一種基于60°坐標(biāo)系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力轉(zhuǎn)換裝置，具體涉及一種基于60°坐標(biāo)系的間接空間矢量矩 陣變換器的控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，直流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、無法適應(yīng)高壓大容量高 速場(chǎng)合、需經(jīng)常維護(hù)以及受環(huán)境限制等缺點(diǎn)，而交流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、體積小、重量輕、維護(hù)簡單以及可適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動(dòng) 領(lǐng)域成為了發(fā)展趨勢(shì)。隨著電力半導(dǎo)體的迅速發(fā)展和PWM調(diào)制技術(shù)的日益成熟，交流傳動(dòng) 電源在工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活也得到了廣泛應(yīng)用，并且開始逐步取代直流的趨 勢(shì)。
[0003] 現(xiàn)代供電系統(tǒng)通常采用交流供電，而交流傳動(dòng)電源主要是采用交-直-交間接變 換和交-交直接變換來得到。由于選擇不同的開關(guān)器件，使得交-直-交變換器具有不同 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1(a)中采用了二極管不控整流和全控型器件PWM可控逆變構(gòu)成的PWM變 換器，輸出電壓近似正弦，電路結(jié)構(gòu)和控制方法相對(duì)簡單，但不控整流和LC濾波電路會(huì)對(duì) 輸入電流造成影響，使得輸入電流發(fā)生畸變，諧波增大，輸入功率因數(shù)偏低，能量無法實(shí)現(xiàn) 雙向流動(dòng)，并且需要體積龐大的中間直流儲(chǔ)能大電容；圖1(b)中整流和逆變均采用全控型 器件構(gòu)成的雙PWM變換器，解決了前面不控整流的問題，實(shí)現(xiàn)了輸入電流和輸出電壓的正 弦特性，且能量可雙向流動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)運(yùn)行，但該結(jié)構(gòu)同樣需要體積龐大的中 間直流儲(chǔ)能大電容。
[0004] 交-交直接變換器采用晶閘管構(gòu)成的交-交變頻電路，也稱為周波變換器。為了 讓三相輸入交流和負(fù)載部分的三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)功率低頻的直接傳遞，可采用對(duì)晶閘管相 控整流達(dá)到，主要應(yīng)用在大功率低速運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械中。交-交直接變換器采用余弦交點(diǎn) 法觸發(fā)控制方式來實(shí)現(xiàn)輸出波形的正弦變化，由于沒有中間直流環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一次變換，并 利用電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)晶閘管的自然換流，提高了變換效率，且實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)和四象 限運(yùn)行，使整個(gè)系統(tǒng)的能耗降低。由于采用移相觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的功率變換，使得電流和電壓 波形畸變嚴(yán)重且諧波含量豐富，對(duì)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的影響很大，且調(diào)頻范圍比較窄，通常為電 源頻率的1/3~1/2,控制方法雖然比較簡單，但是其能夠得到的輸入功率因數(shù)較低，且實(shí) 現(xiàn)控制的線路比較復(fù)雜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明提供了一種基于60°坐標(biāo)系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統(tǒng)及控 制方法，其為一種穩(wěn)定、高效、可靠的電力轉(zhuǎn)換裝置，具有輸出調(diào)頻調(diào)幅廣、輸入輸出波形正 弦化、控制自由度大、能量雙向流動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的基于60°坐標(biāo)系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統(tǒng)，包括與阻感負(fù) 載相連的雙向開關(guān)矩陣電路、通過驅(qū)動(dòng)電路與雙向開關(guān)矩陣電路相連的控制電路及三相交 流電源，為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案在于：所述雙向開關(guān)矩陣電路由個(gè)具有雙向阻 斷能力和自關(guān)斷能力的功率器件組成，形成3*3的開關(guān)陣列，每一個(gè)輸出相都由一個(gè)雙向 開關(guān)與三相輸入端分別相連，三相交流電源通過帶阻尼電阻輸入濾波器連接雙向開關(guān)矩陣 電路，帶阻尼電阻輸入濾波器連接雙向開關(guān)矩陣電路構(gòu)成三相-三相矩陣變換器，雙向開 關(guān)矩陣電路的兩端連接箝位電路，三相交流電源與帶阻尼電阻輸入濾波器之間的母線通過 輸入相電壓過零檢測(cè)電路連接控制電路，雙向開關(guān)矩陣電路與阻感負(fù)載之間的母線通過負(fù) 載電流極性檢測(cè)電路連接控制電路。
[0007] 作為本控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述箝位電路由接觸器KM1、接觸器KM2及接觸器 KM3構(gòu)成，接觸器KM1主觸點(diǎn)與三相-三相矩陣變換器、接觸器KM3主觸點(diǎn)串聯(lián)后與接觸器 KM2并聯(lián)，最后經(jīng)熱繼電器FR與作為負(fù)載電阻的電動(dòng)機(jī)Μ串聯(lián)，控制電路通過相互并聯(lián)的中 間繼電器ΚΑ1線圈、中間繼電器ΚΑ2線圈、中間繼電器ΚΑ3線圈與三相-三相矩陣變換器相 連，中間繼電器ΚΑ2線圈與三相-三相矩陣變換器之間設(shè)有中間繼電器ΚΑ3的常閉觸點(diǎn)，中 間繼電器ΚΑ3線圈與三相-三相矩陣變換器之間設(shè)有中間繼電器ΚΑ2的常閉觸點(diǎn)；所述雙 向開關(guān)矩陣電路由工頻-變頻啟動(dòng)停止開關(guān)電路和報(bào)警電路構(gòu)成，所述工頻-變頻啟動(dòng)停 止開關(guān)電路中的接觸器ΚΜ1線圈、接觸器ΚΜ2線圈、接觸器ΚΜ3線圈相互并聯(lián)后與三相-三 相矩陣變換器相連，接觸器ΚΜ1線圈的支路上依次串聯(lián)有中間繼電器ΚΑ1的常開觸點(diǎn)、啟動(dòng) 按鈕SB1、停止按鈕SB2，接觸器ΚΜ2線圈的支路上依次串聯(lián)有接觸器ΚΜ3常閉觸點(diǎn)、中間繼 電器KA2常開觸點(diǎn)，接觸器KM3線圈支路上依次串聯(lián)有接觸器KM2常閉觸點(diǎn)、中間繼電器 KA3常開觸點(diǎn)；所述報(bào)警電路中的振鈴HA、報(bào)警燈HL及中間繼電器ΚΑ0線圈相互并聯(lián)后依 次經(jīng)復(fù)位按鈕SB3和中間繼電器ΚΑ0常開觸點(diǎn)連接三相-三相矩陣變換器。在出現(xiàn)故障時(shí)， 接觸器KM2主觸點(diǎn)閉合，接觸器KM3主觸點(diǎn)斷開，三相-三相矩陣變換器被短接，實(shí)現(xiàn)工頻 輸出，由電網(wǎng)直接給電動(dòng)機(jī)Μ供電，從而對(duì)三相-三相矩陣變換器進(jìn)行保護(hù)。
[0008] 作為本控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向開關(guān)為背靠背結(jié)構(gòu)共發(fā)射極方式的雙向 開關(guān)，可流過雙向電流，且能對(duì)電流在兩個(gè)方向上進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)安全換流，具有在任 意時(shí)刻導(dǎo)通元件少、導(dǎo)通損耗小的優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 作為本控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路由單相電源經(jīng)驅(qū)動(dòng)電源電路 進(jìn)行供電。
[0010] 作為本控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，輸入相電壓過零檢測(cè)電路和負(fù)載電流極性檢測(cè)電 路分別通過信號(hào)調(diào)理電路連接控制電路，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)調(diào)整放大后傳遞給控制電 路，以提高信號(hào)傳遞的精準(zhǔn)性。
[0011] 作為本控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制電路連接輸出電壓頻率給定電路和保護(hù) 電路，
[0012] 本發(fā)明的基于60°坐標(biāo)系的間接空間矢量矩陣變換器的控制方法，采用的技術(shù)方 案在于由以下步驟構(gòu)成：
[0013]步驟一、依靠雙空間矢量調(diào)制技術(shù)SVPWM將三相-三相矩陣變換器等效成虛擬的 交-直-交結(jié)構(gòu)，雙空間矢量調(diào)制技術(shù)SVPWM分別通過虛擬整流側(cè)VSR和虛擬逆變側(cè)VSI 根據(jù)三相交流電源的輸入電壓計(jì)算出虛擬的交-直-交結(jié)構(gòu)中的虛擬直流側(cè)電壓和虛擬直 流側(cè)電流，
[0014] 在計(jì)算虛擬直流側(cè)電壓的過程中，對(duì)虛擬逆變側(cè)VSI的輸出線電壓U。進(jìn)行SVPWM 調(diào)制時(shí)，可令虛擬逆變側(cè)VSI的供電直流側(cè)電壓Upn =Ud。，根據(jù)輸出線電壓空間矢量U。的定 義：
[0015]
[0016]
獲得虛擬直流側(cè)電壓，
[0017] 在計(jì)算虛擬整流側(cè)電流的過程中，對(duì)虛擬整流側(cè)VSR的輸入相電流進(jìn)行SVPWM調(diào) 制時(shí)，
[0018] 可令虛擬整流側(cè)VSR產(chǎn)生的直流電流iP=Id。，根據(jù)輸入相電壓空間矢量Uiph的定 義：
[0019]
[0020]
獲得虛擬直流側(cè)電流；
[0021] 步驟二、利用計(jì)算出的虛擬直流側(cè)電壓Upn和虛擬直流側(cè)電流I@求出輸出電壓占 空比和輸出電流占空比，
[0022] 在某一時(shí)刻，輸出線電壓空間矢量由兩個(gè)相鄰的非零矢量Ua、Ue和一個(gè)零矢量U。 合成，則各矢量作用時(shí)間根據(jù)正弦定理得：
[0023]
[0024] 其中：d。、de、4分別為電壓矢量U。、Ue、U。的占空比，mvS電壓調(diào)制系數(shù)，且
為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，Θsv為輸出電壓矢量與扇區(qū)起始位置 之間的夾角，
[0025] 在某一時(shí)刻，輸入相電流空間矢量由兩個(gè)相鄰的非零矢量I、Ιγ和一個(gè)零矢量I。 合成，則各矢量作用時(shí)間根據(jù)正弦定理得：
[0026]
[0027]其中：du、dY、d。。分別為電流矢量Iμ、Ιγ、I。的占空比，為電流調(diào)制系數(shù)，且 0彡mc=Iini/Idc< 1，Tu、TY、TQc為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，Θsc為輸入電流矢量與扇區(qū)起始位置 之間的夾角；
[0028] 步驟三、利用輸出電壓占空比da、dp、dQv和輸出電流占空比ddpd。。計(jì)算出電 壓電流聯(lián)合占空比以及矢量作用時(shí)間，再根據(jù)30°坐標(biāo)系在之前所分區(qū)間分配矢量及作用 時(shí)間，再引入三相不衡帶來的誤差，求出最后的矢量作用時(shí)間和矢量分配情況，
[0029] 對(duì)虛擬整流側(cè)VSR的占空比九、dY、d。。和虛擬逆變側(cè)VSI的占空比da、de、(^進(jìn) 行整合，按式求出能夠同時(shí)控制輸出線電壓和輸出相電流的5個(gè)聯(lián)合占空比，兩者組合的 開關(guān)狀態(tài)能夠與每個(gè)綜合占空比相對(duì)應(yīng)，
[0030]
[0031] 其中：1'。、1'1、1'2、1'3、1'4為矢量作用時(shí)間，(1。 11、(1{!11、(1。，、(1{!,、(1。為聯(lián)合占空比，11