专利名称：用于控制矩阵转换器的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制矩阵转换器的方法，该矩阵转换器具有9个设置为3×3开关矩阵的双向功率开关，其中，借助空间向量调制方法，用所属时间间隔计算一个调制周期的开关状态。
矩阵转换器涉及自引导的直接转换器。它可以将系统中不变的三相电网转换为具有可变电压和频率。通过设置为3×3开关矩阵的双向功率开关，矩阵转换器三个输出相位中的每一个都与输入相位电气相连。矩阵转换器的相位由三个双向功率开关的装置组成，该装置一方面分别与各输入相位相连，另一方面与输出相位相连。这样的装置也表示为3×1开关矩阵。该矩阵转换器需要中间回路。自引导的直接转换器所具有的优点是，其通过该拓扑结构具有反馈能力，并通过相应施加的控制获得正弦形的电网电流。
矩阵转换器的双向功率开关各具有两个反串连连接的半导体开关。作为半导体开关，优选采用绝缘栅级双极晶体管(IGBT)，其各具有一个反并联的二极管。这样设计的双向功率开关优选用于转换小功率和中等功率。通过控制双向功率开关的半导体开关，各自在由该半导体开关装置确定的方向上连续电流通路。如果控制双向功率开关的两个半导体开关，则该双向功率开关双向导通，且可以在两个方向上流通电流。由此在矩阵转换器的输入相位和输出相位之间产生可靠的电连接。如果只控制双向功率开关的一个半导体开关，则该双向功率开关不双向导通，且在矩阵转换器的输入相位和输出相位之间产生的电连接只用于优选的电流方向。
通过获得的开关位置组合在调制周期内的时间序列，可以产生在时间平均值上边界任意的输出电压。控制矩阵转换器的技术问题在于，根据输入电压空间向量的知识和输出电压空间向量的期望值计算出合适的开关组合。
迄今为止公知的控制方法或者是面向相位的方法，或者是面向空间向量的方法。
面向相位的控制方法已在Alberto Alesina和Marco G.B.Venturini的出版物“Analysis and Design of Optimum-amplitude Nine-Switch Direct AC-ACconverters(最佳振幅9开关直接AC-AC转换器的分析和设计)”，IEEETranctions on Power Electronics，第4册，Nr.1，1989年1月，101至112页中详细描述，而在LászlóHuber和Du an Borejevi 的公开出版物“SpaceVector Modulated。Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with InputPower Factor Correction(具有输入功率因子校正的空间向量调制的三相到三相矩阵转换器)”，IEEE Tranctions on Industry Applications，第31册，Nr.6，1995年11/12月，1234至1245页中，详细描述了面向空间向量的控制方法。就开关损耗性能来说，该面向空间向量的控制方法存在显著的缺陷。由于在输出电压和输入电流中存在具有对应于调制频率的脉冲频率的片段，还包括具有双倍脉冲频率的片段，因此造成该方法的开关损耗性能很差。
P.Nielsen、F.Blaabjerg和J.K.Pedersen的出版物“Space Vector ModulatedMatrix Converter with minimized Number of Switchings and a FeedforwardCompensation of Input Voltage Unbalance(具有最小数量开关和对输入电压不平衡进行前馈补偿的空间向量调制的矩阵转换器)”，Proceedings of the1996 International Conference on Power Electronics．Drives and Energy Systemsfor Industrial Growth，833至839页中，公开了一种用于减少换向的方法。
其中，借助空间向量调制方法，计算4个激活的开关状态和一个在矩阵转换器输出端产生具有振幅为0的电压空间向量的开关状态。在该出版物中，这些开关状态表示为激活的向量或零向量。在矩阵转换器的空间向量调制中，输入电压向量和输出电压向量一方面存在于自己的区域中，另一方面也存在于相邻的区域中。除了所述组合之外，还可以进行任意组合。无论如何，一般将脉冲频率，即电压空间向量序列，设计为镜像对称，其中，零向量设置于4个激活的向量中间。如果矩阵转换器的输入电流向量和输出电压向量各自位于自己的区域，则脉冲序列具有8次换向。然而，如果这些向量位于相邻区域，则脉冲序列具有lO次换向，这不是最佳的。在这种情况下，利用该出版物中介绍的最优化可以产生也仅具有8次换向的脉冲序列。该最佳脉冲序列由所计算的4个激活向量和一个零向量组成。最佳脉冲序列与非最佳脉冲序列的不同之处在于，在最佳脉冲序列中激活的向量从时间上被替代，并选出一个合适的零向量。在此，由这三个可能的零向量所选出的是仅引起换向的向量。通过这种优化的空间向量调制方法，可以达到每个调制周期仅出现8次换向。通过减少每个调制周期的换向次数，可以减少矩阵转换器的开关损耗。
该控制方法在开关损耗性能方面也存在一个缺陷，因为对空间向量调制方法的优化仅考虑了换向数量，而没有考虑出现换向时的电压。
本发明要解决的技术问题是，就开关损耗性能进一步优化该公知的控制方法。
通过将借助空间向量调制方法计算的矩阵转换器的开关状态拆分为涉及输出相位的开关状态，存在这样一种可能，即在为每个涉及输出相位的开关状态配置一个所属的时间间隔之后，从这些涉及输出相位的开关状态中分别为一个调制周期内的每个输出相位产生一个独立的任意脉冲序列。涉及输出相位的开关状态以何种顺序排列，这取决于输入电压。这样对每个输出相位各开关状态进行分类，即序列换向总是发生在相邻的输入电压上。通过由输入电压优化调制周期内的脉冲序列，显著减小了矩阵转换器的开关损耗。
通过对计算的矩阵转换器开关状态关于输出相位进行再分类，产生一个在原始计算的一个调制周期的开关状态中不会出现的开关状态。该开关状态保证，每个矩阵转换器的输出相位与一个和其它输出相位不同的输入相位相连。所属的输出电压空间向量由于其圆形轨迹而被描述为“旋转空间向量”。在空间向量调制中，由于输出电压的最大值太小，这类开关状态被排除在外。然而，在根据本发明的控制方法中，在一个调制周期内部产生这类开关状态，而不存在上述缺陷。
为进一步说明本发明，参考其中概略性示出本发明方法的附图。其中
图1示出了矩阵转换器的等效电路图；图2示出了根据图1的矩阵转换器在时间t上的输入电压周期；图3示出了计算的具有所属时间间隔的开关状态表；图4示出了在输出相位分裂后根据图3的表格；图5和6分别示出了一个不同脉冲序列涉及输出相位的开关状态表；图7在各曲线图中示出了在没有优化的空间向量调制中，时间t上的耦合输出电压和相位输出电压；图8在各曲线图中示出了在按照本发明的空间向量调制中，时间t上的耦合输出电压和相位输出电压。
图1示出了三相矩阵换向器4的等效电路图。该三相矩阵转换器4具有被设置为3×3开关矩阵的9个双向功率开关S11、...、S33。通过该设置为3×3开关矩阵6的9个双向功率开关装置S11、...、S33，每个输出相位1、2、3可以与矩阵转换器4的任意输入相位1、2、3接通。在矩阵转换器4的输出相位1、2、3上连接了一个电感负荷的负载8。输入相位1、2、3与一个LC滤波器10连接，该滤波器在输入端与没有详细示出的电网相连。该LC滤波器10具有电感12和电容14。在此，电容14以星形接线，也能以三角形接线。电感12设置在电容14的输入导线上，从而平滑其负载电流。矩阵转换器4的一个相位具有三个双向功率开关S11、S21、S32或S12、S22、S32或S13、S23、S33，这些开关可以将输入相位1、2、3与一个输出相位1或2或3相连。该矩阵转换器相位具有3×1开关矩阵。
图2示出了矩阵转换器4输入端1、2和3的电网电压U1、U2和U3在时间t上的曲线图。对该电网电压U1、U2和U3仅示出了在一个电网周期T上的时间变化曲线。根据空间向量调制将该电网周期T划分为6个区域I、...、VI。每个区域包括60°电气(el.)，其中区域边界每次都与一个电网电压U1或U2或U3的过零点一致。此外，在该图中还描绘了其它区域I’、...、VI’，其区域边界总是与耦合电网电压的过零点一致。这些区域I’、...、VI’相对区域I、...、VI移动30°电气。在偏移设置的区域I’、...、VI’内的数列分别给出了矩阵转换器4的换向序列。
图3示出了一个两栏的表格，一栏为“时间间隔”，一栏为“开关状态”。在后一栏中，填入一个调制周期或半个调制周期的4个激活开关状态121、122、133和131以及一个开关状态111。激活的开关状态121、122、133和131产生不为0的输出电压空间向量u0。开关状态111产生振幅为0的输出电压空间向量u0。因此，在开始所述与空间向量调制相关的文献中也谈到了激活的空间向量和零向量。
根据该表，通过一个例如122的三重数组，描述矩阵转换器4的开关状态。为此，第一数字给出了通过它输入相位应当或就是与矩阵转换器的第一输出相位1相连。第二数字给出了通过它输入相位应当或就是与矩阵转换器的第二输出相位2相连。第三数字给出了与矩阵转换器4的输出相位3的连接。也就是说，根据开关状态122，矩阵转换器4的第一输出相位1应当与输入相位U1相连，第二输出相位2与输入相位U2相连，第三输出相位3与输入相位U3相连。该开关状态所属的时间间隔Tβμ＝a给出了该开关状态应当存在多久。如果执行开关状态122，则闭合双向功率开关S11、S22、S23。
图3所示的表格示出了Huber和Borejevi 的出版物中的计算示例，尤其是表III和图9，它在采用输入功率因子cos的条件下由输入电压范围I中的一个获得。
图4示出了一个通过拆分图3中表格而产生的表格。也就是说，每个三重数组都被拆分为该数组的三个数字，每个数字都具有该三重数组所属的时间间隔。因此，获得了矩阵转换器4的涉及输出相位的开关状态。
在拆分了借助空间向量调制方法计算的一个调制周期的开关状态之后，涉及输出相位的开关状态在其时间序列中(关于从上至下的图中的表格)被分别重新分类。借助获得的电网电压U1、U2和U3进行该分类，其中需要注意的是，序列换向总是只在相邻的电网电压U2或U3或U1上进行。根据图3，在根据Huber和Borejevi 的出版物的上述假设下计算用于空间向量区域VI的开关状态。根据图2的曲线图，具有优化的换向序列132和123的区域I’和VI’属于空间向量区域VI。图5示出了根据新分类的一个脉冲序列132，而图6示出了根据新分类的另一个脉冲序列123。现在这两个表格分别给出了根据该再分类产生的输出电压空间向量。
通过对根据图3中表格的开关状态和根据表格5的开关状态进行比较，其中表格5示出了每个调制周期的一个132换向序列，可以知道，根据图3的矩阵转换器的开关状态122a和111c没有发生改变。假设时间间隔e大于时间间隔b，则在根据图5的优化换向序列中，与根据图3的换向序列相比，出现了开关状态123b。这类开关状态使得矩阵转换器4的每个输出相位都与矩阵转换器4的另一个输入相位相连。通过该开关状态产生的电压向量称为所谓的“旋转空间向量”。图3的换向序列和图5的换向序列在上述假设下的比较说明了，开关状态133的时间间隔e被缩短了时间间隔b，而开关状态131的时间间隔d被延长了时间间隔b。
假设时间间隔b大于时间间隔e，在根据图5的优化换向序列中，与根据图3的换向序列相比，出现了又称为“旋转空间向量”的开关状态123e。此外，图3中空间向量121的时间间隔b通过优化被缩短了时间间隔e，而图3中开关状态131的时间间隔d被延长了时间间隔e。
图7分别在一个曲线图中示出了矩阵转换器4输入星形连接点的耦合输出电压u12和相位输出电压u1，其中采用了公知的空间向量调制方法。根据该表示，0至100μsec之间的时间间隔是脉冲序列小-大-小，而700至800μsec之间的时间间隔是脉冲序列大-小-大-小-大。0至100μsec之间时间间隔中的脉冲序列与约10kHz的脉冲频率对应，而700至800μsec之间时间间隔中的脉冲序列与20kHz的脉冲频率对应。这示出了在传统空间向量调制方法中具有的原理性不均匀性，该不均匀性会导致较高的开关损耗。
图8分别在一个曲线图中示出了矩阵转换器4输入星形连接点的耦合输出电压u12和相位输出电压u1，其中采用了根据本发明的空间向量调制方法。通过采用本发明的空间向量调制方法，0至100μsec之间时间间隔中的脉冲序列与700至800μsec之间时间间隔中的脉冲序列一致。因此，脉冲频率和调制频率相等(在此10kHz)。
借助本发明用于矩阵转换器4的空间向量调制方法，可以使矩阵转换器4的开关损耗性能不仅通过最小化一个调制周期内的换向次数而获得改善，而且如果在此只考虑换向电压的影响时也能获得改善。为了最小化矩阵转换器4的开关损耗，可以采用两种优化方法用于空间调制方法。
权利要求
1.一种控制矩阵转换器(4)的方法，该矩阵转换器具有9个设置为3×3开关矩阵(6)的双向功率开关(S11，...，S33)，其中，借助空间向量调制方法，分别用所属时间间隔计算一个调制周期的开关状态，其特征在于，将计算的开关状态分别拆分为该矩阵转换器(4)输出相位的开关状态，这些开关状态分别配置有一个所属的时间间隔，而且根据获得的输入电压(U1，U2，U3)将具有所属时间间隔的涉及输出相位的开关状态在时间上这样组合成调制周期的脉冲序列，使得序列换向总是发生在相邻的输入电压(U1，U2，U3)上。
全文摘要
本发明涉及一种控制矩阵转换器(4)的方法，该矩阵转换器具有9个设置为3×3开关矩阵的双向功率开关(S11，...，S33)，其中，借助空间向量调制方法，分别用所属时间间隔计算一个调制周期的开关状态。根据本发明，将计算的开关状态分别拆分为该矩阵转换器(4)输出相位(1，2，3)的开关状态，这些开关状态分别配置有一个所属的时间间隔，并且，根据确定的输入电压(U
文档编号H02M5/257GK1476664SQ01819259
公开日2004年2月18日 申请日期2001年11月15日 优先权日2000年11月22日
发明者休伯特·希尔林, 奥拉夫·西蒙, 曼弗雷德·布鲁克曼, 西蒙, 休伯特 希尔林, 德 布鲁克曼 申请人:西门子公司