 j 。 3 空间矢量调制法 从1 9 8 9 年到1 9 9 5 年，h u b e r 和b o r o j e v i c 在系列论文【2 m 4 】中，提出了一种全 新概念的m c 调制策略。这一方法叫做空间矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o r p w m s v p w m ) 。该法基于“假想直流环节 的概念，模仿了传统的整流逆变 变换器，将矩阵变换器划分为虚拟电压源整流器( v s r ) 和虚拟电压源逆变器 ( v s i ) 两个环节，使用发展成熟的空间矢量脉宽调制方法进行控制。在h u b e r 等人的早期文章【2 l 】中，空间矢量调制技术仅被用来控制输出电压。在后期的论文 【2 1 】【2 3 1 中，通过检测输入电压的相位和输出参考电压的相位，在虚拟整流环节和 虚拟逆变环节同时使用空间矢量p w m 调制技术，不仅实现了输出电压幅值和频 率的控制，还实现了任意输出功率因数下的单位输入功率因数以及在不注入3 次 谐波情况下达到最大的电压传输比o 8 6 6 2 4 1 。此外，这一调制方法最大的优点就 是使用了成熟而便于理解的空间矢量调制方法，物理意义明确，并且计算强度小， 便于数字控制器的实现。同时h u b e r 等人还优化了一个p w m 周期内开关状态变 化的次序，减小了开关动作的次数，提高了输出电压和输入电流的质量。 从1 9 9 3 年至今，意大利c a s a d e i 领导的小组一直在矩阵变换器的理论研究和 创新上走在世界前列。在文献 2 5 】中，一种全新的矩阵变换器调制策略被提出。 这种方法同样基于空间矢量的调制策略，不过没有考虑假想的直流环节。因此， 为了与h u b e r 提出的调制策略相区别，将h u b e r 提出的方法称为“间接空间矢量 调制策略，而将c a s a d e i 提出的方法称为“直接空间矢量调制策略”。c a s a d e i 提出的策略同样可以实现输出电压幅值和频率的控制、正弦的输入输出电流和 单位功率因数。为了克服矩阵变换器输出电能质量易受电网扰动影响这一不足， 文献 2 6 【2 8 提出了能够对输入电压扰动进行补偿的矩阵变换器调制策略，即前 馈补偿策略。 虽然直接空间矢量算法和间接空间矢量算法建立的模型不同，但其基本的调 制算法都是建立在空间矢量原理之上，通过理论分析可以发现，直接法得到的计 算结果与间接法是一致的。因此利用直接空间矢量方法也可以使矩阵变换器的电 压利用率达到最大值( o 8 6 6 ) 。 4 输入电压瞬时值控制法 1 9 9 1 年日本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出了输入电压瞬时值控制法【2 9 1 。 其算法是将输入电压和输出电压按照以下原则划分成6 个扇区，输入相只有一相 出现极值，而另两相均保持单调变化：输出相划分原则是三相电压均保持单调变 化，一相为正，一相为负，一相在正负间变化。在每个输入输出扇区组合中，输 出线电压是输入线电压和零电压的采样合成，开关占空比与输入线电压的瞬时值 成正比，所得到的输出线电压局部平均值为正弦。其最主要特点是输入非平衡时 9 可以自动调节，不需增加计算量，输出线电压始终达到期望的正弦；电压传输率 较高，使用三个输入线电压进行控制时，电压传输比为0 7 5 ，使用两个输入线电 压进行控制时电压传输比达到0 8 6 6 ；输入电压对称时，输入侧为单位功率因数， 电能利用率较高。但其控制算法复杂，实现较困难。 5s p w m 调制法 1 9 8 9 年o y a m aj 、h i g u e h it 、y a m a d ae 等提出一种正弦波脉宽调制法【3 0 】， 其电压传输比可以达到o 8 6 6 ，并通过实验进行验证。该算法可以描述为：设三 相输出分别为a ，b ，c ，s 卜瓯和耳表示三组开关，其中任一组包含3 个开关。 将3 0 。3 3 0 。等分为三个区间，在每个区间中，有一组开关中的一个开关接通 三相输入电压中的最低相，另两组开关由两个期望的输出线电压与三角波的交点 来控制，该三角波的幅值等于输入线电压的幅值。 6 电流滞环控制法 电流控制法以变换器输出电流为控制目标。一般要求电流为对称正弦量，因 此变换器输出电流要能要能跟踪给定电流呈正弦变化。它有两种基本实现方法： 滞环电流控制法和预测电流控制法。 1 ) 滞环电流控制法 滞环电流控制法的基本思想是在一个等距的采样瞬间将给定参考电流f ，与 实际电流作比较，若 ，导通相应的开关，使电流增大或减小。这 样，实际电流围绕给定参考电流作