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基于空間矢量調(diào)制的三相矩陣式變換器
摘要：介紹了空間矢量調(diào)制的雙向開關(guān)矩陣式變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。空間矢量調(diào)制采用輸出線電壓和輸入電流矢量進(jìn)行同步調(diào)節(jié)的控制策略，能實(shí)現(xiàn)矩陣式變換器輸入輸出波形為良好正弦、功率因數(shù)為1，并能確保感應(yīng)電機(jī)良好工作。為了實(shí)現(xiàn)這種控制策略并把PWM波送到相應(yīng)的開關(guān)，采用了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和通用邏輯陣列（GAL）技術(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種控制策略的實(shí)際可行性。引言
隨著可控交流電氣傳動(dòng)的發(fā)展，PWM變頻器的應(yīng)用為自動(dòng)化和節(jié)能贏得了可觀的效益，同時(shí)也帶來了諧波污染、低功率因數(shù)、直流濾波電容壽命有限等負(fù)面影響。而“綠色”變頻器應(yīng)具備輸入和輸出電流都是正弦波；輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1.0；可獲得工頻上下可控的輸出頻率等品質(zhì)。目前的三電平雙PWM交-直-交變頻器、多逆變單元串聯(lián)的中壓變頻器雖都可達(dá)到或接近這些要求，但這些裝置非常笨重。矩陣式變換器與其相比具有下述非常明顯的優(yōu)勢(shì)：
圖1
--輸入功率因數(shù)正負(fù)可調(diào)，輸出電壓頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，功率可雙向流動(dòng)；
--無直流母線環(huán)節(jié)，傳遞能量密度高；
--輸入波形好，無低次諧波，波形失真度小；
--體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。
正因?yàn)榫仃囀阶儞Q器具有如此明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來它已成為電力電子研究的熱點(diǎn)之一。
圖2
1 矩陣式變換器的結(jié)構(gòu)
3φ－3φ矩陣式變換器是一種強(qiáng)迫換相的交-交變換器，它由9個(gè)可控的雙向開關(guān)，利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負(fù)載所需的變壓變頻電源。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入側(cè)的L－C濾波器可有效減少輸入電流的開關(guān)頻率諧波。
采用空間矢量調(diào)制時(shí)，矩陣式變換器認(rèn)為是兩個(gè)部分的串聯(lián)組合。第一部分是AC/DC電壓源整流，第二部分是DC/AC電壓源逆變。圖2是矩陣式變換器的等效交-直-交結(jié)構(gòu)。
2 空間矢量調(diào)制（SVM）
能滿足輸入電壓不被短路、輸出電流不突然開路的矩陣式變換器開關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交-直-交變換中找不到對(duì)應(yīng)的開關(guān)組合，這6種是三個(gè)輸出相分別連到三個(gè)輸入相的開關(guān)組合。可用的21種開關(guān)組合。
三相開關(guān)動(dòng)作所能形成的定子電壓空間矢量有8種，即6種有效矢量U1～U6，依次表示U1（100）、U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101），2種零矢量U7及U8，表示為U7（000）和U8（111），它們的空間位置和相互關(guān)系如圖3所示。括號(hào)中的數(shù)字，第一位表示A相，第二位表示B相，第三位表示C相，當(dāng)某一相的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)記為1，下橋臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)記為0。利用這些電壓空間矢量的線性組合，可以獲得更多的與U1～U8相位不同的新的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相位的電壓空間矢量。
如圖3用U1、U6和零矢量來合成新的矢量，各矢量的作用時(shí)間可用開關(guān)周期Ts中的占空比來表示。
U1矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dα=tα/Ts=musin(60°－θv) （1）
U6矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dβ=tβ/Ts=musinθv （2）
零矢量的占空比（作用時(shí)間）為
Dou=tou/Ts=1－Dα－Dβ （3）
式中：mu為電壓調(diào)制系數(shù)，
同理對(duì)于虛擬整流器部分也可采用復(fù)空間表達(dá)方式定義輸入相電流矢量，獲得輸入電流空間矢量調(diào)制的方案。
雙空間矢量PWM調(diào)制是對(duì)輸入電流和輸出電壓同步調(diào)制，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種可能的組合。以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)為例，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－U0五種組合。即
I6－U6：
Dxα=mumisin(60°－θi)sin(60°－θv) （4）
I6-U1：
Dxβ=mumisin(60°－θi)sinθv （5）
I1－U6：
Dyα=mumisinθisin(60°－θv) （6）
I1－U1：
Dyβ=mumisinθisinθv （7）
I0－U0：
D0=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ （8）
式中：mi為電流的調(diào)制系數(shù)；
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