專利名稱：一種減小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流電能變換裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及空間矢量調(diào)制的三
相矩陣變換器的控制方法，以避免或減小由于PWM窄脈沖現(xiàn)象造成的輸出 波形畸變。
背景技術(shù)：
三相矩陣變換器1由9個(gè)雙向功率開關(guān)2按3x3開關(guān)矩陣形式構(gòu)成， 如圖1所示。其中Sij(i-A，B，C;j-a，b，c)表示一個(gè)雙向功率開關(guān)2，每個(gè)雙向 功率開關(guān)由兩個(gè)具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)采用"共
發(fā)射極"結(jié)構(gòu)構(gòu)成。矩陣變換器的輸入側(cè)為三相電網(wǎng)電壓3，分別用Ua，Ub,Uc
表示，在矩陣變換器與電網(wǎng)間接有輸入濾波器4。矩陣變換器的輸出側(cè)分別 用A， B， C表示，通常接交流電機(jī)或感性負(fù)載設(shè)備5。通過對(duì)9個(gè)雙向功 率開關(guān)通斷控制，可以實(shí)現(xiàn)幅值和頻率均可變化的輸出電壓。
9個(gè)雙向功率開關(guān)共有27種開關(guān)狀態(tài)，通常用3個(gè)一組的字母表示。 如abb，表示矩陣變換器的第一輸出相A通過雙向開關(guān)SAa與輸入相a相 連接，第二輸出相B通過雙向開關(guān)SBb與輸入相b相連接，第三輸出相C 通過雙向開關(guān)Scb與輸入相b相連接。27個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生24個(gè)有效空 間矢量和3個(gè)零矢量。根據(jù)空間矢量的基本調(diào)制原理，在每個(gè)調(diào)制周期中 共有5個(gè)開關(guān)狀態(tài)，分別產(chǎn)生4個(gè)有效空間矢量和1個(gè)零矢量。
根據(jù)輸入電流的空間矢量和期望輸出電壓的空間矢量，由矩陣變換器 直接空間矢量或間接空間矢量調(diào)制策略，可以確定每個(gè)調(diào)制周期中的5個(gè) 開關(guān)狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的占空比《M，《，^，^^。(或者持續(xù)時(shí)間7;， 7^，
7>"， rc)。然后，按照5個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制順序以及開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)
間，控制9個(gè)雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣變換器的控制。通常，5個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制順序按照開關(guān)切換次數(shù)最少來(lái)安排。
當(dāng)矩陣變換器的5個(gè)開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，即輸出相從一個(gè)輸入相切換到 另一輸入相時(shí)，必須采用換流策略，嚴(yán)格地按照換流步驟關(guān)斷和開通相應(yīng) 的功率開關(guān)，以保證在換流過程中輸入相不短路以及輸出相不開路。換流 所需時(shí)間(換流時(shí)間)K取決于所采用的換流步驟以及功率開關(guān)器件的開 通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)根據(jù)空間矢量調(diào)制策略計(jì)算得到的某個(gè)雙向功率開關(guān)狀 態(tài)的持續(xù)時(shí)間小于換流時(shí)間K時(shí)，該雙向功率開關(guān)形成PWM窄脈沖，如 果對(duì)窄脈沖不予處理，就會(huì)造成換流邏輯混亂。
以輸出線電壓空間矢量和輸入電流空間矢量均在1扇區(qū)為例，產(chǎn)生4 個(gè)有效空間矢量的雙向功率開關(guān)狀態(tài)分別是，abb， aab， aac， acc，圖2為 窄脈沖形成示意圖。圖2a、圖2b和圖2c分別顯示了零矢量后置、零矢量 前置和零矢量中置時(shí)9個(gè)雙向功率開關(guān)PWM調(diào)制圖，其中，
^ = L,r2 = 7; ，r3 = 7> ，7; =7^為產(chǎn)生有效空間矢量開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。
在圖2a中，當(dāng)7^2K時(shí)，雙向功率開關(guān)SBb的調(diào)制脈沖為窄脈沖，或當(dāng)
(r7+r2) <27;時(shí)，雙向功率開關(guān)Scb和Scc形成窄脈沖，或(r2+r3) <2rA
時(shí)，雙向功率開關(guān)SBa也會(huì)形成窄脈沖，而7><八時(shí)不會(huì)產(chǎn)生窄脈沖。同理，
在圖2b中，當(dāng)7KTfc或(r2+r3) <27;或(r3+r4) <7^時(shí)會(huì)形成窄脈沖，而
7><27;時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生窄脈沖。在圖2c中，當(dāng)7^<27^或(7^+r2) <27^或7><7^ 或(r3+7V) <7^時(shí)都會(huì)形成窄脈沖。
綜上所述，采用5個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制策略無(wú)論零矢量如何放置， 一旦
min( ;，7;,r3，7;) S 27;，就有可能形成窄脈沖。若不對(duì)窄脈沖進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚?br> 就會(huì)出現(xiàn)目前換流過程還未結(jié)束又開始下一個(gè)換流過程的混亂局面，導(dǎo)致 矩陣變換器輸入短路或輸出開路。
通常對(duì)窄脈沖的處理方法是采用丟棄窄脈沖開關(guān)狀態(tài)或延長(zhǎng)脈沖寬度
為換流時(shí)間7;的方法。兩種方法雖然避免了換流故障，但丟棄或增加脈沖
寬度會(huì)引起輸出電壓畸變。特別是矩陣變換器工作在低調(diào)制比時(shí)，窄脈沖
出現(xiàn)的概率極大，由此引起的輸出波形畸變迅速增大，當(dāng)調(diào)制比低于0.2時(shí)， 輸出波形質(zhì)量已不能滿足要求。
5Hidenori Hara等人于2005年在i侖文"Improvement of output voltage control performance for low-speed operation of matrix converter", (f氐速條"[牛下 矩陣變換器輸出電壓控制性能的改進(jìn))(IEEE transactions on power electronics, Vol.20， N0.6, November 2005)中針對(duì)雙電壓調(diào)制的矩陣變換器提 出了窄脈沖的處理方法，通過適當(dāng)拆分輸出矢量避免窄脈沖現(xiàn)象，但對(duì)空 間矢量調(diào)制的矩陣變換器沒有給出解決方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制技術(shù)的不足，提出了一種減 小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法，該方法可以避免或極大地 減小由于窄脈沖現(xiàn)象引起的輸出波形畸變問題。本發(fā)明提供的減小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法，其特征在于，當(dāng)任一調(diào)制周期7;內(nèi)的四個(gè)有效矢量的開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間中的最小值小于換流時(shí)間^的二倍時(shí)，在該調(diào)制周期中采用3個(gè)零矢量調(diào)制，即分 別在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之間以及第4個(gè)有效矢量之 后加入3個(gè)不同開關(guān)狀態(tài)的零矢量，3個(gè)零矢量持續(xù)時(shí)間之和等于零矢量總 持續(xù)時(shí)間K。在傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制方法中，只采用一個(gè)零矢量，在每個(gè)調(diào)制周期 中共有5個(gè)開關(guān)狀態(tài)，窄脈沖現(xiàn)象是不可避免的。本發(fā)明在窄脈沖可能出 現(xiàn)時(shí)采用3個(gè)不同的零矢量調(diào)制方法，在每個(gè)調(diào)制周期中共有7個(gè)開關(guān)狀態(tài)。由于低調(diào)制比時(shí)零矢量總持續(xù)時(shí)間r。很長(zhǎng)(r。等于調(diào)制周期7;減去全部有效矢量持續(xù)時(shí)間之和)，劃分為3個(gè)零矢量插入到有效空間矢量中，在不改變有效空間矢量持續(xù)時(shí)間(K， r2， ^， 7>)的前提下，相當(dāng)于加寬了 雙向功率開關(guān)的調(diào)制脈沖寬度，從根本上避免了開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間小于換 流時(shí)間所引起的窄脈沖現(xiàn)象，解決了由于窄脈沖引起的輸出波形畸變問題 ，大大提高低調(diào)制比時(shí)矩陣變換器的輸出波形質(zhì)量及低壓調(diào)壓范圍。當(dāng)沒有窄脈沖出現(xiàn)時(shí)(通常為高調(diào)制比時(shí))，仍然采用傳統(tǒng)的5個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制 方法，以減小開關(guān)損耗并保證高調(diào)制比要求。本發(fā)明不是采用補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)輸出波形的畸變進(jìn)行補(bǔ)償，因而不需要 增加額外的硬件電路和控制，只需調(diào)整空間矢量的調(diào)制方式，方法簡(jiǎn)單易 行。


圖1為三相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2為窄脈沖形成示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施方法流程圖。圖4為基于3個(gè)零矢量的空間矢量調(diào)制方法。圖5為本發(fā)明的調(diào)制方法避免窄脈沖的原理。圖6為采用本發(fā)明提供的實(shí)例的實(shí)施示意圖。圖7為實(shí)施本發(fā)明后的輸出波形。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的一種基于空間矢量調(diào)制的矩陣變換器避免窄脈沖現(xiàn)象的 調(diào)制方法，采用3個(gè)零矢量調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制混合的調(diào)制方式，其目的是在 避免或減小窄脈沖現(xiàn)象的同時(shí)滿足高調(diào)制比的要求和減小雙向功率開關(guān)損 耗。下面通過借助實(shí)施例和附圖更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅 是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。如圖3所示， 本實(shí)例的實(shí)施步驟包括(1) 根據(jù)傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制原理，確定每個(gè)調(diào)制周期7;內(nèi)4個(gè)有效 矢量的開關(guān)狀態(tài)，并計(jì)算4個(gè)開關(guān)狀態(tài)的占空比^u，。"，々 ， 。^。(2) 按照優(yōu)化開關(guān)次數(shù)的原則，得到4個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制次序、對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間k， r2， k， 7;,以及零矢量總持續(xù)時(shí)間k，當(dāng)輸出電壓扇區(qū)與輸入電流扇區(qū)之和為偶數(shù)時(shí)， T2 =《ZK = ^加Kr0 =7;-mr4 當(dāng)輸出電壓扇區(qū)與輸入電流扇區(qū)之和為奇數(shù)時(shí)，^=d= w^(3) 判斷k， r2， r3和7;中的最小值是否小于換流時(shí)間7;的二倍，如果小于27^表明可能出現(xiàn)窄脈沖，進(jìn)入(4)采用3個(gè)零矢量的調(diào)制方法， 否則進(jìn)入(7)采用傳統(tǒng)的調(diào)制方法。k為換流時(shí)間。(4) 判斷k是否大于等于57;，如果滿足條件進(jìn)入(5)采用3個(gè)零矢 量的調(diào)制方法避免窄脈沖出現(xiàn)，如果不滿足進(jìn)入(6)采用丟棄或延長(zhǎng)方法 對(duì)窄脈沖進(jìn)行處理。(5) 為了避免出現(xiàn)窄脈沖現(xiàn)象，在該調(diào)制周期內(nèi)插入3個(gè)不同的零矢 量開關(guān)狀態(tài)，所插入的3個(gè)零矢量開關(guān)狀態(tài)的選擇按照與前后開關(guān)狀態(tài)只 變化一個(gè)雙向功率開關(guān)的原則選取，即分別在第1有效矢量之前、第2和 第3有效矢量之間以及第4個(gè)有效矢量之后加入3個(gè)不同開關(guān)狀態(tài)的零矢量，采用這樣的調(diào)制方法在不改變持續(xù)時(shí)間r7， r2， r3， r4的前提下，相 當(dāng)于加寬了雙向功率開關(guān)的調(diào)制脈沖寬度。3個(gè)零矢量對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間依開 關(guān)次序分別為r。p rfl2, rfl3,為減小輸出共模電壓，建議7^=7^=27; , r。3= (2vr。廣7^)。 仍然以輸出電壓空間矢量和輸入電流空間矢量均在1扇區(qū)為例，分別插入3個(gè)零矢量bbb， aaa和ccc， 7個(gè)開關(guān)狀態(tài)以及調(diào)制次序?yàn)閎bb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc,圖4給出了基于本發(fā)明的7個(gè)開關(guān)狀態(tài)和調(diào)制 次序，圖5為本發(fā)明調(diào)制方法避免出現(xiàn)窄脈沖現(xiàn)象的原理。從圖5可以清楚地看到，當(dāng)插入3個(gè)零矢量開關(guān)狀態(tài)，且每個(gè)零矢量持續(xù)時(shí)間r02, r^按本發(fā)明方法計(jì)算，客觀上將每個(gè)雙向功率開關(guān)的持續(xù)時(shí)間增加了 rw 或7^2或7^，這樣即使r,， r2， r3， z;中任何一個(gè)持續(xù)時(shí)間小于換流時(shí)間， 也能保證每個(gè)雙向功率開關(guān)的持續(xù)時(shí)間都大于換流時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)窄脈沖 現(xiàn)象。本發(fā)明要求在r;57;時(shí)才能采用3個(gè)零矢量的調(diào)制策略，是為了保證3個(gè)零矢量對(duì)應(yīng)的雙向功率開關(guān)均不產(chǎn)生窄脈沖現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，在7;-200^is， 7^=4^的工況下，調(diào)制比在0-0.862范圍內(nèi)，出現(xiàn)min(r;, r2， 7}， r》<2rA，且7^57;的概率是100%,隨著調(diào)制比的增加，7^57^的概率減小，在調(diào)制比為0.866時(shí)，出現(xiàn)min(7;， r2, 7^， 7>)<27;，且7^57;的概率是94.4%。研究表明，在調(diào)制比(M).862范圍內(nèi)， 采用3個(gè)零矢量調(diào)制方法能完全避免窄脈沖現(xiàn)象；當(dāng)調(diào)制比高于0.862時(shí)， 絕大多數(shù)窄脈沖現(xiàn)象可以通過3個(gè)零矢量調(diào)制方法避免，在調(diào)制比為0.866 時(shí)，94.4%的窄脈沖可以通過3個(gè)零矢量調(diào)制方法避免，僅有5.6%的狀況 不能采用3個(gè)零矢量調(diào)制，需要對(duì)窄脈沖進(jìn)行丟棄或延長(zhǎng)處理。由于調(diào)制 比很高，無(wú)論是丟棄窄脈沖或是延長(zhǎng)窄脈沖，所引起的輸出波形畸變已相 當(dāng)不明顯了。(6) 當(dāng)7VC57^時(shí)，采用延長(zhǎng)窄脈沖的處理方法重新計(jì)算r/， k， k，j;。將7}， 7}， k， 7;中小于27;的持續(xù)時(shí)間均延長(zhǎng)到不小于27;，延長(zhǎng)的時(shí)間應(yīng)從其它大于2r力的持續(xù)時(shí)間中減去，重新計(jì)算后，各持續(xù)時(shí)間應(yīng)該滿(7) 將7^, rC2, rw中的一個(gè)量取值為r。，剩余二個(gè)量取值為o，然 后采用傳統(tǒng)的5個(gè)開關(guān)狀態(tài)(r7， r2， k， 7p調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。T^具體可以按下列方法之一進(jìn)行計(jì)算方法一i個(gè)零矢量前置，r。尸r。， r。2=rw=0方法二 i個(gè)零矢量中置，r02=r0， rw=r03=o 方法三i個(gè)零矢量后置，r。3=rc， r02=rw=0 若采用電壓型換流策略，建議采用零矢量中置的調(diào)制方法二(原因參見發(fā)明專利200720088237.5)。(8)換流控制電路根據(jù)雙向功率開關(guān)狀態(tài)調(diào)制次序以及持續(xù)時(shí)間安排 矩陣變換器的9個(gè)雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流控制。上述3個(gè)零矢量的混合調(diào)制方法的實(shí)施如圖6所示，其中步驟(1)和 (2)由數(shù)字信號(hào)處理器DSPTMS320LF2407實(shí)現(xiàn)，控制程序用匯編語(yǔ)言編 寫，步驟(3) ， (8)由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGAEP2C8T144C8實(shí)現(xiàn)，其 中步驟(8)換流控制電路控制程序?yàn)橐延屑夹g(shù)。上述避免窄脈沖現(xiàn)象的調(diào)制方法已在一臺(tái)矩陣變換器帶感性負(fù)載電路 裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并取得了很好地減小輸出波形畸變效果。在低調(diào) 制比為0.0866的工況下，采用傳統(tǒng)5個(gè)開關(guān)狀態(tài)調(diào)制和本發(fā)明混合調(diào)制方 法的矩陣變換器輸出電流波形如圖7所示。其中圖7a為采用1個(gè)零矢量中 置調(diào)制方法的電流波形，為避免窄脈沖現(xiàn)象采用延長(zhǎng)窄脈沖寬度等于換流 時(shí)間K的方法，輸出電流波形由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變。圖7b為采用3個(gè)零 矢量和1個(gè)零矢量中置的混合調(diào)制的電流波形，可以看到，采用本發(fā)明的 調(diào)制方法可以避免或減小窄脈沖現(xiàn)象引起的輸出波形畸變，特別是很好地 改善了矩陣變換器在低調(diào)制比情況下的輸出波形。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施 例和附圖公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此， 凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都 落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種減小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法，其特征在于，當(dāng)任一調(diào)制周期Ts內(nèi)的四個(gè)有效矢量的開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間中的最小值小于換流時(shí)間Th的二倍時(shí)，在該調(diào)制周期中采用3個(gè)零矢量調(diào)制，即分別在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之間以及第4個(gè)有效矢量之后加入3個(gè)不同開關(guān)狀態(tài)的零矢量，3個(gè)零矢量持續(xù)時(shí)間之和等于零矢量總持續(xù)時(shí)間T0。
2、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的空間矢量調(diào)制方法，其特征在于，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟包括第i步根據(jù)傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制原理，確定每個(gè)調(diào)制周期7;內(nèi)4個(gè)有效矢量的開關(guān)狀態(tài)，并計(jì)算4個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的占空比d自，C"， ^， ^^; 第2步按照優(yōu)化開關(guān)次數(shù)的原則，得到4個(gè)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制次序；同時(shí)，分別利用下式(i)或(ii)計(jì)算對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間^， r2， k， 7>， 以及零矢量總持續(xù)時(shí)間r0，當(dāng)輸出電壓扇區(qū)與輸入電流扇區(qū)之和為偶數(shù)時(shí)，<r3=W (I) K = 4義當(dāng)輸出電壓扇區(qū)與輸入電流扇區(qū)之和為奇數(shù)時(shí)，<formula>formula see original document page 2</formula>第3步判斷k， r2， r3和r4中的最小值是否小于換流時(shí)間z;的二倍，如果是，進(jìn)入第4步，否則進(jìn)入第7步；第4步判斷k是否大于等于57^，如果滿足條件進(jìn)入第5步，如果不滿足進(jìn)入第6步；第5步分別在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之間以及第4 個(gè)有效矢量之后加入3個(gè)不同開關(guān)狀態(tài)的零矢量，然后進(jìn)入第8步；第6步采用延長(zhǎng)窄脈沖的處理方法重新計(jì)算T^， T^， 7>， 7;，重新計(jì)算后得到的各持續(xù)時(shí)間滿足r,+r2+r,7;+:^ =r,，然后進(jìn)入第8步； 第7步將rw, rfl2, T^中的一個(gè)量取值為r。，剩余二個(gè)量取值為o，然后采用傳統(tǒng)的5個(gè)開關(guān)狀態(tài)調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制；第8步根據(jù)雙向功率開關(guān)狀態(tài)調(diào)制次序以及持續(xù)時(shí)間安排矩陣變換器中各雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法，其特征在于當(dāng)某調(diào)制周期內(nèi)的四個(gè)有效矢量的開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的最小值小于換流時(shí)間的二倍時(shí)，在該調(diào)制周期中采用3個(gè)零矢量調(diào)制，即分別在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之間以及第4個(gè)有效矢量之后加入，其和等于零矢量總持續(xù)時(shí)間T0。本發(fā)明在不改變有效空間矢量持續(xù)時(shí)間的前提下，從根本上避免了開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間小于換流時(shí)間所引起的窄脈沖現(xiàn)象，解決了由于窄脈沖引起的輸出波形畸變問題，較大地提高低調(diào)制比時(shí)矩陣變換器的輸出波形質(zhì)量及低壓調(diào)壓范圍。當(dāng)沒有窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，仍然采用傳統(tǒng)的調(diào)制方法，以減小開關(guān)損耗并保證高調(diào)制比要求。本發(fā)明只需調(diào)整空間矢量的調(diào)制方式，方法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)H02M5/257GK101599704SQ20091006308
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者必 何, 佘宏武, 樺 林, 王興偉 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)