專(zhuān)利名稱：一種矩陣變換器窄脈沖抑制與電能質(zhì)量改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率變換器控制領(lǐng)域，具體涉及雙電壓調(diào)制下的三相矩陣變換器的控制方法，用于消除調(diào)制過(guò)程中出現(xiàn)的窄脈沖，以避免窄脈沖引起的輸出電壓和輸入電流畸變問(wèn)題。
背景技術(shù)：
矩陣變換器(Matrix Converter, MC)作為交-交單級(jí)功率變換器，以其在電能質(zhì)量、功率密度、能量再生、結(jié)構(gòu)體積等方面的突出優(yōu)勢(shì)，受到傳動(dòng)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，隨著矩陣變換器調(diào)制策略、換流技木、輸入輸出波形質(zhì)量、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的進(jìn)ー步完善， 矩陣變換器饋電的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)在風(fēng)カ發(fā)電、電梯曳引、機(jī)械制造等エ業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)
ο三相-三相矩陣變換器基本結(jié)構(gòu)如

圖1(a)所示，輸入側(cè)由電壓源供電并連接滿足相關(guān)電能質(zhì)量要求的LC濾波電路，輸出側(cè)連接具有電流源性質(zhì)的感性負(fù)載。區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的功率變換器，矩陣變換器采用9個(gè)矩陣排列的四象限開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)輸出相到任意輸入相電源的連接，通過(guò)對(duì)9個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷控制，實(shí)現(xiàn)三相恒壓恒頻交流電輸入至三相變壓變頻交流電輸出的直接電能變換。1989年日本長(zhǎng)崎大學(xué)J. Oyama等人提出了一種雙電壓調(diào)制方法，后經(jīng)不斷改進(jìn)， 是目前唯一成功應(yīng)用于中、低壓矩陣變換器エ業(yè)級(jí)產(chǎn)品的調(diào)制方法。結(jié)合圖3，其調(diào)制原理為將矩陣變換器的輸入電壓和輸出電壓按最大、中間、最小值進(jìn)行分類(lèi)，并表示為vimax、 vimid、vimin和v。_、v。mid、v。min，同時(shí)定義絕對(duì)值最大的輸入相電壓作為基準(zhǔn)電壓vbase。在単位開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，根據(jù)基準(zhǔn)電壓的取值，最大電壓輸出相v。max或最小電壓輸出相v。min與基準(zhǔn)電壓Vbase輸入相相連，即與最大或最小輸出相相連的三個(gè)開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)S。max,imax或S。min,imiI^ 終導(dǎo)通，另兩個(gè)始終關(guān)斷，通過(guò)其余六個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷控制，使輸出線電壓Δν。_和Av。mid以給定的順序依次和輸入線電壓Avimax和Avimid以及零電壓相連，同時(shí)輸入電流相應(yīng)地在各負(fù)載相電流之間切換，使得合成的輸出電壓和輸入電流滿足調(diào)制要求，其中輸出線電壓的合成過(guò)程如圖4所示，TA、TB、TC和Td為控制輸出線電壓Av。max、Av。mid與輸入線電壓Avimax、 Δ Vifflid相連的4個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，Ttlmax和Ttlmin為控制輸出線電壓Δ Vomax, Δ Vomid與零電壓相連的2個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。對(duì)于矩陣變換器而言，獲得上述開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間構(gòu)成的變換器調(diào)制函數(shù)僅是實(shí)現(xiàn)矩陣變換器控制的一部分。實(shí)際當(dāng)中，矩陣變換器多采用分立開(kāi)關(guān)組合形式構(gòu)成四象限開(kāi)關(guān)， 如圖1(b)所示，而開(kāi)關(guān)由于存在導(dǎo)通、關(guān)斷延吋，會(huì)引起輸入電源短路或負(fù)載開(kāi)路問(wèn)題。因此，分立器件的換流過(guò)程需要考慮到矩陣變換器的控制過(guò)程中。目前，矩陣變換器多采用基于負(fù)載電流極性檢測(cè)或輸入線電壓極性檢測(cè)的四步換流策略完成換流，如圖5所示。圖中可以看出，四象限開(kāi)關(guān)的通斷是通過(guò)分立器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)多步切換實(shí)現(xiàn)的，且每ー步變化均插入了一段延時(shí)Tc。采用上述換流過(guò)程，矩陣變換器完成一次換流的時(shí)間為T(mén)d，其值為3T。。受這ー換流時(shí)間的影響，矩陣變換器分立器件在単位開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間是不能小于Td的。若小于換流時(shí)間的控制信號(hào)，也就是有窄脈沖作用于功率器件，易導(dǎo)致分立開(kāi)關(guān)的安全換流邏輯發(fā)生錯(cuò)誤，引起負(fù)載開(kāi)路或輸入電源短路問(wèn)題，如圖6所示，而瞬時(shí)產(chǎn)生的電流或電壓尖峰則會(huì)威脅功率器件的安全運(yùn)行。對(duì)于矩陣變換器的雙電壓調(diào)制方法，受調(diào)制方法本身、參考輸出電壓及脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation,PWM)開(kāi)關(guān)模式的影響，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)上出現(xiàn)窄脈沖的現(xiàn)象十分頻繁。目前為減少窄脈沖而采取的改進(jìn)方法包括1.改進(jìn)換流策略。該策略從簡(jiǎn)化換流過(guò)程角度出發(fā)，利用負(fù)載電流和輸入電壓等檢測(cè)信息，將常規(guī)的四步或三步換流過(guò)程縮減為兩步或一歩完成。該方法有效縮減換流時(shí)間、降低允許出現(xiàn)在功率器件上觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度，是減少窄脈沖最常用的方法。2.優(yōu)化分配零電壓矢量策略。該策略是在單位開(kāi)關(guān)周期內(nèi)優(yōu)化分配零電壓矢量， 通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)順序延長(zhǎng)功率器件導(dǎo)通時(shí)間。該方法同樣可以達(dá)到減少窄脈沖數(shù)量的效果， 但唯一的缺陷是變換器的換流次數(shù)及開(kāi)關(guān)損耗會(huì)有所増加。這些改進(jìn)方法雖然在一定程度上減少了雙電壓調(diào)制下的窄脈沖數(shù)量，但是不可能完全消除窄脈沖。為避免窄脈沖的危害，在雙電壓合成調(diào)制算法中，對(duì)尚存的窄脈沖需要妥善解決，常規(guī)的處理方法有兩個(gè)；1.將窄脈沖直接丟棄；2.延長(zhǎng)窄脈沖作用時(shí)間至最小安全換流時(shí)間Td。上述兩種方法雖然最終采用強(qiáng)制消除窄脈沖的手段，換取了功率器件的安全運(yùn)行，但矩陣變換器各開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間TA、TB、TC和Td不再滿足輸入電流及輸出電壓的調(diào)制要求，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)及負(fù)載側(cè)電流出現(xiàn)畸變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)雙電壓調(diào)制下的窄脈沖和輸入、輸出調(diào)制波形崎變問(wèn)題提出一種改進(jìn)的雙電壓調(diào)制方法。該方法在不增加開(kāi)關(guān)損耗及換流次數(shù)時(shí)前提下，不但可以大幅減少雙電壓調(diào)制方法中窄脈沖數(shù)量，而且最大程度地滿足輸入電流及輸出電壓的調(diào)制要求，從而改進(jìn)輸入和輸出波形的畸變程度、提高電能變換質(zhì)量。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是1、一種矩陣變換器窄脈沖抑制與電能質(zhì)量改進(jìn)方法，其特征在干，根據(jù)不同窄脈沖的出現(xiàn)情況，通過(guò)使某ー開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)引入負(fù)載電流信息，來(lái)構(gòu)造不同的調(diào)制函數(shù)用于矩陣變換器的開(kāi)關(guān)控制，新構(gòu)造的調(diào)制函數(shù)同時(shí)滿足矩陣變換器輸入電流和輸出電壓控制要求；新構(gòu)造的調(diào)制函數(shù)方法如下當(dāng)傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制方法計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間TA、TB、TC、! 、!；_、Ttlmid中至少有ー個(gè)出現(xiàn)窄脈沖吋，根據(jù)矩陣變換器輸入-輸出電壓關(guān)系及輸出電壓調(diào)制要求
權(quán)利要求
1. 一種矩陣變換器窄脈沖抑制與電能質(zhì)量改進(jìn)方法，其特征在干，根據(jù)不同窄脈沖的出現(xiàn)情況，通過(guò)使某ー開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)引入負(fù)載電流信息，來(lái)構(gòu)造不同的調(diào)制函數(shù)用于矩陣變換器的開(kāi)關(guān)控制，新構(gòu)造的調(diào)制函數(shù)同時(shí)滿足矩陣變換器輸入電流和輸出電壓控制要求；新構(gòu)造的調(diào)制函數(shù)方法如下當(dāng)傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制方法計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種矩陣變換器窄脈沖抑制與電能質(zhì)量改進(jìn)方法，其特征在干，包括以下步驟第一歩根據(jù)傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制方法，確定控制輸出線電壓△▼。_和Δν。-連接到輸入線電壓Δ Vifflax, Δ Vifflid和零電壓的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間TA、Tb、Tc, Td、T0fflax和Ttlmid ；第二步將TA、TB、Tc, TD、T0fflax和Ttlmid分別與安全換流時(shí)間Td相比較，若導(dǎo)通時(shí)間小于 Td,則視其為窄脈沖，并根據(jù)窄脈沖存在于TA、TB、T。、TD中、還是存在于Ttlmax和Ttlmid中作為切換條件，若為前者進(jìn)入第三歩，若為后者進(jìn)入第四歩，若無(wú)窄脈沖現(xiàn)象進(jìn)入第六步；第三步選取第IV組T' D = 0的調(diào)制函數(shù)，計(jì)算并判斷它們是否滿足以下條件①導(dǎo)通時(shí)間取值屬于W，Ts]；②導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)不再出現(xiàn)窄脈沖現(xiàn)象。若滿足條件則用它們更新傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制下的導(dǎo)通時(shí)間TA、TB、Tc, TD、T0fflax和Ttlmid，進(jìn)入第六歩，否則按類(lèi)似過(guò)程依次計(jì)算第II、第III、第I組調(diào)制函數(shù)，并判斷是否滿足條件①②，若滿足則用其更新傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制下導(dǎo)通時(shí)間，并進(jìn)入第六歩，否則進(jìn)入第五步；第四步選取第V組T' Clmax = O時(shí)的調(diào)制函數(shù)，計(jì)算T' A、T' B、T' C、T' D，T' 0fflax 和T' Clmid,同樣判斷它們是否滿足第三步所述的條件①②。若滿足則用它們更新傳統(tǒng)雙電壓調(diào)制下的導(dǎo)通時(shí)間HHTtlmax和Ttlmid并進(jìn)入第六歩，否則判斷第VI組τ' Offlid = ο 時(shí)的調(diào)制函數(shù)是否滿足條件①②，若滿足條件則用其更新TA、Tb、Tc, Td、T0fflax和Ttlmid，進(jìn)入第六歩，否則進(jìn)入第五歩；第五步強(qiáng)制出現(xiàn)窄脈沖的導(dǎo)通時(shí)間為零；第六步利用TA、Tb、Tc, Td、T0fflax和Ttlmid控制矩陣變換器的四象限開(kāi)關(guān)。
全文摘要
一種矩陣變換器窄脈沖抑制與電能質(zhì)量改進(jìn)方法，其特征在于矩陣變換器采用雙電壓調(diào)制，當(dāng)某一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，用于線電壓合成的6個(gè)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)出現(xiàn)窄脈沖時(shí)，根據(jù)窄脈沖的出現(xiàn)位置，重新構(gòu)造并計(jì)算新的調(diào)制函數(shù)用于開(kāi)關(guān)控制。新函數(shù)共有六組，其特征為含有瞬時(shí)輸出電流檢測(cè)信息、6個(gè)開(kāi)關(guān)器件中有一個(gè)保持關(guān)斷狀態(tài)、調(diào)制函數(shù)同時(shí)滿足輸入電流和輸出電壓調(diào)制要求。本發(fā)明在不增加器件開(kāi)關(guān)損耗和換流次數(shù)的前提下，有效減少窄脈沖的數(shù)量、改進(jìn)矩陣變換器的輸入、輸出波形質(zhì)量，特別適于換流時(shí)間較長(zhǎng)的中、高功率場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02M1/12GK102545642SQ20121003015
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月11日
發(fā)明者史婷娜, 夏長(zhǎng)亮, 李萌, 閻彥, 陳煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)