基于空间矢量调制的等效交直交矩阵高压变频器控制方法

摘要

本发明公布了一种基于空间矢量调制的等效交直交矩阵高压变频器控制方法。传统的变频调速无法实现电能的双向流动，不适合电机的四象限运行，输入功率因素不可调，不能较好的实现传动性能，节电效率也有待提高。本发明方法包括确定整流部分占空比和逆变部分占空比，确定假想间接方式占空比，最后确定控制脉冲信号驱动开关管。采用这样求得的控制脉冲信号来驱动各开关元件，即可把3相交流输入电压转换成所需频率及振幅的3相交流输出电压。本发明传动性能好，效率高，节约能源。

说明书

技术领域

本发明属于矩阵式高压变频器软件设计技术领域，具体涉及一种基于空间矢量调制的等效交直交矩阵高压变频器控制方法。

背景技术

近年来，随着电气传动技术，特别是变频调速技术的发展，大容量的高压变频调速技术在市场上得到了广泛应用，但也带来了较多的负面效应，如电力谐波污染严重、输入功率因素低、直流储能环节中的滤波电容寿命有限等。而且传统的变频调速无法实现电能的双向流动，不适合电机的四象限运行，输入功率因素不可调，不能较好的实现传动性能，节电效率也有待提高。而矩阵变换器具有一些优于传统脉宽调制变频器的特性，因此，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，矩阵式高压变频系统的投入和使用是非常必要的。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，运用交-直-交等效矩阵式高压变频器间接变换法结合空间矢量调制来进行变频调速，以获得较好高压变频器的输出电压和输入电流波形。

本发明基于空间矢量调制的等效交直交矩阵高压变频器控制方法包括以下步骤：

步骤一、确定整流器占空比

以3相交流输入电压的中点（零电位）为基准，将正负直流电压分别设为                                                、，用公式（1）来表示， 

                         (1)     

、、分别为三相输入电压， 、、分别为三相输出电压。为了防止整流器的短路，各开关元件的占空比必须满足以下条件。用公式（2）来表示，

                                    (2)  

输入电流与电路中的直流电流的关系用公式（3）来表示，

                              (3)                 

公式（3）的1和－1表示直流电流的正极和负极，、、、、、分别为开关、、、、、的占空比， 、、分别为三相输入电流， 、、分别为三相输出电流。由于直流电流的大小完全取决于输出功率，因此，整流器只对输入电流的波形进行控制。 

为了尽可能地增加直流电压，并且将输入电流控制为正弦波状，现将3相交流电根据各个相的电压相位而被分为6个区域，另外，这6个区域根据电压最大值为正还是为负，再分割成2个区域。将电压最大值为负的区域定义为“X区域”，将最大值为正的区域定义为“Y区域”，为了扩大输出电压范围，对2个区域应用以下规则。

X区域：输入电压为最小相的开关元件保持开的状态，通过剩余2相上侧的开关元件进行控制。 

Y区域：输入电压为最大相的开关元件保持开的状态，通过剩余2相下侧的开关元件进行控制。 

根据上述规则以及公式（2）、公式（3）来解公式（1），可以求出各开关元件的占空比。

步骤二、确定逆变部分占空比

直流电压与交流输入电压各个相之间的关系如公式（4）所示。

                   （4）

在X区域及Y区域中将公式（4）用于3相交流输入电压的最大值及最小值，则可得到公式（5）及公式（6）。

区域X：                             （5）                                     

区域Y：                             （6）                                    

为了防止短路，构成逆变部分的各开关的占空比受到公式（7）的限制，

                                        （7）          

、、、、、分别为开关、、、、、的占空比，考虑到公式（7），则逆变部分各开关元件的占空比可用公式（8）来表示，

                （8）

因此，各开关元件的占空比、直流电压及输出电压指令之间的关系，如公式（9）所示，

                 （9）

步骤三、确定假想间接方式的占空比

矩阵式转换器的3相交流输出电压用3相交流输入电压与各开关元件的占空比来表示，如公式（10）所示，

                         （10）    

 在假想间接方式下分割出的2条电路:整流部分与逆变部分的输入输出电压的关系可以用公式（1）及公式（9）来表示。即可由公式（1）公式（9）公式（10），导出矩阵式转换器的输出电压等于假想间接方式下的输出电压的关系式公式（11）。

     （11）

整理后得到公式（12），即假想间接方式下的占空比。

           （12）

步骤四、确定控制脉冲信号

现采用空间矢量调制算法来控制脉冲信号。设合成的电压向量为，合成的电压向量作用时间，载波周期，、、、、、、、分别为电压分量及其作用时间，到之间的任意一个向量可用表示，另一个用表示，为、之间的夹角。

合成的电压向量在第1扇区中第一个增量的位置，用、、及合成，用平均值等效可得：

                                (13)

在两相静止参考坐标系中，令和间的夹角是，由正弦定理可得：

                     (14)

因为，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：

                        (15)

而零电压向量所分配的时间为：。

在第1扇区，其所产生的三相波调制波形在时间时段中，为最大限度减少开关次数，避免负载电流较大的时刻的开关动作，电压向量出现的先后顺序为、、、、、、、。下一个时段，增加一个较小的角度，利用式（15）可以重新计算新的、、及值，得到新的三相波形；这样每一个载波周期就会合成一个新的矢量，随着的逐渐增大，依序进入6个扇区。电压向量旋转一周后，产生R个合成矢量。从而得到所需的脉冲信号。 

采用这样求得的控制脉冲信号来驱动各开关元件，即可把3相交流输入电压转换成所需频率及振幅的3相交流输出电压。

本发明有益效果：用空间电压矢量调制（SVPWM）技术来产生脉宽调制波，它与传统的SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，电机转矩脉动低，旋转电磁更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大的提高，从而实现较好的传动性能，达到了提高效率，节约能源的目的，同时也可以满足日益严格的电网电能质量的要求。

附图说明

图1间接矩阵式变换器拓扑结构图；

图2 为本发明的实施流程图；

图3 为区域划分图；

图4 为电压空间矢量图；

图5 为电压空间矢量在第1扇区的合成和分解图；

图6 为时段的三相调制波。

具体实施方式

现结合附图对本发明专利详细描述如下: 

如图2所示，本发明方法包括确定整流部分及逆变部分的占空比，确定假想间接方式占空比，最后确定控制脉冲信号驱动开关管。

三相输入电压分别表示为、、，三相输出电压分别表示为、、，三相输入电流分别表示为、、，三相输出电流分别表示为、、，、、、、、分别为开关、、、、、的占空比，、、、、、分别为开关、、、、、的占空比。

步骤一、确定整流器占空比

如图1所示，以3相交流输入电压的中点（零电位）为基准，将正负直流电压分别设为、，则可用公式（1）来表示， 

                         (1)                   

为了防止整流器的短路，各开关元件的占空比必须满足以下条件。用公式（2）来表示，

                                    (2)  

输入电流与电路中的直流电流的关系可用公式（3）来表示，

                              (3)                 

公式（3）的1和－1表示直流电流的正极和负极。由于直流电流的大小完全取决于输出功率，因此，整流器只对输入电流的波形进行控制。 

为了尽可能地增加直流电压，并且将输入电流控制为正弦波状，如图3所示，现将3相交流电根据各个相的电压相位而被分为6个区域，另外，这6个区域根据电压最大值为正还是为负，再分割成2个区域。将电压最大值为负的区域定义为“X区域”，将最大值为正的区域定义为“Y区域”，为了扩大输出电压范围，对2个区域应用以下规则。

X区域：输入电压为最小相的开关元件保持开的状态，通过剩余2相上侧的开关元件进行控制。 

Y区域：输入电压为最大相的开关元件保持开的状态，通过剩余2相下侧的开关元件进行控制。 

根据上述规则以及公式（2）、公式（3）来解公式（1），可以求出各开关元件的占空比。当3相交流输入电压的关系为，且时，计算的对象为X区域，因此，由此，由公式（2）求得,。另外，由X区域的规则得知，，所以只考虑及占空比即可。将以上条件代入公式（3），则可求出公式（4），

                                  (4)                             

从公式（4）的第3行可以看出，要想使的波形成为功率因数为1的正弦波状，须对直流电流的波形进行控制，使其与波形相似。因此，将与3相交流输入的各个相同步的、振幅为1的正弦波用、、来表示，并代入公式（4）中，则输入电流可由公式（5）求出， 

                                    (5)                     

构成整流器的各开关元件的占空比及即可由公式（6）计算得出，

                                        (6)                     

设3相交流输入电压的最大值、中间值及最小值分别为、、，整流部分各开光的占空比最大值、中间值及最小值分别为、、、、、。将公式（6）的结果用于3相交流输入电压的最大值、中间值及最小值，可得到适用于X区域的公式（7）以及适用于Y区域的公式（8）， 

区域X：

        (7)

区域Y：

      （8）

至此，可得出矩阵式转换器中输入部分整流器的各开关元件的占空比。

步骤二、确定逆变部分占空比

直流电压与交流输入电压各个相之间的关系如公式（9）所示。

                   （9）

在X区域及Y区域中将公式（9）用于3相交流输入电压的最大值及最小值，则可得到公式（10）及公式（11）。

区域X：                             （10）                                     

区域Y：                             （11）                                    

为了防止短路，构成逆变部分的各开关的占空比受到公式（12）的限制，

                                         （12）          

考虑到公式（12），则逆变部分各开关元件的占空比可用公式（13）来表示，

               （13）

因此，各开关元件的占空比、直流电压及输出电压指令之间的关系，如公式（14）所示，

                 （14）

步骤三、确定假想间接方式的占空比

矩阵式转换器的3相交流输出电压用3相交流输入电压与各开关元件的占空比来表示，如公式（15）所示，

                         （15）    

 在假想间接方式下分割出的2条电路:整流部分与逆变部分的输入输出电压的关系可以用公式（1）及公式（13）来表示。即可由公式（1）公式（13）公式（15），导出矩阵式转换器的输出电压等于假想间接方式下的输出电压的关系式公式（16）。

     （16）

整理后得到公式（17），即假想间接方式下的占空比。

           （17）

步骤四、确定控制脉冲信号

现采用空间矢量调制算法来控制脉冲信号。如图4所示，设合成的电压向量为，合成的电压向量作用时间，载波周期，、、、、、、、分别为电压分量及其作用时间，到之间的任意一个向量可用表示，另一个用表示，为、之间的夹角。

如图5所示，合成的电压向量在第1扇区中第一个增量的位置，用、、及合成，用平均值等效可得：

                                (13)

在两相静止参考坐标系中，令和间的夹角是，由正弦定理可得：

                     (14)

因为，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：

                        (15)

而零电压向量所分配的时间为：。

如图6所示，在第1扇区，其所产生的三相波调制波形在时间时段中，为最大限度减少开关次数，避免负载电流较大的时刻的开关动作，电压向量出现的先后顺序为、、、、、、、。下一个时段，增加一个较小的角度，利用式（15）可以重新计算新的、、及值，得到新的三相波形；这样每一个载波周期就会合成一个新的矢量，随着的逐渐增大，依序进入6个扇区。电压向量旋转一周后，产生R个合成矢量。从而得到所需的脉冲信号。 

采用这样求得的控制脉冲信号来驱动各开关元件，即可把3相交流输入电压转换成所需频率及振幅的3相交流输出电压。