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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。關(guān)鍵詞:空間矢量調(diào)制;矩陣式變換器;數(shù)字信號(hào)處理;通用邏輯陣列
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:
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;
--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,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?捎玫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。
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