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1、8《电力电子技术》1999年第1期1999.2矩阵式交2交变换器及其控制MatrixAC2ACConverterandItsControl上海大学陈伯时陆海慧(上海200072)摘要:讨论了矩阵式交2交变换器(MC)的主电路和控制系统。主电路采用反向串联的双向IGBT开关,用可编程逻辑元件实现四步切换,以保证安全换流。在输入相电流空间矢量调制和输出线电压空间矢量调制的基础上,根据开关函数的瞬时对应关系及其限定条件,综合出MC的PWM控制策略。最后,给出了仿真与实验波形。Abstract:Themai
2、ncircuitwithanti2seriesbi2directionalIGBTswitchesandcontrolsystemofMCareap2proached.Toguaranteesafecommutation,afour2steppedswitchingstrategyisrealizedbyusingprogrammablelogicdevices.Theinstantaneouscorrespondingrelationshipbetweentheswitchingfunctions
3、ofMCanditsequivalentAC2DC2ACtopologywiththelimitingconditionsisdeduced,sothatthePWMstrategyofMCcanbesynthesizedonthebasisofspacevectormodulationofinputphasecurrentsandoutputlinevoltages.Finally,thesimulationandexperi2mentalwavesaregiven.叙词:变换器/矩阵式变换器双向
4、开关等效交2直2交结构Keywords:converter;matrixconverter;bi2directionalswitches;equivalentAC2DC2ACtopology.1引言图2所示。交流变频调速已成为当代电气传动中实现自动化和节能的主要技术手段。它的发展突飞猛进。然而目前流行的交2直2交变频器和交2交周波变换器,均有其负面影响———无功功率和谐波污染。随着变频调速的推广应用,防治“电力公害”变得日益重要。无功补偿和有源滤波是当前主要的防治手段。更根本的办法则是开发高功率因数
5、和低谐波污染的电力电子变换器,MC正是适应这一需要而诞生的。此外,可以图1矩阵式交2交变换器的主电路四象限运行、不需要中间贮能环节、体积小、效率高,也是MC的突出优点。MC的拓扑结构早在80年代就已提出来了,但所用的功率开关器件较多、控制技术比较复杂,因此在国际上至今还处于研制阶段。鉴于防治“电力公害”的迫切性,并随着微机控制技术的发展,矩阵式变换器近来日益受图2控制系统框图到重视,我们研究了MC的控制机理,研制了一台3双向开关与四步换流装置,已于1998年4月2日通过了上海市科委主由IGBT构成的
6、双向开关有多种连接形式,持的技术鉴定。我们采用的是共集电极的反向串联模式,如图32MC的主电路和控制系统所示。利用功率模块中的续流二极管作为反向电图1是基于双向开关的MC主电路,功率开流通道,两个方向的IGBT可以分别控制,容易实关器件为反向串联的IGBT,L、C为输入滤波器,现安全换流。TA1～3为三相输出电流霍尔检测器,用于安全换为了保证MC的输入电流和输出电压都是正流和过流保护,输出侧有整流式阻容吸收电路(图弦波,对9组双向开关都实行PWM控制,各开关中未画出)。基于80C196KC的控制系统
7、框图如须按一定规律进行切换。为了保证安全切换,同矩阵式交2交变换器及其控制9一相输出的任意两组开关不能同时导通,否则将安全换流次序。造成输入两相短路;三组开关也不能同时断开,也当要关断的器件被要开通的器件施以反压就是说,在两组开关切换期间不能插入死区,否则时,可实现零电流开关。这种情况发生的概率只将造成感性负载开路而感应高电压。这样,既不有50%.所以这种换流策略又称半软换流策略。允许两组开关交叠导通,又不允许有切换死区,必须有严格的逻辑控制才行,四步换流法则就是为了这个需要而提出来的。图5安全的四
8、步换流次序可采用可编程逻辑器件(PLD)中的序列发生图3共集电极的反向串联双向开关器实现四步换流,考虑到IGBT的开关时间,每一图4绘出了把任意两相输入电压连接到同一步换流的时间间隔下限为2μs,即PLD的时钟频相负载的两组双向开关,u1和u2表示两相输入率上限为500kHz。电压瞬时值,VS1和VS2是两组双向开关,为清楚起见,每组开关的正向和反向部分分别用p和n4等效交2直2交变换和双空间矢量表示,UL和iL分别是负载上的输出电压和电流。PWM控制要满足输入电压不
