- 基于雙空間矢量調(diào)制方法分析矩陣變換器
- 學(xué)習(xí)雙空間矢量調(diào)制策略
- 實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的空間矢量調(diào)制方法
傳統(tǒng)的AC/DC/AC變換器體積和重量龐大(存在直流環(huán)節(jié)),諧波電流的存在對其他的設(shè)備有嚴(yán)重的影響。矩陣變換器的提出解決了這些問題,相比較傳統(tǒng)的變換器,矩陣變換器有以下優(yōu)點(diǎn):
1)沒有電感器或電容器這樣體積龐大的儲能元件,結(jié)構(gòu)緊湊,體積大大減?。?br /> 2)通過濾波器,開關(guān)頻率諧波能夠減少到符合要求,就可以得到正弦輸入電流;
3)可控的輸入功率因素,可達(dá)到1,更高的可靠性;
4)雙向開關(guān)的使用,使變換器的四象限換流非常容易,能量可雙向流動;
5)對復(fù)雜的環(huán)境條件具有很高的適應(yīng)度,能在高、低壓環(huán)境中使用,也可以用在高溫環(huán)境中,諸如太空和水下(因?yàn)殡娊怆娙莸氖褂檬艿较拗?,非常適合用在潮汐發(fā)電站中。
基于上述諸多的優(yōu)點(diǎn),使矩陣變換器越來越多地被關(guān)注,然而,至今它還不是一個成熟的技術(shù)。焦點(diǎn)主要集中在它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),控制方法,換流技術(shù)。通常使用的控制方法是空間矢量調(diào)制法,而在現(xiàn)有的資料中很少有非常詳盡的描述。本文將對矩陣變換器應(yīng)用雙空間矢量調(diào)制法進(jìn)行詳盡的分析。
1 雙空間矢量調(diào)制策略
矩陣變換器應(yīng)用雙空間矢量調(diào)制法(SVM)時可以等效為一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器,它們的6個有效的空間矢量分別如圖1所示,對輸入電流和輸出電壓分別進(jìn)行嵌套。從而有36種可能的扇區(qū)組合。
以虛擬整流器、逆變器均工作在第一扇區(qū)為例,相量合成的固定空間電流、電壓相量分別是I6、I1和U6、U1,兩個空間相量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的辦法來實(shí)現(xiàn)。整個輸入相電流和輸出相電壓相量合成共有I6-U6、I6-U1、I1-U6、I1-U1、I0-U0 5種組合。每一相量組合的作用時間用占空比duty來表示。等式(1~5)反映了占空比的計(jì)算公式。占空比可以通過表1來分配給相應(yīng)的開關(guān)組合。 式中,θi、θv是相應(yīng)輸入相電流的相角和輸出線電壓的相角。m為調(diào)制比。當(dāng)4個占空比的總和小于一個周期時,補(bǔ)充零開關(guān)組合來完成一個PWM周期,零開關(guān)組合的占空比計(jì)算公式如下:
[page]
空間矢量調(diào)制法只確定開關(guān)間隔中應(yīng)用電壓矢量的占空比,從而獲得低頻率的輸出電壓和輸入電流的平均值,但是并沒有確定使用的順序。所以需要使用雙空間矢量調(diào)制法,同時也可改善波形的質(zhì)量。圖2表明了輸入電流在4扇區(qū),輸出電壓在5扇區(qū)應(yīng)用雙空間矢量調(diào)制的順序。電壓矢量在開關(guān)間隔中對稱分布,零矢量每4個開關(guān)間隔使用一次。在每次開關(guān)轉(zhuǎn)換中只有一個開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變以最大程度地降低損耗。在圖2中通過表格2確定相應(yīng)開關(guān)時間: 每個零矢量:0a,0b,0c,每次所使用的時間為t_0y,因?yàn)榱闶噶吭谝粋€周期中要使用6次,表2表明了當(dāng)測試的輸入電壓是線電壓的時候,14種矢量所有可能的組合。如果輸入電壓是相電壓,那么必須重新來排列Look-up table。每次雙空間矢量調(diào)制順序在一個開關(guān)周期中應(yīng)用14個矢量。矢量的次序不是隨機(jī)的,為了降低損耗每次開關(guān)轉(zhuǎn)換只有一個輸出相改變。每個順序都是固定的,也就是說,矢量必須按照表格2的次序來排列。表格3是一個具體的例子。序列的第3個元素(相量6或者相量9)對應(yīng)不同的占空比。占空比a,b,c,d的順序并不總是相同。這是輸入電流和輸出電壓所在的扇區(qū)來決定。占空比的順序是:1)如果輸入電流和輸出電壓所在的扇區(qū)都是奇數(shù)或者偶數(shù),作用順序?yàn)椋籨uty_a,duty_c,duty_d,duty_b;2)如果輸入電流和輸出電壓所在的扇區(qū)一個是偶數(shù),一個是奇數(shù),作用順序是:通過這種方式,不同的占空比就與相應(yīng)的相量對應(yīng)。
[page]
2 仿真研究
盡管現(xiàn)有的DSP技術(shù)和FPGA技術(shù)處理速度很快,很有效,但矩陣變換器的控制仍非常復(fù)雜,在仿真中,若按傳統(tǒng)方法使用定義好的Simulink模塊,會非常繁瑣,因?yàn)楸仨氄_的設(shè)置大量的參數(shù),而又沒有合適的調(diào)試工具。通過Matlab/Simulink里的功能強(qiáng)大的S函數(shù),S函數(shù)完美地結(jié)合了Simulink框圖簡潔明快的特點(diǎn)和Matlab編程靈活方便的優(yōu)點(diǎn),可充分利用Matlab提供的豐富資源,調(diào)用各種工具箱函數(shù),實(shí)現(xiàn)模塊所無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能,從而使問題大大簡化。編程中既可以使用C語言,也可以使用Matlab語言來實(shí)現(xiàn)空間矢量調(diào)制法。使用后者會更簡單些,以下是部分程序: 矩陣變換器開關(guān)的驅(qū)動信號從S函數(shù)模塊的輸出端獲得,S函數(shù)模塊的輸入是輸出電壓參考向量和輸入功率因素。可以對空間矢量法的執(zhí)行時間有一個完整的控制。整個平臺的仿真速度比離散模塊快很多,分析方法更清楚明了??梢噪S時在調(diào)制方法中增加額外的功能。
3 Matlab-Simulink的仿真結(jié)果
設(shè)定的輸出頻率為100 Hz,電壓調(diào)制比為0.75,仿真算法為ode15s,仿真時間為0.4s,濾波參數(shù)為L=100mH,C=70μF,負(fù)載為星形連接感性RL負(fù)載,采用輸入功率因素為1的控制策略,輸入相電壓和相電流基本同相位,仿真結(jié)果表明矩陣變換器的輸出電壓是一個正弦性很好的PWM波形,諧波分量比較小,輸出線電流的正弦性較好,驗(yàn)證了控制策略的正確性,以下為各仿真波形。
4 結(jié)論
該文介紹了一種有效快速的方法來實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的空間矢量調(diào)制方法。仿真結(jié)果證明:可減少仿真模塊的數(shù)量,縮短了模擬仿真時間,調(diào)試容易,給矩陣變換器的實(shí)際設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。