（电力电子与电力传动专业论文）三相三相双级矩阵变换器的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h r e e p h a s e - t h r e e - p h a s e t w o - s t a g em a t r i xc o n v e r t e r a b s t r a c t t w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e r ( t s m c ) ，d u et o ，i na d d i t i o nt oh a v ec o n t r o l l a b l e i n p u tp o w e r f a c t o rt ob eo n e ，s i n u s o i d a li n p u ta n do u t p u t ，w i d ea d ju s t m e n tr a n g eo f o u t p u tf r e q u e n c ya n df o u r - q u a d r a n to p e r a t i o na sm a t r i xc o n v e r t e r ( m e ) ，b u ta l s o h a v eas i m p l em o d u l a t i o ns t r a t e g y ，c o m m u t a t i o ns t r a t e g ya n dc l a m pc i r c u i t ，h a s b e c o m eag r e a tp o t e n t i a la c a cd i r e c tp o w e rc o n v e r t e r t h i sp a p e ru n d e r t a k e sa s t u d ya r o u n dt h et h r e e p h a s e t h r e e - p h a s et s m ct o p o l o g y ，a sw e l la sm o d u l a t i o n s t r a t e g i e s ，c o m m o n m o d ev o l t a g er e s t r a i n i n g ，s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n a n d3 k w p r o t o t y p ed e s i g no ft h r e e p h a s e t h r e e p h a s e18s w i t c h e st s m c b i - d i r e c t i o ns w i t c hi sap r e m i s ef o rt h ed e v e l o p m e n to fm ca n dt s m c t h e c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tb i d i r e c t i o ns w i t c hs t r u c t u r e si nt s m c sr e c t i f i e r l e v e la r e a n a l y s e d t h ee q u i v a l e n c eo ft h em ca n dt s m cc a nb ef i n db yt r a n s f e rm a t r i x d e r i v a t i o n ，i t h a sp r o v e dt h em ca n dt s m cs h a r i n gt h es a m ef r e q u e n c y p e r f o r m a n c e u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n s t r a i n t s ，t h es i m p l i f yp r o c e s sa m o n g t h eb a s i c t o p o l o g y ，18s w i t c h e s ，15s w i t c h e s ，1 2s w i t c h e sa n d9s w i t c h e so ft s m ca r eg i v e n ， a l s ot h eo t h e ri n v e r t e r l e v e ls t r u c t u r eo ft h et s m ca n dt h e i rr e s e a r c hp u r p o s e sa r e g i v e n t h ep r i n c i p l eo fd o u l b es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( d s v m ) w i t h18s w i t c h e s t s m ci sa n a l y s e d ，w h i c hc o n t a i nt h er o n e z e r ov e c t o ra n dz e r ov e c t o ri nt h e r e c t i f i e r l e v e l t h ep u r p o s eo ft h et w o - s t a g ec o o r d i n a t i o nm o d u l a t i o na n dt w o - s t a g e c o m m u t a t i o ns t r a t e g yw i t hr e c t i f i e r l e v e la n di n v e r t e r l e v e la r et oa c h i e v et h e o u t p u tv o l t a g ec o n s t a n ta n ds a f ec o m m u t a t i o n t h et w o - s t a g ec o m m u t a t i o nc o n t a i n t h ez e r o c u r r e n tc o m m u t a t i o no fr e c t i f i e r 1 e v e ia n dd e a dc o m m u t a t i o no fi n v e r t e r l e v e l t h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i o nw a v e f o r m sa r eg i v e n f o rt h ee x i s t e n c eo fc o m m o n m o d ev o l t a g ei nt s m c ，c o m b i n i n gw i t ht h e d i s t r i b u t i o no ft s m cc o m m o n m o d ev o l t a g e ，a ni m p r o v e dd s v mi sp r o p o s e d ， w h i c hh a se n s u r et h ez e r o c u r r e n te o m m t a t i o no fr e c t i f i e r l e v e l ，a n da c h i e v et h e p u r p o s eo fc o m m o n m o d ev o l t a g es u p p r e s s i o n t h es i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nw i t h m a t l a b s i m u l i n ki sg i v e n o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s e ，a3 k w18s w i t c h e st s m cp r o t o t y p e w h i c hb a s eo nn o n e z e r ov e c t o ro fr e c t i f i e r - l e v e li sd e v e l o p e d d e t a i l so ft h em a i n c i r c u i ts w i t c h e sd e v i c e ，s n u b b e rc i r c u i t ，i n p u tf i l t e ra n dc l a m pc i r c u i t sp a r a m e t e r d e s i g na r ei n t r o d u c e d t h ec o m b i n a t i o no fd s pa n dc p l dc o n t r o ls y s t e md e s i g ni s g i v e n ，i nw h i c h ，t h ed s pr e a l i z et h ea l g o r i t h mo fd s v m ，a n dt h ec p l da c h i e v e t h e s i g n a ld e c o d i n g , t w o s t a g ec o m m u t a t i o na n dt h ep w md r i v es i g n a lo u t p u t 。t h e s i m u l a t i o nw a v e f o r m sw h i c hb a s eo nq u a r t u si ia r eo b t a i n e d t h ec a u s e e f - f e c ta n d s o l u t i o no fl i t t l e d u t yw i t h i ns o f t w a r e d e s i g n a r ea n a l y s e d t h ed e v i c e 1 e v e l ， s y s t e m - l e v e l ，c o m m o n m o d ev o l t a g ew i t ht h eu n i m p r o v e da n di m p r o v ed s v m e x p e r i m e n tw a v e f o r r n sa r eo b t a i nf r o mt h ep r o t o t y p e t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h e ya r ev e r i f yt h e18s w i t c h e st s m c h a sa ne x c e l l e n tf r e q u e n c yp e r f o r m a n c e ，a n dt h ea d o p t i o no fi m p r o v e dd s v m r e a c h e st h ep u r p o s eo fc o m m o n m o d e v o l t a g es u p p r e s s i o n k e y w o r d s ：t w o 。s t a g em a t r i xc o n v e r t e r ；d o u l b es p a c ev e c t o rr n o d u l a t i o n ( d s v m ) ； t w o 。s t a g ec o m m u t a t i o n ；c o m m o n - m o d ev o l t a g e ；d s pa n dc p l d ： p r o t o t y p ed e s i g n 插图清单 图1 1 三相三相a c d c a c 变换器1 图1 2 三相三相相控a c a c 变频器2 图1 3 三相三相矩阵变换器拓扑2 图l _ 4 三相三相双级矩阵变换器拓扑3 图1 5 双级矩阵变换器的分类3 图2 1 双向开关结构8 图2 2 共发射极双向开关模块9 图2 3 三相三相基于共发射极双向开关的m c 原理图一9 图2 4 三相三相基于共发射极双向开关的t s m c 原理图1 0 图2 5l8 开关t s m c 原理图l l 图2 - 61 8 开关t s m c 整流级桥臂简化示意图1 2 图2 7l5 开关s m c 原理图1 2 图2 81 2 开关u s m c 原理图1 3 图2 - 99 开关u s m c 原理图1 3 图2 1 0 混合式t s m c 原理图1 4 图2 1 1 三电平t s m c 原理图1 5 图2 1 2 四桥臂t s m c 原理图1 5 图2 1 3z 源t s m c 原理图”1 6 图3 1 三相三相1 8 开关t s m c 主电路结构图：1 7 图3 2 输入相电压扇区划分1 8 图3 3 输入相电流空间矢量合成2 0 图3 - 4 输出线电压空间矢量合成2 2 图3 5t s m c 整流级无零矢量双级协调矢量分布图2 4 图3 6t s m c 整流级有零矢量双级协调矢量分布图2 4 图3 7t s m c 的双级换流策略2 5 图3 8 仿真模型框图2 6 图3 - 9t s m c 的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型2 7 图3 1 0t s m c 整流级和逆变级的仿真模型2 7 图3 1 1t s m c 的输入功率因数调节仿真波形2 8 图3 1 2t s m c 。a 相输入电流滤波前后的仿真波形2 9 图3 1 3t s m c a 相输出电压滤波前后仿真波形2 9 图3 1 4 ( a ) 输入a 相电流滤波前的频谱，( b ) 输出a 相电压滤波前的频谱3 0 图3 1 5t s m c 不同逆变级调制系数时的三相输出电压3 0 图3 1 6t s m c 不同输出频率时的三相输出电流3 1 图3 1 7 无零矢量s v m 时的直流侧电压滤波前后仿真波形3 2 图3 18 有零矢量s v m 时的直流侧电压滤波前后仿真波形3 2 图3 1 9 直流侧电流仿真波形3 3 图3 2 0 整流级开关管零电流换流仿真波形3 3 图4 1t s m c 共模电压和共模电流流通图3 5 图4 - 2 基于共模电压消除器的m c 结构图3 8 图4 3 改进d s v m 的双级协调调制矢量分布图3 9 图4 4 共模电压特性仿真波形4 0 图4 5 改进d s v m 前的共模电压仿真波形4 l 图4 - 6 改进d s v m 后的共模电压仿真波形4 1 图4 7 改进d s v m 前的共模电压频谱波形4 2 图4 8 改进d s v m 后的共模电压频谱波形4 2 图5 1 三相三相1 8 开关t s m c 样机系统结构图4 3 图5 2i g b t 驱动电路”4 4 图5 34 种典型的i g b t 缓冲电路4 5 图5 4 双向开关的缓冲电路4 6 图5 5t s m c 单相等效电路4 7 图5 - 6 不同阻尼系数时的输入滤波器b o d e 图4 8 图5 7 主程序流程图5 l 图5 8t l 下溢中断流程图5 l 图5 9t 2 周期中断流程图”5 2 图5 1 0 功率驱动保护中断流程图5 3 图5 1 1 占空比译码示意图5 4 图5 1 2 信号延迟器“5 4 图5 1 3t s m c 的p w m 发生q u m u si i 仿真波形5 5 图5 1 4 定时器t 1 和t 3 不同步引起小占空比示意图5 6 图5 1 5t 1 和t 3 不同步引起逆变级小占空比实测波形5 6 图5 1 6 小占空比引起错误状态的q u a r t u si i 仿真波形5 6 图5 1 7 消除小占空比影响后的q u a r t u si i 仿真波形“5 7 图5 1 8 电压捕获和采样信息调理p c b 电路5 8 图5 1 9 过电流检测和电流采样信息调理p c b 电路5 8 图5 2 0p w m 信号滤波前后实验波形“5 9 图5 - 2 l 整流级双向开关换流和逆变级上桥臂开关p w m 信号”6 0 图5 2 2 整流级双向开关零电流换流实验波形6 0 图5 - 2 3 输入b 相电压和电流实验波形”6 l 图5 2 4 输出c 相电压滤波前后实验波形6 2 图5 2 5 不同输出频率时的输出c 相和输入b 相电流实验波形6 3 图5 2 6 直流侧电压滤波前后实验波形6 3 图5 2 7 输出b 相和直流侧电流实验波形6 4 图5 2 8t s m c 的共模电压实验波形6 4 图5 2 9 改进d s v m 前t s m c 的共模电压实验波形6 5 图5 3 0 改进d s v m 后t s m c 的共模电压实验波形“6 5 表格清单 表2 1t s m c 整流级双向开关对比分析8 表3 1 整流级无零矢量开关状态表1 9 表3 2 整流级有零矢量s v m 时的电流空间矢量2 0 表3 3 整流级有零矢量s v m 时的电压矢量组合2 l 表3 4 逆变级电压空间矢量状态2 2 表3 5 仿真参数2 5 表3 - 6 无零矢量s v m 输入扇区判断2 6 表3 7 有零矢量s v m 输入扇区判断2 6 表4 11 个瓦内t s m c 的共模电压分布规律3 9 表5 1 换流策略码5 4 表5 - 2 实验参数。5 9 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一f ：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 佥日巴：! 二些厶堂 或其他教育机构的学位或证扣而使川过的 材料。与我一同- t 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：蕴t 菇签字日期：矽扣年乎月2 乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁工些态堂有关保留、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竹雨l 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盟 ! ：些厶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，可以采刖影印、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j 5 ) 学位论文作者签名： 盔铖 签字日期：。矽f 绰乎月嗣 ! 学位论文作者毕业后玄向： i ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：印f d 年辟月眵目 电话： 邮编： 致谢 岁月如梭，转眼间将近三年的研究生求学生涯即将结束，值此论文完稿之 际，我谨向所有关心、帮助和支持我的人们表示最诚挚的谢意与最美好的祝愿。 本论文是在导师张兴教授的悉心指导下完成的，在读研期间，自始至终得 到了张老师无微不至的关怀和支持，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精 益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对 我影响深远。导师不仅传授我怎样做科研，而且教我为人处事的道理，使我受 益匪浅。本论文从选题、开题、初稿到完稿，每一步都是在导师的指导下完成 的，倾注了导师大量的心血，在此谨向张老师表示深深的谢意和崇高的敬意! 感谢杨淑英、谢震和王付胜等老师在我课题研究过程中给予的指导和帮助， 感谢刘淳、陈红兵、刘胜永、刘芳和朱云国等博士对我学习和生活的支持。祝 愿他们在今后的科研工作中取得更好的成绩! 感谢实验室一起学习生活的同窗挚友：黎芹、李少林、谭理华、陈欢、戚 振彪、蒲道杰、江涛、廖军、朱波、曾凡超和赵芬等，我们一起度过了紧张而 又充实的读研时光，我们共同进步、共同成长和彼此支持，在此祝愿他们在今 后的工作和生活中一帆风顺! 感谢我的室友陈忠和钟安明，我们相互勉励、相 互支持，你们的陪伴让我倍感欣慰，愿我们的友谊长存! 感谢张龙云师兄在我 课题研究中的指导，以及陈武、董文杰等师弟和师妹们对我的关心和帮助，祝 愿他们在今后的工作和学习中更上一层楼! 特别感谢默默支持我的父母，你们伟大和无私的爱一直是我勇往前行的不 揭动力，你们的谆谆教诲让我受益终生，感谢哥哥和妹妹对我一如既往的鼓励 和关怀，祝愿我的家人身体健康、万事如意! 最后，谨以此文献给所有关心、帮助和支持过我的老师、同学、亲人和朋 友! 作者：童诚 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 矩阵变换器的研究背景 随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件的 出现，电力变换器正朝着a c - d c 、d c - d c 、d c a c 、a c a c 等多元化方向发展，它 们已广泛应用于电机驱动、变频调速、不间断电源以及能量回馈控制等方面，在电力、 机械、石油、化工、冶金、交通运输等领域发挥着重要作用，产生了明显的经济效益。 根据国家有关部门的调查统计，我国发电量的6 0 7 0 用于拖动电动机，其中 9 0 的电动机是交流电动机，大部分为直接拖动，由于直接恒速拖动，造成大量的电 能浪费，再考虑到其它如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的损耗，全国每 年浪费的用电总量十分惊人【，可见发展电气节能的重要性。此外，变速恒频发电方 式可使风力机在一定的可变速度范围内运行，具有风能转换效率高、能吸收阵风能量、 可实现发电机和电力系统的柔性连接、“零冲击 并网、运行噪声小等优点，已成为 国际现代风力发电的主要发展方向之一【2 】。实现变速恒频发电的优化方案是交流励磁 技术，而实现交流励磁的关键在于开发出输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双 向流动的交流电力变换器。交流电力变换器是采用电力电子元器件按照一定拓扑构成 的a c a c 电力变换装置，它是交流变频调速系统的核心，而交流变频调速已成为电气 传动中实现自动化和电气节能的主要技术手段 3 1 ，因此，大力发展交流电力变换器可 实现电气节能和高效利用风能等清洁能源。 交流电力变换器按照有无直流环节分为两类： ( 1 ) a c d c a c 变换器，按直流侧储能元件类型不同可分为电压型和电流型； ( 2 ) a c a c 变换器，包括相控a c a c 变频器和斩控a c - a c 变换器。 储 丰 能 叫 一 兀 件 储 叫 0 时每条通路相对于1 8 开关t s m c 多了一个二极管的导通损耗，所以其整体功率损耗要大于1 8 开关t s m c 。 ppp p 叶“口叶屹 纷刀 图2 - 61 8 开关t s m c 整流级桥臂简化示意图 s 啊+ s 蝴 刀 图2 - 71 5 开关s m c 原理图 1 2 u a u c 2 2 31 8 开关t s m c 到1 2 开关u s m c 的简化 在1 8 开关t s m c 的拓扑上若限定屯 o ，则1 8 开关t s m c 的整流级上桥臂、 和以及下桥臂、和共6 个i g b t 均可去除，以及剩下的单向i g b t 的反并联二极管也可去除，从而得到如图2 8 所示的1 2 开关u s m c 拓扑，因为增加 了屯 0 ，所以该拓扑的能量只能单向传输，其应用范围受到一定的限制。 r 图2 - 81 2 开关u s m c 原理图 2 2 41 5 开关s m c 到9 开关u s m c 的简化 “口 虬 u b u c 刀 图2 - 99 开关u s m c 原理图 在1 5 开关s m c 的拓扑上若也限定么 o ，则1 5 开关s m c 的整流级上桥臂、 和以及下桥臂昆、瓯和均可去除，仅剩下它们的反并联二极管，从而得到 如图2 - 9 所示的9 开关u s m c 拓扑，因为同样增加了屯 0 ，所以9 开关u s m c 的能 量也只能单向传输，应用范围受到一定的限制。相对于1 2 开关u s m c ，9 开关u s m c 的每条通路多了一个二极管的导通损耗，所以其整体功率损耗要大于1 2 开关u s m c 。 2 3 其它类型的双级矩阵变换器 1 2 节的图l ，5 依据不同的逆变级给出了t s m c 的分类，2 2 节主要分析了以传统 逆变器为逆变级的t s m c 拓扑，下文将简要阐述混合式t s m c 、三电平t s m c 和z 源t s m c 的拓扑结构及其研究目的。 2 3 1 混合式t s m c t s m c 虽然具有很多优良的变频性能，但其作为直接功率变换器，和m c 一样存 在2 个缺点： ( 1 ) 最大电压利用率只有0 8 6 6 ； ( 2 ) t s m c 直流侧不具有储能元件，负载侧的干扰直接反映到输入侧，将直接影响输 入侧的电能质量。同时，t s m c 对电网的非正常工况即输入电压的不平衡、波形 畸变、电压跌落以及瞬时断电都非常敏感。 电压利用率偏低是t s m c 进入工业应用的一个瓶颈，因而引起了国内外的普遍关 注，进而有人开始研究混合式t s m c ，混合式t s m c 是在普通t s m c 的直流侧串入h 桥变换器或者其它辅助变换器，串入h 桥变换器的混合式t s m c 的拓扑如图2 1 0 所 示，其拓扑是在1 8 开关t s m c 的直流侧串入了一个h 桥变换器。虽然直流侧引入了 带电容的h 桥变换器，但是该电容很小，不会增加系统的体积。文献4 4 和4 5 对不同 的混合式t s m c 的调制策略进行了研究，可以分别将t s m c 的电压传输比最大提高 到0 9 5 5 t 4 4 1 和11 4 5 1 ，并在不平衡输入电压下实现对称输出且保证最大的电压传输比。 虬 虬 乙屯岛盥 u m 鹊s p ￥s b p 叫l 咒矗 刀 叫 s c p o s 眈 叫 s c n u c 图2 1 0 混合式t s m c 原理图 2 3 2 三电平t s m c 目前已获得应用的三电平双p w m a c d c - a c 变频器虽然具有类似“绿色变频器 的性能，但由于其直流侧使用了大体积的储能元件使得功率电路和装置都比较笨重， 1 4 因而2 0 0 6 年c k l u r n p n e r 等人开始对三电平t s m c 的拓扑结构以及调制策略进行了研 究 4 2 , 4 3 1 ，三电平t s m c 原理图如图2 1 1 所示，与普通两电平t s m c 拓扑的不同之处 在于三电平t s m c 的逆变级采用了三电平逆变器的拓扑，文献4 2 中指出三电平t s m c 相对于普通两电平t s m c 在一些应用中如不间断电源( u p s ) 可以显著减小输出滤波器 的体积。 2 3 3 四桥臂t s m c 心 图2 1 1 三电平t s m c 原理图 p 镪 叫k 卒 b 痨b l 1 锼； q 叫啦 b s 巧b m l _ _ l i _ s 册 “朋 。一 s a p 叫 邑月 叫 s b p 叫 一 s 怕 叫 s b r l 叫 s c n o s n n u c “一 “b z c 图2 1 2 四桥臂t s m c 原理图 对于需要提供零序通道的三相四线制特殊负载应用场合，四桥臂逆变器得到了广 泛应用。四桥臂t s m c 是将普通t s m c 的逆变级置换成四桥臂逆变器而得到的，拓 扑结构如图2 1 2 所示，相对于直接式四桥臂m c 其开关数目明显减少。由于四桥臂 t s m c 的逆变级增加了一个桥臂，从而提高了三相四线制的输出带载能力，并且可以 抑制由负载不平衡引起的输出电压不平衡，因而扩展了t s m c 的应用范围。文献4 6 首次提出了四桥臂t s m c 的拓扑结构，并对其调制策略以及共模电压抑制进行了深入 研究。 2 3 4 z 源t s m c 1 1 6 心 u a u b u c 图2 - 1 3z 源t s m c 原理图 和混合式t s m c 的研究目的相同，为了提高t s m c 的电压利用率，文献7 5 提出 了基于z 源逆变器为逆变级的z 源t s m c ，拓扑结构如图2 1 3 所示，文中对z 源t s m c 的调制策略进行了仿真研究，可将t s m c 的电压利用率提高到l ，并且输出波形的t h d 也很低。目前，对此拓扑的研究还较少。 2 4 本章小结 本章对目前常用的双向开关结构进行了简要概述，并给出t s m c 的整流级 中双向开关的对比分析，接着推导了m c 和t s m c 之间的等效性。针对t s m c 的不同简化拓扑结构，本章给出了它们之间在不同约束条件下的简化过程。最 后给出了基于不同逆变级结构的其它类型t s m c 的原理图及其研究目的。 1 6 第三章双级矩阵变换器的调制策略研究 本章将对三相三相1 8 开关t s m c 的调制策略进行分析和仿真研究，首先给出本 文所研究的三相三相1 8 开关t s m c 主电路结构图，如图3 1 所示，其由三相对称输 入电源、输入l c 滤波器、1 8 开关t s m c 、嵌位电路、三相对称输出星型负载构成， 其中t s m c 由整流级和逆变级构成，从图3 1 可以看出t s m c 相对于直接式m c 由两 个二极管不控整流桥构成的嵌位电路而言具有更简单的嵌位电路，t s m c 的嵌位电路 仅由快恢复二极管口和嵌位电容c 串联后并接在t s m c 的直流侧。目前普遍应用于 t s m c 的调制策略是空间矢量调制，所以本文主要对t s m c 的d s v m 进行探讨。 这里作一点说明，从第三章开始若没有特殊强调，t s m c 均指1 8 开关t s m c 。 图3 1 三相三相1 8 开关t s m c 主电路结构图 3 1 整流级空间矢量调制策略 t s m c 的整流级s v m 按照合成矢量有无零矢量可以分为无零矢量s v m t 2 1 1 和有零 矢量s v m t 4 7 , 7 9 1 ，其中无零矢量s v m 是目前普遍使用的调制方法，该调制方法的本质 是一种实时修正逆变级调制比的s v m 方法，由于整流级没有零矢量，逆变级调制系 数为一时变量，所以逆变级的调制系数需要在每个开关周期中进行实时修正；而有零 矢量s v m 使用m c 的间接s v m 策略，该调制策略在整流级和逆变级均采用标准的 s v m 策略，所以整流级存在零矢量，因而在理想输入情况下各p w m 周期内直流侧平 均电压为一恒值，从而不需要实时修正逆变级的调制系数，简化了逆变级的调制，在 需要对逆变级进行闭环控制的场合，这种简化具有重要的意义【7 9 i 。以下对整流级无零 矢量和有零矢量s v m 分别进行分析。 3 1 1 无零矢量空间矢量调制 设三相对称输入相电压的表达式为： 小姐隧 p ， 式中：为输入相电压幅值，q 为输入角频率，包、岛和只分别为输入a 、b 和c 1 7 、i，、， 3 1 j 石 万 2 2) 一+ 仍 厮 研 ，、，ji、，_， s s s 0 0 o c c c 相的实时相角二 t s m c 整流级调制的目的之一是提供最大的正直流侧电压即z | 朋 0 供逆变级调 制并输出最大的交流电压，另一个目的是实现输入单位功率因数控制。由式( 3 1 ) 将输 入相电压矢量扇区划分如图3 2 所示，扇区划分原则： 一相电压绝对值最大，另两相电压极性与其相反。 甜。 l ， 厂 就口蚝 “c x - 厂。、 、八、 7 z r7 霄 死 5 厅7 a - 3 川万入仍三 26l ， l 6 2犯 5 _ 6 123；4 6； 图3 - 2 獭人j f h 电比厨区划分 下面以电压在第3 扇区为例展开分析： 第3 扇区内极性为正且绝对值最大， 。和极件为负，为了达到整流级调制目 的即提供最大的正直流侧电压，在1 个p w m 周期五内开关( 和) - - - 直导通， 开关( 和) 、( 和) 轮流导通，可得单位输入功率因数时整流级占空 比儡和以分别为： 碣一詈一去一篑 p 2 ， bc o s 正：一蔓：一竺生：一c o s o o( 3 3 ) 2 c o s 9 6 。 4 峥一篑c o s 一盟c o s o 。一警c o s = 1 ( 3 q 1 幺幺 。 当开关和屯导通时= ，当开关和屯导通时“刀- - u b a ，所以直流侧电 压材用在一个p w m 周期内由和“k 两个矢量合成，有材刀的局部平均值石： 石= 盔+ 破= 南耐”0 s 2 幺2 咖三南 ( 3 - 5 ) 同理，有其它开关状态时占空比和如表3 - 1 所示： 表3 1 整流级无零矢量开关状态表 扇区 仍 导通开关甜p 甜刀占空比“刀 4 s 印，s h n c o s 目b aa c o s 吃 3 l _ 一 2i c o s 9 0 i 66 c o s s c 畋s 叩，s 。 c o s 包 匾 s 单，s m z k c o s 眈 c o s 吃 冗死3 2 o 2i c o s t t 。l 62 c o s 幺 吃s b p ，s m c o s 包 西s b p ，s m c o s 包 石 5 7 r c o s s 6 3 u i m 3 _ _ - 2i c o s t 7 b l 26 ， c o s 包 畋 s 晒，s 。 c o s 幺 盔 s 陋，s m 蚝材蚰 c o s o b 5 死耳 c o s o o 3 。 4 2l c o s o 。i 6 6 c o s 幺 吐s c p ，s m z k c o s 眈 4s c p s 赫”口z 乞 c o s 包 7 万3 万 c o s o c 3 u 。 5 2i c o s o 。i 62 c o s 皖 如s c p ，s b ，1 c o s 包 反s q ，s b 1 c o s 晓 3 刀 11 万 c o s 目b 3 6 - _ _ 一 蚝 2i c o s 0 6 l 26 c o s o o 畋 s 叩，s b ，i屹 c o s o b 综上有： u t r n = 西+ 吐屹2 主。丽j i m ( 3 - 6 ) 式中：c o s ( 吃) - m a x ( i c o s ( 见) i ， c o s ( 皖) i ，i c o s ( o o ) 1 ) ，和”：分别为不同占空比时对应的 直流侧电压。 由式( 3 - 6 ) 矢1 1 u l p ，的局部平均值甜朋为随c o s ( 氏) 而变的波动量，这是因为“胛由不同 的线电压合成的，”肋的波动范围为( o 8 6 6 - - 1 ) 3 ，即为输入线电压幅值的0 8 6 6 , - , 1 。 3 1 2 有零矢量空间矢量调制 整流级有零矢量s v m 利用的是m c 的间接空间矢量调制原理，即整流级采用 s v m 对输入相电流进行调制，首先给出满足t s m c 的两个基本安全原则以及2 1 2 节 中式( 2 - 2 ) 1 拘i 整流级有效电流矢量，如表3 - 2 所示，表中e 、最和分别代表与输入a 、 b 和c 相连接的桥臂，“l 代表仅有上桥臂的双向开关导通，“0 代表仅有下桥臂的 双向开关导通，“z 代表桥臂直通，“x 代表桥臂关断。利用表3 2 所示的电流空间 矢量进行矢量合成如图3 3 所示。 表3 - 2 整流级有零矢量s v m 时的电流空间矢量 电流空 开关状态 间矢量 & 瓯s c ( a c ) lx0 1 2 ( b ，c ) xl 0 厶( b ，a ) o1x 厶( c ，a ) oxl 厶( c ，b ) xol 厶瓴” lox 厶( a ，a ) zxx 厶( b ，b ) xzx 厶( c ，c ) xxz r 慈 熄( 6 ，c ) 0 ，、 厶( 6 ，鞘篓弘 i o 旬9 n ， ， ( c ，c 汰 口 1 , 6 lr 图3 3 输入相电流空间矢量合成 d 博i 。i 。 图中：为输入相电压和输入相电流之间的相位差，改变仍即可控制输入功率因数， 输入单位功率因数时有= o ，包表示输入相电流空间矢量所在扇区的扇区角。 空间矢量合成的原理是在任意时刻输入电流矢量乞可由两个相邻的非零矢量矢 量l 和l ( 厶) 和一个零矢量( 易一厶) 合成得到，如式( 3 7 ) 所示，各个矢量的占空 比计算如式( 3 - 8 ) 。表3 - 3 给出了每个扇区用于合成相电流的矢量组合，以及对应的合 成直流侧电压酌电压矢量组合。 = 吃l + 矾l + 磊。7 ，8 9 ) ( 3 7 ) 吃= 专= 砉爿砌弘，= m ，s i n ( 3 吲 或= 昙= 云爿商n 2 = m ，s i n 谚 b 8 ， 如- l - 吃一或 式中：五为开关周期，乙、瓦、r o ，分别为对