基於電壓切換指令的矩陣變換器解結耦SVM調製方法與流程
2023-06-03 01:27:54
本發明涉及電力電子功率變換器調製控制領域，尤其是一種基於電壓正負切換指令信號的矩陣變換器解結耦SVM調製方法。
背景技術：
整流器是一種把交流電能轉換成直流電能的拓撲裝置。電壓型非隔離矩陣整流器是由交流三相-三相的變換器演化而來，在被稱為萬能變換器的矩陣變換器基礎上演變而來的電壓型非隔離矩陣整流器，相比傳統電壓型PWM整流器而言具有明顯優勢，比如更廣的變壓範圍、可輸出正負極性電壓，對負載的適應性更強、以及能量雙向流動、結構緊湊效率高等。
然而，對於矩陣變換器開關數目較多，且雙向開關為背靠背的連接方式的特點，大多數控制策略相對複雜且大多採用的是對雙向開關的統一控制，大大降低了對矩陣變換器控制的靈活性，很少實現電壓型非隔離矩陣整流器的可多極性的直流輸出。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種能夠使三相電壓型非隔離矩陣整流器雙向開關的控制更加簡單靈活、實現正負兩種直流輸出電壓能力、提高直流電壓利用率、降低開關頻率的基於電壓切換指令的矩陣變換器解結耦SVM調製方法。
為實現上述目的，採用了以下技術方案：本發明所述矩陣變換器為電壓型非隔離矩陣整流器，由輸入交流信號，輸入濾波器，矩陣變換器，輸出濾波器 及負載組成；輸入交流信號為三相電網電動勢ua，ub，uc；輸入濾波器為濾波電感La，Lb，Lc；矩陣變換器由Sap1、Sap3、Sap5，San4、San6、San2，Sap4、Sap6、Sap2，San1、San3、San5共12個開關管通過背靠背的方式連接而成；輸出側的電容濾波器C和負載R構成；
本發明所述調製方法步驟如下：
步驟1，將矩陣變換器的雙向可控開關電路分解為單向可控開關電路；
步驟2，將矩陣變換器解耦成為正、負兩組三相電壓型變換器；
步驟3，通過電壓型6扇區劃分的SVM調製方法獲得SVM1～SVM6的6路空間矢量驅動信號，6路空間矢量驅動信號與電壓正指令信號VP、電壓負指令信號VN通過解結耦邏輯合成得到控制矩陣變換器12個可控開關所需的12路驅動脈衝信號，實現矩陣變換器的正、負極性的直流輸出。
進一步的，步驟2中，正組三相電壓型變換器由輸入側的三相電網電動勢、輸入電感濾波器、可控開關管Sap1、Sap3、Sap5、可控開關管Sap4、Sap6、Sap2及輸出電容濾波器C和負載R組成；負組三相電壓型變換器由三相電網電動勢、輸入電感濾波器、可控開關管San1、San3、San5、可控開關管San4、San6、San2及輸出電容濾波器C和負載R組成。
進一步的，步驟3中，通過空間電壓矢量將空間劃分成6個空間區域，即6扇區電壓矢量劃分；SVM調製通過扇區的劃分、扇區判斷、矢量作用時間的計算、矢量合成順序選擇最終得到每相上下互補以及三相各差120°的驅動信號SVM1～SVM6；6路空間矢量驅動信號與電壓正指令信號VP、電壓負指令信號 VN通過解結耦邏輯合成得到控制矩陣變換器12個可控開關所需的12路驅動脈衝信號，實現矩陣變換器的正、負極性的直流輸出；
當AC-DC矩陣變換器需要輸出正直流電壓時，此時控制變換器開關管正組工作即正組的三相整流器(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，此時負組三相整流器的開關管全部為開通狀態；正負切換信號Vp為高電平，Vn為低電平；同理，當AC-DC矩陣變換器需要輸出負直流電壓時，此時控制變換器開關管負組工作即負組三相逆變器(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，正組整流器的開關管全部為開通狀態；同理，如果要實現輸出負直流電壓時則正負切換信號VP為低電平VN為高電平，調製原理與輸出正電壓時相同。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：調製方法簡單易行，降低了矩陣變換器雙向開關控制的複雜度，使電壓型非隔離矩陣整流器具備正、負兩種直流輸出電壓的能力，對負載適應能力強，並提高直流電壓利用率，降低開關頻率。
附圖說明
圖1為本發明三相電壓型非隔離AC-DC矩陣整流器電路拓撲圖。
圖2為本發明方法的系統原理框圖。
圖3為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法的工作原理波形圖。
圖4為非隔離矩陣整流器基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法下的電路解耦原理圖。
圖5為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法邏輯處理電路。
圖6為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法的邏輯合成圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
三相電壓型非隔離矩陣整流器電路拓撲圖如圖1所示：
圖1中，三相電網電動勢ua，ub，uc分別與輸入濾波電感La，Lb，Lc相連，輸入濾波電感La，Lb，Lc分別與可控開關管Sap1、San4、Sap4、San1背靠背組成的A相橋臂，可控開關管Sap3、San6、Sap6、San3背靠背組成的B相橋臂，可控開關管Sap5、San2、Sap2、San5背靠背組成的C相橋臂的中點相連。可控開關管Sap1、Sap3、Sap5的集電極相連，可控開關管San1、San3、San5的集電極相連，之後二者各相連的集電極與分別輸出濾波電容C及負載R的兩端相連，其中，輸出濾波電容C與負載R並行連接。
本發明調製方法原理如圖2所示：
圖2中1部分為電壓型SVM驅動信號發生環節；2部分為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製的邏輯處理部分，在此部分中，通過合適的邏輯使得6路SVM驅動信號形成12路滿足矩陣變換器12開關管的驅動信號，並所要求的功能；3部分為矩陣變換器經過結耦邏輯形成了正組三相整流器和負組三相整流器。
電壓型解結耦思想的解耦拓撲如圖3所示：
對於本發明所述的電壓型解結耦，包含「解耦」和「結耦」兩部分工作。其一，解耦工作是針對電路特徵和物理連接的分析，分解雙向可控開關電路為單向可 控開關電路，故可將矩陣整流器解耦成正負兩組普通的電壓型整流器。其二，結耦工作則側重於邏輯變換和控制實現，其核心控制思路為：正組整流器工作時負組整流器的功率管全部處於開通狀態，同理，負組整流器工作時正組整流器的功率管全部開通，根據交流輸入電壓極性和工頻調製信號的極性選擇開關管通斷。
圖4為6扇區電壓型空間矢量劃分圖：
SVM調製通過扇區的劃分、扇區判斷、矢量作用時間的選擇、矢量合成順序選擇等過程來獲得SVM驅動信號。在空間中，6個非零矢量和兩個零矢量共同將其分成6個扇區，將合成矢量U*分解到(α,β)坐標軸上，可以得到Uα，Uβ。定義A,B,C，則如果Uβ>0，則A＝1，否則A＝0。則B＝1，否則B＝0。則C＝1，否則C＝0。令N＝4C+2B+A，根據A的不同取值來進行扇區的判斷。之後在每個扇區中進行有效矢量作用時間的計算及開關順序合成，最終得到每相上下互補以及三相各差120°的驅動信號SVM1-SVM6。
圖5為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法的調製原理圖：
將SVM的6路驅動信號SVM1-6與正負切換指令信號VP、VN通過合適的結耦邏輯合成，其中VP正指令信號，VN負指令信號，當AC-DC矩陣變換器需要輸出正直流電壓時，此時控制變換器開關管正組工作即正組的三相整流器(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)進行矢量調製工作，此時負組三相整流器的開關管全部為開通狀態。正負切換信號VP為高電平，VN為低電平。同理，當AC-DC矩陣變換器需要輸出負直流電壓時，此時控制變換器開關管負組工作即負組三相整流 器(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)進行矢量調製工作，正組整流器的開關管全部為開通狀態，此時正負切換信號VP為低電平VN為高電平，調製原理與輸出正電壓時相同。以使得三相電壓型非隔離矩陣整流器具備實現正、負兩種直流輸出電壓的能力。
圖6為基於電壓正負切換指令信號的解結耦SVM調製方法的邏輯合成圖：
以A相橋臂為例，當要求輸出正直流電壓時，與Sap1、San1對應的驅動信號為SVM+，Sap4、San4對應的驅動信號為SVM-。控制正組整流器開關管Sap1、Sap4驅動信號通過SVM+和SVM-與負指令進行與邏輯得到，控制負組整流器開關管San1、San4的驅動信號通過SVM+和SVM-與正指令進行與邏輯得到。B相和C相橋臂的合成邏輯與A相類似。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。