CN1476663A - 用于控制矩阵转换器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制矩阵转换器(2)的方法，该矩阵转换器(2)具有9个设置为3×3开关矩阵(6)的双向功率开关(4)，其中，借助每个调制间隔的空间向量调制方法，用所属时间间隔(a，b，d，e，c)计算4个激活开关状态和一个零开关状态。根据本发明，将计算的零开关状态时间间隔(c)分配到三个可供使用的零开关状态中的至少两个上。由此可以获得其中不再出现输出电压错误的矩阵转换器(2)。

Description

用于控制矩阵转换器的方法
本发明涉及一种用于控制矩阵转换器的方法，该矩阵转换器具有9个设置为3×3开关矩阵的双向功率开关，其中，借助每个调制间隔的空间向量调制方法，用所属时间间隔计算4个激活开关状态和一个零开关状态。
矩阵转换器涉及自引导的直接转换器。它可以将系统中不变的三相电网转换为具有可变电压和频率。通过设置为3×3开关矩阵的双向功率开关，矩阵转换器三个输出相位中的每一个都与输入相位电气相连。矩阵转换器的相位由三个双向功率开关的装置组成，该装置一方面分别与各输入相位相连，另一方面与输出相位相连。这样的装置也表示为3×1开关矩阵。该矩阵转换器需要中间回路。自引导的直接转换器所具有的优点是，其通过该拓扑结构具有反馈能力，并通过相应施加的控制获得正弦形的电网电流。
矩阵转换器的双向功率开关各具有两个反串连连接的半导体开关。作为半导体开关，优选采用绝缘栅级双极晶体管(IGBT)，其各具有一个反并联的二极管。这样设计的双向功率开关优选用于转换小功率和中等功率。通过控制双向功率开关的半导体开关，各自在由该半导体开关装置确定的方向上连续电流通路。如果控制双向功率开关的两个半导体开关，则该双向功率开关双向导通，且可以在两个方向上流通电流。由此在矩阵转换器的输入相位和输出相位之间产生可靠的电连接。如果只控制双向功率开关的一个半导体开关，则该双向功率开关不双向导通，且在矩阵转换器的输入相位和输出相位之间产生的电连接只用于优选的电流方向。
通过获得的开关位置组合在调制周期内的时间序列，可以产生在时间平均值上边界任意的输出电压。控制矩阵转换器的技术问题在于，根据输入电压空间向量的知识和输出电压空间向量的期望值计算出合适的开关组合。
迄今为止公知的控制方法或者是面向相位的方法，或者是面向空间向量的方法。
面向相位的控制方法已在Alberto Alesina和Marco G.B.Venturini的出版物“Analysis and Design of Optimum-amplitude Nine-Switch Direct AC-ACconverters(最佳振幅9开关直接AC-AC转换器的分析和设计)”，IEEETranctions on Power Electronics，第4册，Nr.1，1989年1月，101至112页中详细描述，而在LászlóHuber和Du an Borejevi 的出版物“Space VectorModulated Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with Input PowerFactor Correction(具有输入功率因子校正的空间向量调制的三相到三相矩阵转换器)”，IEEE Tranctions on Industry Applications，第31册，Nr.6，1995年11/12月，1234至1245页中，详细描述了面向空间向量的控制方法。
P.Nielsen、F.Blaabjerg和J.K.Pedersen的出版物“Space Vector ModulatedMatrix Converter with minimized Number of Switchings and a FeedforwardCompensation of Input Voltage Unbalance(具有最小数量开关和对输入电压不平衡进行前馈补偿的空间向量调制的矩阵转换器)”，Proceedings of the1996 International Conference on Power Electronics，Drives and Energy Systemsfor Industrial Growth，833至839页中，公开了一种用于减少换向的方法。其中，借助空间向量调制方法，计算4个激活的开关状态和一个在矩阵转换器输出端产生具有振幅为0的电压空间向量的开关状态。在该出版物中，这些开关状态表示为激活的向量或零向量。在矩阵转换器的空间向量调制中，输入电压向量和输出电压向量一方面存在于自己的区域中，另一方面也存在于相邻的区域中。除了所述组合之外，还可以进行任意组合。无论如何，一般将脉冲频率，即电压空间向量序列，设计为镜像对称，其中，零向量设置于4个激活的向量中间。如果矩阵转换器的输入电流向量和输出电压向量各自位于自己的区域，则脉冲序列具有8次换向。然而，如果这些向量位于相邻区域，则脉冲序列具有10次换向，这不是最佳的。在这种情况下，利用该出版物中介绍的最优化可以产生也仅具有8次换向的脉冲序列。该最佳脉冲序列由所计算的4个激活向量和一个零向量组成。最佳脉冲序列与非最佳脉冲序列的不同之处在于，在最佳脉冲序列中激活的向量从时间上被替代，并选出一个合适的零向量。在此，由这三个可能的零向量所选出的是仅引起换向的向量。通过这种优化的空间向量调制方法，可以达到每个调制周期仅出现8次换向。通过减少每个调制周期的换向次数，可以减少矩阵转换器的开关损失。
在转换借助空间向量调制方法计算的每个调制间隔的开关状态时，其中该调制间隔也表示为调制周期或半调制周期，根据最后所述的出版物，总是需要8次换向。一次换向发生在多个步骤中，这些步骤必须通过闭锁时间相互分开。因此，换向具有时间限制，这会导致最小接通时间。换向控制在连接在控制装置后面的调制器中进行。如果计算出的接通时间不能由换向控制实现，则会导致输出电压错误。
由于在控制装置计算的接通时间和实际接通时间之间存在的差异会导致控制错误，则具有优点的是，避免该错误发生，并在计算接通时间时，通过该控制装置保证不出现小于预定最小接通时间的接通时间。
迄今为止基于空间向量调制的控制装置都接受出现的错误。进行的最优化仅为了试图保持尽可能短的最小接通时间。这一点通过一种用于矩阵转换器的控制方法达到，该方法在M.Ziegler和W Hofmann的出版物“Seminatural two steps Communication strategy for Matrix Converters(矩阵转换器的半自然两步交换策略)”，PESC，1998，727至731页中详细记载。该控制方法的基础是一种新的60°电区域规定。该区域边界不再设定馈电电网相位电压的过零点，而是设定耦合相位电压的过零点。由此，在每个60°电区域产生3个电压电位VP、VM和VN，可以很清楚且花费不多地确定这些电压。为了实现从一个主状态转换到另一个主状态，该方法还只需要两步而不是4步。借助该方法，可以获得尽可能短的最小接通时间。但是，该换向方法不能防止借助空间向量调制方法计算的开关状态具有小于预定最小接通时间的接通时间，因为该空间向量调制方法和换向控制是在两个不同层次上进行的。
本发明要解决的技术问题是，进一步优化公知的控制方法，使得在矩阵转换器中不再出现输出电压错误。
按照本发明，上述技术问题的解决是通过一种用于控制矩阵转换器的方法实现的，该矩阵转换器具有9个设置为3×3开关矩阵的双向功率开关，其中，借助每个调制间隔的空间向量调制方法，用所属时间间隔计算4个激活开关状态和一个零开关状态，并且，将计算的零开关状态时间间隔分配到三个可供使用的零开关状态中的至少两个上。
通过将计算的一个调制周期的零开关状态时间间隔分配到三个可供使用的零开关状态中的至少两个上，延长了各输出相位到输入相位的接通时间。由此，不能防止所计算的开关状态具有小于预定最小接通时间的接通时间，然而，这不再导致矩阵转换器的输出电压错误，因为借助设置在前或后的零开关状态，所实施的输出相位至输入相位的开关状态被延长。特别简单的是，每个调制周期都采用矩阵转换器的所有三个零开关状态。这些零开关状态如何由4个激活的开关状态组合成一个脉冲序列，这取决于所计算的激活开关状态。因此，该问题在其出现的地方就被解决，而且不会转移到其它功能块上。
在具有优点的方法中，作为零开关状态要选择这样的零开关状态，即其用于输出相位延长的、计算出的时间间隔，对于输出相位小于或等于最小接通时间。因此存在以下可能，即从矩阵转换器的三个零开关状态中，总是可以找到至少两个适合的零开关状态用于每个调制周期的4个激活开关状态，从而不再出现输出电压错误。由于对最小接通时间的检查是间接在选择零开关状态时进行，因此，在设置于后的换向控制装置，就可以不进行该检查。
在另一种具有优点的方法中，将计算的一个调制周期的零开关状态时间间隔均匀地分配到使用的零开关状态上。由此获得了一种接近对称的配置。这种接近对称的配置保证：在使用三个零开关状态时，最小接通时间是计算的一个调制周期的零开关状态时间间隔的三分之一。由此，扩大了可以应用本发明方法的小输出电压范围。
在另一种具有优点的方法中，将计算的一个调制周期的零开关状态时间间隔对称地配置给所使用的零开关状态。由此，可以进一步扩大小输出电压的范围，并由此进一步扩大本发明方法的应用范围，然而，不保证空间向量调制方法中在转换边界过渡时的最小接通时间。
为进一步说明本发明，参考其中概略性示出本发明方法的附图。其中：
图1示出了矩阵转换器的等效电路图；
图2示出了具有所属时间间隔的计算的开关状态表；
图3和图4分别示出了计算的开关状态表，该开关状态具有至少两个零开关状态；
图5在各图中分别示出了在公知的空间向量调制中，时间t上的耦合输出电压和相位电压；
图6在各图中分别示出了在根据本发明的具有接近对称分配的零开关状态的空间向量调制中，时间t上的耦合输出电压和相位电压。
图1中详细示出了三相矩阵转换器2的等效电路图。该三相矩阵转换器2具有9个设置为3×3开关矩阵6的双向功率开关4。通过该设置为3×3开关矩阵6的9个双向功率开关4装置，每个输出相位X、Y、Z可以与任意的输入相位U、V、W接通。在矩阵转换器2的输出相位X、Y、Z上连接了一个电感负荷的负载8。输入相位U、V、W一个LC滤波器10连接，该滤波器在输入端与供电电网12相连。该LC滤波器10具有电感14和电容16。在此，电容16以星形接线，也能以三角形接线。电感14设置在电容16的输入导线上，从而平滑其负载电流。
矩阵转换器2的一个相位具有三个双向功率开关4，这些开关可以与输入相位U、V、W与一个输出相位X或Y或Z连接。该矩阵转换器相位具有3×1开关矩阵。
此外，该三相矩阵转换器2的等效电路图还示出了控制和调节装置18、调制装置20和9个控制装置22。控制和调节装置18具有负载调整装置24和控制装置26。在负载调整装置24的输入端输入获得的负载电流空间向量i 0，并产生输出电压空间向量 u 0。负载调整装置24可以例如是面向场的调整装置。借助空间向量调制方法，连接在后面的控制装置26根据产生的输出电压空间向量 u 0和获得的输入电压空间向量 u 1计算输出控制度m。优选通过数字信号处理器实现控制和调节装置18。
连接在后面的调制装置20在输入端具有调制器28，在输出端为每个矩阵转换器相位设置了一个换向控制装置30、32和34。调制器28根据待处理的控制度m产生脉冲宽度调制的信号，分别在换向控制装置30、32和34中检查这些信号的闭锁时间、最小接通时间和空程，并对其进行相应的处理。为此，换向控制装置30、32和34分别需要矩阵转换器2的耦合输入电压的符号，该耦合输入电压描述为输入电压空间向量 u 1。然后，在换向控制装置30或32或34的输出端产生控制信号(输入/输出信号)，该信号借助控制装置22被转换为依赖于双向功率开关4实施方式的门信号。调制装置20优选通过可编程的逻辑装置，尤其是场效应可编程门阵列实现。
图2示出了一个具有两栏的表，即“时间间隔”栏和“开关状态”栏。在后一栏中，针对镜像对称调制中的一个调制周期或半个调制周期填入4个激活的开关状态121、122、133和131以及一个零开关状态111。激活的开关状态121、122、133和131产生不为0的输出电压空间向量 u 0。零开关状态111产生振幅为0的输出电压空间向量 u 0。因此，在本文开始所述的有关空间向量调制的文献中也谈到了激活的空间向量和零向量。
根据该表，矩阵转换器2的开关状态描述为三重数组，例如122。为此，第一数字给出了通过它输入相位应当或就是与矩阵转换器2的第一输出相位X相连。第二数字给出了通过它输入相位应当或就是与矩阵转换器2的第二输出相位Y相连。第三数字给出了与矩阵转换器2的输出相位Z的连接。也就是说，根据开关状态122，矩阵转换器2的第一输出相位X应当与输入相位U相连，第二输出相位Y与输入相位V相连，第三输出相位Z与输入相位V相连。该开关状态所属的时间间隔Tβμ＝a给出了该开关状态应当存在多久。如果执行开关状态122，则闭合相应的双向功率开关4。
图2所示的表格示出了Huber和Borejevi 的出版物中的计算示例，尤其是表III和图9，它在采用输入功率因子cos的条件下由输入电压范围I中的一个获得。
除了零开关状态111之外，还存在其它两个零开关状态222和333。根据图2所示的表格，在三个零开关状态111、222、333中仅使用零开关状态111。根据本发明的方法，为一个零开关状态估计的时间间隔c应当被分配到至少两个零开关状态上。
图3示出了一个表格，其中，对4个激活开关状态121、122、131和133示例性地补充了两个零开关状态222和333。两个零开关状态的所属时间间隔c被均匀地分配到两个零开关状态222和333上。这两个零开关状态222和333分别形成脉冲序列的开始和结尾，该序列由4个激活的开关状态121、122、131和133以及两个零开关状态222和333组成。这样排列这些开关状态，即，仅各产生一次换向，且防止矩阵换向器2各双向功率开关4出现非常短的接通时间。假设，计算的时间间隔a和e都小于最小接通时间tmin。在此假设条件下，矩阵转换器2的第三输出相位Z与矩阵转换器2的输入相位V或者输入相位W相连的时间短于最小接通时间tmin。这种很小的接通时间a和e可能导致控制错误。该控制错误会导致矩阵转换器2中的输出电压错误。
为了不出现该错误，通过零开关状态222和333弥补具有小于最小接通时间tmin的时间间隔a和e的开关状态。通过零开关状态222，矩阵转换器2的第三输出相位Z不是在时间间隔a后就从输入相位V变换到输入相位U，而是在时间间隔a和c/2之后才进行上述变换。同样，利用输入相位W将输出相位Z的接通时间延长时间间隔c/2。
图4中示出了一个表格，其中，对4个激活的开关状态121、122、131和133补充了三个零开关状态111、222、333。该表显示了一个调制周期或
半个调制周期的脉冲序列。通过采用这三个零开关状态111、222和333，矩阵转换器2各双向功率开关4不会出现很短的接通时间。
必须使用哪个零开关状态111、222或333，这取决于为激活的开关状态估计的时间间隔a、b、d和e。也就是说，如果时间间隔b和d大于最小接通时间tmin，则可以不使用图4表中的零开关状态111。然后，该结果由图3给出。如果时间间隔e大于最小接通时间tmin，则不需要零开关状态333。只要时间间隔a大于最小接通时间tmin，则可以不使用零开关状态222。
在图3和图4所示的表中，为一个零开关状态估计的时间间隔c被均匀的分配到使用的零开关状态222、333和111、222、333上。由此可以获得具有接近对称分配的零开关状态的开关序列。这种接近对称的配置保证最小接通时间为c/3。
为一个开关状态估计的时间间隔c可以被对称分配到零开关状态111、222和333上。该对称配置如下所示：
零开关状态222的时间间隔为c/4
零开关状态111的时间间隔为c/2
零开关状态333的时间间隔为c/4。
该对称配置保证一个零开关状态的最小接通时间为c/4，然而一般，也就是只要激活的开关状态不发生转换，提供的最小接通时间为c/2。所能保证的最小接通时间越大，可以采用本方法的电压范围也越大。应用本发明方法的前提条件是，为零开关状态估计足够的时间间隔c，然后将该时间间隔以任何形式分配到至少两个零开关状态上，其中，待调节的输出电压振幅越小，时间间隔c越大。
图5各在图中示出了矩阵转换器2输入电压系统的星形汇接点的耦合输出电压uXY和相位输出电压uX的开关性能，但是其根据开关状态由输入电压UU、UV和UW的部分组成，其中采用了仅具有一个零开关状态的公知空间向量调制方法。在耦合输出电压uXY中小中等输出电压所需的短脉冲也会导致在相位电压uX中出现非常短的脉冲，这些脉冲的持续时间直接与接通时间对应。
图6各在图中示出了矩阵转换器2输入电压系统的星形汇接点的耦合输出电压uXY和相位输出电压uX的开关性能，其中采用了根据本发明的空间向量调制方法。根据本发明的空间向量调制方法具有接近对称分配的零开关状态。尽管在相位电压uX中具有与长接通时间对应的长脉冲，也可以在耦合输出电压uXY中产生短脉冲，以形成小的中等输出电压uXY。两幅图中的调制频率都是10kHz。
借助本发明的用于矩阵转换器2的空间向量调制方法，可以防止矩阵转换器2各双向功率开关4的接通时间很短。由此，在小输出电压范围内不会再计算出短接通时间，从而不再出现输出电压错误。因此，不再将开关状态传送到接在后面的无法实现这些开关状态的换向控制装置。

Claims (5)

1.一种用于控制矩阵转换器(2)的方法，该矩阵转换器(2)具有9个设置为3×3开关矩阵(6)的双向功率开关(4)，其中，借助每个调制间隔的空间向量调制方法，用所属时间间隔(a，b，d，e，c)计算4个激活开关状态和一个零开关状态，其特征在于，将计算的零开关状态时间间隔(c)分配到三个可供使用的零开关状态中的至少两个上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所有三个零开关状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为零开关状态选择这样的零开关状态，即其延长输出相位到输入相位的接通时间，该接通时间基于所计算的时间间隔(a，b，d，e)否则会导致小于最小接通时间(Tmin)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将计算的零开关状态时间间隔(c)均匀地分配到使用的零开关状态上。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将计算的零开关状态时间间隔(c)对称地配置给所使用的零开关状态。
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