基于空間矢量調制的三相矩陣式變換器

雙空間矢量PWM調制是對輸入電流和輸出電壓同步調制，逆變器部分的理想輸出線(xiàn)電壓基準矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準矢量圓都被劃分為6個(gè)扇區，從而有36種可能的組合。以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區為例，整個(gè)輸入相電流和輸出線(xiàn)電壓矢量合成過(guò)程共有I₆－U₆，I₆—U₁，I₁－U₆，I₁－U₁及零矢量I₀－U₀五種組合。即

I₆－U₆：

D_xα=m_um_isin(60°－θ_i)sin(60°－θ_v)（4）

I₆—U₁：

D_xβ=m_um_isin(60°－θ_i)sinθ_v（5）

I₁－U₆：

D_yα=m_um_isinθ_isin(60°－θ_v)（6）

I₁－U₁：

D_yβ=m_um_isinθ_isinθ_v（7）

I₀－U₀：

D₀=1－D_xα－D_xβ－D_yα－D_yβ（8）

式中：m_i為電流的調制系數；

θ_i為輸入相電流的相角；

θ_v為輸出線(xiàn)電壓的相角。

為減少輸入線(xiàn)電流和輸出線(xiàn)電壓的諧波分量，我們采取對稱(chēng)空間矢量調制策略。如圖5所示，在一個(gè)調制周期內，將上述開(kāi)關(guān)組合占空比減半，并以零矢量為中心對稱(chēng)分布如下：1P，3N，4N，6P，0A，1P，3N，4N，6P。占空比：

D_xα/2→D_yα/2→D_yβ/2→D_xβ/2→D₀→D_xβ/2→D_yβ/2→D_yα/2→D_xα/2

圖5 8開(kāi)關(guān)對稱(chēng)調制方案

Fig 5 the 8-switches double-sided modulator

3 GAL四步安全換流方案

用圖6中A相換流到B相為例說(shuō)明：當負載電流i_L>0時(shí)，第一步關(guān)斷S₁的負導通部分S_1N；第二步開(kāi)通S₂的正導通部分S_2P；第三步關(guān)斷S₁的正導通部分S_1P；第四步開(kāi)通S₂的負導通部分S_2N，這樣就完成了兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)之間的換流，其換流波形如圖7所示，其中S₁和S₂為兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的理想控制信號?？梢?jiàn)，四步換流成功地構成了對兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的換流控制，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開(kāi)關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)刻給負載提供至少一條流通路徑。換流過(guò)程可用Lattice公司生產(chǎn)的復雜可編程邏輯器件GAL22V10來(lái)實(shí)現。

圖6 矩陣式變換器一相輸出電路示意圖

Fig 6 one phase circuit of matrix converter

圖7是用GAL實(shí)現的安全四步換流的時(shí)序圖。

圖7 四步換流次序圖

Fig 7 the sequence of four-step commutation

4 DSP實(shí)現

TMS320LF2407A具有25ns的指令周期，500nsA/D轉換時(shí)間，低功耗3.3V設計，2個(gè)獨立的事件管理器，4個(gè)定時(shí)/計數器，并于同類(lèi)其它系列完全兼容。

為使輸入電流與輸入電壓保持頻率相位一致，需要對輸入電壓進(jìn)行檢測。輸入電壓通過(guò)三相輸入同步變壓器，過(guò)零比較器得到三相互相間隔120°的數字電平信號，分別送入DSP的3個(gè)IO口和捕獲口，三相電平信號的上升沿和下降沿把輸入電壓空間矢量圓劃分為6個(gè)扇區，設定DSP捕獲單元對上升沿和下降沿均產(chǎn)生中斷，以啟動(dòng)定時(shí)器對每個(gè)扇區定時(shí)，采樣周期到達時(shí)讀取定時(shí)器的計數值和IO口的電平情況，從而得出當前時(shí)刻輸入電壓矢量所在的扇區和相位，也就是得到了期望的輸入電流矢量所在的扇區和相位。

DSP程序中，每100μs產(chǎn)生5個(gè)PWM脈沖，系統的采樣頻率是5kHz，輸入電壓每200μs采樣一次。采用通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2，通用定時(shí)器1周期是100μs用來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖和GAL的扇區值，通用定時(shí)器2周期是200μs用來(lái)采樣輸入電壓、計算開(kāi)關(guān)次數，并決定輸出線(xiàn)電壓和輸入電流的扇區值。DSP的程序流程圖如圖8所示。

圖8 DSP程序流程圖

Fig 8 the flowchat of DSP program