CN101675580A - 矩阵变换器的脉宽调制控制 - Google Patents

Abstract

一种矩阵变换器包含多个开关元件，并且适于接收具有输入频率的多相交流(AC)输入信号和适于产生具有输出频率的多相AC输出信号。将输入信号的相整理为它们的瞬时电压振幅(60)的函数。从对应于输出信号(56)的每个相的输出参考电压产生参考信号。基于整理的输入信号的相和参考信号(62)为输出信号的每个相计算占空比。然后，基于对输出信号(64、66)的每个相的占空比产生各自控制其中一个开关元件的开关函数。

Description

矩阵变换器的脉宽调制控制

【技术领域】

本发明涉及电力系统。更具体地，本发明涉及用于矩阵变换器或直接变频器的脉宽调制控制方法。

【背景技术】

矩阵变换器是一种将在其输入端的一频率的AC电压变换为在其输出端的不同频率的AC电压的电子装置。矩阵变换器还可以改变输入信号和输出信号之间的相幅和相数。矩阵变化器包含受脉宽调制(PWM)控制以在矩阵变换器的输出端按照单相或多相方式提供电压的多个开关装置。矩阵变换器中开关装置的数量是输入线和输出线中相数的函数。PWM改变了在矩阵变换器的输入和输出之间开关的连接，使得局部平均的输出电压符合参考电压。

对于矩阵变换器的一个应用是控制AC电动机的速度和转矩。在该应用中，矩阵变换器接收AC输入信号(例如，来自电力设施的三相信号)并将该输入信号变换为具有与AC电动机相配的频率和振幅的单相或多相输出信号。然而，用于将输入信号转换为合适的输出信号的许多控制算法是非常复杂的并且消耗了大量的处理器资源。另外，将矩阵变换器并入到电动机控制系统通常需要复杂的控制硬件，这增加了系统的成本。

【发明内容】

本发明涉及对包含多个开关元件的矩阵变换器的控制。所述矩阵变换器适于接收具有输入频率的多相交流(AC)输入信号，并且适于产生具有输出频率的多相AC输出信号。将所述输入信号的相整理(sort)为它们的瞬时电压振幅的函数。从输出参考电压产生参考信号，所述输出参考电压对应于输出信号的每个相。基于整理的输入信号相和参考信号，对输出信号的每个相计算占空比。然后，基于对输出信号的每个相的占空比产生各自控制其中一个开关元件的开关函数。

【附图说明】

图1是包含矩阵变换器的电力系统的示意图，所述矩阵变换器具有多个开关元件以及用于操作所述开关元件的控制器。

图2A-2C是适于使用在图1中示出的矩阵变换器中的开关元件的示意图。

图3是用于从输入信号对多个开关元件产生开关函数的控制器的方框图。

图4是显示根据它们的瞬时值经整理的输入信号的图表。

图5A是用于产生脉宽调制函数的三角比较信号的图表。

图5B是由三角比较方法产生的中间开关函数的图表。

图5C是源自中间开关函数用于控制矩阵控制器的开关元件的开关函数的图表。

图5D是对矩阵变换器输出的相的输出电压波形的图表。

【具体实施方式】

图1是电力系统10的示意性视图，电力系统10从电源12以输入频率接收多相交流(AC)电并且以输出频率向负载提供多相AC电。电力系统10包含LC滤波器20、矩阵变换器22以及矩阵变换器(MxC)控制器24。在示出的实施例中，电源12为三相电源(包含输入相R、S和T)，其在矩阵变换器22的输入端提供输入电压v₁、v₂和v₃并提供输入电流i₁、i₂和i₃。同样在该示出的实施例中，矩阵变换器22向感应电动机14提供包含输出电压v₁ ^o、v₂ ^o和v₃ ^o和输出电流i₁ ^o、i₂ ^o和i₃ ^o的三相电(包括U、V和W相)。

LC滤波器20包含电感器26a、26b和26c，以及电容器28a、28b和28c。电感器26a与输入相R串联连接，电感器26b与输入相S串联连接，并且电感器26c与输入相T串联连接。电容器28a跨接输入相R和S，电容器28b跨接输入相S和T，并且电容器28c跨接输入相T和R。LC过滤器20控制电流水平并防止来自电源12的电压瞬变。

矩阵变换器22包含开关元件s₁₁、s₂₁、s₃₁、s₁₂、s₂₂、s₃₂、s₁₃、s₂₃和s₃₃(统称为s_jk)。开关元件s_jk为通过LC滤波器20连接到电源12上的双向开关，使得在开关元件s₁₁、s₁₂和s₁₃的输入节点上接收到输入电压v₁，在开关元件s₂₁、s₂₂和s₂₃的输入节点上接收到输入电压v₂，并在开关元件s₃₁、s₃₂和s₃₃的输入节点上接收到输入电压v₃。连接开关元件s₁₁、s₂₁和s₃₁的输出节点以向电动机14提供输出电压v₁ ^o，连接开关元件s₁₂、s₂₂和s₃₂的输出节点以向电动机14提供输出电压v₂ ^o，并且连接开关元件s₁₃、s₂₃和s₃₃的输出节点以向电动机14提供输出电压v₃ ^o。当将矩阵变换器22示出在其输入端接收三相电并在其输出端提供三相电时，将会理解矩阵变换器22能够适于从具有任意数量的相的电源12接收电力，并且适于向具有任意数量的相的电动机14提供电力。

将MxC控制器24连接到各开关元件s_jk以提供开关函数S_jk，开关函数S_jk操作开关s_jk以便以输出频率向电动机14提供输出信号。换句话说，MxC控制器24操作开关元件s_jk以将来自电源12的输入信号的频率变换为与电动机14相配的输出频率。MxC控制器24接收输入电压v₁、v₂和v₃作为输入并基于这些输入产生开关函数S_jk。下面将更加详细地描述用来展开开关函数的算法。

图2A-2C是适合于矩阵变换器22中开关元件s_jk的装置的示意图。各装置在其输入节点上接收输入电压v_j并在其输出节点上提供输出电压v_k ^o。各装置受控于由MxC控制器24提供的开关函数S_jk及其互补函数S_jk。图2A显示装置40，其包含以反并联配置方式(发射极到集电极)进行连接、具有反相阻断能力的晶体管42。图2B显示装置44，其包含以共集电极配置方式进行连接的晶体管42。装置44中的各晶体管42以反并联配置方式连接到二极管46以在各晶体管42和二极管46之间提供相反的导电性。图2C显示装置48，其包含以共发射极配置方式进行连接的晶体管42。装置48中的各晶体管42以反并联配置方式连接到二极管46，以在各晶体管42和二极管46之间提供相反的导电性。在一些实施例中，图2A、2B和2C中的晶体管42为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。应当注意：装置40、44和48仅是示范性的，并且能够可控地在两节点之间提供双向开关的任何装置可被用作开关元件s_jk。

装置40、44和48中的晶体管42可以受控于脉宽调制(PWM)信号，脉宽调制信号向晶体管42的栅极提供脉冲以控制通过它们的电流。可以通过开关函数S_jk模拟门脉冲，其假设当开关元件s_jk关闭(即，导电)时值为“1”，而当开关元件s_jk打开时值为“0”。如果在矩阵变换器22(例如电感电动机14)的输出端设置电感负载，则需要其中一个开关元件s_jk在任意给定时间处于导电状态。另外，为了避免在输入相R、S和T之间的短路，两个开关元件s_jk不可以同时导电。可以将这些约束表示为：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{jk}}=1;k=1,m.---\left(1\right)$

遵循方程式1，对于给定的k，只有n-1个独立的开关函数S_jk。因此，可以将开关函数S_jk的数量从n×m减至(n-1)×m个开关函数。

如图1中所示，通过控制三个开关元件s_1k、s_2k和s_3k产生对每个输出相U、V和W的输出信号，所述三个开关元件s_1k、s_2k和s_3k对应于来自电源12的三相输入电。因此，能够将图1中示出的3×3矩阵变换器22视为三个变换器，每个包含三个输入相和单个输出相，所述单个输出相具有基于开关元件s₁、s₂和s₃的控制的信号。来自三相输入和单相输出矩阵变换器的输出电压v^o为：

$v^o\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}{S}_1\left(t\right)& S_2\left(t\right)& S_3\left(t\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_1\left(t\right)\\ v_2\left(t\right)\\ v_3\left(t\right)\end{array}\right].---\left(2\right)$

在短采样间隔T_s内使用局部平均，并假设输入电压v₁、v₂和v₃在采样间隔T_s内是恒定不变的，则能将方程式2写为：

v^o＝d₁v₁+d₂v₂+d₃v₃，(3)

其中d₁、d₂和d₃是定义为d_1，2，3＝T_1，2，3/T_s的占空比函数。T_s是时间间隔T₁、T₂和T₃(分别对应于开关元件s₁、s₂和s₃是导通的时间)的总和，而v^o是局部平均的输出电压。因此，根据占空比可以将方程式1表示为：

d₁+d₂+d₃＝1，(4)

其中0≤d₁，d₂，d₃≤1。方程式4显示由于能从两个已知的占空比函数计算获得第三个占空比函数，因此输出电压v^o是两个占空比函数的函数。

占空比函数d₁、d₂和d₃不但可以用于控制输出电压v^o，而且可以用于提供附加标准，所述附加标准与在一个采样间隔中特定输入相上的输出电流i^o的分布有关。具体地，输入电流i₁、i₂和i₃与输出电流i^o的关系在于：

d₁i^o＝i₁；d₂i^o＝i₂；d₃i^o＝i₃.(5)

可以选择从输出电流i^o到输入电流i₁、i₂和i₃的两个局部平均贡献之比以符合期望的相移输入电压v₁、v₂和v₃之比以控制位移因数。通过将电流分布因数α引入到占空比函数能将此实现，其中可以将电流分布因数α定义为：

$\mathrm{\α}=\frac{i_2}{i_3}=\frac{d_2}{d_3}=\frac{v_2^{*}}{v_3^{*}},---\left(6\right)$

其中电压v₂ ^*和v₃ ^*为相角参考电压。电压v₂ ^*和v₃ ^*可以由锁相环路(PLL)系统产生，从而使它们分别处于具有输入电压v₂和v₃的相。

为了将未知的占空比的数量从3减至2，可以将方程式4表示为d₁＝1-(d₂+d₃)，并替代入方程式3：

v^o-v₁＝d₂(v₂-v₁)+d₃(v₃-v₁).(7)

此外，可以将方程式6表示为d₂＝αd₃，并替代入方程式7并且进行重写以提供对d₃的表达式：

$d_3=\frac{v^o-v_1}{(v_3-v_1)+\mathrm{\α}(v_2-v_1)}.---\left(8\right)$

当所计算的d₃满足输出电压和输入功率因数要求时，可以从方程式4和7反推计算剩下的占空比函数d₁和d₂。

图3是用于产生对开关元件s₁、s₂和s₃的开关函数S₁、S₂和S₃的MxC控制器24部分(被称作MxC控制器部分24a)的方框图。MxC控制器部分24a是产生符合以上概述约束的开关函数之系统的一个实施例。MxC控制器部分24a包含锁相环路(PLL)模块50、线性扩展器模块52、信号极性模块54、电平转移模块56、整理模块(sorting module)60、占空比模块62、脉宽调制(PWM)模块64和去复用模块66。MxC控制器部分24a的各模块可以以硬件、软件、固件或者它们的组合形式实现。为了给MxC控制器24的所有三个输出相U、V和W提供输出信号，可以将三个MxC控制器部分24a并联到来自电源12的输入相。

PLL模块50在其输入端接收输入电压v₁、v₂和v₃并向线性扩展器52提供输出参考电压和

线性扩展器模块52基于输出参考电压v₁ ^o、v₂ ^o和v₃ ^o和零序信号v_zs向信号极性模块54提供信号70。信号极性模块54基于来自线性扩展模块52的信号和来自占空比模块62的极性信号pol向电平转移模块56提供信号72。电平转移模块56产生修正的输出参考电压

和

并将这些修正的输出参考电压的其中一个作为输入提供给占空比模块62。

整理模块60也在其输入端接收输入电压v₁、v₂和v₃并在其输出端产生整理的电压信号v_min、v_mid和v_max，并且向去复用模块66提供解码信号。占空比模块62从整理的电压信号v_min、v_mid和v_max产生占空比信号d_min、d_mid和d_max。PWM模块64从占空比信号d_min、d_mid和d_max产生开关函数S_min、S_mid和S_max，并且去复用模块66基于开关函数S_min、S_mid和S_max以及来自整理模块60的解码信号提供输出开关函数S₁、S₂和S₃。

整理模块60接收输入电压v₁、v₂和v₃，并将它们整理为它们的瞬时电压振幅的函数。整理输入电压v₁、v₂和v₃，使得v_max是具有最高振幅的输入相，v_min是具有最低振幅的相，而v_mid是具有介于v_max和v_min之间振幅的相。在整理模块60的输出端和占空比模块62的输入端提供信号v_max、v_mid和v_min。整理模块60还向去复用模块66提供解码信号，去复用模块66使整理的输入电压v_min、v_mid和v_max与它们的起源的输入电压v₁、v₂和v₃相关联。

PLL模块50还在其输入端接收输入电压v₁、v₂和v₃并在其输出端产生输出参考电压和

输出参考电压

和

为锁相的且分别具有输入电压v₁、v₂和v₃。向扩展输出参考电压

和的线性度的线性扩展器模块52提供输出参考电压

和通过增加具有特定波形和振幅的零序信号v_zs可以扩展输出参考电压

和

的线性度，以减少输出参考电压

和

的峰值。在一些实施例中，零序信号v_zs是输出参考电压和

其中一个的第三次谐波。通过适当选择零序信号v_zs，输出参考电压

和

的线性度能以

或高达15.4％的因数进行扩展。

在已经将零序信号v_zs增加到输出参考电压

和

后，向极性模块54提供信号70。极性模块54接收来自占空比模块62的极性信号pol，该信号的值在整理的输入电压v_mid为零或为正值时为“1”，而在整理的输入电压v_mid为负值时为“-1”。通过确保满足以上所列出的标准0≤d₁，d₂，d₃≤1的极性信号pol放大来自线性扩展器52的信号。

图4是阐明整理的输入电压v_min、v_mid和v_max与极性信号pol之间关系的图表。将输入电压v₁、v₂和v₃对时间绘图，并且输入电压v₁、v₂和v₃为相对于彼此以约120°进行平移的相。线pol显示极性信号pol的值随着具有中振幅的输入电压极性变化而进行变化。例如，在瞬时时间T_inst，整理模块60整理输入电压v₁、v₂和v₃，使得{v₁，v₂，v₃}＝{v_min，v_mid，v_max}，并且由于v_mid≥0，因此极性信号pol具有值pol＝1。

返回参考图3，极性模块54向电平转移模块56提供极性调整的输出参考电压

和(即，信号72)。电平转移模块56缩放并移动信号，以提供具有振幅分别高达输入电压v₁、v₂和v₃约86.6％的修正的输出电压和

将修正的输出参考电压

和

的其中一个提供给占空比模块62用于计算占空比函数d₁、d₂和d₃。

占空比模块62接收整理的输入电压v_min、v_mid和v_max以及修正的输出参考电压

和

的其中一个，并且产生占空比d_min、d_mid和d_max。根据下表计算对采样间隔T_s的占空比。信号v_min ^*、v_mid ^*和v_max ^*分别为锁相的整理输入参考电压v_min、v_mid和v_max，α为上述的电流分布因数，而ΔV^o是由电平转移模块56向占空比模块62提供的参考信号。

在计算了占空比函数d_min、d_mid和d_max后，PWM模块64产生调制函数u_h ^m和u_l ^m，它们是占空比函数d_min、d_mid和d_max的函数。在一些实施例中， $u_l^m=d_{\mathrm{mid}}+d_{\max }=(1+\mathrm{\α})d_{\max }$ 且 $u_h^m=d_{\max }.$ PWM模块64将调制函数u_h ^m和u_l ^m与已知频率的三角载波信号进行比较，以对开关元件s₁、s₂和s₃产生开关函数。图5A是显示三角载波信号v_tri的图表，其具有绘制在该图表上的占空比函数d_min、d_mid和d_max以及调制函数u_h ^m和u_l ^m。

调制函数u_h ^m和u_l ^m与三角载波信号v_tri的比较产生了中间开关函数S_max ^tc和S_mid ^tc。图5B是显示对中间开关函数S_max ^tc和S_mid ^tc波形的图表。当三角载波信号v_tri小于u_h ^m时，中间开关函数S_max ^tc具有逻辑值“1”，而在其它所有情况下逻辑值为“0”。当三角载波信号v_tri小于u_l ^m时，中间开关函数S_mid ^tc具有逻辑值“1”，而在其它所有情况下逻辑值为“0”。

图5c是源自中间开关函数S_max ^tc和S_mid ^tc的开关函数S_min、S_mid和S_max的图表。开关函数S_min、S_mid和S_max如下导出：

$S_{\max }=S_{\max }^{\mathrm{tc}}$

$S_{\mathrm{mid}}=\mathrm{NOT}\left(S_{\mathrm{mid}}^{\mathrm{tc}}\right)$

$S_{\min }=\mathrm{XOR}(S_{\max }^{\mathrm{tc}},S_{\min }^{\mathrm{tc}})$

可以将逻辑门连接到传统的三角比较硬件上，以从中间开关函数S_max ^tc和S_mid ^tc产生开关函数S_min、S_mid和S_max.

然后，向去复用模块66提供开关函数S_min、S_mid和S_max，去复用模块66基于由分类程序块60提供的解码信号使开关函数S_min、S_mid和S_max与开关元件s₁、s₂和s₃相关联。因此，向开关元件s₁提供开关函数S₁，向开关元件s₂提供开关函数S₂，并向开关元件s₃提供开关函数S₃。图5D是当v_mid≥0时由分别控制开关元件s₁、s₂和s₃的开关函数S₁、S₂和S₃所产生的波形图表。对MxC控制器部分24a的输出电压v^o是v_min、v_mid和v_max的局部平均贡献(locallyaveraged contribution)。

总之，本发明涉及包含多个开关元件的矩阵变换器的控制。所述矩阵变换器适于接收具有输入频率的多相交流(AC)输入信号，并且适于产生具有输出频率的多相AC输出信号。将这些输入信号的相整理为它们的瞬时电压振幅的函数。从对应于输出信号各相的输出参考电压产生参考信号。基于整理的输入信号相以及参考信号为输出信号的每个相计算占空比。然后，基于对输出信号的每个相的占空比，产生各控制其中一个开关元件的开关函数。

尽管已参考优选的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行许多改变。

Claims (19)

1、一种用于控制包含多个开关元件的矩阵变换器的方法，所述矩阵变换器适于接收具有输入频率的多相交流(AC)输入信号并且适于产生具有输出频率的多相AC输出信号，所述方法包括：

将所述输入信号的相整理为所述输入信号相的瞬时电压振幅的函数；

从对应于所述输出信号的每个相的输出参考电压产生参考信号；

基于整理的输入信号相和所述参考信号为所述输出信号的每个相计算占空比；以及

基于对所述输出信号的每个相的占空比产生开关函数，其中每个开关函数控制所述开关元件的其中一个。

2、如权利要求1所述的方法，其中整理所述输入信号的相包括使每个所述整理的输入信号相与其来源于的所述输入信号相相关联。

3、如权利要求2所述的方法，所述方法还包括：

基于所述整理的输入信号相与起源的所述输入信号相之间的联系，使每个所述开关函数与开关元件相关联。

4、如权利要求1所述的方法，其中产生所述参考信号包括：

向每个所述输出参考电压增加零序信号以提供修正的输出参考电压；以及

选择所述修正的输出参考电压的其中一个作为所述参考信号。

5、如权利要求4所述的方法，其中增加所述零序信号包括选择所述零序信号以将所述开关函数的线性度扩展约15.4％。

6、如权利要求4所述的方法，其中产生所述参考信号还包括在增加所述零序信号后缩放并移动所述输出参考电压信号以提供输出信号电压，所述输出信号电压具有相应的输入信号电压约86.6％的振幅。

7、如权利要求1所述的方法，其中产生开关函数包括：

基于对所述输出信号的每个相的占空比计算调制函数；

将所述调制函数与三角比较信号进行比较；以及

基于所述调制函数与所述三角信号之间的比较产生所述开关函数。

8、一种用于控制包含多个开关元件的矩阵变换器的方法，所述矩阵变换器适于接收具有输入频率的交流(AC)输入信号，所述输入频率具有相电压v₁、v₂和v₃，并且所述矩阵变换器适于产生具有输出频率的多相AC输出信号，所述方法包括：

将输入相电压v₁、v₂和v₃整理作为它们的瞬时振幅的函数，使得v_max是具有最高振幅的所述输入相电压，v_min是具有最低振幅的所述输入相电压，以及v_mid是具有介于v_max和v_min之间的振幅的所述输入相电压；

从对应于所述输出信号的每个相的输出参考电压产生参考信号；

分别基于输入相电压v_min、v_mid和v_max以及所述参考信号计算占空比d_min、d_mid和d_max；

基于对每个输出信号相的占空比d_min、d_mid和d_max计算调制函数；

将所述调制函数与三角比较信号进行比较；以及

基于所述调制函数和所述三角比较信号之间的比较产生开关函数s_min、s_mid和s_max，其中开关函数s_min、s_mid和s_max中的每一个控制与输出相相关联的所述开关元件的其中一个。

9、如权利要求8所述的方法，其中整理相v₁、v₂和v₃包括使v_max、v_mid和v_min中的每一个与其来源于的所述输入相电压v₁、v₂和v₃的其中一个相关联。

10、如权利要求9所述的方法，所述方法还包括：

基于整理的相电压v_max、v_mid和v_min与输入相电压v₁、v₂和v₃之间的联系使开关函数s_min、s_mid和s_max中的每一个与开关元件相关联。

11、如权利要求8所述的方法，其中产生参考信号包括如果v_mid在对应于所述输出相的所述输入相上为负值，则随着输出相被反转而反转所述输出参考电压的极性。

12、如权利要求8所述的方法，其中产生所述参考信号包括：

向每个所述输出参考电压增加零序信号以提供修正的输出参考电压；以及

选择所述修改的输出参考电压的其中一个作为所述参考信号。

13、如权利要求12所述的方法，其中增加所述零序信号包括选择所述零序信号以将所述开关函数的线性度扩展约15.4％。

14、一种用于控制包含多个开关元件的矩阵变换器的系统，所述矩阵变换器适于接收具有输入频率的多相交流(AC)输入信号并且适于产生具有输出频率的多相AC输出信号，所述系统包括：

整理模块，其被配置成将所述输入信号的相整理为所述输入信号相的瞬时电压振幅的函数；

参考信号模块，其被配置成从对应于所述输出信号的每个相的输出参考电压产生参考信号；

占空比模块，其用于基于所述整理的输入信号相和所述参考信号为所述输出信号的每个相计算占空比；以及

开关函数模块，其被配置成基于对所述输出信号的每个相的占空比产生开关函数，其中每个开关函数控制所述开关元件的其中一个。

15、如权利要求14所述的系统，其中所述整理模块被配置成使每个所述整理的输入信号相与其来源于的所述输入信号相关联。

16、如权利要求15所述的系统，其中所述开关函数模块包含去复用模块，其被配置成基于所述整理的输入信号相的联系整理所述开关函数，所述整理的输入信号相来自所述整理模块。

17、如权利要求14所述的系统，其中所述开关函数模块被配置成基于所述占空比计算调制函数，并被配置成将所述调制函数与三角比较信号进行比较以产生所述开关函数。

18、如权利要求14所述的系统，其中所述开关函数模块被配置成向每个所述输出参考电压增加零序信号以提供修正的输出参考电压，并被配置成选择所述修正的输出参考电压的其中一个作为所述参考信号。

19、如权利要求18所述的系统，其中所述零序信号将所述开关函数的线性度扩展约15.4％。

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