专利名称：矩阵变换器的控制方法及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及矩阵变换器控制领域，特别是涉及一种矩阵变换器的控制方法。本发 明还涉及所述矩阵变换器的控制装置。
背景技术：
矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的新型交-交直接变换器。它无需大 容量的贮能元件，可使输入电流正弦，输入功率因数理论上可达士 1，并可自由调节，且与负 载的功率因数无关。输出电压的频率和幅值可调，输出频率可高于或低于输入频率，特别是 其功率可双向流动，具有四象限运行能力。图1是典型的三相矩阵变换器拓扑结构图。三相矩阵变换器由九个双向开关2按 3X3开关矩阵形式构成，通过控制九个双向开关2可以使输出相A、B、C与任意一个输入相 a、b、c直接连接。双向开关2—般选用两个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)通过“共发射极” 或“共集电极”方式组成。图3表示矩阵变换器的输出相A通过三组双向功率开关与输入三 相a、b、c相连，其中每组双向功率开关由两个IGBT通过“共发射极”组成。如果两个IGBT 同时开通，可使电流向两个方向流动。根据输入电流和输出电压的双空间矢量调制策略，它将矩阵变换器等效成虚拟 的交-直-交变换器，其中的直流环节是虚拟的，然后分别利用空间矢量调制技术实现 虚拟整流和虚拟逆变，最后将两者综合，得到所需的调制函数矩阵，实现一次变换。在矩 阵变换过程中需要将输入相电压划分为6个区间，即ISECT0R，如图2(a)所示；将输出线 电压划分为6个区间，即VSECT0R，如图2((b)。如果输入b相(输出B相)电压按滞后 输入a相(输出A相)电压2 Ji /3角度的原则产生，区间ISECT0R与VSECT0R的变化顺 序是r1—2—3一4—5一” ，依次递增循环。如果输入b相(输出B相)电压按超前输 入a相(输出A相)电压2 Ji /3角度的原则产生，区间ISECT0R与VSECT0R的变化顺序 是「卜6-5+3—2，，依次递减循环。根据空间矢量调制的原理，区间ISECT0R与 VSECT0R共有36种组合，每种组合在每个调制周期内有五种开关状态，每种开关状态的持 续时间分别按公式(1)计算TaM = m sin(j - ) sin(j — °SC )= m sin(^v) sin(營-dsc) T0V =msin(0sv)sin(0sc)T0 = Ts-TaiJ-T01J-Tav-Tev。其中esc与esv是输入、输出电压矢量在ISECTOR和VSECTOR区间内的角度，变化 范围是0 JI/3。按此开关状态和开关持续时间控制双向开关，则在每个调制周期！；中可以获得与期望电压的平均值相同的输出电压。当矩阵变换器的输出相从一个输入相切换到另一输入相时，为了保证在换流过程 中输入相不短路以及输出相不开路，必须严格规定双向开关的换流步骤和顺序。因此，双向 开关安全、可靠、快速的换流策略是矩阵变换器实用化的关键技术之一。许多文献提出了各 种换流策略，按电流方向和电压大小来换流的策略可分为基于输出电流方向的电流型换流 策略和基于输入相电压相对大小的电压型换流策略。按换流步骤的数量可分为两步、四步 等换流策略。Burany提出的四步换流策略应用最为广泛。图4(a)与图4(b)是典型的电压 型四步换流策略。以a相换流到b相为例说明，此时开关Sap和Sm是导通的；当Ua(t) > Ub (t)时，第一步开通Sbp，第二步关断Sap，第三步开通Sbn，第四步关断San，这样就完成了四 个功率开关之间的换流，其换流时序如图4(a)所示，其中Td是功率开关的死区时间。一个 完整的四步换流时间需要4*Td。四步换流策略既禁止了可能使输入电压发生短路的开关组 合，又保证了在任意时刻给负载提供至少一条流通路径。当Ua(t) <Ub(t)时，开关的开通 关断时序如图4(b)所示，与图4(a)不同。电压型四步换流策略必须精确知道两换流输入电 压之间的相对大小，当输入电压值接近时，如果矩阵变换器对输入电压的相对大小发生误 判，将导致产生错误的换流时序，时序出错的结果会引起输入相电压之间产生短路大电流， 损坏功率开关。电流型四步换流策略同样也存在必须精确知道负载电流方向的缺陷，时序 出错的结果是引起输出负载电流开路。如果负载是感性的，电流开路可能产生过电压，同样 会损坏功率开关。下面的讨论只限于电压型四步换流策略。Jochen Mahlein 等人在 2002 年公开发表的论文 “Matrix Converter Com—mutation Strategies With and Without Explicit Input Voltages Sign Measureme-nt”(一种不依赖对输入电压精确测量的矩阵变换器换流策略)中针对空间矢 量调制策略提出了一种电压型换流策略。该方法通过对每个调制周期内的五个开关状态 组合的次序进行整合，避开了在电压值接近的两输入相电压之间换流，从而避免了在换流 时刻可能出现的短路现象。当输出电压区间VSECT0R与输入电压区间ISECT0R之和为偶 数时，= T0U,T2 = Tau,T3 = Tav,T4 = T0V ；当输出电压区间VSECT0R与输入电压区间 I SECTOR之和为奇数时，= Tau,T2 = T0U,T3 = T0V,T4 = Tav0在第二个开关状态组合 之后，插入零矢量，持续时间为L，零矢量选择电压的原则是电压区间里绝对值最大的输入 相电压。双向开关状态组合如表-1 :表-1 表中三个一组的字母表示双向开关的状态组合。第一个字母表示与矩阵变换 器的输出相A连接的输入相；第二个字母表示与矩阵变换器的输出相B连接的输入相； 第三个字母表示与矩阵变换器的输出相C连接的输入相。开关状态组合abb表示矩阵 变换器的输出相A与输入相a连接，输出相B和输出相C与输入相b连接。以输入电压 区间ISECT0R与输出电压区间VSECT0R为1x1为例，如图5 (a)，三角载波为上升时开关 组合的次序为abb — aba — aaa — aca — acc,三角载波为下降时开关组合的次序为 acc — aca - aaa - aba - abb0其中零矢量选择的电压为a相，此时a相为正最大，持 续时间为L，为了安全可靠的换流，I；不能小于功率开关的死区时间Td。当区间组合为 1x1时，输出相A —直与输入相a连接；输出相B在一个三角载波内连接的输入相分别为 b-b-a-c-c-c-c-a-b-b ；输出相C在一个三角载波内连接的输入相分别为 b — a — a — a — c — c — a — a — a — b。输出相B和C换流的次序都是b — a — c — a — b， 以此循环。输出相B和C的区别只是每个状态持续的时间不同。在区间ISECT0R = 1时， 电压值可能接近的输入相是b和c相。从上述的换流次序分析，输入相b和c之间不会直接换流，中间插入了 a相，a相的值最大，b相和a相或c相和a相之间的相对大小很容易区 分，所以通过调整各个开关组合的次序成功避开了在电压值可能接近的两输入相b和c之 间换流。由于只调整开关状态组合的次序，矩阵变换器的输入电流和输出电压的平均值保 持不变。当区间ISECT0R变化时，情况有所不同。为了完成一个完整的换流过程，矩阵变换 器一般只有在三角载波最高点或最低点才能进行区间切换。在三角载波最低点切换区间 时，如图5(a)，I SECTOR X VSECT0R由1X1切换成2X1时，开关状态组合的次序为acc — a ca — aaa — aba — abb — aca — acc — ccc — bcc — bcb (从三角载波的顶点到顶点)。此时输出 相A连接的输入相分别为a — a — a — a — a — a — a—c — b — b ；输出相B连接的输 入相分别为c — c — a — b — b — c — c — c — c — c ；输出相C连接的输入相分别为 c — a — a — a — b — a—c — c — c — b。输出A相的换流次序为a — c — b ；输出B相 的换流次序为c — a — b — c ；输出C相的换流次序为c — a — b — a—c — b。输出C 相的换流次数增多，且输出C相的换流次序中的b — a — c存在下述问题在区间ISECT0R 进行切换时，角度9se接近于0或Ji/3，状态a的持续时间可能很短，当持续时间小于功率 开关死区时间Td时，换流切换时会发生短路现象。图6 (a)表示换流次序为b-a-c时的四步 换流时序。此时a相电压为正最大，c相电压为负最大，b相接近于0。当a状态持续时间
小于Td时，按电压型四步换流策略，会发生Sbp与S。n同时导通的现象，导致b相与c相电 压短路，短路持续时间为1^-1\。发生短路的根本原因是b相和a相之间是按从电压值小向 电压值大的时序切换的(从小切换到大)，时序如图4(b) ；a相和c相之间是按从电压值大 向电压值小的相切换的(从大切换到小)，时序如图4(a)。由于a状态持续时间小于功率 开关死区时间Td，b相与c相的换流时序存在时间上的重叠，相当于b相和c相之间发生了 换流。按照它们之间的相对大小，换流方式应该是大切换到小，但b相实际是已经按从小切 换到大的方式进行的，最终导致换流时序出错，从而发生Sbp与S。n同时导通的现象。在三角载波最高点切换区间时，如图5(b)，输出C相的换流次序会出现a-c-b的状 态，当c状态的持续时间T3小于Td时，同样会发生Sap与Sbn同时导通的现象，导致a相与b 相电压短路，持续时间为Td-T3。为了避免上述短路故障，矩阵变换器需要根据输入电压相对大小、脉冲宽度以及 即将切换的输入相来实时调整换流时序，这样的工作量非常大，且可靠性不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种矩阵变换器的控制方法，能够有效防止在输 入相电压区间切换时小脉冲可能导致输入电压短路的问题；为此，本发明还要提供一种实 现该方法的装置。为解决上述技术问题，本发明的矩阵变换器的控制方法是，换流方式按电压型四 步换流策略进行，三角载波的波形适时改成锯齿波形。本发明的矩阵变换器的控制装置包括驱动放大回路、电压型四步换流单元、电压大小比较单元和矩阵变换开关组合控 制单元；还包括输入电压区间和角度检测单元，其输入端与三相电源相连，测量出输入电压的区间ISECT0R和角度e sc，并输送给矩阵变换开关组合控制单元；所述矩阵变换开关组合控制单元根据输入电压的区间ISECT0R和角度0 sc以及 需要输出电压的区间VSECT0R和角度e sv，确定各种开关状态组合及对应的持续时间，并 输送给电压型四步换流单元；其中，当输入电压的区间ISECT0R发生切换时，需要改变三角 载波的波形，使其成锯齿波；所述电压大小比较单元的输入端与滤波器的输出端和矩阵变换器的输入端相连 接，检测出输入电压的相对大小，并输送给电压型四步换流单元；所述电压型四步换流单元根据输入电压的相对大小和各种开关组合及其持续时 间，进行四步换流，输出脉冲信号给驱动放大回路；所述驱动放大回路将电压型四步换流单元输出的脉冲信号进行功率放大后，驱动 矩阵变换器的各个功率开关。采用本发明的方法和装置后，通过在区间切换时，将三角载波的波形变成锯齿波 形；当输入电压的区间发生切换时，根据区间切换的方向，在三角载波的最高点或最低点改 变三角载波的起始值，不仅成功避免小脉冲可能导致输入电压短路的问题，还可以减小开 关次数。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是三相矩阵变换器的拓扑结构图。图2(a)是输入相电压的区间划分图，(b)是输出线电压的区间划分图。图3是输出相A通过功率开关与输入三相a、b、c连接图。图4是电压型四步换流策略的时序图，其中(a)表示从电压值小切换到电压值大 的四步时序图，(b)表示从电压值大切换到电压值小的四步时序图。图5是载波为三角形时开关组合变化图。图6是小脉冲导致输入电压短路的时序分析图。图7是本发明提出的三角载波的变化图。图8是三角载波变成锯齿波后四步换流时序图。图9是本发明的控制装置结构示意图。
具体实施例方式当三角载波在最低点时，如果此时发生电压区间切换，且区间按递增变化的，如按 广i—2—3—4—5—6"1趋势变化，那在区间切换时，本发明把三角载波的波形从最小值直接 变到最大值，把三角载波变成锯齿波形，持续时间为半个三角载波周期Ts。如图7(a)所示， 区间ISECT0R从1切换到2，区间VSECT0R保持1不变，三角载波的波形从最小值直接变到最 大值，那连续两个Ts时间内的开关组合次序变为acc — aca — aaa — aba — abb — bcb — bcc —ccc —acc —aca。此时输出A相连接的输入相分别为a —a —a —a —a —b —b —c —a —a; 输出B相连接的输入相分别为c — c — a — b — b — c — c — c — c — c ；输出C相连 接的输入相分别为c — a — a — a — b — b — c — c — c — a。输出相A的换流次序 是a — b — c — a ；输出相B的换流次序是c — a — b — c ；输出相C的换流次序是c — a — b — c — a。在区间切换时输出三相的换流次序都变成为a — b — c。从前面所 述可知，输入a相电压值为正最大，b相电压值接近于0，c相电压值为负最大，此时的换流次 序是从大切换到中再切换到小，换流时序都是从大切换到小的模式，与不改变三角载波波 形时的切换时序不相同的，具体的换流时序如图8(a)所示，不会再发生电压短路的现象。同样，当三角载波在最低高点时，如果此时发生电压区间切换，且区间按递减 变化的，如按广1—6—5—4—趋势变化，那在区间切换时，本发明把三角载波的波 形从最大值直接变到最小值，把三角载波变成锯齿波形，持续时间为半个三角载波周 期Ts。如图7 (b)所示，区间ISECT0R从2切换到1，区间VSECT0R保持1不变，三角 载波的波形从最大值直接变到最小值，那连续两个Ts时间内的开关组合次序变为 aca 一 acc 一 ccc 一 bcc 一 bcb 一 abb 一 aba 一 aaa 一 aca 一 acc0 此时输出 A 相连 接的输入相分别为— a — c — b — b — a — a — a — a — a;输出B相连接的输入 相分别为c — c — c — c — c — b — b — a—c — c ；输出C相连接的输入相分别为 a—c — c — c — b — b — a — a — a — c。输出相A的换流次序是a — c — b — a ；输出 相B的换流次序是c — b — a — c ；输出相C的换流次序是a — c — b — a — c ；在区间切 换时输出三相的换流次序都变成为c — b — a。此时的换流次序是从小切换到中再切换到 大，换流时序都是从按小切换到大的模式，与不改变三角载波波形时的切换时序不相同的， 具体的换流时序如图8(b)所示，不会再发生电压短路的现象。如区间ISECT0R按「卜2一3一4—5—”趋势变化，则不能在三角载波最高点进行 区间切换。因为区间ISECT0R按广1—2—”变化时，需在三角载波达到最低点时 才能按照图7(a)进行波形变换。如果区间ISECT0R在三角载波最高点已经需要切换的话， 需要延迟到下一个三角载波最低点时再进行区间切换。延时时间为Ts。同样，如区间ISECT0R按丨一1—5一4一3—”趋势变化，则不能在三角载波最低点 进行区间切换。因为区间ISECT0R按广1 一6一5一勹变化时，需在三角载波达到最高 点时才能按照图7(b)进行波形变换。如果区间ISECT0R在三角载波最低点已经需要切换 的话，需要延迟到下一个三角载波最高点时再进行区间切换。延时时间为Ts。Ts—般小 于lOOus，相对于输入电压的周期20ms，Ts相对很小，对输出电压和输入电流的影响可以忽 略。区间VSECT0R的切换不需要改变三角载波的波形，且可发生在三角载波的最高点 或最低点。只要区间ISECT0R发生了切换，不管区间VSECT0R切换与否，三角载波的波形都 需改成锯齿波形。如图9所示，本发明控制装置包括驱动放大回路8、电压型四步换流单元9、电压大 小比较单元10、矩阵变换开关组合控制单元11和输入电压区间和角度检测单元12。三相矩阵变换器1由九个双向功率开关按3X3开关矩阵形式构成，输出相A、B、C 连接到马达4上，输入相a、b、c和三相电源3之间安装滤波器2。输入电压区间和角度检测单元12和三相电源3相连，实时测量出三相输入电压的 区间ISECT0R和角度e sc，输送给矩阵变换开关组合控制单元11。马达变频变压控制器13 通过电流互感器6和7及编码器5分别检测马达4的电流和马达运转速度与角度，对马达进 行变频变压控制，计算马达所需的三相电压，然后根据电压计算出输出电压的区间VSECT0R和角度esv，输送给矩阵变换开关组合控制单元11。矩阵变换开关组合控制单元11根据 输入的区间ISECT0R和VSECT0R参照表-1选择开关状态组合，以及根据角度e sc和e sv 依照公式(1)计算各个开关状态组合的持续时间，公式(1)中系数m与输出电压的矢量幅 值及期望的输入电压功率因数有关。在区间ISECT0R切换时，三角载波按本发明提出的方 法改变波形，控制开关状态组合发生的次序。电压型四步换流单元9根据矩阵变换开关组 合控制单元11输出的开关状态组合和持续时间以及电压大小比较单元10输出的输入电压 的相对大小，按照电压型四步换流策略进行换流控制，输出脉冲信号给驱动放大回路8。驱 动放大回路8给矩阵变换器1提供触发信号，控制矩阵变换器1对输入电压进行直接变换， 输出马达变频变压控制器12计算出的马达4所需电压，驱动马达4运转。在本发明的控制装置中，将输入电压区间和角度检测单元12安装在三相输入电 源3和滤波器2之间，主要是考虑到由于矩阵变换器1对输入电压的影响，滤波器2输入侧 的电压波形比输出侧的波形好的原因。电压大小比较单元10安装在滤波器2和矩阵变换 器1之间，是由于电压型四步换流单元需要实时检测矩阵变换器1输入侧三相电压的相对 大小，电压大小比较单元10的检测点离矩阵变换器1的输入侧越近越好。矩阵变换开关组合控制单元11将矩阵变换器1等效成虚拟的交-直-交变换器， 分别利用空间矢量调制技术实现虚拟整流和虚拟逆变，最后将两者综合，得到所需的调制 函数矩阵，实现一次变换，不仅使输入电流为正弦，输出电压的频率和幅值可调，而且功率 可双向流动，具有四象限运行能力。
权利要求
一种矩阵变换器的控制方法，其特征在于换流方式按电压型四步换流策略进行，三角载波的波形适时改成锯齿波形。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于当电压区间按递增的方式变化，且在三 角载波的最低点进行区间切换时，改变三角载波的波形，直接从最低点变到最高点。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于当电压区间按递减的方式变化，且在三 角载波的最高点进行区间切换时，改变三角载波的波形，直接从最高点变到最低点。
4.一种矩阵变换器的控制装置，其特征在于包括驱动放大回路(8)、电压型四步换流 单元(9)、电压大小比较单元(10)和矩阵变换开关组合控制单元(11)；还包括输入电压区间和角度检测单元(12)，其输入端与三相电源(3)相连，测量出输 入电压的区间ISECTOR和角度θ sc，并输送给矩阵变换开关组合控制单元(11)；所述矩阵变换开关组合控制单元(11)根据输入电压的区间ISECTOR和角度θ sc以及 需要输出电压的区间VSECT0R和角度θ sv，确定各种开关状态组合及对应的持续时间，并 输送给电压型四步换流单元(9)；其中，当输入电压的区间ISECTOR发生切换时，需要改变 三角载波的波形，使其成锯齿波；所述电压大小比较单元(10)的输入端与滤波器(2)的输出端和矩阵变换器(1)的输 入端相连接，检测出输入电压的相对大小，并输送给电压型四步换流单元(9)；所述电压型四步换流单元(9)根据输入电压的相对大小和各种开关组合及其持续时 间，进行四步换流，输出脉冲信号给驱动放大回路(8)；所述驱动放大回路(8)将电压型四步换流单元(9)输出的脉冲信号进行功率放大后， 驱动矩阵变换器(1)的各个功率开关。
全文摘要
本发明公开了一种矩阵变换器的控制方法，在电压区间发生切换时，改变三角载波的波形，使其成锯齿波，防止因小脉冲导致输入电压短路的现象。本发明还提供了实现该方法的装置，该装置包括驱动放大回路、电压型四步换流单元、电压大小比较单元、矩阵变换开关组合控制单元和输入电压区间和角度检测单元。
文档编号H02M5/02GK101867300SQ20091005708
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者刘玉兵, 牛华荣 申请人:上海三菱电梯有限公司