基于DSP器件和PLD邏輯器件實(shí)現(xiàn)矩陣變換器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

矩陣式變換器是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的新型交—交變換器。它允許頻率單級(jí)變換，無需大容量的貯能元件如大電容，可使輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，并可自由調(diào)節(jié)，且與負(fù)載的功率因數(shù)無關(guān)，輸出電壓正弦，輸出頻率及電壓可調(diào)，輸出頻率可高于、低于輸入頻率，特別是其功率可雙向流動(dòng)，具有四象限運(yùn)行能力。本文在矩陣變換器的空間矢量控制基礎(chǔ)上，給出了一種基與DSP＋PLD的方案，實(shí)驗(yàn)證明此方案可以提高高頻大電流下?lián)Q流的可靠性，簡化了控制系統(tǒng)。

2 矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制

一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)交—交變換的矩陣式變換器如圖1所示。它可以用一個(gè)虛擬的整流器和一個(gè)虛擬的逆變器構(gòu)成的等效交—直—交結(jié)構(gòu)來代替，如圖2所示。采用這樣的等效結(jié)構(gòu)可以充分利用已有成熟的交—直—交變換中的PWM控制技術(shù)，并 可 通 過 開 關(guān) 函 數(shù) 分 析 出 實(shí) 際 矩 陣 式 變 換 器 的 開 關(guān) 控 制 規(guī) 律 。

分 析 圖1和 圖 2時(shí) ， 首 先 要 定 義 開 關(guān) 函 數(shù) 。

圖1 矩陣變換器結(jié)構(gòu)

圖2 等效交—直—交結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖2的等效交—直—交結(jié)構(gòu)，j∈{a，b，c，A，B，C，}，k∈{P，N}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，虛擬整流器同一直流母線P或N上的開關(guān)必須有一個(gè)且只能有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即

Sak＋Sbk＋Sck=1，k∈{P，N} （1）

而虛擬逆變器同一輸出相A，B或C上必須有一個(gè)而且只能有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，即

SjP＋SjN=1，j∈{A，B，C，} （2）

對(duì)于圖1的矩陣式變換器實(shí)際結(jié)構(gòu)，j∈{A，B，C，}，k∈{a，b，c}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個(gè)輸入相，開關(guān)函數(shù)須滿足

Sja＋Sjb＋Sjc=1，j∈{A，B，C，} （3）

能滿足式（3）的開關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中找不到對(duì)應(yīng)的開關(guān)組合，所以共有21種有效的開關(guān)組合和矢量，見表1。

經(jīng)過推導(dǎo)可得到等效交—直—交結(jié)構(gòu)和矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)關(guān)系為

Sjk=SjPSkP＋SjNSkN， j∈{A，B，C，}，k∈{a，b，c} （4）

限定條件為

1≤SGm＋SJn＋SKI≤2 （5）

式中：G，J，K∈{A，B，C，}，m，n，1∈{a，b，c}，且G≠J≠K，m≠n≠1。

根據(jù)式（4）可以得到矩陣變換器21種有效開關(guān)組合形成的矢量與等效交—直—交結(jié)構(gòu)6個(gè)輸入相電流矢量和6個(gè)輸出線電壓矢量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖3和表1，從而由等效交—直—交結(jié)構(gòu)的雙空間矢量調(diào)制策略得到矩陣變換器的交—交直接變換空間矢量調(diào)制策略。

圖3 輸入相電流和輸出線電壓的矢量圖

在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中，逆變器部分的理想輸出線電壓基準(zhǔn)矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準(zhǔn)矢量圓都被劃分為6個(gè)扇區(qū)，從而有36種可能的扇區(qū)組合，以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)為例，可以用于矢量合成的空間電流，電壓矢量分別是I6，I1和U6，U1，兩個(gè)空間矢量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的辦法來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有I6－U6，I6－U1，I1－U6，I1－U1及零矢量I0－U05種組合。每一矢量組合的作用時(shí)間用占空比表示時(shí)是該組合內(nèi)各矢量占空比的乘積。即

I6－U6：

Dxα=Dx·Dα=msin（60°－θi）sin（60°－θv） （6）

I6—U1：

Dxβ=Dx·Dβ=msin（60°－θi）sinθv （7）

I1－U6：

Dyα=Dy·Dα=msinθisin（60°－θv） （8）

I1－U1：

Dyβ=Dy·Dβ=msinθisinθv （9）

I0－U0：

D0=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ （10）

式中：θi是輸入相電流的相角；

θv是輸出線電壓的相角。

以上計(jì)算出占空比后，再通過開關(guān)函數(shù)找到相對(duì)應(yīng)的真實(shí)的矩陣變換器的矢量和開關(guān)組合。開關(guān)組合的選擇步驟、原則如下：假設(shè)輸出線電壓矢量和輸入相電流都位于第1扇區(qū)，則根據(jù)圖3得到合成和的固定矢量U1，U6，I1，I6，并得到對(duì)應(yīng)的矩陣變換器的8個(gè)矢量1P，3P，4P，6P，1N，3N，4N，6N，再按照獲得最大電壓傳輸比和單位功率因數(shù)的原則從上述8個(gè)矢量中選出4個(gè)矢量。要獲得單位功率因數(shù)，則要使輸入相電壓和輸入相電流相角差為0，注意到輸入線電壓矢量超前輸入相電流30°，則輸入線電壓矢量可能位于第1扇區(qū)或第2扇區(qū)，所以，輸入線電壓的最大值為Uab和－Uca，則在上述8個(gè)矢量中需要選擇4個(gè)矢量使輸出線電壓UOAB等于Uab或－Uca，選出的4個(gè)矢量為1P，3N，4N，6P，4個(gè)矢量按照開關(guān)次數(shù)最少的原則確定開關(guān)順序?yàn)?P，3N，4N，6P，加上零矢量，5個(gè)矢量的占空比由式（6），（7），（8），（9），（10）確定。輸出線電壓矢量和輸入相電流共有36種扇區(qū)組合，則對(duì)應(yīng)矩陣變換的36種矢量調(diào)制開關(guān)組合。

3 安全換流策略

本系統(tǒng)采用共集電極的反向串聯(lián)IGBT組合開關(guān)組成雙向功率開關(guān)，根據(jù)輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的條件，安全切換要求同一相輸出的任意兩組開關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，三組開關(guān)不能同時(shí)斷開。由于器件的開通時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間，及驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)延都有差異，不能做到嚴(yán)格的同時(shí)切換。為了解決這個(gè)問題，N．Burany提出了著名的四象限開關(guān)多步切換控制法，其換流過程可用圖4及圖5所示一相輸出電路來說明。以由a輸入相換流到b輸入相為例，當(dāng)負(fù)載電流iL》0時(shí)，第1步關(guān)斷負(fù)導(dǎo)通部分SlN，第2步開通S2P，第3步關(guān)斷S1P，第4步開通S2N，以此完成兩個(gè)雙向開關(guān)的成功換流，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑。

圖4 一相輸出電路示意圖

圖5 4步換流策略驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6是以DSP為控制核心的矩陣變換器系統(tǒng)框圖，DSP檢測(cè)輸入相電壓的扇區(qū)，得到期望的輸出線電壓扇區(qū)后，通過空間矢量調(diào)制策略，DSP送出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)及保護(hù)信號(hào)到PLD，四步換流，驅(qū)動(dòng)等邏輯由模塊內(nèi)部邏輯器件PLD完成，PLD送出18路驅(qū)動(dòng)信號(hào)到主電路的18個(gè)分立開關(guān)。

圖6 矩陣變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

波形如圖7，8，9，采樣頻率為10kHz，調(diào)制比M=0.866，輸入濾波器參數(shù)：L=30mH，C=15μF。

圖7 輸入相電壓ua波形與輸入相電流ia波形

圖8 輸出線電壓uL與輸出線電流iL波形

（a） 輸入相電流

（b） 輸出線電壓

圖9 FET分析

5 結(jié)語

以DSP＋PLD構(gòu)成的矩陣變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)接線少，控制電路與軟件簡單，很好地解決了矩陣變換器的關(guān)鍵問題——安全換流，大大提高了高頻大電流下順序換流的可靠性，系統(tǒng)可靠性得到提高，為矩陣變換器向大功率，數(shù)字化發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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