专利名称：一种减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法
技术领域：
本发明属于交流电能变换装置技术领域，具体涉及空间矢量调制的三
相矩阵变换器的控制方法，以避免或减小由于PWM窄脉冲现象造成的输出 波形畸变。
背景技术：
三相矩阵变换器1由9个双向功率开关2按3x3开关矩阵形式构成， 如图1所示。其中Sij(i-A，B，C;j-a，b，c)表示一个双向功率开关2，每个双向 功率开关由两个具有反并联二极管的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)采用"共
发射极"结构构成。矩阵变换器的输入侧为三相电网电压3，分别用Ua，Ub,Uc
表示，在矩阵变换器与电网间接有输入滤波器4。矩阵变换器的输出侧分别 用A， B， C表示，通常接交流电机或感性负载设备5。通过对9个双向功 率开关通断控制，可以实现幅值和频率均可变化的输出电压。
9个双向功率开关共有27种开关状态，通常用3个一组的字母表示。 如abb，表示矩阵变换器的第一输出相A通过双向开关SAa与输入相a相 连接，第二输出相B通过双向开关SBb与输入相b相连接，第三输出相C 通过双向开关Scb与输入相b相连接。27个开关状态对应产生24个有效空 间矢量和3个零矢量。根据空间矢量的基本调制原理，在每个调制周期中 共有5个开关状态，分别产生4个有效空间矢量和1个零矢量。
根据输入电流的空间矢量和期望输出电压的空间矢量，由矩阵变换器 直接空间矢量或间接空间矢量调制策略，可以确定每个调制周期中的5个 开关状态以及对应的占空比《M，《，^，^^。(或者持续时间7;， 7^，
7>"， rc)。然后，按照5个开关状态的调制顺序以及开关状态持续时
间，控制9个双向功率开关的导通和关断，可以实现对矩阵变换器的控制。通常，5个开关状态的调制顺序按照开关切换次数最少来安排。
当矩阵变换器的5个开关状态切换时，即输出相从一个输入相切换到 另一输入相时，必须采用换流策略，严格地按照换流步骤关断和开通相应 的功率开关，以保证在换流过程中输入相不短路以及输出相不开路。换流 所需时间(换流时间)K取决于所采用的换流步骤以及功率开关器件的开 通和关断时间。当根据空间矢量调制策略计算得到的某个双向功率开关状 态的持续时间小于换流时间K时，该双向功率开关形成PWM窄脉冲，如 果对窄脉冲不予处理，就会造成换流逻辑混乱。
以输出线电压空间矢量和输入电流空间矢量均在1扇区为例，产生4 个有效空间矢量的双向功率开关状态分别是，abb， aab， aac， acc，图2为 窄脉冲形成示意图。图2a、图2b和图2c分别显示了零矢量后置、零矢量 前置和零矢量中置时9个双向功率开关PWM调制图，其中，
^ = L,r2 = 7; ，r3 = 7> ，7; =7^为产生有效空间矢量开关状态的持续时间。
在图2a中，当7^2K时，双向功率开关SBb的调制脉冲为窄脉冲，或当
(r7+r2) <27;时，双向功率开关Scb和Scc形成窄脉冲，或(r2+r3) <2rA
时，双向功率开关SBa也会形成窄脉冲，而7><八时不会产生窄脉冲。同理，
在图2b中，当7KTfc或(r2+r3) <27;或(r3+r4) <7^时会形成窄脉冲，而
7><27;时，不会产生窄脉冲。在图2c中，当7^<27^或(7^+r2) <27^或7><7^ 或(r3+7V) <7^时都会形成窄脉冲。
综上所述，采用5个开关状态的调制策略无论零矢量如何放置， 一旦
min( ;，7;,r3，7;) S 27;，就有可能形成窄脉冲。若不对窄脉冲进行适当的处理，
就会出现目前换流过程还未结束又开始下一个换流过程的混乱局面，导致 矩阵变换器输入短路或输出开路。
通常对窄脉冲的处理方法是采用丢弃窄脉冲开关状态或延长脉冲宽度
为换流时间7;的方法。两种方法虽然避免了换流故障，但丢弃或增加脉冲
宽度会引起输出电压畸变。特别是矩阵变换器工作在低调制比时，窄脉冲
出现的概率极大，由此引起的输出波形畸变迅速增大，当调制比低于0.2时， 输出波形质量已不能满足要求。
5Hidenori Hara等人于2005年在i仑文"Improvement of output voltage control performance for low-speed operation of matrix converter", (f氐速条"[牛下 矩阵变换器输出电压控制性能的改进)(IEEE transactions on power electronics, Vol.20， N0.6, November 2005)中针对双电压调制的矩阵变换器提 出了窄脉冲的处理方法，通过适当拆分输出矢量避免窄脉冲现象，但对空 间矢量调制的矩阵变换器没有给出解决方法。发明内容本发明的目的是针对传统的空间矢量调制技术的不足，提出了一种减 小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法，该方法可以避免或极大地 减小由于窄脉冲现象引起的输出波形畸变问题。本发明提供的减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法，其特征在于，当任一调制周期7;内的四个有效矢量的开关状态持续时间中的最小值小于换流时间^的二倍时，在该调制周期中采用3个零矢量调制，即分 别在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之间以及第4个有效矢量之 后加入3个不同开关状态的零矢量，3个零矢量持续时间之和等于零矢量总 持续时间K。在传统的空间矢量调制方法中，只采用一个零矢量，在每个调制周期 中共有5个开关状态，窄脉冲现象是不可避免的。本发明在窄脉冲可能出 现时采用3个不同的零矢量调制方法，在每个调制周期中共有7个开关状态。由于低调制比时零矢量总持续时间r。很长(r。等于调制周期7;减去全部有效矢量持续时间之和)，划分为3个零矢量插入到有效空间矢量中，在不改变有效空间矢量持续时间(K， r2， ^， 7>)的前提下，相当于加宽了 双向功率开关的调制脉冲宽度，从根本上避免了开关状态持续时间小于换 流时间所引起的窄脉冲现象，解决了由于窄脉冲引起的输出波形畸变问题 ，大大提高低调制比时矩阵变换器的输出波形质量及低压调压范围。当没有窄脉冲出现时(通常为高调制比时)，仍然采用传统的5个开关状态的调制 方法，以减小开关损耗并保证高调制比要求。本发明不是采用补偿的方法对输出波形的畸变进行补偿，因而不需要 增加额外的硬件电路和控制，只需调整空间矢量的调制方式，方法简单易 行。
图1为三相矩阵变换器的拓扑结构图。图2为窄脉冲形成示意图。图3为本发明实施方法流程图。图4为基于3个零矢量的空间矢量调制方法。图5为本发明的调制方法避免窄脉冲的原理。图6为采用本发明提供的实例的实施示意图。图7为实施本发明后的输出波形。
具体实施方式
本发明提供的一种基于空间矢量调制的矩阵变换器避免窄脉冲现象的 调制方法，采用3个零矢量调制与传统调制混合的调制方式，其目的是在 避免或减小窄脉冲现象的同时满足高调制比的要求和减小双向功率开关损 耗。下面通过借助实施例和附图更加详细地说明本发明，但以下实施例仅 是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。如图3所示， 本实例的实施步骤包括(1) 根据传统的空间矢量调制原理，确定每个调制周期7;内4个有效 矢量的开关状态，并计算4个开关状态的占空比^u，。"，々 ， 。^。(2) 按照优化开关次数的原则，得到4个开关状态的调制次序、对应的持续时间k， r2， k， 7;,以及零矢量总持续时间k，当输出电压扇区与输入电流扇区之和为偶数时， T2 =《ZK = ^加Kr0 =7;-mr4 当输出电压扇区与输入电流扇区之和为奇数时，^=d= w^(3) 判断k， r2， r3和7;中的最小值是否小于换流时间7;的二倍，如果小于27^表明可能出现窄脉冲，进入(4)采用3个零矢量的调制方法， 否则进入(7)采用传统的调制方法。k为换流时间。(4) 判断k是否大于等于57;，如果满足条件进入(5)采用3个零矢 量的调制方法避免窄脉冲出现，如果不满足进入(6)采用丢弃或延长方法 对窄脉冲进行处理。(5) 为了避免出现窄脉冲现象，在该调制周期内插入3个不同的零矢 量开关状态，所插入的3个零矢量开关状态的选择按照与前后开关状态只 变化一个双向功率开关的原则选取，即分别在第1有效矢量之前、第2和 第3有效矢量之间以及第4个有效矢量之后加入3个不同开关状态的零矢量，采用这样的调制方法在不改变持续时间r7， r2， r3， r4的前提下，相 当于加宽了双向功率开关的调制脉冲宽度。3个零矢量对应的持续时间依开 关次序分别为r。p rfl2, rfl3,为减小输出共模电压，建议7^=7^=27; , r。3= (2vr。广7^)。 仍然以输出电压空间矢量和输入电流空间矢量均在1扇区为例，分别插入3个零矢量bbb， aaa和ccc， 7个开关状态以及调制次序为bbb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc,图4给出了基于本发明的7个开关状态和调制 次序，图5为本发明调制方法避免出现窄脉冲现象的原理。从图5可以清楚地看到，当插入3个零矢量开关状态，且每个零矢量持续时间r02, r^按本发明方法计算，客观上将每个双向功率开关的持续时间增加了 rw 或7^2或7^，这样即使r,， r2， r3， z;中任何一个持续时间小于换流时间， 也能保证每个双向功率开关的持续时间都大于换流时间，不会出现窄脉冲 现象。本发明要求在r;57;时才能采用3个零矢量的调制策略，是为了保证3个零矢量对应的双向功率开关均不产生窄脉冲现象。研究发现，在7;-200^is， 7^=4^的工况下，调制比在0-0.862范围内，出现min(r;, r2， 7}， r》<2rA，且7^57;的概率是100%,随着调制比的增加，7^57^的概率减小，在调制比为0.866时，出现min(7;， r2, 7^， 7>)<27;，且7^57;的概率是94.4%。研究表明，在调制比(M).862范围内， 采用3个零矢量调制方法能完全避免窄脉冲现象；当调制比高于0.862时， 绝大多数窄脉冲现象可以通过3个零矢量调制方法避免，在调制比为0.866 时，94.4%的窄脉冲可以通过3个零矢量调制方法避免，仅有5.6%的状况 不能采用3个零矢量调制，需要对窄脉冲进行丢弃或延长处理。由于调制 比很高，无论是丢弃窄脉冲或是延长窄脉冲，所引起的输出波形畸变已相 当不明显了。(6) 当7VC57^时，采用延长窄脉冲的处理方法重新计算r/， k， k，j;。将7}， 7}， k， 7;中小于27;的持续时间均延长到不小于27;，延长的时间应从其它大于2r力的持续时间中减去，重新计算后，各持续时间应该满(7) 将7^, rC2, rw中的一个量取值为r。，剩余二个量取值为o，然 后采用传统的5个开关状态(r7， r2， k， 7p调制方法进行调制。T^具体可以按下列方法之一进行计算方法一i个零矢量前置，r。尸r。， r。2=rw=0方法二 i个零矢量中置，r02=r0， rw=r03=o 方法三i个零矢量后置，r。3=rc， r02=rw=0 若采用电压型换流策略，建议采用零矢量中置的调制方法二(原因参见发明专利200720088237.5)。(8)换流控制电路根据双向功率开关状态调制次序以及持续时间安排 矩阵变换器的9个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。上述3个零矢量的混合调制方法的实施如图6所示，其中步骤(1)和 (2)由数字信号处理器DSPTMS320LF2407实现，控制程序用汇编语言编 写，步骤(3) ， (8)由现场可编程门阵列FPGAEP2C8T144C8实现，其 中步骤(8)换流控制电路控制程序为已有技术。上述避免窄脉冲现象的调制方法已在一台矩阵变换器带感性负载电路 装置上进行了实验验证，并取得了很好地减小输出波形畸变效果。在低调 制比为0.0866的工况下，采用传统5个开关状态调制和本发明混合调制方 法的矩阵变换器输出电流波形如图7所示。其中图7a为采用1个零矢量中 置调制方法的电流波形，为避免窄脉冲现象采用延长窄脉冲宽度等于换流 时间K的方法，输出电流波形由此产生了严重的畸变。图7b为采用3个零 矢量和1个零矢量中置的混合调制的电流波形，可以看到，采用本发明的 调制方法可以避免或减小窄脉冲现象引起的输出波形畸变，特别是很好地 改善了矩阵变换器在低调制比情况下的输出波形。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据实施 例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此， 凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都 落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法，其特征在于，当任一调制周期Ts内的四个有效矢量的开关状态持续时间中的最小值小于换流时间Th的二倍时，在该调制周期中采用3个零矢量调制，即分别在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之间以及第4个有效矢量之后加入3个不同开关状态的零矢量，3个零矢量持续时间之和等于零矢量总持续时间T0。
2、 根据权利要求i所述的空间矢量调制方法，其特征在于，该方法的具体实现步骤包括第i步根据传统的空间矢量调制原理，确定每个调制周期7;内4个有效矢量的开关状态，并计算4个开关状态对应的占空比d自，C"， ^， ^^; 第2步按照优化开关次数的原则，得到4个开关状态的调制次序；同时，分别利用下式(i)或(ii)计算对应的持续时间^， r2， k， 7>， 以及零矢量总持续时间r0，当输出电压扇区与输入电流扇区之和为偶数时，<r3=W (I) K = 4义当输出电压扇区与输入电流扇区之和为奇数时，<formula>formula see original document page 2</formula>第3步判断k， r2， r3和r4中的最小值是否小于换流时间z;的二倍，如果是，进入第4步，否则进入第7步；第4步判断k是否大于等于57^，如果满足条件进入第5步，如果不满足进入第6步；第5步分别在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之间以及第4 个有效矢量之后加入3个不同开关状态的零矢量，然后进入第8步；第6步采用延长窄脉冲的处理方法重新计算T^， T^， 7>， 7;，重新计算后得到的各持续时间满足r,+r2+r,7;+:^ =r,，然后进入第8步； 第7步将rw, rfl2, T^中的一个量取值为r。，剩余二个量取值为o，然后采用传统的5个开关状态调制方法进行调制；第8步根据双向功率开关状态调制次序以及持续时间安排矩阵变换器中各双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。
全文摘要
本发明公开了一种减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法，其特征在于当某调制周期内的四个有效矢量的开关状态持续时间的最小值小于换流时间的二倍时，在该调制周期中采用3个零矢量调制，即分别在第1有效矢量之前、第2和第3有效矢量之间以及第4个有效矢量之后加入，其和等于零矢量总持续时间T0。本发明在不改变有效空间矢量持续时间的前提下，从根本上避免了开关状态持续时间小于换流时间所引起的窄脉冲现象，解决了由于窄脉冲引起的输出波形畸变问题，较大地提高低调制比时矩阵变换器的输出波形质量及低压调压范围。当没有窄脉冲出现时，仍然采用传统的调制方法，以减小开关损耗并保证高调制比要求。本发明只需调整空间矢量的调制方式，方法简单易行。
文档编号H02M5/257GK101599704SQ20091006308
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者必 何, 佘宏武, 桦 林, 王兴伟 申请人:华中科技大学