基于空間矢量調(diào)制的三相矩陣式變換器

雙空間矢量PWM調(diào)制是對(duì)輸入電流和輸出電壓同步調(diào)制，逆變器部分的理想輸出線電壓基準(zhǔn)矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準(zhǔn)矢量圓都被劃分為6個(gè)扇區(qū)，從而有36種可能的組合。以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)為例，整個(gè)輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有I₆－U₆，I₆—U₁，I₁－U₆，I₁－U₁及零矢量I₀－U₀五種組合。即

I₆－U₆：

D_xα=m_um_isin(60°－θ_i)sin(60°－θ_v)（4）

I₆—U₁：

D_xβ=m_um_isin(60°－θ_i)sinθ_v（5）

I₁－U₆：

D_yα=m_um_isinθ_isin(60°－θ_v)（6）

I₁－U₁：

D_yβ=m_um_isinθ_isinθ_v（7）

I₀－U₀：

D₀=1－D_xα－D_xβ－D_yα－D_yβ（8）

式中：m_i為電流的調(diào)制系數(shù)；

θ_i為輸入相電流的相角；

θ_v為輸出線電壓的相角。

為減少輸入線電流和輸出線電壓的諧波分量，我們采取對(duì)稱空間矢量調(diào)制策略。如圖5所示，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，將上述開關(guān)組合占空比減半，并以零矢量為中心對(duì)稱分布如下：1P，3N，4N，6P，0A，1P，3N，4N，6P。占空比：

D_xα/2→D_yα/2→D_yβ/2→D_xβ/2→D₀→D_xβ/2→D_yβ/2→D_yα/2→D_xα/2

圖5 8開關(guān)對(duì)稱調(diào)制方案

Fig 5 the 8-switches double-sided modulator

3 GAL四步安全換流方案

用圖6中A相換流到B相為例說(shuō)明：當(dāng)負(fù)載電流i_L>0時(shí)，第一步關(guān)斷S₁的負(fù)導(dǎo)通部分S_1N；第二步開通S₂的正導(dǎo)通部分S_2P；第三步關(guān)斷S₁的正導(dǎo)通部分S_1P；第四步開通S₂的負(fù)導(dǎo)通部分S_2N，這樣就完成了兩個(gè)雙向開關(guān)之間的換流，其換流波形如圖7所示，其中S₁和S₂為兩個(gè)雙向開關(guān)的理想控制信號(hào)。可見，四步換流成功地構(gòu)成了對(duì)兩個(gè)雙向開關(guān)的換流控制，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑。換流過程可用Lattice公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件GAL22V10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 矩陣式變換器一相輸出電路示意圖

Fig 6 one phase circuit of matrix converter

圖7是用GAL實(shí)現(xiàn)的安全四步換流的時(shí)序圖。

圖7 四步換流次序圖

Fig 7 the sequence of four-step commutation

4 DSP實(shí)現(xiàn)

TMS320LF2407A具有25ns的指令周期，500nsA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，低功耗3.3V設(shè)計(jì)，2個(gè)獨(dú)立的事件管理器，4個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并于同類其它系列完全兼容。

為使輸入電流與輸入電壓保持頻率相位一致，需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)。輸入電壓通過三相輸入同步變壓器，過零比較器得到三相互相間隔120°的數(shù)字電平信號(hào)，分別送入DSP的3個(gè)IO口和捕獲口，三相電平信號(hào)的上升沿和下降沿把輸入電壓空間矢量圓劃分為6個(gè)扇區(qū)，設(shè)定DSP捕獲單元對(duì)上升沿和下降沿均產(chǎn)生中斷，以啟動(dòng)定時(shí)器對(duì)每個(gè)扇區(qū)定時(shí)，采樣周期到達(dá)時(shí)讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和IO口的電平情況，從而得出當(dāng)前時(shí)刻輸入電壓矢量所在的扇區(qū)和相位，也就是得到了期望的輸入電流矢量所在的扇區(qū)和相位。

DSP程序中，每100μs產(chǎn)生5個(gè)PWM脈沖，系統(tǒng)的采樣頻率是5kHz，輸入電壓每200μs采樣一次。采用通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2，通用定時(shí)器1周期是100μs用來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖和GAL的扇區(qū)值，通用定時(shí)器2周期是200μs用來(lái)采樣輸入電壓、計(jì)算開關(guān)次數(shù)，并決定輸出線電壓和輸入電流的扇區(qū)值。DSP的程序流程圖如圖8所示。

圖8 DSP程序流程圖

Fig 8 the flowchat of DSP program