基于空間矢量調制的三相矩陣式變換器

0 引言

隨著可控交流電氣傳動的發展，PWM變頻器的應用為自動化和節能贏得了可觀的效益，同時也帶來了諧波污染、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。目前的三電平雙PWM交—直—交變頻器、多逆變單元串聯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勢：

——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；

——無直流母線環節，傳遞能量密度高；

——輸入波形好，無低次諧波，波形失真度小；

——體積小，結構緊湊。

正因為矩陣式變換器具有如此明顯的優勢，近年來它已成為電力電子研究的熱點之一。

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個可控的雙向開關，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關頻率諧波。

圖1 矩陣式變換器的原理結構圖

Fig 1 principle configuration of matrix converter

采用空間矢量調制時，矩陣式變換器認為是兩個部分的串聯組合。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。

圖2 矩陣式變換器的等效交—直—交結構

Fig 2 the equivalent AC/DC/AC structure of matrix converter

2 空間矢量調制（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關組合，這6種是三個輸出相分別連到三個輸入相的開關組合。可用的21種開關組合如表1所列，表1中的“1”表示開關導通，“0”表示開關關斷，第一組1P—9N三個輸出相分別與兩個輸入相相連，剩下的第二組三個輸出相僅與一個輸入相相連而被短路。對于等效交—直—交變換的每一個合法的開關狀態，矩陣式變換器有唯一的開關狀態與之相對應。

三相開關動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關導通時記為1，下橋臂開關導通時記為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，最終構成一組等幅不同相位的電壓空間矢量。

圖3 電壓空間矢量圖

Fig 3 the inverter voltage vector

如圖3用U₁、U₆和零矢量來合成新的矢量，各矢量的作用時間可用開關周期T_s中的占空比來表示。

U₁矢量的占空比（作用時間）為

D_α=t_α/T_s=m_usin(60°－θ_v)（1）

U₆矢量的占空比（作用時間）為

D_β=t_β/T_s=m_usinθ_v（2）

零矢量的占空比（作用時間）為

D_ou=t_ou/T_s=1－D_α－D_β（3）

式中：m_u為電壓調制系數，0=m_u==1。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。

圖4 電流空間矢量圖

Fig 4 the rectifier current vector

表1 矩陣式變換器有效開關組合表及與等效交—直—交變換器對應關系

Tab 1 Valid switch combinations of a matrix converter and thestationary vectors