CN112234844B - 一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器及其调制方法，涉及电力电子功率变换器调制控制技术领域，一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器，所用拓扑为三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器。基于此变换器拓扑，提出了一种电压型SVM组合逻辑调制方法。电压型6扇区SVM作为基础调制，正负极性选择信号将矩阵变换器的双向可控开关管逻辑分解为单向可控开关管，将双向开关组逻辑分解为正、负两组普通三相AC/单相AC拓扑。由于正负极性选择信号的变频变相特性，正、负组三相AC/单相AC拓扑交替工作，矩阵变换器输出变频变相的交流电压。本发明具有双向开关管控制灵活、负载适应能力强、开关频率低、能量双向流动等优点。

Description

一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器及其调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换器调制控制技术领域，尤其是一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器及其调制方法。
背景技术
变换器是一种把某一幅值、频率交流电能转换成不同幅值、不同频率电能的拓扑装置。矩阵式变换器被称为“万能变换器”，理论上可直接实现输入输出相数相同或不同。其中输入三相电压输出三相电压的矩阵式变换器较为常用，一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器所用拓扑也被称为三相-三相矩阵式变换器，可直接实现某一幅值频率的三相输入到另一幅值频率三相输出的功能，理论上可以输出任意频率的波形。在被称为“万能变换器”的三相-三相矩阵变换器的基础上演变而来的三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器，与传统的PWM整流器相比，此种变换器具有明显的优势，比如能直接输出交流电压、能量双向流动、效率高、功率因数高、负载适应性强。
然而，矩阵变换器开关数目较多，且双向开关管采用背靠背的连接方式，因此大多数控制策略对双向开关管采用整体控制且相对复杂，这大大降低了矩阵变换器所具有的优势。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器及其调制方法，使矩阵变换器双向开关管的控制更加灵活简单，实现三相AC/单相AC变换，降低开关频率，提高功率因数，降低双向开关管的控制难度，降低矩阵变换器开关管的开关频率，提高对负载的适应能力，使矩阵变换器具备输出相位可调的交流电压的能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器，其电路拓扑包括三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器，所述三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器包括依次连接三相电网电压、输入滤波器、双向开关组、输出滤波器以及负载；
输入电源为三相电网电压ea、eb、ec，三相电网电压ea、eb、ec采用星型连接形式；输入滤波器采用三相L型结构，由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ea、eb、ec分别和La、Lb和Lc的一端相连接；La、Lb和Lc的另一端分别和双向开关组相连接；
双向开关组是由背靠背连接的Sap1和San4、背靠背连接的Sap3和San6、背靠背连接的Sap5和San2、背靠背连接的Sap4和San1、背靠背连接的Sap6和San3、背靠背连接的Sap2和San56对双向开关管构成；Sap1、Sap3、Sap5的漏极连接在一起，San1、San3、San5的漏极连接在一起；
第一滤波电感La与San4、Sap4的漏极相互连接，第二滤波电感Lb与San6、Sap6的漏极相互连接；第三滤波电感Lc与San2、Sap2的漏极相互连接；
输出C型滤波电容C、负载R和Sap1、Sap3、Sap5的漏极、San1、San3、San5的漏极并行连接。
一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的调制方法，通过电压型6扇区SVM调制作为基础调制方法，对6路基础调制信号和电压极性选择信号H、L进行组合逻辑运算，得到开关管的驱动信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的调制方法的步骤包括：
步骤1，通过电压型6扇区划分的SVM调制方法获得SVM1～SVM6的6路开关管驱动信号；
步骤2，对任意频率任意相位的正弦信号和0做比较，正弦信号大于0时，正极性信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；正弦信号小于0时，正极性信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平，得到变频变相的正负电压极性选择信号H、L；
步骤3，对所得到的6路驱动信号和正极性选择信号H、负组切换信号L进行组合逻辑运算，得到输出正电压的6路SVM+信号、输出负电压的6路SVM-信号，其中H、L为占空比0.5的互补的固定频率方波；
步骤4，将双向开关组的双向可控开关管逻辑分解为单向可控的开关管，将双向开关组逻辑分解为正、负两组普通的三相AC/单相AC变换器、SVM+驱动正组的开关管、SVM-驱动的负组开关管；通过正负组交替工作，矩阵变换器输出交流电压。
本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤1中参考输入三相电压相邻的两个自然换相点将输入三相电压空间划分为6个S型电压区域；在两相静止坐标系中，将8个空间基本电压矢量将电压空间划分为6扇区；将每个扇区中的电压矢量由该扇区两个基本有效矢量和零矢量合成；将6扇区电压型SVM调制通过扇区划分、扇区判断、矢量作用时间计算、矢量合成顺序选择得到三相桥臂各差120°的SVM基础调制信号SVM1～SVM6。
本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤2中，通过任意频率任意相位的正弦信号和0做比较，正弦信号大于0时，正极性信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；正弦信号小于0时，正极性信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平，得到变频变相的正负电压极性选择信号H、L。
本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤2中，对基础调制信号SVM1～SVM6与互补的变频变相的极性选择信号H、L进行组合逻辑运算；对基础调制信号和负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM+信号；对基础调制信号和正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM-信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤3中，将双向开关组的双向可控开关管逻辑分解为单向可控的开关管，将双向开关组逻辑分解为正、负两组普通的三相AC/单相AC变换器；正组三相AC/单相AC变换器由输入侧的三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管Sap1、Sap3、Sap5、可控开关管Sap4、Sap6、Sap2及输出电容滤波器C和负载R组成；负组三相电压型变换器由三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管San1、San3、San5、可控开关管San4、San6、San2及输出电容滤波器C和负载R组成；6路SVM+信号驱动正组的普通的三相AC/单相AC变换器的开关管，6路SVM-信号驱动正组的普通的三相AC/单相AC变换器的开关管。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明使矩阵变换器双向开关管的控制更加灵活简单，实现三相AC/单相AC变换，降低开关频率，提高功率因数，降低了双向开关管的控制难度，降低了矩阵变换器开关管的开关频率，提高了对负载的适应能力，使矩阵变换器具备输出相位可调的交流电压的能力。
附图说明
图1为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的电路拓扑图；
图2为本发明方法的系统原理框图；
图3为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器电压型SVM调制方法S分区图；
图4为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器电压型SVM调制方法基本矢量和零矢量的分布图；
图5为变频变相的正负电压极性选择信号H、L的生成图；
图6为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的电路拓扑逻辑分解拓扑图；
图7为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器电压型SVM组合逻辑调制方法逻辑处理电路图；
图8为一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器电压型SVM组合逻辑调制方法驱动信号原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1至图8所示，一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器，该拓扑的输入电源为星型连接的三相电网电压ea、eb、ec；输入滤波器采用三相L型结构，由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ea、eb、ec分别和La、Lb和Lc的一端连接；输入滤波器由La、Lb和Lc的另一端分别和双向开关组连接。
双向开关组是由背靠背连接的Sap1和San4、背靠背连接的Sap3和San6、背靠背连接的Sap5和San2、背靠背连接的Sap4和San1、背靠背连接的Sap6和San3、背靠背连接的Sap2和San56对双向开关管构成。Sap1、Sap3、Sap5的漏极连接在一起，San1、San3、San5的漏极连接在一起。
第一滤波电感La与San4、Sap4的漏极连接，第二滤波电感Lb与San6、Sap6的漏极连接；第三滤波电感Lc与San2、Sap2的漏极连接。
输出C型滤波电容C和负载R，两者和Sap1、Sap3、Sap5的漏极、San1、San3、San5的漏极并行连接。
图2为调制方法控制原理。图2中的第1部分为电压型6扇区划分得到的6路SVM信号，以及变频变相的正负极性选择信号H、L的生成；第2部分为组合逻辑运算处理；第3部分为6路SVM经组合逻辑运算处理之后得到的12路单向开关管的驱动信号。
图3是参考电压信号每周期中的相邻两个自然换相点划分的6个电压S型空间区域，即6扇区电压矢量划分。
图4是两相静止坐标系中电压型6扇区、6个基本电压空间矢量、2个零矢量的分布。每个扇区中的电压矢量由该区域的两个有效矢量和零矢量合成。
图5通过任意频率任意相位的正弦信号和0做比较，正弦信号大于0时，正极性信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；正弦信号小于0时，正极性信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平，得到变频变相的正负电压极性选择信号H、L。
图6是一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的电路拓扑，经逻辑分解，得到的正、负组三相AC/单相AC变换器。正组三相AC/单相AC变换器由输入侧的三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管Sap1、Sap3、Sap5、可控开关管Sap4、Sap6、Sap2及输出电容滤波器C和负载R组成；负组三相电压型变换器由三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管San1、San3、San5、可控开关管San4、San6、San2及输出电容滤波器C和负载R组成。
图7一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器电压型SVM组合逻辑调制方法逻辑处理电路。基础调制信号SVM1～SVM6与互补的变频变相的极性选择信号H、L进行组合逻辑运算。基础调制信号和负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM+信号；基础调制信号和正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM-信号。
以第一桥臂开关管驱动信号为例，图8是该桥臂的驱动信号合成原理图。SVM上表示上桥臂的SVM基础调制信号，SVM下表示下桥臂的SVM基础调制信号。变频变相极性选择信号是由相位为-120°的正弦波和0比较生成的。SVM上和负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算，SVM下和正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算。第二、三桥臂的组合逻辑运算原理相同，仅SVM上、SVM下不同，三条桥臂的SVM上、SVM下彼此之间相差120°。t0～t1段开关管Sap1、Sap4、San4导通，开关管San1关断；t1～t2段开关管Sap4、San1、Sap1导通，开关管San4关断；t2～t3段开关管Sap1、Sap4、San4导通，开关管San1关断；t3～t4段开关管Sap4、San1、Sap1导通，开关管San4关断；t4～t5段开关管开关管Sap1、Sap4、San4导通，开关管San1关断；t5～t6段开关管Sap1、San1、San4导通，开关管Sap4关断；t6～t7段开关管Sap4、San1、San4导通，开关管Sap1关断；t7～t8段开关管Sap1、San1、San4导通，开关管Sap4关断；t8～t9段开关管Sap4、San1、San4导通，开关管Sap1关断；t9～t10段开关管Sap1、San1、San4导通，开关管Sap4关断；t10～t11段开关管Sap4、San1、San4导通，开关管Sap1关断；t11～t12段开关管Sap1、San1、San4导通，开关管Sap4关断；t12～t13段开关管Sap4、San1、San4导通，开关管Sap1关断；t13～t14段开关管Sap1、San1、San4导通，开关管Sap4关断；t14～t15段开关管Sap4、San1、Sap1导通，开关管San4关断；t15～t16段开关管Sap1、Sap4、San4导通，开关管San1关断。
对于本发明所述的电压型SVM组合逻辑调制方法，包含逻辑分解和组合逻辑运算两部分。其一，逻辑分解工作是针对电路特征和物理连接的分析，分解双向可控开关管为单向可控开关管，故双向开关组电路结构可逻辑分解多个三相AC/单相AC变换器。其二，组合逻辑运算工作则侧重于逻辑变换和控制实现，其核心控制思路为：6扇区划分SVM基础调制信号与正、负极性选择信号H、L进行组合逻辑运算，正组三相AC/单相AC变换器工作时，正组三相全桥拓扑的可控单向开关管处于调制状态，负组的可控单向开关管处于开通状态；负组三相AC/单相AC变换器工作时，负组三相全桥拓扑的可控单向开关管处于调制状态，正组三相全桥拓扑的可控单向开关管处于开通状态。
当AC-AC矩阵变换器输出正电压时，此时矩阵变换器逻辑分解得到的正组变换器工作，即开关管(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，负组变换器的开关管全部处于开通状态，正电压极性选择信号H为高电平，负电压极性选择信号L为低电平；同理，当AC-AC矩阵变换器输出负电压时，此时矩阵变换器逻辑分解得到的负组变换器工作，即开关管(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，正组变换器的开关管全部处于开通状态，正电压极性选择信号H为低电平，负电压极性选择信号L为高电平。由于变频变相正负极性选择信号的生成方式，正、负组交替工作，矩阵变换器输出变频变相的交流电压。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器的调制方法，其特征在于：使用一种输出变频变相交流电压的矩阵变换器，其电路拓扑包括三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器，所述三相AC/单相AC非隔离矩阵变换器包括依次连接三相电网电压、输入滤波器、双向开关组、输出滤波器以及负载；
输入电源为三相电网电压ea、eb、ec，三相电网电压ea、eb、ec采用星型连接形式；输入滤波器采用三相L型结构，由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ea、eb、ec分别和La、Lb和Lc的一端相连接；La、Lb和Lc的另一端分别和双向开关组相连接；
双向开关组是由背靠背连接的Sap1和San4、背靠背连接的Sap3和San6、背靠背连接的Sap5和San2、背靠背连接的Sap4和San1、背靠背连接的Sap6和San3、背靠背连接的Sap2和San56对双向开关管构成；Sap1、Sap3、Sap5的漏极连接在一起，San1、San3、San5的漏极连接在一起；
第一滤波电感La与San4、Sap4的漏极相互连接，第二滤波电感Lb与San6、Sap6的漏极相互连接；第三滤波电感Lc与San2、Sap2的漏极相互连接；
输出C型滤波电容C、负载R、Sap1、Sap3、Sap5的漏极、San1、San3、San5的漏极并行连接；
通过电压型6扇区SVM调制作为基础调制方法，对6路基础调制信号和电压极性选择信号H、L进行组合逻辑运算，得到开关管的驱动信号；
其步骤包括：
步骤1，通过电压型6扇区划分的SVM调制方法获得SVM1～SVM6的6路开关管驱动信号；参考输入三相电压相邻的两个自然换相点将输入三相电压空间划分为6个S型电压区域；在两相静止坐标系中，将8个空间基本电压矢量将电压空间划分为6扇区；将每个扇区中的电压矢量由该扇区两个基本有效矢量和零矢量合成；将6扇区电压型SVM调制通过扇区划分、扇区判断、矢量作用时间计算、矢量合成顺序选择得到三相桥臂各差120°的SVM基础调制信号SVM1～SVM6；
步骤2，对任意频率任意相位的正弦信号和0做比较，正弦信号大于0时，正极性信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；正弦信号小于0时，正极性信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平，得到变频变相的正负电压极性选择信号H、L；通过任意频率任意相位的正弦信号和0做比较，正弦信号大于0时，正极性信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；正弦信号小于0时，正极性信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平，得到变频变相的正负电压极性选择信号H、L；
步骤3，对所得到的6路驱动信号和正极性选择信号H、负组切换信号L进行组合逻辑运算，得到输出正电压的6路SVM+信号、输出负电压的6路SVM-信号，其中H、L为占空比0.5的互补的固定频率方波；对基础调制信号SVM1～SVM6与互补的变频变相的极性选择信号H、L进行组合逻辑运算；对基础调制信号和负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM+信号；对基础调制信号和正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算得到输出正电压的6路SVM-信号；
步骤4，将双向开关组的双向可控开关管逻辑分解为单向可控的开关管，将双向开关组逻辑分解为正、负两组普通的三相AC/单相AC变换器、SVM+驱动正组的开关管、SVM-驱动的负组开关管；通过正负组交替工作，矩阵变换器输出交流电压；将双向开关组的双向可控开关管逻辑分解为单向可控的开关管，将双向开关组逻辑分解为正、负两组普通的三相AC/单相AC变换器；正组三相AC/单相AC变换器由输入侧的三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管Sap1、Sap3、Sap5、可控开关管Sap4、Sap6、Sap2及输出电容滤波器C和负载R组成；负组三相电压型变换器由三相电网电压ea、eb、ec、输入电感滤波器La、Lb、Lc、可控开关管San1、San3、San5、可控开关管San4、San6、San2及输出电容滤波器C和负载R组成；6路SVM+信号驱动正组的普通的三相AC/单相AC变换器的开关管，6路SVM-信号驱动正组的普通的三相AC/单相AC变换器的开关管。
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