（电力电子与电力传动专业论文）三相单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热的研究.pdf

a b s t r a c t 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 d 勰an e ws t y l eo f g r e e n e o n v 朗 t e r a n dn o wi ti s b e c o m i n go n eo ft h e h o tr e s e a r c hi n t e r e s ti np o w e r e l e c t r o n i c s b e c a u s eo fi t sf l e x i b l e a n da m p l ec o n t r o ls t r a t e g i e s m a t r i xc o n v e r t e rc a nb es e e na sam o d u l a t o rf o ri n p u t a n do u tw a v e f o r m s s oi th a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c si ni n p u ta n do u t p u t i nt h i s d i s s e r t a t i o n 3 1m a t r i xc o n v e r t e ru s e di ns e r i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gw a s b r o u g h tf o r w a r d t h em a i np r o b l e m si na p p l i c a t i o nw e r ed e e p l yi n v e s t i g a t e da n d s o m eo fa p p l i c a t i o nd e t a i l sw e r ea l s od i s c u s s e d f i r s t l y c o n t r o ls t r a t e g yi st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nr e s e a r c h i n g3 lm a t r i x c o n v c a e rf o rd r i v i n gs e r i e sr e s o n a n tl o a d b a s e do nt h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g y t h i s d i s s e r t a t i o n r a i s e dt w oa m e l i o r a t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hw e r ef i tf o rd i f f e r e n t f r e q u e n c y c o m b i n e dw i t i lm a t l a bs i m u l a t i o n t h e s et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r e p r o v e dt oh a v eag r e a te f f e c tf o ri m p r o v i n gt h ei n p u tc u r r e n tw a v e f o r ma n dr e d u c i n g t h eh a r m o n i c t h e na l li n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hh a st h em a x i m a la m p l i t u d e c u r r e n tp h a s em o d u l a t e dw a sb r o u g h tf o r w a r d a n di t sf u n c t i o ni ni m p r o v i n gt h ei n p u t c u r r e n tw a v e f o r mw a sp r o v e db e r e r s e c o n d l y t h ec u r r e n tc o m m u t a t i o no fb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e si sa l s oak e y t e c h n o l o g yi na p p t i c a t i o no fm a t r i xc o n v e r t e ln i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h r e e w i d e l yu s e dm e t h o d so fc u r r e n tc o m m u t a t i o na n df o u n dt h ef o u r s t e pv o l t a g ec u r r e n t c o m m u t a t i o n m o s t l yc o m f o r t a b l ef o rt h i s t h e s i s b ya n a l y z i n gt h em e d ta n d d i s a d v a n t a g e so ft h e s et h r e em e t h o d s t h e na n a l y z i n gt h ew h o l ep r o c e s so fc u r r e n t c o m m u t a t i o nd u r i n gar e s o n a n tp e r i o d a n ds u m m a r i z i n ga l lt h ec u r r e n tc o m m u t a t i o n s t a t si nt h e1 2i n s t r u c t i o n a lc u r r e n tz o n e s 1 1 1 ed a n g e rw a sa n a l y z e dw h e nv o l t a g e m e a s u r e m e n tm e e t st h ed e a dt i m e a n ds o m eu s e f u ls o l u t i o n sw e r ea l s op r e s e n t e d t h i r d l y t h ee x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nd s p 2 8 1 2a n di n d e p e n d e n tc u r r e n t c o m m u t a t i o nl o g i cc i r c u i tw a si n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s e so fa m e l i o r a t i v e c o n t r o ls t r a t e g i e si nl o wf r e q u e n c yw e r es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e db yu s i n gt h i ss y s t e m a tl a s t as i m p l es u m m a r i z a t i o na b o u tt h e r e s e a r c h e so f t h i st h e s i sw a sm a d e a l l i i o ft h e s er e s e a r c h e sw o u l dg i v es o m eu s e f u la d v i c ef o rt h ep e o p l ec a r r y i n g 0 1 1t h e r e s e a r c h t h i sm i g h tb et h es i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i s k e yw o r d s 3 m a t l i xc o n v e r t e r s e r i e sr e s o n a n tl o a d b i d i r e c t i o n a ls w i t c h e s c o n t r o l s t r a t e g y c u r r e n tc o m m u t a t i o nm e t h o d 1 1 i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 感应加热电源技术的发展与现状 1 1 1 感应加热电源技术的发展过程 法拉第1 8 3 1 年发现的电磁感应现象 就是感应加热技术的基础 在近一百 年的时 白j 里 电磁感应原理被广泛应用于电动机 发电机 变压器和射频通讯装 置中 而在这些设备中电路和磁路的热效应均被看作是有害的副效应 直到1 9 世纪末 f o u c a u l t h e a v i s i d e 以及t h o m s o n 等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯 传输的原理进行了系统地研究后 才逐步建立了感应加热的理论基础 同时人们 也开始意识到电磁感应中涡流效应的应用价值 随着人们对感应加热现象认识的不断加深 2 0 世纪初法国 意大利和瑞典 等国开始研究使用感应加热技术 1 9 1 6 年 美国的j r w y a t t 发明了 潜沟式 有心感应炉 即现在广泛使用的有心炉的原形 1 9 2 1 年 美国人e e n o r t h r u p 又发明了无心感应炉 并尝试将已经问世的中频发电机组用于向感应加热负载 供电 随着感应加热技术理论的逐步系统化 实践应用也有很大的进展 此时正 在广播通讯领域迅速推广的电子三极管也被引进到感应加热技术中 二次世界大 战之后 由于能源紧张 以感应炉取代低效率的燃料炉取得了明显的节能效果 随着工业化进程的加快 人们的环保意识的不断提高 因此世界各国都在大力发 展感应加热技术以取代污染严重 劳动条件差 自动化程度低的燃料炉 这一系 列因素促进了感应加热技术的迅速发展 感应加热设备的应用数量的不断增长 应用范围的不断扩大 5 0 年代米出现的晶闸管引起了感应加热技术以至整个电力电子学的一场革 命 晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义 它标志着以固态半导体器 件为核心的的现代电力电子学的开始 因此晶闸管出现后 欧洲各国先后开始研 制晶闸管中频装置 1 9 6 6 年瑞士 西德都研制成功晶闸管中频装置 到7 0 年 代后期 晶闸管中频装置已逐渐取代了中频发电机组 成为中频感应加热领域的 主导产品 到了8 0 年代 随着一系列新型自关断器件如m o s f e t i g b t s i t m c t 第一章绪论 等的出现 促使电力电子技术向更高频率的应用领域发展 在超音频范围内 2 0 l o o k i i z 开发数百千瓦的感应加热电源己不困难 在高频范围内 1 0 0 k h z 1 3 本采用s i t 的系列化高频感应加热电源8 0 年代末已经达到 4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的水平 而采用m o s f e t 的感应加热电源的容量也可达到 1 2 0 k w 3 0 0 k h z 的水平 1 1 2 感应加热电源技术的现状分析 感应加热技术从诞生至今 经过了近百年的发展 取得了令人注目的成果 目前 中频感应加热电源技术已比较成熟 所有的中频感应加热电源一般由以下 几个环节组成1 2 a 整流环节 a c d c b 逆变环节 d c a c c 负载及谐振槽路环节 d 控制及保护环节 图1 1 感应加热原理图 根据所接负载形式不同 感应加热点源又可以分为电压型串联谐振逆变器和 电流型并联谐振逆变器 下面就由自关断器件组成的这两种基本电路进行简单分 析 2 第一章绪论 m 一智j 节 了s l z z u du d 广 t 一舟j 再一 一行 i 2lzl l a8cd b u t j 船挑 图1 2 电压型逆变器 图1 2 是串联式中频感应加热电源主电路原理图 图中a 为三相桥式不控整 流电路 它将工频交流电整流成脉动的直流电 该电压不可调节 图中b 为 直流中间电路 它由一个滤波电感和滤波储能电容组成 它把5 0 h z 工频网络和 中频网络隔开 由于电容很大 它两端基本上是平滑的直流电压u 一 图中c 为 单相桥式串联逆变电路 它将直流电压u d 逆变为中频方波电压 并把它加到 负载电路d 负载电路d 是由感应器和电容器组成的串联谐振电路 对工件进 行感应加热 逆变电路输出的中频电流的频率为厂 受负载振荡电路控制 工作 在略低于串联振荡电路的谐振频率 中频电压 中含有明显的基波和谐波 接 近谐振频率的基波电压 0 n n 串联振荡电路时 振荡电路呈低阻抗 比基波频率高 几倍的谐波电压加到串联振荡电路时 振荡电路呈现很高的阻抗 所以方波电压 加到串联振荡电路时 感应器负载f g 流i o 实际上接近正弦波 图1 3 是并联式中频电源主电路原理图 图中a 为晶闸管组成的三相桥式半 控整流电路 它将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电 可以调节直流电压 u d 来调节负载电流 图中b 为直流中间电路 它是由一个储能电感组成 它把 5 0 h z 工频网络和中频网络隔开 并把直流电流 滤成平滑的波形 图中c 为由 四只m o s f e t 和二级管串联组成的单相桥式逆变电路 它将直流电流屯逆变为 3 第一章绪论 交流方波中频电流 并将它送入负载电路d 负载电路d 由感应器和电容器 组成的并联振荡电路对工件进行感应加热 逆变电路输出的中频电流的频率为厂 受负载振荡电路控制 工作在略高于并联振荡电路的振荡频率 中频电流i 中含 有明显的基波和谐波 接近谐振频率的基波电流通入并联振荡电路时 振荡电路 呈现很大的阻抗 比基波频率高几倍的谐波电流通入并联振荡电路时 振荡电路 呈现很小的阻抗 所以方波中频电流i 通入并联振荡电路负载时感应器负载电压 虬实际上接近正弦波r 刀 刁 一2 一j卜 j 亨j 言 了 j d f 口t m 才 1 j p l 一 a日c d k 船挑f 妙 十一础 赫 图1 3 电流型逆变器 以上两图是目前中频感应加热电源采用的最主要的两种电路 由于其结构简 单 控制方便 成本较低 能够稳定运行而得到广范的应用 但随着时间的推移 这两种电路所存在的固有缺点也越来越明显 首先 从两图中可以看出 由于装 置都采用二级变换 因此与单级变换器相比其损耗必然增加 效率势必下降 尤 其是电流型逆变器 在任一时刻包括晶闸管 二极管 m o s f e t 在内的六个管 子处于导通装态 其导通损耗大大增加 其次 三相整流输出后需接电抗器滤波 当功率较大时 所需的电抗器的电量也应很大 电抗器体积就很大 所以整个装 置的体积重量就很大 第三 也是最为主要的 由于前级采用不控整流或晶闸管 整流 网侧输入电流谐波含量很高 对电网污染严重 在用电质量要求越来越高 的今天已经处于很大的劣势 1 1 3 感应加热电源技术的发展趋势 今后 感应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面 第一 随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高 具有高功率因数低谐波 污染电源将成为今后发展的一个主要方向 第二 随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高 感应加热电源正向智能化控制方向发展 第三 功率半导体器件的大容量化 高频化将带动感应加热电源的大容量和 的小体积化 1 2 矩阵变换器的基本知识 1 2 1 矩阵变换器的基本结构与特点 矩阵变换器是实现基于p w m 技术的直接a c a c 方式的高效率单级电能变 换器 图1 4 1 5 1 6 是矩阵变换三种基本的拓扑结构 图1 4 三相一单相矩阵变换器结构 1 图1 5 三相一单相矩阵变换器结构 2 b 图1 6 三相 三相矩阵变换器结构 第一章绪论 图1 4 是最基本的三相一单相矩阵变换器结构 9 它由三个双向开关构成 双向开关是指能够阻断两个方向电压且能流过双向电流的全控电力电子器件 但 目前仍没有出现商品化的双向开关 实际中常常用m o s f e t 或i g b t 反并联构 成双向开关 图1 5 是另一种基本的三相一单相矩阵变换器结构 它的电压利用 率是图1 5 中的 3 倍 目前研究较多的是三相 三相矩阵变换器 它的基本结 构如图1 6 所示 它由九个双向开关元件作阵列式排列而成 仔细观察图1 5 和 图1 6 不难发现它们在拓扑结构上具有相似性 每一个输出端点都可以和三相 输入电压的任一相相连 因而在控制上具有极大的灵活性 可以通过引入合适的 控制策略来实现良好的输入输出特性 可以四象限运行 功率可双向流动 网侧 输入单位功率因数 而且无需大容量的储能元件 体积小 效率高 正是基于这些优良的性能并结合感应加热电源的发展趋势 矩阵变换器不失 为感应加热电源的发展反向之一 这也是本课题的出发点和意义所在 考虑到负 载的单相性 本文所采用的基本拓扑结构如图1 5 所示 1 2 2 矩阵变换器的发展过程及研究现状 矩阵变换器作为一种新型的交 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 换器存在控制策略后 其特点才为人们所关注和研究 在接近三十年的时间里 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 主要的研究内容 和成果体现在以下几个方面 l o i 1 矩阵变换器拓扑的研究 矩阵变换器最初提出时指的是m 相输入n 相输出的一般化结构 因此被称 为通用变换器 根据m n 取值的不同和输入 输出电源性质的不同 人们提出 了许多拓扑 从三相交流到单相交流 从三相交流到单相直流 基于双向开关的单相交流到单相交流的直接变换器 三相交流到三相交流 它是研究最多的一种拓扑 2 变换器的控制方法研究 第一章绪论 对矩阵变换器控制方法的研究主要集中于三相一三相矩阵变换器 作为最先 提出的矩阵变换器控制方法的v e n t u l i n i 控制法 1 3 1 它采用三个输入线电压对输 出线电压进行合成 获得了统一的计算公式而且输出相电压能保持正弦 但电压 传输比小于o 5 随后出现的滞环电流控制法 它以输出电流为控制目标 动态 响应快 抗干扰能力较强 后来 a i s h i g u r o 和t t u r u h a s h i 提出了输入双线电压 瞬时法 它利用任一瞬间的两个输入线电压对输出电压进行合成 由于通过实时 检测输入电压来调整占空比 抗干扰性能比较好 尤其适用于某些电网不够稳定 的场合 而与此同时 最引人瞩目的是南斯拉夫学者d b d r o j e c v i c 和美国教授 l h u b e r 提出的基于双空间矢量的调制策略 1 6 1 这一策略引入空间矢量概念 利 用输入电压空间矢量和输出电流空间矢量进行合成 它的谐波成分比较少 电压 传输比可达0 8 6 6 控制简单 因而有实用价值 后来这一方法得到了不断的优 化和改善 成为目前三相一三相矩阵变换器所采用的最主要的调制方法 3 换流方法的研究 常用的逆变器相桥臂提供一个二极管进行续流 但是由于至今还没有出现能 够阻断两个方向电压且能流过双向电流的全控电力电子器件 矩阵变换器采用两 个m o s f e t 加二极管反并联而成 因此不存在续流回路 导致了换流问题的出 现 换流必须保证输入电压不会短路 输出不会突然断路 所以换流情况比较复 杂 这也是矩阵变换器至今无法推向工业应用的关键问题之一 目前 国内外出 现的各种安全换流方法大致可以分为以下两类 一类是基于输出电流方向检测的 电流型换流策略 另一类是基于输入电压大小检测的电压型换流策略 包括四步 半软换流和两步半软换流 本文将根据自身调制策略和输出负载特性采用以电压 型换流为主 这将在第三章加以详细介绍 我国对矩阵式变换器的研究工作开展的比较晚 基本上从9 0 年代开始 多 侧重于理论分析和仿真研究 哈尔滨工业大学从电工学的角度利用等效开关矩阵 传递函数方法对矩阵变换器的理论进行了深入分析和研究 其中关于矩阵变换器 的无功功率问题 分析了矩阵变换器输入无功功率的性质和无功量值的调节规 律 得出了一些很有意义的结论 福州大学对电流滞环跟踪控制进行了仿真和试 验研究取得了成功 从而验证了矩阵变换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行 性 上海大学基于空间矢量控制的三相矩阵变换器研究 完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 第一章绪论 单片机的矩阵变换器控制系统 取得了较好的试验效果 这里要特别提到浙 江大学在矩阵变换器发面的研究 王勇博士结合四步半软换流改进了双空间矢量 调制策略 并对矩阵变换器的模块化进行多方面的研列卯 黄科元博士成功的将 三相一三相矩阵变换器运用到交流传动领域 拓展了矩阵变换器的应用范卧6 1 另外 我的师兄曾雨竹博士对矩阵变换器进行了全面的研究分析 尤其采用解析 的方法对矩阵变换器的输入输出谐波进行分析从理论上深化了对矩阵变换器的 认识 1 2 3 矩阵变换器进一步发展面临的关键问题 1 控制策略 由前述已知矩阵变换器的拓扑结构有多种 对应每种拓扑其合适的控制策略 各不相同 但其目的终究都是相同的 那就是 电逐倒电速蕴正弦过签窒变电速 旦捡 倒功空固熬蕴 箍出倒电压蕴正弦銮速皇压 捡出倒鱼远鱼蕴正弦銮逋 如何找到适合对应拓扑的控制策略是矩阵变换器应用的最关键技术 目前研究最 多的是针对三相 三相矩阵变换器的双线性电压法 双空间矢量法 且己相对 较成熟 而针对三相 单相矩阵变换器的控制策略研究则还很少 如何填补这 一领域的空白将是今后研究的一个重要方面 2 换流问题 安全换流是矩阵变换器稳定运行的关键技术 目前使用最多的电压四步换流 和电流四步换流均需要较长的换流时间 这就限制了矩阵变换器的开关频率 如 何提高换流的可靠性 降低换流时间 避免死区状态将是今后换流策略的研究重 点 3 矩阵变换器的稳定性问题 8 l 由于矩阵变换器采用的是单级变换 因此具有效率高等种种优点 但是同时 也正是由于单级变换的原因 变换器的输入输出之间存在强烈的耦合关系 具体 表现在变流器输入电压上的开关纹波和干扰起伏都会直接反映到变流器输出侧 电压的波形上 对矩阵变换器的控制技术实际上也是一种对变流器输出波形控制 的技术 同时 矩阵变换器输出侧的电流和电压扰动也非常容易传递到输入侧的 电流电压上 从而引起输入侧电流电压波形的恶化 导致矩阵变换器无法正常工 作 从这种意义上来说 矩阵变换器的控制技术也就是一种对输入电流和电压波 第一章绪论 形的控制技术 1 3 选题的意义和本文的主要内容 选题意义 由前文分析可知 矩阵变换器是新一代 绿色 电能变换器 它能实现输入 电流 输出电压正弦 输入单位功率因数 而且 它是单级a c a c 变换器 无 需中阳j 储能环节 结构简单 体积小 正是这些优良性能决定矩阵变换器将来必 能在工业生产中得到广泛应用 结合传统感应加热电源面临的问题和发展趋势 矩阵变换器无疑是下一代感应加热电源的发展方向之一 然而目前矩阵变换器涉 及的应用研究很少 尤其在感应加热方面的应用鲜有研究 这些正是本课题的出 发点和意义所在 本文的主要工作 本文采用了理论分析与计算机仿真和试验相结合的方法 深入研究了三相一 单相矩阵变换器应用于感应加热所涉及的主要问题 首先 基于m a t l a b 的仿真 模型 找到合适的控制策略 如前所述矩阵变换器合适控制策略应该能实现电源 侧输入电流的正弦化 减小谐波含量 提高输入功率因数 这也是本课题最关健 的部分 其次 根据感应加热负载电路运行的独特性找到最可靠地换流方法也是 本文研究重点 接着搭建了基于d s p 2 8 1 2 的数字实验平台 对本文提出的控制 策略和换流方式进行验证 分析实验结果和实验中出现的一些实际问题 本文为 三相一单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热做了理论与实验的探索性研究 第一二章三相一单相矩昨变换器应用于串联请振感应加热的调制策略研究 第二章三相一单相矩阵变换器应用于串联谐振感 应加热的调制策略研究 任何一种优秀的调制策略总是能发挥变换器本身的最大优点来满足负载的稳定 运行 且能实现各种预期的功能 三相 单相矩阵变换器也不例外 由于本文所采 用的拓扑结构在矩阵变换器每一输出端点都可以与三相输入电压的任一相相连 因 而在控制上具有极大的灵活性i i2 1 它的调制目标是使矩阵变换器每相输入电流尽可 能含有最少的谐波成分 因此在三相侧仅需采用较小容量的输入滤波器就能实现网 侧输入电流的正弦化 提高网侧输入功率因数 2 1 串联谐振负载的特性 a b r l c 图2 1 三相一单相矩阵变换器驱动串联谐振负载的基本拓扑结构 三相一单相矩阵变换器驱动串联谐振负载的主电路如图2 1 a 所示 它主要由6 个双向开关组成 后接串联谐振负载 前接三相输入滤波器 双向开关的结构如图 b 所示 由于目前逆阻型的i g b t 或m o s f e t 使用并不普遍 串联二级管承受反压 是必要的 串联谐振负载的频率特性如图2 2 所示 由图可知如果谐振电路的品质因数q 足够高时 电路具有很强的选频特性 即电路在谐振频率附近表现出低阻抗 在其 a b 第二章三相一单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热的调制策略研究 他频段均表现为高阻抗 由于感应加热负载谐振电路一般品质因数较高 所以无论 输入电压是何种波形的交变电压 只要其频率接近谐振频率 负载电流就表现在一 频率上的准正弦电流阴 本章的各种调制策略就基于这一基本原理 传统串联谐振 感应加热电源就是采用交变方波电压来驱动 而本文的驱动交变电压则是幅值为三 相输入线电压的交变方波 l 缓 1 j q 3 铲卸 蚪口 q 3 0 ji j牛l 圹 j i 二 1 i1 0 3 刈 i 一 夕 f m a 阻抗频率特性 2 2 基本调制策略 b 相位频率特性 图2 2 串联谐振的负载频率特性 由图2 1 知 为了使电路能够稳定运行 任一时刻 6 个双向开关有且只能有2 个不同相 不同桥臂上的双向开关同时导通 现在的问题就归结到如何分配这些双 向开关的导通顺序来得到满意的输入输出性能 本文提出的方法是 为了让矩阵变 换器具有最大电压传输比 提高电压利用律 任一时刻让具有最大线电压差值的那 两相轮流导通 这就是基本调制策略的原理 图2 3 为基本调制原理示意图 其数 学推倒如下 设变换器电源频率为珊 串联谐振负载的谐振频率为 且 第二章三相一单棉短阵变换器应用于串联谐振感 应加热的调制策略研究 q 了击 r q z 1 2 1 设变换器输入侧电源电压为 屹 f s i n o j t s i n o f 2 r 虬 f s i n q f 2 n j 定义电压最大相 中间相和最小相 m a x u u u 耐 m i d u u 6 u u m i i i m i n u u b u 定义周期为负载谐振频率分段函数 p 器描 撇载电病 眨 2 2 由此可分别确定 b 两点的电压 l d a 嗍 p m i n 芦 1 1 0 缸 芦 坼i i i p 贝0 占 u 4 一 日 一一 p 甜i l i i 一 m 缸 歹 可简写为 j 口 一1 p j 一 i 2 5 式 2 5 给出了输出电压的表达式 它仅与输入电压的最大相和最小相相关 一般情 况下这两相电压是不会相等的 因此采用电压型换流方式是可行的 但是 电压的 最大相和最小相本身就是分段函数 在分段函数切换的时候就会出现问题 如图2 3 中 等特殊时刻 拿 来说 当最大相电压r h a 相变为b 相时 按照基本调 制策略原理 此时电流也应该由a 相换至b 相 但是如果此时换流 a 相与b 相的电压 差为零 双向开关换流过程的延时将导致基于输入电压的换流策略不可靠 解决这 一问题的办法是 当负载电流过零时再进行换流 也即式 2 4 表示的分段函切换时 进行换流 如图2 3 b 中输出电压波形 这样就可以避开那段电压死区 第 二章三相一单相矩阼蹙换器应用于串联谐振感 应加热的调制策略研究 a 0 b 0 步 t 长 之 厂 2 6 由图2 9 有 式中 0 乏 专 讲 2 0 f 一 n 旺 d 掣 2 8 u u ga r 一 府l入i nkr vvv a n f t 1 t c 广 一 一产一一 u o f l t o t 一 载波信号 调制波信号 输出电压 输出电压基波 图2 9 双极性s p w m 调制示意图 由于正 t 因此在一个载波周期中 原来按输出频率随时问变化的正弦 调制信号 可近似为恒值 于是图2 9 的关系可改画成图2 1 0 利用简单的几何 关系可得到 第二章三相一单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热的调制策略研究 眇警 等 等 卜 车 j 矗一 删n 图2 2 2 指令电流区间 1 内各相电流平均值示意图 从理论上分析 最大相参与调制是完全可行的 只是这时必须引入一个新的 开关状态 即让矩阵变换器三相桥臂的其中一相处于直通 另两相桥臂全部断开 此时 网侧没有电流输入 负载处于自振荡状态 如果能很好的控制自振荡的时 间 使指令电流幅值最大相电流平均值在调制周期内也能跟随相应指令电流呈正 弦规律变化 那么采用上两节的调制方法可知不管是高频调制还是低频调制指令 电流幅值最小相和中间相也将跟随各自的指令电流呈正弦规律变化 这样 在一 个电源周期内每一相的输入在任一个调制区间内电流平均值呈正弦规律变化 无 疑电流调制效果会更好 波形更加光滑 下面介绍针对低频时幅值最大相也参与 调制的改进调制策略 为了使结果更加精确 贴近实际情况 这里不在假设负载 电流幅值始终保持恒值 而是随负载两端输入电压的变化而改变 首先计算负载半波正弦电流的幅值 当串联谐振负载的品质因数足够大时 负载电流可以在任意近似方波形式的电压作用下都保持正弦波形 因此为简化分 析可以假设变换器对负载电流的分割导致变换器输出电压偏离方波形式对于电 流波形没有影响 因此基于式 2 5 给出的基本调制律可见负载电流的幅值是受变 换器电源输入电压最大相和最小相差值的影响 这一差值的规律如图2 2 3 所示 图2 2 3 三相输入相电压及对应调制线电压 第二章三相一单相矩阵变换器应用于串联谐振 孚 应加热的调制策略研究 现仍以区间 1 为例 其他区间的情况与此类似 在区间 1 内输出电压的表达式 为 u o o 4 5 t c o s o 0 0 时 电流流经s a a 一 此 时换流步骤为 第一步断开a 相另一个冗余开关s a a 这时电流仍流经s a a 第二步闭合上与a 相处于导通状态的开关具有相同方向的开关s a b 一 由于s a a 和s a b 一均为正向开关 两个电压源不会产生短路 此时电流流经s a a 还是s a b 一 由两个电压源电压的幅值大小来确定 若u 日 l l b 电流仍流经s a a 若u a u b 电流则流经s a b 一 电流在这一步完成换流 第三步 断开开关s a a 一 不管此前 电流是流经s a a 一还是s a b 一 这时电流只流经s a b 一 最后一步 合上开关s a b 这时电流仍由开关s a b 提供回路 完成换流 在换流的第一步和第四步中 开 关s a a 或s a b 实际上是零电流通断 在第二 三步中 总有一步是硬通断电压 和电流 而另一步是零电流通断 或者说是自然换流 因此这一换流策略被称为 四步半软换流 由上的分析可知 电流实际换流发生在哪一步与两相电源电压大 小有关 若u p i l b 电流实际换流发生在第三步 若u a u b 电流实际换流发生在第二步 若u a u b u a 0 第三步 第二步 i l 0 时四步电流型换流时序 图3 4il o 时电流型四步换流开关状态 图3 6i u b 时电流实际流过的开关 在很多数字控制系统 中 电流型四步换流逻辑是通过f p g a 或c p l d 在线编程实现 事实上在要求 不高的场合 换流逻辑完全可以由外部模拟逻辑电路加r c d 延时电路构成 如 图3 7 所示 图中f 是负载电流方向信号 两个r c d 延时分别为2 5 u s 和5 u s 假 设换流步长为2 5 u s 这种方法的最大优点就是简单 可以大大降低软件编程的 复杂性 在实际的应用中仍然可靠 图3 7 双向开关电流型四步换流逻辑模拟电路 3 3 电压型换流策略 电压型换流策略基于电源输入电压大小的判断 目前研究较多的有基于输入 相电压大小的四步半软换流和基于输入线电压大小的两步半软换流 下面两小节 分别加以分析 3 3 i 电压型四步半软换流 图3 8 矩阵变换器双相开关换流简图 第三章矩阵变换器换流技术研究 现以图3 8 所示的电路为例介绍电压型四步半软换流的全过程 基本假设与 电流型四步换流一样 换流前a 相导通 b 相关断 电路由a 相向b 相换流 电 流方向如图3 8 中所示为正反向 当u a u b 时 此时换流步骤为 第一步闭合上 b 相开关s a b 一 这时s a b 一承受反压无电流流过 电流仍流经a 相开关 第二步 断开与b 相已导通且具有相同方向的开关s a a 此时电流流经s a a 还是s a b 一 由负载电流的方向来确定 若i l o 电流则流经s a b 电流在这一步完成换流 若i 悖0 电流仍流经s a a 第三步 闭合开关s a b 若此前电流是流经s a a 这时电流只流经s a b 电流在这一步完成换流 最后一步 断开开关s a a 这时 电流仍由开关b 提供回路 完成换流 在换流的第一步和第四步中 与电流型 换流相似 开关s a b 一或s a a 实际上是零电流通断 在第二 三步中 总有一步 是硬通断电压和电流 而另一步是零电流通断 或者说是自然换流 因此这一换 流策略也被称为四步半软换流 由上的分析可知 电流实际换流发生在哪一步与 负载电流方向有关 若i l 0 电流实际 换流则发生在第二步 当u u b 时 则换流步骤为 闭合开关s a b 然后断开 开关s a a 再闭合开关s a b 一 然后断开开关s a a 而此时 若i o 电流实际换流则发生在第三步 因此 电流型四 步半软换流实际换流在哪一步可概括为表3 2 所示 对比表3 1 和3 2 可发现 在电路运行条件相同时 电压型四步换流的实际换流发生的步数正好与电流型的 情况相反 表3 2 电压型四步半软换流实际换流在哪一步 若u p u b u a o 第二步第三步 i l i l b 时电压型四步换流时序 图3 1 0u a u b 时电压型四步换流时序 岛屯 每 l 辞 l 辞r 士 第一步 上 第一步 事a 帮sad 弟二步 0 第二步 图3 1 1u p i l b 时电压型四步换流开关 状态 图3 1 2u a u u n 两步换流控制方式下 现以图3 1 4 的a 输出相为例 此时需要考 图3 1 5 两步换流输入相电压区间划分 虑与a 输出相全部相连的六个单相开关 这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 心 n p 图3 1 6 所示即为输入相电压处于2 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3 1 6 可看 出 在每个主状态中 6 个单向开关只有两个关断 而4 只单向开关触发导通 但其中有两只单向开关因为承受反向电压而冗余导通 例如图3 1 6 的主状态p 下 s a b s a c 关断 s a a s a a 一和s a b s a c 一触发导通 其中s a a s a a 一提 供双向电流路径 而因为u u h u 所以s a b 一 s a c 承受反压而冗余导通 如图 3 1 6 示 从一个主状态 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 触发尚未开通的目标 主状态全部单向开关 例如在图3 1 6 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 a s a a 导通 提供双向电 流路径 而s a b s a c 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 a 一 电流导入目标路径 负载电流转由b 相或c 相维持 达到中间状态 p m 第二步 触发目标状态m 的尚未导通的单向开关即触发s a b 导通 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概率也各占5 0 故称为 第三章矩阵变换器换流技术研究 两步半软换流 电压型两步换流中 实际换流发生在哪一步情况比较复杂 不仅 跟电压区间相关 还与输入电压大小 输出负载电流方向相关 需逐一加以分析 相比与四步换流 两步换流的开关步骤要少一半 切换时间也缩小一半 加 快了换流过程 这是它的优点 但是 由以上的分析可知半软两步换流的关键是 目标状态的确定 对不同的控制算法其复杂程度各不相同 文氏法 v e n t u r i n i 双电压合成法 标量法等直接控制算法和直接通过电压合成 计算各相输入的占 空时间 不存在开关的状态组合 因此可以按照一定的开通顺序确定出目标开关 状态 方便地实现半软两步换流 对于双空间矢量控制算法 实现半自然两步换 流则相对复杂 开关的状态由开关状态组合来决定 不会存在有规则的换流顺序 而必须由开关状态组合来确定目标开关状态 因此实现起来相对困难 s a a 一 s a a 导通 s a b 一导通 s 蕊 关断 s a c 导通 s a c 关断 图3 1 6a 相输出两步换流开关状态 3 4 三相一单相矩阵变换器驱动串联谐振负载的换流技术选 择及分析 本课题后续的试验部分主要是针对低频时的调制策略 所以这里选择的换流 方式也是针对低频调制情况 本章前面分析的三种换流策略是目前研究较多且可 行的换流策略 选择哪一种换流策略适合低频调制策略主要从每种调制策略本身 的优缺点以及低频调制时电路运行特点出发 三相一单相矩阵变换器驱动串联谐振负载电路时 在每一个电流过零点 e p 离 第三章矩阵变换器换流技术研究 零状态点 相应的双相开关都要进行切换 如果采用电流型四步半软换流 此时 电流的方向检测将遇到死区 电流方向判断的不明将大大增加换流的危险性 所 以采用电流型四步半软换流在这里并不十分适合 而基于输入相电压大小的电压 型四步半软换流可以很好的避开电流方向检测死区问题 虽然电压型四步半软换 流也会遭遇相电压之间大小比较的测量死区 但是电压测量死区在一个电源周期 内只有六个 如图3 1 8 所示 远远少于在每一个谐振半波电流过零都产生电流 测量死区的电流型换流策略 另外 虽然基于线电压检测的电压型两步半软换流 策略也满足这一特点 但是由于两步换流策略在在实际应用中采用了增加冗余开 关的策略 并利用电源电压确定冗余开关通断的有效性 在数字电路可靠性较低 的试验条件下可能导致容易出现电源直通现象 而且 改进的低频调制策略本质 上是通过严格控制每相电流的导通顺序和时间来达到改善输入电流波形的效果 而电压型两步换流过渡状态冗余开关的导通无意间增加了该相电流不必要的导 通时间 将影响调制策略的准确性 所以电压型两步半软换流也不予采用 综上 所述 本课题将采用电压型四步半软换流更加合适 接下来分析采用改进低频调制策略时 每一个指令电流区间内的具体换流情 况 现拿图2 1 1 的区间 1 来分析 图3 1 7 为该区间内谐振状态下的换流简图 t 岫 弋 k i 图3 1 7 指令电流区间 1 换流简图 图中屯为负载谐振电流 t 旷t i 时间内 负载两端电压为u 曲 此时双向开关 s a a 与s b b 导通 到了tj 时刻 电流要从a 相换到c 相 双向开关从a 相上桥臂 的s a a 换流到c 相上桥臂的s a c 根据表3 2 可知此时实际换流发生在换流过程 的第三步 t l t 2 时间内 负载电压为u c b n tt 2 时刻 负载电压从 换到 第三章矩阵变换器换流技术研究 此时换相开关包括上桥臂从s a c 到s a b 下桥臂从s b b 到s b a 所以 当负载 电流过零换流时 实际有两次换流 而这两次换流属于零电流的软换流 t 2 t 3 时间内 负载电压为 此时双向开关s a b s b a 导通 到了t 3 时刻 电流又 要从a 相换到c 相 双向开关从a 相下桥臂的s b a 换流到c 相下桥臂的s b c 此 时实际换流过程发生在三步 t 3 t 4 时间内 负载电压为桃 到了t 4 时刻 又到 了电流过零换流时刻 负载电压要从 b c 换回 a b 换流开关包括上桥臂s a b 到 s a a 下桥臂s b c 到s b b 这两次换流同样属于软换流 至此 一个谐振周期内 的换流过程全部结束 接下来将重复上面的步骤 从以上的分析可知 一个谐振 周期包括4 个换流时刻 6 次换流过程 其中4 次发生在电流过零时的软换流 2 次半波电流切割时的硬换流 以上所述的换流过程发生在指令电流区间 1 内 其他的区间的换流情况与此类似 见表3 3 不再赘述 表3 3 每个指令电流区间内一个谐振周期的换流情况 换相电压 换相双向开关实际换流步 电流区爪数 6 一u c b s a a s a c 第三步 1 蜥6 一 蚰s a c s a b s b b s b a软换流 u b a u b c s b a s b c 第三步 枷c 一 6s a b s a a s b c s b b 软换流 6 一u e b s a a s a c 第二步 2 坼6 一u b as a c s a b s b b s b a 软换流 t b 口一u b c s b a s b c 第二步 l i b c 一 6 s a b s a a s b c s b b软换流 口f u a b s b c s b b 第三步 3 6 一i j c as a a s a c s b b s b a 软换流 一u b a s a a s a b第三步 蛔一u a cs a b s a a s b a s b c软换流 c 一 6 s b c s b b 第二步