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基于空間矢量調制的三相矩陣式變換器
摘要：介紹了空間矢量調制的雙向開(kāi)關(guān)矩陣式變換器的設計和實(shí)現方法�？臻g矢量調制采用輸出線(xiàn)電壓和輸入電流矢量進(jìn)行同步調節的控制策略，能實(shí)現矩陣式變換器輸入輸出波形為良好正弦、功率因數為1，并能確保感應電機良好工作。為了實(shí)現這種控制策略并把PWM波送到相應的開(kāi)關(guān)，采用了數字信號處理(DSP)技術(shù)和通用邏輯陣列（GAL）技術(shù)。仿真和實(shí)驗結果驗證了這種控制策略的實(shí)際可行性。引言
隨著(zhù)可控交流電氣傳動(dòng)的發(fā)展，PWM變頻器的應用為自動(dòng)化和節能贏(yíng)得了可觀(guān)的效益，同時(shí)也帶來(lái)了諧波污染、低功率因數、直流濾波電容壽命有限等負面影響。而“綠色”變頻器應具備輸入和輸出電流都是正弦波；輸入功率因數可控，帶任何負載都能使功率因數為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：
圖1
--輸入功率因數正負可調，輸出電壓頻率連續調節，功率可雙向流動(dòng)；
--無(wú)直流母線(xiàn)環(huán)節，傳遞能量密度高；
--輸入波形好，無(wú)低次諧波，波形失真度��；
--體積小，結構緊湊。
正因為矩陣式變換器具有如此明顯的優(yōu)勢，近年來(lái)它已成為電力電子研究的熱點(diǎn)之一。
圖2
1 矩陣式變換器的結構
3φ－3φ矩陣式變換器是一種強迫換相的交-交變換器，它由9個(gè)可控的雙向開(kāi)關(guān)，利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負載所需的變壓變頻電源。其結構如圖1所示。輸入側的L－C濾波器可有效減少輸入電流的開(kāi)關(guān)頻率諧波。
采用空間矢量調制時(shí)，矩陣式變換器認為是兩個(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-交結構。
2 空間矢量調制（SVM）
能滿(mǎn)足輸入電壓不被短路、輸出電流不突然開(kāi)路的矩陣式變換器開(kāi)關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交-直-交變換中找不到對應的開(kāi)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(kāi)關(guān)組合�？捎玫�21種開(kāi)關(guān)組合。
三相開(kāi)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。括號中的數字，第一位表示A相，第二位表示B相，第三位表示C相，當某一相的上橋臂開(kāi)關(guān)導通時(shí)記為1，下橋臂開(kāi)關(guān)導通時(shí)記為0。利用這些電壓空間矢量的線(xiàn)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(lái)合成新的矢量，各矢量的作用時(shí)間可用開(kāi)關(guān)周期Ts中的占空比來(lái)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為電壓調制系數，
同理對于虛擬整流器部分也可采用復空間表達方式定義輸入相電流矢量，獲得輸入電流空間矢量調制的方案。
雙空間矢量PWM調制是對輸入電流和輸出電壓同步調制，逆變器部分的理想輸出線(xiàn)電壓基準矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準矢量圓都被劃分為6個(gè)扇區，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扇區為例，整個(gè)輸入相電流和輸出線(xiàn)電壓矢量合成過(guò)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為電流的調制系數；
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