專利名稱：用于控制矩陣轉(zhuǎn)換器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制矩陣轉(zhuǎn)換器的方法，該矩陣轉(zhuǎn)換器具有9個(gè)設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣的雙向功率開關(guān)，其中，借助空間向量調(diào)制方法，用所屬時(shí)間間隔計(jì)算一個(gè)調(diào)制周期的開關(guān)狀態(tài)。
矩陣轉(zhuǎn)換器涉及自引導(dǎo)的直接轉(zhuǎn)換器。它可以將系統(tǒng)中不變的三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為具有可變電壓和頻率。通過設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣的雙向功率開關(guān)，矩陣轉(zhuǎn)換器三個(gè)輸出相位中的每一個(gè)都與輸入相位電氣相連。矩陣轉(zhuǎn)換器的相位由三個(gè)雙向功率開關(guān)的裝置組成，該裝置一方面分別與各輸入相位相連，另一方面與輸出相位相連。這樣的裝置也表示為3×1開關(guān)矩陣。該矩陣轉(zhuǎn)換器需要中間回路。自引導(dǎo)的直接轉(zhuǎn)換器所具有的優(yōu)點(diǎn)是，其通過該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有反饋能力，并通過相應(yīng)施加的控制獲得正弦形的電網(wǎng)電流。
矩陣轉(zhuǎn)換器的雙向功率開關(guān)各具有兩個(gè)反串連連接的半導(dǎo)體開關(guān)。作為半導(dǎo)體開關(guān)，優(yōu)選采用絕緣柵級(jí)雙極晶體管(IGBT)，其各具有一個(gè)反并聯(lián)的二極管。這樣設(shè)計(jì)的雙向功率開關(guān)優(yōu)選用于轉(zhuǎn)換小功率和中等功率。通過控制雙向功率開關(guān)的半導(dǎo)體開關(guān)，各自在由該半導(dǎo)體開關(guān)裝置確定的方向上連續(xù)電流通路。如果控制雙向功率開關(guān)的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，則該雙向功率開關(guān)雙向?qū)?，且可以在兩個(gè)方向上流通電流。由此在矩陣轉(zhuǎn)換器的輸入相位和輸出相位之間產(chǎn)生可靠的電連接。如果只控制雙向功率開關(guān)的一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，則該雙向功率開關(guān)不雙向?qū)?，且在矩陣轉(zhuǎn)換器的輸入相位和輸出相位之間產(chǎn)生的電連接只用于優(yōu)選的電流方向。
通過獲得的開關(guān)位置組合在調(diào)制周期內(nèi)的時(shí)間序列，可以產(chǎn)生在時(shí)間平均值上邊界任意的輸出電壓?？刂凭仃囖D(zhuǎn)換器的技術(shù)問題在于，根據(jù)輸入電壓空間向量的知識(shí)和輸出電壓空間向量的期望值計(jì)算出合適的開關(guān)組合。
迄今為止公知的控制方法或者是面向相位的方法，或者是面向空間向量的方法。
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開關(guān)直接AC-AC轉(zhuǎn)換器的分析和設(shè)計(jì))”，IEEETranctions on Power Electronics，第4冊，Nr.1，1989年1月，101至112頁中詳細(xì)描述，而在LászlóHuber和Du an Borejevi 的公開出版物“SpaceVector Modulated。Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with InputPower Factor Correction(具有輸入功率因子校正的空間向量調(diào)制的三相到三相矩陣轉(zhuǎn)換器)”，IEEE Tranctions on Industry Applications，第31冊，Nr.6，1995年11/12月，1234至1245頁中，詳細(xì)描述了面向空間向量的控制方法。就開關(guān)損耗性能來說，該面向空間向量的控制方法存在顯著的缺陷。由于在輸出電壓和輸入電流中存在具有對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率的脈沖頻率的片段，還包括具有雙倍脈沖頻率的片段，因此造成該方法的開關(guān)損耗性能很差。
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(具有最小數(shù)量開關(guān)和對(duì)輸入電壓不平衡進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)目臻g向量調(diào)制的矩陣轉(zhuǎn)換器)”，Proceedings of the1996 International Conference on Power Electronics．Drives and Energy Systemsfor Industrial Growth，833至839頁中，公開了一種用于減少換向的方法。
其中，借助空間向量調(diào)制方法，計(jì)算4個(gè)激活的開關(guān)狀態(tài)和一個(gè)在矩陣轉(zhuǎn)換器輸出端產(chǎn)生具有振幅為0的電壓空間向量的開關(guān)狀態(tài)。在該出版物中，這些開關(guān)狀態(tài)表示為激活的向量或零向量。在矩陣轉(zhuǎn)換器的空間向量調(diào)制中，輸入電壓向量和輸出電壓向量一方面存在于自己的區(qū)域中，另一方面也存在于相鄰的區(qū)域中。除了所述組合之外，還可以進(jìn)行任意組合。無論如何，一般將脈沖頻率，即電壓空間向量序列，設(shè)計(jì)為鏡像對(duì)稱，其中，零向量設(shè)置于4個(gè)激活的向量中間。如果矩陣轉(zhuǎn)換器的輸入電流向量和輸出電壓向量各自位于自己的區(qū)域，則脈沖序列具有8次換向。然而，如果這些向量位于相鄰區(qū)域，則脈沖序列具有l(wèi)O次換向，這不是最佳的。在這種情況下，利用該出版物中介紹的最優(yōu)化可以產(chǎn)生也僅具有8次換向的脈沖序列。該最佳脈沖序列由所計(jì)算的4個(gè)激活向量和一個(gè)零向量組成。最佳脈沖序列與非最佳脈沖序列的不同之處在于，在最佳脈沖序列中激活的向量從時(shí)間上被替代，并選出一個(gè)合適的零向量。在此，由這三個(gè)可能的零向量所選出的是僅引起換向的向量。通過這種優(yōu)化的空間向量調(diào)制方法，可以達(dá)到每個(gè)調(diào)制周期僅出現(xiàn)8次換向。通過減少每個(gè)調(diào)制周期的換向次數(shù)，可以減少矩陣轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗。
該控制方法在開關(guān)損耗性能方面也存在一個(gè)缺陷，因?yàn)閷?duì)空間向量調(diào)制方法的優(yōu)化僅考慮了換向數(shù)量，而沒有考慮出現(xiàn)換向時(shí)的電壓。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，就開關(guān)損耗性能進(jìn)一步優(yōu)化該公知的控制方法。
通過將借助空間向量調(diào)制方法計(jì)算的矩陣轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài)拆分為涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)，存在這樣一種可能，即在為每個(gè)涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)配置一個(gè)所屬的時(shí)間間隔之后，從這些涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)中分別為一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的每個(gè)輸出相位產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的任意脈沖序列。涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)以何種順序排列，這取決于輸入電壓。這樣對(duì)每個(gè)輸出相位各開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分類，即序列換向總是發(fā)生在相鄰的輸入電壓上。通過由輸入電壓優(yōu)化調(diào)制周期內(nèi)的脈沖序列，顯著減小了矩陣轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗。
通過對(duì)計(jì)算的矩陣轉(zhuǎn)換器開關(guān)狀態(tài)關(guān)于輸出相位進(jìn)行再分類，產(chǎn)生一個(gè)在原始計(jì)算的一個(gè)調(diào)制周期的開關(guān)狀態(tài)中不會(huì)出現(xiàn)的開關(guān)狀態(tài)。該開關(guān)狀態(tài)保證，每個(gè)矩陣轉(zhuǎn)換器的輸出相位與一個(gè)和其它輸出相位不同的輸入相位相連。所屬的輸出電壓空間向量由于其圓形軌跡而被描述為“旋轉(zhuǎn)空間向量”。在空間向量調(diào)制中，由于輸出電壓的最大值太小，這類開關(guān)狀態(tài)被排除在外。然而，在根據(jù)本發(fā)明的控制方法中，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)部產(chǎn)生這類開關(guān)狀態(tài)，而不存在上述缺陷。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明，參考其中概略性示出本發(fā)明方法的附圖。其中

圖1示出了矩陣轉(zhuǎn)換器的等效電路圖；圖2示出了根據(jù)圖1的矩陣轉(zhuǎn)換器在時(shí)間t上的輸入電壓周期；圖3示出了計(jì)算的具有所屬時(shí)間間隔的開關(guān)狀態(tài)表；圖4示出了在輸出相位分裂后根據(jù)圖3的表格；圖5和6分別示出了一個(gè)不同脈沖序列涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)表；圖7在各曲線圖中示出了在沒有優(yōu)化的空間向量調(diào)制中，時(shí)間t上的耦合輸出電壓和相位輸出電壓；圖8在各曲線圖中示出了在按照本發(fā)明的空間向量調(diào)制中，時(shí)間t上的耦合輸出電壓和相位輸出電壓。
圖1示出了三相矩陣換向器4的等效電路圖。該三相矩陣轉(zhuǎn)換器4具有被設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣的9個(gè)雙向功率開關(guān)S11、...、S33。通過該設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣6的9個(gè)雙向功率開關(guān)裝置S11、...、S33，每個(gè)輸出相位1、2、3可以與矩陣轉(zhuǎn)換器4的任意輸入相位1、2、3接通。在矩陣轉(zhuǎn)換器4的輸出相位1、2、3上連接了一個(gè)電感負(fù)荷的負(fù)載8。輸入相位1、2、3與一個(gè)LC濾波器10連接，該濾波器在輸入端與沒有詳細(xì)示出的電網(wǎng)相連。該LC濾波器10具有電感12和電容14。在此，電容14以星形接線，也能以三角形接線。電感12設(shè)置在電容14的輸入導(dǎo)線上，從而平滑其負(fù)載電流。矩陣轉(zhuǎn)換器4的一個(gè)相位具有三個(gè)雙向功率開關(guān)S11、S21、S32或S12、S22、S32或S13、S23、S33，這些開關(guān)可以將輸入相位1、2、3與一個(gè)輸出相位1或2或3相連。該矩陣轉(zhuǎn)換器相位具有3×1開關(guān)矩陣。
圖2示出了矩陣轉(zhuǎn)換器4輸入端1、2和3的電網(wǎng)電壓U1、U2和U3在時(shí)間t上的曲線圖。對(duì)該電網(wǎng)電壓U1、U2和U3僅示出了在一個(gè)電網(wǎng)周期T上的時(shí)間變化曲線。根據(jù)空間向量調(diào)制將該電網(wǎng)周期T劃分為6個(gè)區(qū)域I、...、VI。每個(gè)區(qū)域包括60°電氣(el.)，其中區(qū)域邊界每次都與一個(gè)電網(wǎng)電壓U1或U2或U3的過零點(diǎn)一致。此外，在該圖中還描繪了其它區(qū)域I’、...、VI’，其區(qū)域邊界總是與耦合電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)一致。這些區(qū)域I’、...、VI’相對(duì)區(qū)域I、...、VI移動(dòng)30°電氣。在偏移設(shè)置的區(qū)域I’、...、VI’內(nèi)的數(shù)列分別給出了矩陣轉(zhuǎn)換器4的換向序列。
圖3示出了一個(gè)兩欄的表格，一欄為“時(shí)間間隔”，一欄為“開關(guān)狀態(tài)”。在后一欄中，填入一個(gè)調(diào)制周期或半個(gè)調(diào)制周期的4個(gè)激活開關(guān)狀態(tài)121、122、133和131以及一個(gè)開關(guān)狀態(tài)111。激活的開關(guān)狀態(tài)121、122、133和131產(chǎn)生不為0的輸出電壓空間向量u0。開關(guān)狀態(tài)111產(chǎn)生振幅為0的輸出電壓空間向量u0。因此，在開始所述與空間向量調(diào)制相關(guān)的文獻(xiàn)中也談到了激活的空間向量和零向量。
根據(jù)該表，通過一個(gè)例如122的三重?cái)?shù)組，描述矩陣轉(zhuǎn)換器4的開關(guān)狀態(tài)。為此，第一數(shù)字給出了通過它輸入相位應(yīng)當(dāng)或就是與矩陣轉(zhuǎn)換器的第一輸出相位1相連。第二數(shù)字給出了通過它輸入相位應(yīng)當(dāng)或就是與矩陣轉(zhuǎn)換器的第二輸出相位2相連。第三數(shù)字給出了與矩陣轉(zhuǎn)換器4的輸出相位3的連接。也就是說，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)122，矩陣轉(zhuǎn)換器4的第一輸出相位1應(yīng)當(dāng)與輸入相位U1相連，第二輸出相位2與輸入相位U2相連，第三輸出相位3與輸入相位U3相連。該開關(guān)狀態(tài)所屬的時(shí)間間隔Tβμ＝a給出了該開關(guān)狀態(tài)應(yīng)當(dāng)存在多久。如果執(zhí)行開關(guān)狀態(tài)122，則閉合雙向功率開關(guān)S11、S22、S23。
圖3所示的表格示出了Huber和Borejevi 的出版物中的計(jì)算示例，尤其是表III和圖9，它在采用輸入功率因子cos的條件下由輸入電壓范圍I中的一個(gè)獲得。
圖4示出了一個(gè)通過拆分圖3中表格而產(chǎn)生的表格。也就是說，每個(gè)三重?cái)?shù)組都被拆分為該數(shù)組的三個(gè)數(shù)字，每個(gè)數(shù)字都具有該三重?cái)?shù)組所屬的時(shí)間間隔。因此，獲得了矩陣轉(zhuǎn)換器4的涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)。
在拆分了借助空間向量調(diào)制方法計(jì)算的一個(gè)調(diào)制周期的開關(guān)狀態(tài)之后，涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)在其時(shí)間序列中(關(guān)于從上至下的圖中的表格)被分別重新分類。借助獲得的電網(wǎng)電壓U1、U2和U3進(jìn)行該分類，其中需要注意的是，序列換向總是只在相鄰的電網(wǎng)電壓U2或U3或U1上進(jìn)行。根據(jù)圖3，在根據(jù)Huber和Borejevi 的出版物的上述假設(shè)下計(jì)算用于空間向量區(qū)域VI的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)圖2的曲線圖，具有優(yōu)化的換向序列132和123的區(qū)域I’和VI’屬于空間向量區(qū)域VI。圖5示出了根據(jù)新分類的一個(gè)脈沖序列132，而圖6示出了根據(jù)新分類的另一個(gè)脈沖序列123。現(xiàn)在這兩個(gè)表格分別給出了根據(jù)該再分類產(chǎn)生的輸出電壓空間向量。
通過對(duì)根據(jù)圖3中表格的開關(guān)狀態(tài)和根據(jù)表格5的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行比較，其中表格5示出了每個(gè)調(diào)制周期的一個(gè)132換向序列，可以知道，根據(jù)圖3的矩陣轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài)122a和111c沒有發(fā)生改變。假設(shè)時(shí)間間隔e大于時(shí)間間隔b，則在根據(jù)圖5的優(yōu)化換向序列中，與根據(jù)圖3的換向序列相比，出現(xiàn)了開關(guān)狀態(tài)123b。這類開關(guān)狀態(tài)使得矩陣轉(zhuǎn)換器4的每個(gè)輸出相位都與矩陣轉(zhuǎn)換器4的另一個(gè)輸入相位相連。通過該開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的電壓向量稱為所謂的“旋轉(zhuǎn)空間向量”。圖3的換向序列和圖5的換向序列在上述假設(shè)下的比較說明了，開關(guān)狀態(tài)133的時(shí)間間隔e被縮短了時(shí)間間隔b，而開關(guān)狀態(tài)131的時(shí)間間隔d被延長了時(shí)間間隔b。
假設(shè)時(shí)間間隔b大于時(shí)間間隔e，在根據(jù)圖5的優(yōu)化換向序列中，與根據(jù)圖3的換向序列相比，出現(xiàn)了又稱為“旋轉(zhuǎn)空間向量”的開關(guān)狀態(tài)123e。此外，圖3中空間向量121的時(shí)間間隔b通過優(yōu)化被縮短了時(shí)間間隔e，而圖3中開關(guān)狀態(tài)131的時(shí)間間隔d被延長了時(shí)間間隔e。
圖7分別在一個(gè)曲線圖中示出了矩陣轉(zhuǎn)換器4輸入星形連接點(diǎn)的耦合輸出電壓u12和相位輸出電壓u1，其中采用了公知的空間向量調(diào)制方法。根據(jù)該表示，0至100μsec之間的時(shí)間間隔是脈沖序列小-大-小，而700至800μsec之間的時(shí)間間隔是脈沖序列大-小-大-小-大。0至100μsec之間時(shí)間間隔中的脈沖序列與約10kHz的脈沖頻率對(duì)應(yīng)，而700至800μsec之間時(shí)間間隔中的脈沖序列與20kHz的脈沖頻率對(duì)應(yīng)。這示出了在傳統(tǒng)空間向量調(diào)制方法中具有的原理性不均勻性，該不均勻性會(huì)導(dǎo)致較高的開關(guān)損耗。
圖8分別在一個(gè)曲線圖中示出了矩陣轉(zhuǎn)換器4輸入星形連接點(diǎn)的耦合輸出電壓u12和相位輸出電壓u1，其中采用了根據(jù)本發(fā)明的空間向量調(diào)制方法。通過采用本發(fā)明的空間向量調(diào)制方法，0至100μsec之間時(shí)間間隔中的脈沖序列與700至800μsec之間時(shí)間間隔中的脈沖序列一致。因此，脈沖頻率和調(diào)制頻率相等(在此10kHz)。
借助本發(fā)明用于矩陣轉(zhuǎn)換器4的空間向量調(diào)制方法，可以使矩陣轉(zhuǎn)換器4的開關(guān)損耗性能不僅通過最小化一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的換向次數(shù)而獲得改善，而且如果在此只考慮換向電壓的影響時(shí)也能獲得改善。為了最小化矩陣轉(zhuǎn)換器4的開關(guān)損耗，可以采用兩種優(yōu)化方法用于空間調(diào)制方法。
權(quán)利要求
1.一種控制矩陣轉(zhuǎn)換器(4)的方法，該矩陣轉(zhuǎn)換器具有9個(gè)設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣(6)的雙向功率開關(guān)(S11，...，S33)，其中，借助空間向量調(diào)制方法，分別用所屬時(shí)間間隔計(jì)算一個(gè)調(diào)制周期的開關(guān)狀態(tài)，其特征在于，將計(jì)算的開關(guān)狀態(tài)分別拆分為該矩陣轉(zhuǎn)換器(4)輸出相位的開關(guān)狀態(tài)，這些開關(guān)狀態(tài)分別配置有一個(gè)所屬的時(shí)間間隔，而且根據(jù)獲得的輸入電壓(U1，U2，U3)將具有所屬時(shí)間間隔的涉及輸出相位的開關(guān)狀態(tài)在時(shí)間上這樣組合成調(diào)制周期的脈沖序列，使得序列換向總是發(fā)生在相鄰的輸入電壓(U1，U2，U3)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制矩陣轉(zhuǎn)換器(4)的方法，該矩陣轉(zhuǎn)換器具有9個(gè)設(shè)置為3×3開關(guān)矩陣的雙向功率開關(guān)(S11，...，S33)，其中，借助空間向量調(diào)制方法，分別用所屬時(shí)間間隔計(jì)算一個(gè)調(diào)制周期的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，將計(jì)算的開關(guān)狀態(tài)分別拆分為該矩陣轉(zhuǎn)換器(4)輸出相位(1，2，3)的開關(guān)狀態(tài)，這些開關(guān)狀態(tài)分別配置有一個(gè)所屬的時(shí)間間隔，并且，根據(jù)確定的輸入電壓(U
文檔編號(hào)H02M5/257GK1476664SQ01819259
公開日2004年2月18日 申請日期2001年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月22日
發(fā)明者休伯特·希爾林, 奧拉夫·西蒙, 曼弗雷德·布魯克曼, 西蒙, 休伯特 希爾林, 德 布魯克曼 申請人:西門子公司