基于DSP的矩陣式三相／單相電源研究

目前矩陣式變頻器因采用具有輸入功率因數可調，輸出頻率連續，功率雙向流動(dòng)且無(wú)直流母線(xiàn)的矩陣式變換器(MC)而倍受關(guān)注。雖然三相用電設備廣泛應用于生產(chǎn)領(lǐng)域，但是在一些行業(yè)(如感應加熱和感應熔煉)仍需要單相電源，而在這些行業(yè)用電對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重污染，如果將矩陣式變換器(MC)應用在這些行業(yè)中將對新一代“綠色”電源產(chǎn)生深遠的影響。在此綜合考慮因不同的控制策略，低頻段和高頻段對系統的資源占用率不同，故采用不同的控制策略，CPU采用DSP和CPLD聯(lián)合控制，實(shí)現了具有安全換流和相應的保護功能的三相-單相調功電源，該電源就很好地應用在相應的場(chǎng)合，充分發(fā)揮矩陣式電源的優(yōu)良特性。

1主電路結構和換流策略

1．1 主電路結構

系統電路采用的是三相-單相變換電路的其中一種較為簡(jiǎn)單的拓撲結構(帶中線(xiàn))如圖1所示。將S1+和S1-均導通的狀態(tài)稱(chēng)為S1狀態(tài)。為了盡可能多地濾除輸入電流中的由開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的高頻諧波中高頻諧波成分，減少對電網(wǎng)側的高頻污染，并提高輸入功率因數，因此引入濾波器，阻尼電阻Rd有利于在轉折頻率點(diǎn)后高頻電流的衰減，并入電容有利于減小開(kāi)關(guān)器件間的耦合。電路采用反向并聯(lián)IGBT構成雙向開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的時(shí)間，實(shí)現目標電壓。

1．2 換流策略

由主電路的基本特征和應用在感應加熱行業(yè)就決定了矩陣式變換器在工作過(guò)程中必須遵循兩個(gè)原則：矩陣式變換器的三相輸入中的任意兩相之間不能短路，避免使用電壓源短路造成過(guò)流。矩陣式變換器的輸出不能斷路，避免感性負載突然斷路而產(chǎn)生的過(guò)電壓。由此可見(jiàn)在換流的過(guò)程中必須選擇可靠的換流策略，為了解決這一問(wèn)題采用傳統的基于電流檢測的四步換流策略較為合適。該方法必須加以電流檢測元件(電流互感器、霍爾傳感器等)，為了保證IGBT的可靠開(kāi)通與關(guān)斷，將控制電壓設定為：開(kāi)通電壓+15 V(記為1)，關(guān)斷電壓-5 V(記為O)。為了便于說(shuō)明規定電流如圖1所示時(shí)記為I(+)，反之I(-)。四步換流開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程如圖2所示，現以由S1到S2狀態(tài)進(jìn)行換流的四個(gè)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，假設此時(shí)檢測輸出電流方向為I(+)。第一步，在開(kāi)通S2-之前必須將S1-關(guān)斷，否則U1和U2將通過(guò)S2+和S1-形成回路；第二步．開(kāi)通S2-，如果U2>U1，此時(shí)負載電流將立刻從S1-轉移到S2-，否則負載電流將繼續通過(guò)S1+；第三步，在開(kāi)通S2-前先關(guān)斷S1+，此時(shí)負載電流已轉移到S2+；第四步，開(kāi)通S2-。

當電流反向時(shí)采用相同的方法，只是開(kāi)通順序的不同。由此可見(jiàn)采用四步換流法，既禁止了可能是電源發(fā)生短路的組合，又保證了在任意時(shí)刻至少有一條通路，從而提高了環(huán)流的安全性。值得注意的是在換流的過(guò)程中為了避免換流出錯需要鎖存獲取的電流方向的信息。

2 控制策略

由于系統的結構所決定，空間矢量調制法以及雙電壓控制法均不能直接應用于三相-單相矩陣式變換器中。為了使系統更為可靠合理的運行，現在必須解決分配和控制雙向開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)達到輸出要求，在該系統中采用輸入擬合法，其以設定輸出電壓為目標，確定適當的選擇原則，并基于該原則在每個(gè)采樣周期內選擇相應的輸入電壓，擬合出目標電壓。就目前得到應用的兩種控制策略而言，以輸入三相電壓中的最大相和最小相擬合出設定的輸出電壓，輸出電壓較為平穩但是控制策略在高頻段CPU資源開(kāi)銷(xiāo)大。以輸入電壓與輸出電壓的差值為選擇依據，其算法簡(jiǎn)單、在高頻段資源占有率低，但是在低頻段電壓輸出波動(dòng)大。

為了使系統得到更好的性能，采用二者相互結合的控制策略，在低頻段采用第一種控制策略，在高頻段采用第二種策略。

假設變換器的輸入為三相理想電源電壓，則：

對于第一種策略在每個(gè)采樣周期內，只利用輸入電壓的最大相Umax和最小相Umin合成目標輸出電壓U0。

與此對應定義最大相開(kāi)關(guān)函數Smax和Smin。在一個(gè)采樣周期內，兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間T1，T2分別為：

式中：U0為輸出電壓參考值；Ts為采樣周期時(shí)間長(cháng)度。

在相應的控制算法下其擬合示意圖如圖3所示。其實(shí)質(zhì)上類(lèi)似于直流斬波電路，不過(guò)在此其是對交流斬波。利用該擬合方法進(jìn)行輸出得到的電壓比較平穩。第二種控制策略較為簡(jiǎn)單在此不做詳述。高頻和低頻控制策略的轉換通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，輸出U0的頻率f0可以通過(guò)人機交互裝置進(jìn)行設定(假如設定50 Hz以下為低頻，以上為高頻)，其子程序結構框圖如圖4所示。

3 數字控制系統組成

檢測的信號多而且要求精度高，同時(shí)產(chǎn)生相應的控制信號要求實(shí)時(shí)性好。這樣就決定了其CPU要求特別高，為了滿(mǎn)足這一要求，該系統采用CPU為CPLD+DSP數字控制系統(見(jiàn)圖5)。為了使其各自的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，利用DSP(TMS32LF2407)的模擬輸入通道接收來(lái)自信號檢測調制信號模塊的輸入／輸出信號實(shí)時(shí)計算并執行控制策略(輸入擬合法)，再將其運算的結果送給CPLD，CPLD根據相應的信號進(jìn)行邏輯運算實(shí)現邏輯換流功能。

在CPU運行過(guò)程中CPLD和DSP同時(shí)接收輸入／輸出電壓電流信號，但是其實(shí)現的功能不一樣：DSP接收到的信號是為了控制策略的運算，而CPLD接收的信號是為了保證每個(gè)時(shí)刻發(fā)出的控制信號的準確性，當CPLD發(fā)現故障時(shí)將進(jìn)行相應處理并顯示故障位置。

4 矩陣式變換器(MC)系統實(shí)驗分析

在該系統的設計當中CPU模塊采用SY-XDS510USB 2．0 DSP仿真器實(shí)現對雙向開(kāi)關(guān)管的控制，從而實(shí)現MC系統的部分實(shí)驗，以下是不同頻率下的電壓電流實(shí)驗的波形圖，如圖6所示。

在低頻段由于最大相和最小相擬合出設定的輸出電壓控制策略，該策略類(lèi)似于直流的斬波方法，所以其輸出的波形就是一斬波波形，由于和負載并入了電容，所以對負載兩端的電壓比較平穩。對于高頻段采用的電壓逼近原則，所以輸出電壓和電流都存在一定的波動(dòng)，但是其節約了CPU的資源，提高了系統的可靠性。

5 結語(yǔ)

系統針對感應加熱和感應熔煉等行業(yè)進(jìn)行三相／單相電源變換，采用分頻段控制策略，實(shí)現了穩定與資源的合理協(xié)調，達到了很好的效果。雖然控制方法和成本較高，但就其在功率因數以及對電網(wǎng)影響等各方面而言仍然遠高于現有的變換方式。隨著(zhù)集成模塊和控制方法的進(jìn)步，必將矩陣變換器應用在更廣闊的領(lǐng)域。