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基于拓撲解耦的高頻鏈逆變器控制方法

作者: 時(shí)間:2013-01-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
本文將矩陣變換器中的直流變換到三相交流的拓撲和技術(shù)相結合,提出了一種新型控制策略。該控制策略利用工作于PWM調制模式的高頻逆變橋生成的高頻環(huán)電壓方波經(jīng)高頻變壓器升壓后作為后級矩陣變換器的輸入。對于后級矩陣變換器,利用“”思想將其解耦成兩個(gè)常規的電壓源,從而可將常規電壓源的控制方法引入其中,分別對單個(gè)電壓源進(jìn)行控制,最后通過(guò)后級矩陣變換器功率器件適當的開(kāi)關(guān)組合,將高頻環(huán)方波整形成單極性的高頻脈沖,經(jīng)過(guò)濾波器后輸出與調制波同頻率的低頻正弦波。將PWM控制策略和高頻變壓器構成并與矩陣變換器拓撲相結合也是本文的創(chuàng )新點(diǎn)所在。對所提控制策略進(jìn)行了實(shí)驗研究,實(shí)驗結果驗證了該控制策略的可行性。

1 電路拓撲及控制策略

直流變換到三相交流矩陣式逆變器的主電路拓撲如圖1所示。主電路的前級由單相全橋電路和高頻變壓器組成高頻逆變橋,后級由矩陣變換器和輸出濾波電路組成。高頻逆變橋生成的高頻環(huán)方波由矩陣變換器對其進(jìn)行解調,由濾波電路濾除高次諧波,從而在輸出濾波電路兩端解調到與調制波同頻的交流脈沖電壓,控制結構框圖如圖2所示。

對于主電路后級,屬于單相交流(輸入信號是高頻交流環(huán)方波)到三相交流的矩陣變換器結構,仔細研究發(fā)現,通過(guò)將后級矩陣變換器進(jìn)行解耦,即將其分解成兩個(gè)常規三相電壓源逆變器,從而就可以將常規電壓源逆變器的控制方法引入其中,大大簡(jiǎn)化了對后級矩陣變換器的分析。由于前級高頻逆變橋輸出的是高頻交流環(huán)方波列,利用解耦控制思想,當高頻逆變橋輸出正極性脈沖時(shí),讓三個(gè)雙向橋臂上的正極性開(kāi)關(guān)管導通,當輸出為負極性脈沖時(shí)(所謂“正、負極性”是根據保證橋臂上二極管能導通的方向來(lái)確定),讓雙向橋臂上的負極性開(kāi)關(guān)管導通,這樣就實(shí)現了對后級矩陣變換器的解耦控制,如圖3所示,只不過(guò)此時(shí)對于兩個(gè)電壓源逆變器的輸入信號不再是恒定的直流電壓源,而是周期性離散的電壓脈沖列。以A相為例,矩陣變換器雙向橋臂上四路開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號的實(shí)現過(guò)程如下:利用正弦調制波和三角載波進(jìn)行比較后獲得兩路互補的SPWM信號,然后再將此兩路信號與相位互差180°、占空比為0.5的方波V2、V1進(jìn)行邏輯組合,方波V3、V4與前級高頻逆變橋開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)脈沖同步。

這樣就可以得到A相雙向橋臂上四路開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號,波形示意如圖4所示。由以上分析知,矩陣變換器A相雙向橋臂四路開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號的邏輯關(guān)系為:

以上利用V3,V4與SPWM1,SPWM2波形進(jìn)行信號邏輯處理的過(guò)程,體現了對SPWM信號的分解和矩陣變換器拓撲結構的分離,即體現了解耦的控制思想。圖4中給出了A相雙向橋臂上四個(gè)開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)信號的實(shí)現方法,同理可得出B、C相開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號。在分析后級拓撲的時(shí)候,利用解耦思想實(shí)現了后級拓撲的分解,但電路的工作過(guò)程是在同一個(gè)拓撲上實(shí)現的,并且兩個(gè)過(guò)程是同步進(jìn)行的,因此,將解耦后的控制信號經(jīng)過(guò)邏輯組合后又應用于后級同一拓撲上,實(shí)現了對矩陣變換器的控制。

2 實(shí)驗

對所提的控制方法進(jìn)行了實(shí)驗研究,實(shí)驗參數見(jiàn)表1。

圖5(a)是高頻逆變橋MOS管柵極驅動(dòng)信號ugs和漏源電壓uds波形。圖5(b)是由DSP產(chǎn)生的載波頻率為10 kHz、調制比為0.8的三相SPWM1、SPWM3和SPWM5信號及對SPWM5二分頻后的信號。圖5(c)是解耦環(huán)節邏輯信號經(jīng)功率型光耦TLP250芯片驅動(dòng)后的開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)信號,依次是Guhh,Guhl,Gull和Gulh,實(shí)驗結果和圖4中的開(kāi)關(guān)時(shí)序信號相同。圖5(d)是逆變器輸出的頻率是50 Hz的相電壓波形。

本文基于思想,將單相到三相的矩陣變換器解耦成兩個(gè)常規的電壓源型逆變器,高頻逆變橋采用PWM調制,矩陣變換器采用SPWM調制實(shí)現了對矩陣式高頻鏈逆變器的控制,大大簡(jiǎn)化了矩陣變換器的控制過(guò)程。搭建了實(shí)驗樣機,通過(guò)實(shí)驗驗證了所提控制思想的正確性,為進(jìn)一步研究矩陣變換器的控制策略具有一定的借鑒意義。

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