CN112398351B - 一种9双向开关型ac-ac矩阵式变换器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种9双向开关型AC‑AC矩阵式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9双向开关型AC‑AC矩阵式变换器，所用拓扑常被称为三相‑三相矩阵式变换器。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。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，电压型6扇区SVM作为开关管基础调制信号。6路SVM信号和3对互补的电压极性选择信号进行组合逻辑处理，得到18路开关管驱动信号。本发明使得控制更加简单灵活，减小了矩阵变换器控制难度，降低了开关管的开关频率，提高了对负载的适应能力，便于能量双向流动。

Description

一种9双向开关型AC-AC矩阵式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9双向开关型AC-AC矩阵式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9双向开关型AC-AC矩阵式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。
但是AC-AC矩阵式变换器开关数目多，且双向开关管采用背靠背连接的方式，因此大多数调制策略实现困难且换流策略复杂，导致输入三相电压输出三相电压的变换形式不易实现。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器及其调制方法，使得控制更加简单灵活，实现输入三相电压到输出三相电压的变换形式，减小矩阵变换器控制难度，降低开关管的开关频率，提高对负载的适应能力，便于能量双向流动。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器，其电路拓扑包括输入电源、输入滤波器、双向开关组、三相负载，所述输入电源采用三相电源，负载采用星型三相负载的连接形式，输入滤波器为三相L型结构，双向开关组为矩阵式开关组，矩阵式开关组由9对双向开关管组成；
输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，三相电网电压ua、ub、uc采用星型连接形式；输入滤波器由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ua、ub、uc分别和La、Lb和Lc的一端连接；输入滤波器由La、Lb和Lc的另一端分别和矩阵式开关组连接；
矩阵式开关组由背靠背连接的SAp.a和SAn.a、背靠背连接的SAp.b和SAn.b、背靠背连接的SAp.c和SAn.c、背靠背连接的SBp.a和SBn.a、背靠背连接的SBp.b和SBn.b、背靠背连接的SBp.c和SBn.c、背靠背连接的SCp.a和SCn.a、背靠背连接的SCp.b和SCn.b、背靠背连接的SCp.c和SCn.c这9对双向开关管构成；
电感La的输出端与开关管SAn.a、SAn.b和SAn.c的漏极连接；电感Lb的输出端与开关管SBn.a、SBn.b和SBn.c的漏极连接，电感Lc的输出端与开关管SCn.a、SCn.b和SCn.c的漏极连接；
三相负载电阻包括R1、R2和R3，R1、R2和R3采用星型连接形式；
开关管SAp.a、SBp.a和SCp.a的漏极相连接并与负载R1一端连接，开关管SAp.b、SBp.b和SCp.b的漏极相连接并与负载R2一端连接，开关管SAp.c、SBp.c和SCp.c的漏极相连接并与负载R3一端连接，负载R1、R2和R3的另一端相互连接。
一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的调制方法，通过SVM调制方法获得6路基础调制信号，通过三组正弦信号和0比较获得3对电压极性选择信号，将6路基础调制信号和电压极性选择信号进行组合逻辑运算，得到双向开关管的驱动信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的调制方法的步骤包括：
步骤1，通过SVM调制方法获得的SVM1～SVM6的6路开关管驱动信号，将此6路信号作为基础调制信号；步骤2，将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，得到有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L；步骤3，将基础调制信号SVM1～SVM6和极性选择信号H、L进行组合逻辑运算，最终获得9个双向开关管包括18个单向开关管的驱动信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：在所述步骤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，通过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；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、矢量合成顺序选择最终得到6路SVM信号，取其中驱动每一相桥臂上桥臂的3路SVM信号，记为SVM+，每一相下桥臂的3路SVM信号，记为SVM-。
本发明技术方案的进一步改进在于：在所述步骤2中，将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，当正弦信号大于0时，正极性选择信号H为逻辑“1”，负极性选择信号L为逻辑“0”；当正弦信号小于0时，正极性选择信号H为逻辑“0”，负极性选择信号为逻辑“1”；得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L。
本发明技术方案的进一步改进在于：将在所述步骤2得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L与步骤1中得到6路SVM信号组合逻辑运算，SVM+分别和三个正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算得到9路驱动信号，包括SAp.a、SBp.a、SCp.a、SAp.b、SBp.b、SCp.b、SAp.c、SBp.c、SCp.c，SVM-分别和三个负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算得到9路SVM-驱动信号，包括SAn.a、SBn.a、SCn.a、SAn.b、SBn.b、SCn.b、SAn.c、SBn.c、SCn.c。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过极性选择逻辑运算，将双向开关管逻辑分解为单向可控的开关管，矩阵式开关组的三组中每一组逻辑分解为输出正电压、输出负电压两组普通三相半桥电路；逻辑分解矩阵式开关组，得到由SAp.a、SAp.b、SAp.c构成的A组正组三相半桥；得到由SBp.a、SBp.b、SBp.c构成的B组正组三相半桥；得到由SCp.a、SCp.b、SCp.c构成的C组正组三相半桥；得到由SAn.a、SAn.b、SAn.c构成的A组负组三相半桥；得到由SBn.a、SBn.b、SBn.c构成的B组负组三相半桥；得到由SCn.a、SCn.b、SCn.c构成的C组负组三相半桥；每一组均含有输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，输入三相L型滤波器为La、Lb、Lc以及三相星型负载R1、R2、R3。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的各组的正组三相半桥电路工作时，3对互补信号中的正极性选择信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；9双向开关型AC-AC矩阵式变换器各组的负组三相半桥电路工作时，正组三相半桥的开关管全部开通，3对互补信号中的正极性选择信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明使得控制更加简单灵活，实现输入三相电压到输出三相电压的变换形式，减小了矩阵变换器控制难度，降低了开关管的开关频率，提高了对负载的适应能力，便于能量双向流动。
输入三相滤波器以及双向开关管组是主要能量变换结构，简单实用，结构稳定。
所述9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的各组的正组三相半桥电路工作时，负组三相半桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器各组的负组三相半桥电路工作时，正组三相半桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平。在3路SVM+信号、3路SVM-信号、彼此有120°相位差的3路正极性选择信号H、彼此有120°相位差的3路负极性选择信号L的共同作用下，各组协同工作，从而一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器实现输入三相输出三相变换。
附图说明
图1为本发明一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的分为A、B、C三组的电路拓扑，；
图2为本发明方法的系统控制原理框图；
图3为一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器电压型SVM调制方法S分区图；
图4为一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的电压型6扇区SVM调制方法基本矢量和零矢量的分布图；
图5为一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器A、B、C三组的逻辑分解原理图；
图6为彼此120°相位差三对极性选择信号H、L的生成原理图；
图7为一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器电压型SVM组合逻辑调制方法逻辑处理电路图；
图8为一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器电压型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9双向开关型AC-AC矩阵式变换器，该拓扑由输入三相电源电源、输入滤波器、实现能量变换的矩阵式开关管组、三相星型负载依次连接构成，矩阵式开关组为双向开关组。
图1是一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器电路拓扑，该拓扑由输入三相电源电源、输入滤波器、实现能量变换的矩阵式开关管组、三相星型负载依次连接构成。
三相电网电压ua、ub、uc采用星型连接形式；输入滤波器由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ua、ub、uc分别和La、Lb和Lc的一端连接；输入滤波器由La、Lb和Lc的另一端分别和矩阵式开关组连接。
矩阵式开关组由背靠背连接的SAp.a和SAn.a、背靠背连接的SAp.b和SAn.b、背靠背连接的SAp.c和SAn.c、背靠背连接的SBp.a和SBn.a、背靠背连接的SBp.b和SBn.b、背靠背连接的SBp.c和SBn.c、背靠背连接的SCp.a和SCn.a、背靠背连接的SCp.b和SCn.b、背靠背连接的SCp.c和SCn.c9对双向开关管构成；电感La的输出端与开关管SAn.a、SAn.b和SAn.c的漏极连接；电感Lb的输出端与开关管SBn.a、SBn.b和SBn.c的漏极连接，电感Lc的输出端与开关管SCn.a、SCn.b和SCn.c的漏极连接。
三相负载电阻R1、R2和R3采用星型连接形式。
开关管SAp.a、SBp.a和SCp.a的漏极相连接并与负载R1一端连接，开关管SAp.b、SBp.b和SCp.b的漏极相连接并与负载R2一端连接，开关管SAp.c、SBp.c和SCp.c的漏极相连接并与负载R3一端连接，负载R1、R2和R3的另一端彼此连接。
调制方法的控制原理如图2所示。图2中，第1部分为6扇区电压型SVM调制得到的6路SVM信号。6扇区电压型SVM调制通过扇区的划分、扇区判断、矢量作用时间的选择、矢量合成顺序选择等来获得6扇区电压型SVM调制信号，包括3路每相上桥臂的SVM信号(记为SVM+)、3路每相下桥臂的SVM信号(记为SVM-)。以及由彼此相差120°相位的三路正弦信号和0比较得到的3对极性选择信号H、L；第2部分为组合逻辑调制，取3路每相上桥臂的信号SVM+和L进行“或”组合逻辑运算，取3路每相下桥臂的SVM信号和H进行“或”组合逻辑运算。第3部分为6路SVM基础调制信号进行组合逻辑运算处理得到的18路开关管的驱动信号。
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。
根据极性选择逻辑运算，得到9双向开关型AC-AC矩阵式变换器逻辑分解的电路拓扑如图5所示，每一组由正组三相半桥电路和负组三相半桥电路构成，各组逻辑分解原理相同。
图6是彼此有120°相位差3对极性选择信号H、L生成原理，相位为0的正弦信号和0比较得到H1、L1；相位为-120°的正弦信号和0比较得到H2、L2；相位为120°的正弦信号和0比较得到H3、L3。当正弦信号大于0时，H＝1，L＝0；当正弦信号小于0时，H＝0，L＝1。因此可生成有3对正负极性选择信号H、L。
三路SVM+、三路SVM-分别与3个负极性选择信号L、3个正极性选择信号H进行图7的“或”组合逻辑运算处理，得到矩阵式开关组的驱动信号。L1、H1和SVM+、SVM-进行“或”组合逻辑运算得到A组开关管的驱动信号；L2、H2分别和SVM+、SVM-进行“或”组合逻辑运算得到B组开关管的驱动信号；L3、H3分别和SVM+、SVM-进行“或”组合逻辑运算得到C组开关管的驱动信号。
以相位为0生成的极性选择信号H1、L1为例，图8是该组的驱动信号合成原理。SVMh1、SVMh2、SVMh3是3路每一相桥臂上桥臂的SVM信号，与负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算；SVML1、SVML2、SVML3是3路每一相下桥臂的SVM信号，与正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算。其他两组组合逻辑原理相同，仅极性选择信号不同。如图8所示，在一个极性选择周期中，t0～t1段单向开关管SAp.a、SAn.a、SBp.a、SBn.a、SCp.a、SCn.a导通；t1～t2段单向开关管SAp.a、SAn.a、SBn.a、SCn.a导通，单向开关管SBp.a、SCp.a关断；t2～t3段单向开关管SAn.a、SBn.a、SCn.a导通，单向开关管SAp.a、SBp.a、SCp.a关断；t3～t4段单向开关管SAp.a、SBp.a、SCp.a导通，单向开关管SAn.a、SBn.a、SCn.a关断；t4～t5段单向开关管SAp.a、SBp.a、SBn.a、SCp.a、SCn.a导通，单向开关管关断SAn.a；t5～t6段单向开关管SAn.a、SBp.a、SBn.a、SCp.a、SCn.a导通，单向开关管SAp.a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，故矩阵式开关组电路结构可逻辑分解多个三相半桥电路。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，正组三相半桥工作时，正组三相半桥的可控单向开关管处于调制状态，负组三相半桥的可控单向开关管处于开通状态；负组三相半桥工作时，负组三相半桥的可控单向开关管处于调制状态，正组三相半桥的可控单向开关管处于开通状态。
一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的各组的正组三相半桥电路工作时，负组三相半桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器各组的负组三相半桥电路工作时，正组三相半桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平。由于极性选择信号H、L存在相位差，各组的正、负三相半桥和另外其他两组的正、负三相半桥组可协同工作。在3路SVM+信号、3路SVM-信号、彼此有120°相位差的3路H信号、彼此有120°相位差的3路L信号的共同作用下，一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器实现输入三相输出三相能量变换。
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9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的调制方法，其特征在于：通过SVM调制方法获得6路基础调制信号，通过三组正弦信号和0比较获得3对电压极性选择信号，将6路基础调制信号和电压极性选择信号进行组合逻辑运算，得到双向开关管的驱动信号；
使用一种9双向开关型AC-AC矩阵式变换器，其电路拓扑包括输入电源、输入滤波器、双向开关组、三相负载，所述输入电源采用三相电源，负载采用星型三相负载的连接形式，输入滤波器为三相L型结构，双向开关组为矩阵式开关组，矩阵式开关组由9对双向开关管组成；
输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，三相电网电压ua、ub、uc采用星型连接形式；输入滤波器由La、Lb和Lc构成；三相电网电压ua、ub、uc分别和La、Lb和Lc的一端连接；
矩阵式开关组由背靠背连接的SAp.a和SAn.a、背靠背连接的SAp.b和SAn.b、背靠背连接的SAp.c和SAn.c、背靠背连接的SBp.a和SBn.a、背靠背连接的SBp.b和SBn.b、背靠背连接的SBp.c和SBn.c、背靠背连接的SCp.a和SCn.a、背靠背连接的SCp.b和SCn.b、背靠背连接的SCp.c和SCn.c这9对双向开关管构成；
电感La的输出端与开关管SAn.a、SAn.b和SAn.c的漏极连接；电感Lb的输出端与开关管SBn.a、SBn.b和SBn.c的漏极连接，电感Lc的输出端与开关管SCn.a、SCn.b和SCn.c的漏极相连接；
三相负载电阻包括R1、R2和R3，R1、R2和R3采用星型连接形式；
开关管SAp.a、SBp.a和SCp.a的漏极相连接并与负载R1一端连接，开关管SAp.b、SBp.b和SCp.b的漏极相连接并与负载R2一端相连接，开关管SAp.c、SBp.c和SCp.c的漏极相连接并与负载R3一端相连接，负载R1、R2和R3的另一端相互连接；
其步骤包括：
步骤1，通过SVM调制方法获得的SVM1～SVM6的6路开关管驱动信号，将此6路信号作为基础调制信号；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，通过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；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、矢量合成顺序选择最终得到6路SVM信号，取其中驱动每一相桥臂上桥臂的3路SVM信号，记为SVM+，每一相下桥臂的3路SVM信号，记为SVM-；步骤2，将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，得到有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L；将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，当正弦信号大于0时，正极性选择信号H为逻辑“1”，负极性选择信号L为逻辑“0”；当正弦信号小于0时，正极性选择信号H为逻辑“0”，负极性选择信号为逻辑“1”；得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L；得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号H、L与步骤1中得到6路SVM信号组合逻辑运算，SVM+分别和三个正极性选择信号H进行“或”组合逻辑运算得到9路驱动信号，包括SAp.a、SBp.a、SCp.a、SAp.b、SBp.b、SCp.b、SAp.c、SBp.c、SCp.c，SVM-分别和三个负极性选择信号L进行“或”组合逻辑运算得到9路SVM-驱动信号，包括SAn.a、SBn.a、SCn.a、SAn.b、SBn.b、SCn.b、SAn.c、SBn.c、SCn.c；步骤3，将基础调制信号SVM1～SVM6和极性选择信号H、L进行组合逻辑运算，最终获得9个双向开关管包括18个单向开关管的驱动信号；
通过极性选择逻辑运算，将双向开关管逻辑分解为单向可控的开关管，矩阵式开关组的三组中每一组逻辑分解为输出正电压、输出负电压两组普通三相半桥电路；逻辑分解矩阵式开关组，得到由SAp.a、SAp.b、SAp.c构成的A组正组三相半桥；得到由SBp.a、SBp.b、SBp.c构成的B组正组三相半桥；得到由SCp.a、SCp.b、SCp.c构成的C组正组三相半桥；得到由SAn.a、SAn.b、SAn.c构成的A组负组三相半桥；得到由SBn.a、SBn.b、SBn.c构成的B组负组三相半桥；得到由SCn.a、SCn.b、SCn.c构成的C组负组三相半桥；每一组均含有输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，输入三相L型滤波器为La、Lb、Lc以及三相星型负载R1、R2、R3；
所述9双向开关型AC-AC矩阵式变换器的各组的正组三相半桥电路工作时，3对互补信号中的正极性选择信号H为高电平，负极性选择信号L为低电平；9双向开关型AC-AC矩阵式变换器各组的负组三相半桥电路工作时，正组三相半桥的开关管全部开通，3对互补信号中的正极性选择信号H为低电平，负极性选择信号L为高电平。
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