一種抑制三相-五相矩陣變換器共模電壓的調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于驅(qū)動五相電機(jī)的電力電子功率變換器控制領(lǐng)域，具體地說，是一種抑 制三相-五相矩陣變換器共模電壓的調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于矩陣變換器電路中含有電力電子功率器件，當(dāng)采用空間矢量調(diào)制時(shí)，其電力 電子理想開關(guān)工作在高頻狀態(tài)，輸出電壓均為高頻脈寬調(diào)制電壓，共模電壓為矩陣變換器 輸出電壓的共模成分，產(chǎn)生在負(fù)載的中性點(diǎn)處，因此，共模電壓也為高頻脈沖電壓。由于電 力電子器件工作在高頻處，共模電壓會出現(xiàn)較高的du/dt，其對電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈 的沖擊作用，激勵(lì)系統(tǒng)雜散電容和寄生耦合電容產(chǎn)生共模漏電流，該電流通過接地導(dǎo)體流 回電網(wǎng)產(chǎn)生較大的共模電磁干擾（EMI)。同時(shí)，共模電壓將通過電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、氣隙及大 地之間的分布電容，形成轉(zhuǎn)軸到定子的軸電壓，當(dāng)軸電壓通過軸承油膜時(shí)，將形成轉(zhuǎn)軸和定 子間的軸電流，從而引起電機(jī)軸承損壞。此外，當(dāng)電機(jī)和變頻器之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，長線電纜 傳輸有可能產(chǎn)生共模過壓現(xiàn)象，加劇共模電壓負(fù)面效應(yīng)。
[0003] 減小共模電壓引起的負(fù)面影響并保持矩陣變換器良好的輸入、輸出特性顯得尤為 重要。從共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，目前已經(jīng)成熟的共模電壓抑制方法主要包括以下幾 種：
[0004] (1)利用濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)共模電壓幅頻特性，采用截止頻率遠(yuǎn)小于開關(guān) 頻率的低通濾波器，可以有效地抑制變換器輸出端產(chǎn)生的高階諧波電流，達(dá)到降低甚至消 除共模電壓的目的；
[0005] (2)改善矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用軟開關(guān)技術(shù)改善矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即 用零電壓開關(guān)的方法抑制高du/dt，輸出電壓不存在突變。但有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，軟開關(guān)技術(shù)不 能從本質(zhì)上解決共模電壓的問題；
[0006] (3)從矩陣變換器的調(diào)制策略入手，找出產(chǎn)生共模電壓的內(nèi)在本質(zhì)，在控制矩陣變 換器開關(guān)動作時(shí)，盡量避免使用產(chǎn)生共模電壓的零矢量組合。因此，采用合理優(yōu)化零矢量位 置或使用有效矢量來代替零矢量的調(diào)制策略，可以降低共模電壓。
[0007] 前兩種方法無疑在不同程度上增加了變換器的體積、重量及損耗等；而后一種方 法則增加了開關(guān)次數(shù)及開關(guān)損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明基于在調(diào)制過程中，由于矩陣變換器的理想開關(guān)工作在高頻狀態(tài)，則在負(fù) 載中性點(diǎn)與地之間產(chǎn)生高頻共模電壓，而共模電壓是造成電機(jī)絕緣老化和電磁干擾，影響 軸承使用壽命的事實(shí)。
[0009] 本發(fā)明的目的是，為了降低三相-五相矩陣變換器在調(diào)制過程中產(chǎn)生的共模電 壓，鑒于零矢量的參與是導(dǎo)致共模電壓最大的本質(zhì)，提出了科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，即能夠降 低共模電壓，又能夠減小開關(guān)次數(shù)及開關(guān)損耗，進(jìn)而提高電機(jī)、開關(guān)和軸承使用壽命的一種 抑制三相-五相矩陣變換器共模電壓的調(diào)制方法。
[0010] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種抑制三相-五相矩陣變換器共模電壓的 調(diào)制方法，它包括的內(nèi)容有：由十五個(gè)理想開關(guān)組成三相-五相矩陣變換器，所述十五個(gè)理 想開關(guān)將三相輸入電源與五相負(fù)載相連，其中任意一相負(fù)載通過其中的三個(gè)理想開關(guān)與三 相輸入相連；其特征在于：應(yīng)用間接變換法，將三相-五相矩陣變換器等效為虛擬整流器 (1)和虛擬逆變器（2)，對于虛擬整流器（1)是將輸入相電壓劃分為六個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間 內(nèi)選擇兩個(gè)最大且極性為正的線電壓來合成輸出直流電壓，并使輸出不含零電壓；對于虛 擬逆變器（2)是應(yīng)用空間電壓矢量調(diào)制，虛擬逆變器（2)輸出的十個(gè)大矢量、十個(gè)中矢量和 十個(gè)小矢量共劃分為十個(gè)扇區(qū)，在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)僅選擇兩個(gè)大矢量和兩個(gè)中矢量來合成參考 矢量；進(jìn)而分別推導(dǎo)出虛擬整流器（1)和逆變器（2)的開關(guān)調(diào)制式。
[0011] 所述虛擬整流器（1)的開關(guān)調(diào)制式為：
[0012] U^={TrU_X+Tm-U.t_)/T;
[0013] 所述虛擬逆變器（2)的開關(guān)調(diào)制式為：
[0014]
[0015] 式中，Gdc為虛擬整流器⑴輸出的最大直流電壓局部平均值；u_x和uinud分別為 三相-五相矩陣變換器輸入線電壓的最大值和中間值；輸出電壓合成的參考電壓矢 量；υα和ue分別為urrf在所在扇區(qū)相鄰的矢量方向上的分量；υα1、υρ1和υαηι、υΡηι分別為 所在扇區(qū)內(nèi)相鄰的大矢量和中矢量，Ua、UaJPUαηι同向，UpUjn和υΡηι同向；TjPTm分別 為輸入線電壓U_和uinad所對應(yīng)虛擬整流器⑴理想開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間；TuJjn、!'。，！'Ρηι 分別為Uα:、UΡ1、Uα "和Ue "的作用時(shí)間，亦即Uα:、UΡ1、Uα "和Ue "所對應(yīng)逆變器⑵理想開 關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間；TS為調(diào)制周期。
[0016] 1)用Uini表示三相-五相矩陣變換器輸入相電壓幅值；根據(jù)PWM調(diào)制原理，確定控 制參與合成所述虛擬整流器（1)輸出直流電壓的兩個(gè)輸入線電壓uimx和uinad所對應(yīng)的兩 組理想開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間TjPTm;根據(jù)空間矢量調(diào)制原理，確定合成所述虛擬逆變器（2)參 考電壓矢量的兩個(gè)大矢量和兩個(gè)中矢量所對應(yīng)理想開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間Tu、!^和T 傳 統(tǒng)空間矢量調(diào)制時(shí)，當(dāng)五相輸出均連接到三相輸入相電壓中絕對值最大的一相時(shí)，共模電 壓為最大，且與三相-五相矩陣變換器輸入相電壓幅值Uini相等，此時(shí)，三相輸入相電壓中絕 對值最大的一相相連的五個(gè)理想開關(guān)均為閉合狀態(tài)；對應(yīng)的電壓矢量為零電壓矢量；
[0017] 2)通過所述虛擬整流器（1)的開關(guān)調(diào)制式和虛擬逆變器（2)的開關(guān)調(diào)制式，合成 三相-五相矩陣變換器所述虛擬整流器（1)的輸出直流電壓和所述虛擬逆變器（2)的輸出 電壓參考矢量，在整個(gè)調(diào)制過程中沒有零電壓矢量參與；
[0018] 3)根據(jù)PWM和空間矢量調(diào)制原理，將三相-五相矩陣變換器虛擬整流器⑴輸入 相電壓和虛擬逆變器（2)輸出相電壓進(jìn)行區(qū)間和扇區(qū)劃分，并根據(jù)三相-五相矩陣變換器 虛擬整流器（1)的輸入相電壓區(qū)間和虛擬逆變器（2)的輸出相電壓扇區(qū)，分別確定虛擬整 流器（1)和虛擬逆變器（2)處于導(dǎo)通狀態(tài)的理想開關(guān)，并選擇與之對應(yīng)的三相-五相矩陣 變換器的十五個(gè)理想開關(guān)的驅(qū)動信號。
[0019] 本發(fā)明的一種抑制三相-五相矩陣變換器共模電壓的調(diào)制方法，是在空間矢量調(diào) 制原理的基礎(chǔ)上，對虛擬整流器和虛擬逆變器采用無零矢量的調(diào)制，不僅降低了共模電壓， 也減小了開關(guān)次數(shù)及開關(guān)損耗，其方法科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，有助于提高電機(jī)、開關(guān)和軸承 的使用壽命，經(jīng)驗(yàn)證，采用本發(fā)明的方法，在保證輸入和輸出為正弦波，且輸入功率因數(shù)為1 的前提下，可有效降低共模電壓27. 9%。
【附圖說明】
[0020] 圖1為三相-五相矩陣變換器基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為三相-五相矩陣變換器等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3為實(shí)際應(yīng)用中，所述三相-五相矩陣變換器及其等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中雙向開關(guān)的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4為三相-五相矩陣變換器等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，虛擬整流器（1)輸入相電壓在一 個(gè)周期內(nèi)劃分為6個(gè)區(qū)間劃分圖；
[0024] 圖5為三相-五相矩陣變換器等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，虛擬逆變器（2)的30個(gè)有效矢量 和兩個(gè)零矢量電壓空間矢量分布情況圖；
[0025]圖6為參考電壓矢量位于其中某一扇區(qū)內(nèi)的合成狀態(tài)圖；
[0026] 圖7為三相-五相矩陣變換器與其等效拓?fù)渲g的其中一種開關(guān)組合等效原理 圖；
[0027] 圖8為傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制下，三相-五相矩陣變換器輸入電壓位于第二區(qū)間，輸出 電壓位于第一扇區(qū)時(shí)的開關(guān)狀態(tài)及共模電壓波形；
[0028] 圖9為本發(fā)明調(diào)制方法下三相-五相矩陣變換器輸入電壓位于第二區(qū)間，輸出電 壓位于第一扇區(qū)時(shí)的開關(guān)狀態(tài)及共模電壓波形；
[0029] 圖10為傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制下，三相-五相矩陣變換器輸入電壓、電流波形，輸出相 電壓波形，輸出五相電流波形及共模電壓波形圖；
[0030] 圖11為本發(fā)明調(diào)制方法下，三相-五相矩陣變換器輸入電壓、電流波形，輸出相電 壓波形，輸出五相電流波形及共模電壓波形圖；
[0031] 圖中：1·虛擬整流器，2.虛擬逆變器。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0033]參照圖1和圖2,ua、ub、11。和ia、ib、分別表示三相輸入相電壓和輸入電流；uA、 uB、uc、uD、叫和iA、iB、ic、iD、iE分另lj表示五相輸出電壓和輸出電流；S.jk (j=A,B,C,D,E;k= a,b,c)代表圖1中連接對應(yīng)輸入、輸出相的雙向功率開關(guān)；Skw(k=a,b,c;w=p,n)代表 圖2中虛擬整流器⑴對應(yīng)的雙向功率開關(guān)；Sjw(j=A,B，C，D，E;w=p，n)代表圖2中虛 擬逆變器（2)對應(yīng)的雙向功率開關(guān)。參照圖3,在實(shí)際應(yīng)用中雙向開關(guān)是由獨(dú)立的電力電子 開關(guān)器件組合而成的。
[0034] 由于矩陣變換器輸入側(cè)連接電壓源，而輸出側(cè)連接感性負(fù)載，相當(dāng)于電流源，為了 保證矩陣變換器的安全運(yùn)行，在調(diào)制過程中需滿足輸入相間不能短路和輸出各相不能開路 的條件，因此任意時(shí)刻矩陣變換器的每一輸出相只能連至一個(gè)輸入相，這樣三相-五相矩 陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中允許的理想開關(guān)組合共有勻C^^C；C;=243種形式。
[0035] 下面結(jié)合圖2所示的三相-五相矩陣變換器等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對其虛擬整流器（1) 和虛擬逆變器（2)分別進(jìn)行無零矢量調(diào)制。
[0036] 對于虛擬整流器（1)，把輸入相電壓的周期分成6個(gè)電壓區(qū)間，如圖4所示。每個(gè) 區(qū)間具有相同的特點(diǎn)：其中一相的電壓絕對值為最大值，而另外兩相電壓極性相反。在每個(gè) 區(qū)間內(nèi)選擇相應(yīng)的兩個(gè)最大且極性為正的線電壓合成虛擬整流器（1)輸出的直流電壓，且 無零電壓矢量參與，這樣一個(gè)采樣周期可分為兩個(gè)階段。以輸入電壓在二區(qū)間為例，設(shè)虛擬 整流器⑴的輸出直流電壓為upn，用來合成輸出直流電壓upn的兩個(gè)最大且極性為正的線 電壓為UajPua。，在采樣周期的第一階段，輸出直流電壓upn由輸入線電壓uab供給，即upn = uab，虛擬整流器（1)開關(guān)Sap和Sbn導(dǎo)通；在第二階段，輸出直流電壓upn由輸入線電壓ua。供 給，即upn=ua。，虛擬整流器（1)開關(guān)Sap和導(dǎo)通。每個(gè)區(qū)間內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。
[0037] 在采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻的情況下，一個(gè)采樣周期內(nèi)的線電壓可以看作恒定值， 近似等于采樣點(diǎn)的值。假設(shè)虛擬整流器（1)輸出的最大直流電壓平均值為仏。，根據(jù)以上分 析可得到如下關(guān)系：
[0038] Udc=(Tb ·uab+Tc ·uac)/Ts (1)
[0039] 表1虛擬整流器（1)的開關(guān)狀態(tài)及輸出直流電壓
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