用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統的製作方法
2023-11-06 08:04:52
專利名稱：：用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統的製作方法
技術領域：
：本發明屬於異步電動機的共模電壓抑制領域，尤其是採用雙級矩陣變換器驅動時的共模電壓抑制領域。
背景技術：
：矩陣變換器因其具有優良的變頻性能，從誕生至今一直是電力電子學科的研究熱點之一，然而至今很少有產品問世，制約其發展的瓶頸在於矩陣變換器複雜的四步安全換流和調製方法降低了系統的可靠性。2001年，由美國學者LixiangWei和Thomas.ALipo提出的由整流級和逆變級構成主電路的新型矩陣變換器即雙級矩陣變換器，除了具有矩陣變換器的優良輸入輸出特性外，還具有簡單的零電流換流和箝位電路，並且控制方法也較簡單，成為目前很有發展潛力的一種交_交直接功率變換器。矩陣變換器驅動異步電動機時，將產生高頻、高dv/dt的共模電壓，共模電壓的危害在於通過異步電動機的定、轉子及氣隙之間的分布電容等耦合通道產生電流當該電流流過異步電動機軸承產生軸承電流時，將對異步電動機的軸承造成損壞；當該過大的電流流過地線時將引起異步電動機接地保護的誤動作；同時由於高dv/dt的共模電壓將形成很強的電磁幹擾，對裝置的正常運行造成影響。所以，降低共模電壓對於矩陣變換器的工程應用具有很重要的實際意義。目前抑制矩陣變換器的共模電壓主要有硬體和軟體兩種方法FYue、PWWheeler等人於2005年在論文"Cancellationof3rdCommon-modeVoltageGeneratedbyMatrixCo読rter.IEC0N2005，31stAnnualConferenceofIEEE.，，(消除矩陣變換器產生的3次共模電壓)中採用硬體，即由共模變壓器、不控整流橋和單相橋式逆變器構成共模電壓消除器，來消除共模電壓的3次諧波，然而採用該方法增加了系統的硬體成本和設計的複雜度；而從軟體上降低共模電壓可以降低系統的硬體成本，HJCha、PNEnjeti於2002年在論文"Anapproachtoreducecommonmodevoltageinmatrixconverter.2002，37thIASAnnualMeeting"(—種降低矩陣變換器共模電壓的方法)中從調製方法上對抑制共模電壓進行了研究，最低能將共模電壓降低到原來的1/W。矩陣變換器的共模電壓抑制思想同樣適合雙級矩陣變換器，然而，目前對抑制雙級矩陣變換器的共模電壓研究還很少。文獻"Co,n-ModeVoltagesofSpace-VectorModulatedMatrixConvertersComparedtoThree-LevelVoltageSourcelnverter.PESC'06，37thIEEE"(基於空間矢量調製的矩陣變換器和三電平電壓型逆變器的共模電壓對比研究)涉及到調整零矢量來降低雙級矩陣變換器的共模電壓，但文中採用的是矩陣變換器的間接空間矢量調製方法，缺點是整流級雙向開關不能實現零電流換流。
發明內容本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統，在保證整流級零電流換流的同時，降低雙級矩陣變換器的共模電壓幅值。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統，其雙級矩陣變換器是由雙向開關構成整流級、由IPM模塊構成逆變級；其結構特點是所述雙級矩陣變換器的控制系統包括電壓捕獲單元、過流和IPM故障檢測單元、TMS320LF2407主控制器、EPM1270輔控制器和驅動電路；以所述電壓捕獲單元捕獲網側電源輸入電壓的過零點信息，並送入TMS320LF2407主控制器，以確定輸入電壓的初始相位，以及單位輸入功率因數時的整流級佔空比信號；以所述過流和IPM故障檢測單元檢測瞬時的網側電源和異步電動機的過電流信息，以及瞬時的IPM故障信息，並送入EPM1270輔控制器；以所述TMS320LF2407主控制器實時輸出整流級的輸入電流扇區信息至所述EPM1270輔控制器，判斷扇區的奇偶狀態；在所述TMS320LF2407主控制器中給定雙級矩陣變換器的輸出線電壓信息，採用雙空間矢量調製方法實時獲得經協調控制後的整流級和逆變級佔空比信號，並輸出到EPM1270輔控制器，同時輸出逆變級的輸出電壓扇區及同步信號到EPM1270輔控制器；以所述EPM1270輔控制器對TMS320LF2407主控制器輸出的電流扇區、電壓扇區、佔空比信號和同步信號進行解碼，當輸入電流扇區為奇數時，在逆變級用零矢量U。代替所有的零矢量U7;當輸入電流扇區為偶數時，在逆變級用零矢量U7代替所有的零矢量U。，分別得到整流級開關信號和逆變級開關信號；以所述驅動電路完成整流級開關信號和逆變級開關信號分別輸出到整流級和逆變級。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、本發明採用改進的雙空間矢量調製方法，在保證整流級零電流換流的同時，本發明可將雙級矩陣變換器的共模電壓幅值降低為原來的VI/2。2、本發明降低了系統的硬體成本，易於實現，系統可靠性高。圖1為本發明雙級矩陣變換器的主電路結構圖；圖2為本發明雙級矩陣變換器的控制系統框圖；圖3(a)為本發明整流級輸入單位功率因數時的輸入電壓即輸入電流扇區劃分圖；圖3(b)為本發明逆變級輸出線電壓空間矢量分布圖；圖4為已有技術中雙級矩陣變換器的雙空間矢量分布圖；圖5為本發明雙級矩陣變換器的雙空間矢量分布圖。以下通過具體實施方式，並結合附圖對本發明進行進一步描述具體實施例方式圖1所示為本發明雙級矩陣變換器的主電路結構圖，由輸入網側電源、輸入濾波器、雙級矩陣變換器、箝位電路、輸出異步電動機負載構成，雙級矩陣變換器是由雙向開關構成整流級、由IPM模塊構成逆變級。圖2所示為本發明雙級矩陣變換器的控制系統框圖，包括電壓捕獲單元、過流和IPM故障檢測單元、TMS320LF2407主控制器、EPM1270輔控制器和驅動電路。以電壓捕獲單元捕獲網側電源輸入電壓的過零點信息，並送入TMS320LF2407主控制器，以確定輸入電壓的初始相位，以及單位輸入功率因數時的整流級佔空比信號。初始相位加上整流級輸入電流的旋轉矢量角度，實時獲得輸入電流的空間矢量相位角以確定扇區，圖3(a)所示為輸入單位功率因數時的輸入電壓即輸入電流扇區劃分圖，劃分規則為圖中每一扇區的一相電壓絕對值最大、另兩相電壓極性與其相反，以第3扇區為例給出佔空比d工和d2:《m。—cos(e。)^_^_cos(《)(1)9b和e。分別為a、b和c相仏cos^]，2^cos(《)式中Ua、Ub和u。為網側電源a、b和c相電壓，9電壓的相角。以過流和IPM故障檢測單元檢測瞬時的網側電源和異步電動機的過電流信息，以及瞬時的IPM故障信息，並送入EPM1270輔控制器。以TMS320LF2407主控制器實時輸出整流級的輸入電流扇區信息至EPM1270輔控制器，判斷扇區的奇偶狀態；在TMS320LF2407主控制器中給定雙級矩陣變換器的輸出線電壓信息，採用雙空間矢量調製方法實時獲得經協調控制後的整流級和逆變級佔空比信號，並輸出到EPM1270輔控制器，同時輸出逆變級的輸出電壓扇區及同步信號到EPM1270輔控制器。雙級矩陣變換器的直流側電壓ud。為一脈動量，為得到恆定的輸出電壓矢量幅值，逆變級調製係數HV需進行修正以抵消ud。的脈動，圖3(b)所示為逆變級輸出線電壓空間矢量分布圖，式(2)給出了修正後的佔空比計算公式(2)式中mv為修正後的逆變級調製係數，9sv為輸出線電壓的扇區角。由於直流側在1個L周期內由兩段線電壓構成，所以逆變級需在兩段線電壓下協調控制，圖4給出了協調控制後雙級矩陣變換器的雙空間矢量分布圖，圖中sin(60'-《)=附"sin(《)人卜《-Adla=d!d。，die=d!de，d10=d!d。；d2a=d2da，d2e=d2de，d20=d2d0。TMS320LF2407主控制器實時輸出電流扇區、電壓扇區、佔空比信號和同步信號。由圖1當雙級矩陣變換器驅動異步電動機時，在輸出電流對稱時有共模電壓uN。(3)結合圖2和圖3以網側輸入單位功率因數時輸入電流在第1扇區為例，當輸出電壓在第l扇區時，按式(3)計算得到雙級矩陣變換器在l個Ts內的u,。及最大幅值的分布規律如表1所示，可知1個L內u,。最大值u,MX=Uim，其它電壓扇區有相同的結論。同理當輸入電流在第2扇區時有U,。—^二-Uim，所以雙級矩陣變換器的U,。—_的分布規律如式(4):5=_fC/,,電流扇區為奇數",,=i_^,電流扇區為偶數表11個Ts內雙級矩陣變換器的共模電壓分布規律tableseeoriginaldocumentpage6從表1知當輸入電流扇區為奇數時雙級矩陣變換器的uN。—max=Uim出現在零矢量U7時間段內，而零矢量U。的=VJ/2^相對較小，為了降低uN。—max，在逆變級用零矢量U。代替所有的U7。同理在電流扇區為偶數時在逆變級用零矢量U7代替所有的U。，可得改進後的uN。的最大幅值分布規律如式(5)，協調控制後的即改進的雙級矩陣變換器的雙空間矢量分布圖如圖5所示，圖5中沒有改變逆變級零矢量的位置，所以本發明在保證雙級矩陣變換器的整流級零電流換流的同時，可有效降低雙級矩陣變換器的共模電壓幅值。Vi"/2t/to,電流扇區為奇數-VJ/2t^,電流扇區為偶數以EPM1270輔控制器對TMS320LF2407主控制器輸出的電流扇區、電壓扇區、佔空比信號和同步信號進行解碼，當輸入電流扇區為奇數時，在逆變級用零矢量U。代替所有的零矢量U7;當輸入電流扇區為偶數時，在逆變級用零矢量U7代替所有的零矢量U。，分別得到整流級開關信號和逆變級開關信號。以驅動電路完成整流級開關信號和逆變級開關信號分別輸出到整流級和逆變級。權利要求用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統，所述雙級矩陣變換器是由雙向開關構成整流級、由IPM模塊構成逆變級；其特徵是所述雙級矩陣變換器的控制系統包括電壓捕獲單元、過流和IPM故障檢測單元、TMS320LF2407主控制器、EPM1270輔控制器和驅動電路；以所述電壓捕獲單元捕獲網側電源輸入電壓的過零點信息，並送入TMS320LF2407主控制器，以確定輸入電壓的初始相位，以及單位輸入功率因數時的整流級佔空比信號；以所述過流和IPM故障檢測單元檢測瞬時的網側電源和異步電動機的過電流信息，以及瞬時的IPM故障信息，並送入EPM1270輔控制器；以所述TMS320LF2407主控制器實時輸出整流級的輸入電流扇區信息至所述EPM1270輔控制器，判斷扇區的奇偶狀態；在所述TMS320LF2407主控制器中給定雙級矩陣變換器的輸出線電壓信息，採用雙空間矢量調製方法實時獲得經協調控制後的整流級和逆變級佔空比信號，並輸出到EPM1270輔控制器，同時輸出逆變級的輸出電壓扇區及同步信號到EPM1270輔控制器；以所述EPM1270輔控制器對TMS320LF2407主控制器輸出的電流扇區、電壓扇區、佔空比信號和同步信號進行解碼，當輸入電流扇區為奇數時，在逆變級用零矢量U0代替所有的零矢量U7；當輸入電流扇區為偶數時，在逆變級用零矢量U7代替所有的零矢量U0，分別得到整流級開關信號和逆變級開關信號；以所述驅動電路完成整流級開關信號和逆變級開關信號分別輸出到整流級和逆變級。全文摘要本發明公開了一種用於抑制雙級矩陣變換器共模電壓的控制系統，雙級矩陣變換器是由雙向開關構成整流級、由IPM模塊構成逆變級；其特徵是雙級矩陣變換器的控制系統包括電壓捕獲單元、過流和IPM故障檢測單元、TMS320LF2407主控制器、EPM1270輔控制器和驅動電路。本發明針對雙級矩陣變換器驅動異步電動機存在共模電壓的問題，採用對逆變級零矢量重新分布的改進雙空間矢量調製方法，在保證整流級零電流換流的同時可有效降低雙級矩陣變換器的共模電壓。文檔編號H02M3/335GK101741257SQ20091025149公開日2010年6月16日申請日期2009年12月24日優先權日2009年12月24日發明者張興,楊淑英,童誠,董文杰,謝震,陳武申請人:合肥工業大學