一种抑制三相-五相矩阵变换器共模电压的调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于驱动五相电机的电力电子功率变换器控制领域，具体地说，是一种抑 制三相-五相矩阵变换器共模电压的调制方法。
【背景技术】
[0002] 由于矩阵变换器电路中含有电力电子功率器件，当采用空间矢量调制时，其电力 电子理想开关工作在高频状态，输出电压均为高频脉宽调制电压，共模电压为矩阵变换器 输出电压的共模成分，产生在负载的中性点处，因此，共模电压也为高频脉冲电压。由于电 力电子器件工作在高频处，共模电压会出现较高的du/dt，其对电动机的驱动系统产生强烈 的冲击作用，激励系统杂散电容和寄生耦合电容产生共模漏电流，该电流通过接地导体流 回电网产生较大的共模电磁干扰（EMI)。同时，共模电压将通过电机的定子、转子、气隙及大 地之间的分布电容，形成转轴到定子的轴电压，当轴电压通过轴承油膜时，将形成转轴和定 子间的轴电流，从而引起电机轴承损坏。此外，当电机和变频器之间距离较远时，长线电缆 传输有可能产生共模过压现象，加剧共模电压负面效应。
[0003] 减小共模电压引起的负面影响并保持矩阵变换器良好的输入、输出特性显得尤为 重要。从共模电压产生的机理出发，目前已经成熟的共模电压抑制方法主要包括以下几 种：
[0004] (1)利用滤波器的优化设计。根据共模电压幅频特性，采用截止频率远小于开关 频率的低通滤波器，可以有效地抑制变换器输出端产生的高阶谐波电流，达到降低甚至消 除共模电压的目的；
[0005] (2)改善矩阵变换器的拓扑结构。利用软开关技术改善矩阵变换器的拓扑结构，即 用零电压开关的方法抑制高du/dt，输出电压不存在突变。但有关实验表明，软开关技术不 能从本质上解决共模电压的问题；
[0006] (3)从矩阵变换器的调制策略入手，找出产生共模电压的内在本质，在控制矩阵变 换器开关动作时，尽量避免使用产生共模电压的零矢量组合。因此，采用合理优化零矢量位 置或使用有效矢量来代替零矢量的调制策略，可以降低共模电压。
[0007] 前两种方法无疑在不同程度上增加了变换器的体积、重量及损耗等；而后一种方 法则增加了开关次数及开关损耗。
【发明内容】
[0008] 本发明基于在调制过程中，由于矩阵变换器的理想开关工作在高频状态，则在负 载中性点与地之间产生高频共模电压，而共模电压是造成电机绝缘老化和电磁干扰，影响 轴承使用寿命的事实。
[0009] 本发明的目的是，为了降低三相-五相矩阵变换器在调制过程中产生的共模电 压，鉴于零矢量的参与是导致共模电压最大的本质，提出了科学合理，适用性强，即能够降 低共模电压，又能够减小开关次数及开关损耗，进而提高电机、开关和轴承使用寿命的一种 抑制三相-五相矩阵变换器共模电压的调制方法。
[0010] 实现本发明目的采用的技术方案是一种抑制三相-五相矩阵变换器共模电压的 调制方法，它包括的内容有：由十五个理想开关组成三相-五相矩阵变换器，所述十五个理 想开关将三相输入电源与五相负载相连，其中任意一相负载通过其中的三个理想开关与三 相输入相连；其特征在于：应用间接变换法，将三相-五相矩阵变换器等效为虚拟整流器 (1)和虚拟逆变器（2)，对于虚拟整流器（1)是将输入相电压划分为六个区间，在每个区间 内选择两个最大且极性为正的线电压来合成输出直流电压，并使输出不含零电压；对于虚 拟逆变器（2)是应用空间电压矢量调制，虚拟逆变器（2)输出的十个大矢量、十个中矢量和 十个小矢量共划分为十个扇区，在每个扇区内仅选择两个大矢量和两个中矢量来合成参考 矢量；进而分别推导出虚拟整流器（1)和逆变器（2)的开关调制式。
[0011] 所述虚拟整流器（1)的开关调制式为：
[0012] U^={TrU_X+Tm-U.t_)/T;
[0013] 所述虚拟逆变器（2)的开关调制式为：
[0014]
[0015] 式中，Gdc为虚拟整流器⑴输出的最大直流电压局部平均值；u_x和uinud分别为 三相-五相矩阵变换器输入线电压的最大值和中间值；输出电压合成的参考电压矢 量；υα和ue分别为urrf在所在扇区相邻的矢量方向上的分量；υα1、υρ1和υαηι、υΡηι分别为 所在扇区内相邻的大矢量和中矢量，Ua、UaJPUαηι同向，UpUjn和υΡηι同向；TjPTm分别 为输入线电压U_和uinad所对应虚拟整流器⑴理想开关的导通时间；TuJjn、!'。，！'Ρηι 分别为Uα:、UΡ1、Uα "和Ue "的作用时间，亦即Uα:、UΡ1、Uα "和Ue "所对应逆变器⑵理想开 关的导通时间；TS为调制周期。
[0016] 1)用Uini表示三相-五相矩阵变换器输入相电压幅值；根据PWM调制原理，确定控 制参与合成所述虚拟整流器（1)输出直流电压的两个输入线电压uimx和uinad所对应的两 组理想开关导通的时间TjPTm;根据空间矢量调制原理，确定合成所述虚拟逆变器（2)参 考电压矢量的两个大矢量和两个中矢量所对应理想开关的导通时间Tu、!^和T 传 统空间矢量调制时，当五相输出均连接到三相输入相电压中绝对值最大的一相时，共模电 压为最大，且与三相-五相矩阵变换器输入相电压幅值Uini相等，此时，三相输入相电压中绝 对值最大的一相相连的五个理想开关均为闭合状态；对应的电压矢量为零电压矢量；
[0017] 2)通过所述虚拟整流器（1)的开关调制式和虚拟逆变器（2)的开关调制式，合成 三相-五相矩阵变换器所述虚拟整流器（1)的输出直流电压和所述虚拟逆变器（2)的输出 电压参考矢量，在整个调制过程中没有零电压矢量参与；
[0018] 3)根据PWM和空间矢量调制原理，将三相-五相矩阵变换器虚拟整流器⑴输入 相电压和虚拟逆变器（2)输出相电压进行区间和扇区划分，并根据三相-五相矩阵变换器 虚拟整流器（1)的输入相电压区间和虚拟逆变器（2)的输出相电压扇区，分别确定虚拟整 流器（1)和虚拟逆变器（2)处于导通状态的理想开关，并选择与之对应的三相-五相矩阵 变换器的十五个理想开关的驱动信号。
[0019] 本发明的一种抑制三相-五相矩阵变换器共模电压的调制方法，是在空间矢量调 制原理的基础上，对虚拟整流器和虚拟逆变器采用无零矢量的调制，不仅降低了共模电压， 也减小了开关次数及开关损耗，其方法科学合理，适用性强，有助于提高电机、开关和轴承 的使用寿命，经验证，采用本发明的方法，在保证输入和输出为正弦波，且输入功率因数为1 的前提下，可有效降低共模电压27. 9%。
【附图说明】
[0020] 图1为三相-五相矩阵变换器基本结构示意图；
[0021] 图2为三相-五相矩阵变换器等效拓扑结构示意图；
[0022] 图3为实际应用中，所述三相-五相矩阵变换器及其等效拓扑结构中双向开关的 结构示意图；
[0023] 图4为三相-五相矩阵变换器等效拓扑结构中，虚拟整流器（1)输入相电压在一 个周期内划分为6个区间划分图；
[0024] 图5为三相-五相矩阵变换器等效拓扑结构中，虚拟逆变器（2)的30个有效矢量 和两个零矢量电压空间矢量分布情况图；
[0025]图6为参考电压矢量位于其中某一扇区内的合成状态图；
[0026] 图7为三相-五相矩阵变换器与其等效拓扑之间的其中一种开关组合等效原理 图；
[0027] 图8为传统空间矢量调制下，三相-五相矩阵变换器输入电压位于第二区间，输出 电压位于第一扇区时的开关状态及共模电压波形；
[0028] 图9为本发明调制方法下三相-五相矩阵变换器输入电压位于第二区间，输出电 压位于第一扇区时的开关状态及共模电压波形；
[0029] 图10为传统空间矢量调制下，三相-五相矩阵变换器输入电压、电流波形，输出相 电压波形，输出五相电流波形及共模电压波形图；
[0030] 图11为本发明调制方法下，三相-五相矩阵变换器输入电压、电流波形，输出相电 压波形，输出五相电流波形及共模电压波形图；
[0031] 图中：1·虚拟整流器，2.虚拟逆变器。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明技术作进一步的详细说明。
[0033]参照图1和图2,ua、ub、11。和ia、ib、分别表示三相输入相电压和输入电流；uA、 uB、uc、uD、叫和iA、iB、ic、iD、iE分另lj表示五相输出电压和输出电流；S.jk (j=A,B,C,D,E;k= a,b,c)代表图1中连接对应输入、输出相的双向功率开关；Skw(k=a,b,c;w=p,n)代表 图2中虚拟整流器⑴对应的双向功率开关；Sjw(j=A,B，C，D，E;w=p，n)代表图2中虚 拟逆变器（2)对应的双向功率开关。参照图3,在实际应用中双向开关是由独立的电力电子 开关器件组合而成的。
[0034] 由于矩阵变换器输入侧连接电压源，而输出侧连接感性负载，相当于电流源，为了 保证矩阵变换器的安全运行，在调制过程中需满足输入相间不能短路和输出各相不能开路 的条件，因此任意时刻矩阵变换器的每一输出相只能连至一个输入相，这样三相-五相矩 阵变换器拓扑结构中允许的理想开关组合共有匀C^^C；C;=243种形式。
[0035] 下面结合图2所示的三相-五相矩阵变换器等效拓扑结构，对其虚拟整流器（1) 和虚拟逆变器（2)分别进行无零矢量调制。
[0036] 对于虚拟整流器（1)，把输入相电压的周期分成6个电压区间，如图4所示。每个 区间具有相同的特点：其中一相的电压绝对值为最大值，而另外两相电压极性相反。在每个 区间内选择相应的两个最大且极性为正的线电压合成虚拟整流器（1)输出的直流电压，且 无零电压矢量参与，这样一个采样周期可分为两个阶段。以输入电压在二区间为例，设虚拟 整流器⑴的输出直流电压为upn，用来合成输出直流电压upn的两个最大且极性为正的线 电压为UajPua。，在采样周期的第一阶段，输出直流电压upn由输入线电压uab供给，即upn = uab，虚拟整流器（1)开关Sap和Sbn导通；在第二阶段，输出直流电压upn由输入线电压ua。供 给，即upn=ua。，虚拟整流器（1)开关Sap和导通。每个区间内的开关状态如表1所示。
[0037] 在采样频率远远高于工频的情况下，一个采样周期内的线电压可以看作恒定值， 近似等于采样点的值。假设虚拟整流器（1)输出的最大直流电压平均值为仏。，根据以上分 析可得到如下关系：
[0038] Udc=(Tb ·uab+Tc ·uac)/Ts (1)
[0039] 表1虚拟整流器（1)的开关状态及输出直流电压
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