專利名稱：一種電容充電用ac-dc串聯諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及矩陣變換器控制技術，具體地說，是涉及一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法。
背景技術：
為了滿足未來高技術戰爭的軍事需求，高功率微波系統在朝著高功率、小型化、輕量化的方向發展，相應地，人們對為該系統供電的電源的功率密度、效率和功率因數等提出了更高的要求，其中，電容充電電源為高功率微波系統中較為普遍的選擇。目前，高功率微波系統中所使用的電容充電電源一般采用存在中間直流儲能環節的DC-Link技術，雖然中間儲能環節具有容量大、壽命長等優勢，但是其的存在會增加電源系統的體積和重量，降低電源的功率密度，且這種電源在電網輸入端的電能質量不高、功率因數較低、諧波含量也較大，若要進行校正或抑制則需引入額外的電力電子器件，這樣又會進一步降低供電系統的功率密度和效率，為了解決上述問題，研究具有新拓撲結構與控制技術的控制裝置以提高電源的效率、功率密度和功率因數就變得尤為重要。由于矩陣變換器具有能量雙向流通、正弦輸入輸出電流、輸入功率因數可控、輸出電壓幅值和相位可控、無中間儲能環節和結構緊湊等諸多優點，人們常將矩陣變換器應用于電容充電電源中以提高電源的功率密度。然而，現有技術中矩陣變換器的調制算法主要分為AV調制算法、瞬時電壓合成算法和空間矢量調制算法，這些調制算法均較為復雜、計算量較大、不利于應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法，主要解決現有技術中存在的電容充電電源控制性能不夠高，不能滿足高功率微波系統的供電需求的問題。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下—種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置，包括三相電源和連接有負載的變壓器，還包括輸入端與三相電源相連、輸出端連接有相位檢測單元的過零比較器；輸入端與過零比較器和相位檢測單元均相連的開關狀態控制單元；輸出端與開關狀態控制單元相連的時序生成單元；輸入端與相位檢測單元相連、輸出端與時序生成單元相連的控制參數計算單元；輸入端與負載相連、輸出端與控制參數計算單元相連的負載電壓采集電路；輸入端與開關狀態控制單元相連、輸出端連接有雙向功率開關單元的觸發驅動電路；其中，所述雙向功率開關單元的輸入端與三相電源相連、輸出端連接有變壓器。
為了提高本發明的準確性，所述三相電源與過零比較器之間連接有EMI濾波器；所述三相電源與雙向功率開關單元之間連接有第一濾波器；所述過零比較器與開關狀態控制單元之間連接有電網故障檢測單元。考慮到實際需求，所述開關狀態控制單元與變壓器之間連接有過流檢測單元和過溫檢測單元。基于上述硬件設備，本發明還提供了一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，包括以下步驟:(a)根據三相電源的輸入相電壓ua、ub和U。的相對大小關系,將每個輸入相電壓的周期劃分為12個區間，令每個輸入相電壓的周期為T1，則每個相電壓的每個區間所占的時間 T2=T1/12 ；(b)負載電壓采集電路采集負載兩端的電壓，控制參數計算單元根據相位檢測單元采集到的相位值計算相電壓的瞬時值；( c )控制參數計算單元根據相電壓的瞬時值自動生成相應相電壓所處不同區間時的相應調制策略；(d)開關狀態控制單元根據相應的調制策略對當前輸入相電壓所處區間的雙向功率開關單元進行狀態切換，完成一個諧振周期的控制；(e)采用電壓型兩步換流策略對電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器的工作狀態進行切換；(f)完成步驟(e)后，將所有開關關斷，待下一個諧振周期觸發時返回步驟(b)，直至工作結束。進一步地，所述三相電源中相電壓周期的區間劃分如下:區間1:ua > Uc > ub, Umax=Ua, Umin=Uc, Umid=Ub ；區間II:ua > Ub > uc, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區間III:ua > Ub > uc, Umax=Uc, Umin=Ub, Umid=Ua ；區間IV:ub > Ua > uc, Umax=Uc, Umin=Ua, Umid=Ub ；區間V:ub > Ua > uc, Umax=Ub, Umin=Ua, Umid=Uc ；區間VI:ub > Uc > ua, Umax=Ub, Umin=Uc, Umid=Ua ；區間vn:ub > uc > ua, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區間珊:uc> ub > ua, Umax=Ua, Umin=Ub, Umid=Uc ；區間IX:uc > ub > ua, Umax=Uc, Umin=Ub, Umid=Ua ；區間X:uc > ua > ub, Umax=Uc, Umin=Ua, Umid=Ub ；區間XI:uc > ua > ub, Umax=Ub, Umin=Ua, Umid=Uc ；區間ΧΠ:ua > uc > ub, Umax=Ub, Umin=Uc, Umid=Ua ；其中，Umax為絕對值最大的相電壓；Umid為絕對值居中的相電壓；Umin為絕對值最小的相電壓，相應地，高線電壓Uj= I Umax-Umid I ;低線電壓Uk= I Umax-UminI。步驟(b)中，所述相電壓瞬時值的計算方式如下:在三相電源中任一相電壓過零點出現時將控制參數計算單元清零，之后重啟該控制參數計算單元，并記錄過零點到當前時刻的時間t，根據當前電網極性和時序生成單元采xci
集到的相序得出各相的初始相位/Λ各相的當前相位
權利要求
1.一種電 容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，包括: 輸入端連接有三相電源、輸出端連接有相位檢測單元的過零比較器； 輸入端與過零比較器和相位檢測單元均相連的開關狀態控制單元； 輸出端與開關狀態控制單元相連的時序生成單元； 輸入端與相位檢測單元相連、輸出端與時序生成單元相連的控制參數計算單元； 輸入端連接有負載、輸出端與控制參數計算單元相連的負載電壓采集電路； 輸入端與開關狀態控制單元相連、輸出端連接有雙向功率開關單元的觸發驅動電路； 其中，所述雙向功率開關單元的輸入端與三相電源相連、輸出端連接有變壓器。
2.根據權利要求1所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，所述三相電源與過零比較器之間連接有EMI濾波器；所述三相電源與雙向功率開關單元之間連接有第一濾波器；所述過零比較器與開關狀態控制單元之間連接有電網故障檢測單元。
3.根據權利要求2所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置，其特征在于，所述開關狀態控制單元與變壓器之間連接有過流檢測單元和過溫檢測單元。
4.權利要求1 3任意一項所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: Ca)根據三相電源的輸入相電壓ua、ub和U。的相對大小關系，將每個輸入相電壓的周期劃分為12個區間，令每個輸入相電壓的周期為T1，則每個相電壓的每個區間所占的時間W12 ； (b)負載電壓采集電路采集負載兩端的電壓，控制參數計算單元根據相位檢測單元采集到的相位值計算相電壓的瞬時值； (c)控制參數計算單元根據相電壓的瞬時值自動生成相應相電壓所處不同區間時的相應調制策略； (d)開關狀態控制單元根據相應的調制策略對當前輸入相電壓所處區間的雙向功率開關單元進行狀態切換，完成一個諧振周期的控制； (e)采用電壓型兩步換流策略對電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器的工作狀態進行切換； (f)完成步驟(e)后，將所有開關關斷，待下一個諧振周期觸發時返回步驟(b)，直至工作結束。
5.根據權利要求4所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(a)中，所述三相電源中相電壓周期的區間劃分如下:
6.根據權利要求5所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(b)中，所述相電壓瞬時值的計算方式如下: 在三相電源中任一相電壓過零點出現時將控制參數計算單元清零，之后重啟該控制參數計算單元，并記錄過零點到當前時刻的時間t，根據當前電網極性和時序生成單元采集到的相序得出各相的初始相位φ各相的當前相位
7.根據權利要求6所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(C)中，所述調制策略如下: (Cl)令每個開關的周期時間為T3，每個區間包含的開關周期數量η為Τ2/Τ3，每個開關周期均包括為正向電壓激勵的第一諧振周期和為反向電壓激勵的第二諧振周期，每個諧振周期的時間為T4，且T3彡2T4 (max)； 其中，η為正整數，T4 (max)為最大諧振電流周期的時間； (c2)根據電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器的拓撲結構建立由諧振電容器、負載電容器、變壓器、開關電路和電感構成的等效分析模型； 貝U，在每個諧振周期內，三相電源輸出能量，即正向充電時: 從Umin相流出的電荷量
8.根據權利要求7所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(c2)中，所述矩陣變換器的拓撲結構包括分別與三相電源相連的電感La、電感Lb和電感Lc，分別與電感La、電感Lb和電感Lc相連且相互連接的電容Ca、電容Cb和電容Ce，與電感La相連的由第一雙向功率開關單元和第二雙向功率開關單元串聯而成的開關電路Ka ;與電感Lb相連的由第三雙向功率開關單元和第四雙向功率開關單元串聯而成的開關電路Kb ;與電感Lc相連的由第五雙向功率開關單元和第六雙向功率開關單元串聯而成的開關電路Kc ;所述開關電路Ka、開關電路Kb和開關電路Kc的兩輸出端分別通過電容Cr和電感Lr連接有變壓器T，所述變壓器的輸出端連接有高壓高頻整流器和負載電容器。
9.根據權利要求8所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，所述開關電路Ka包括依次相連的開關S1、開關S2、開關S7和開關S8，電感La連接于開關S2和開關S7之間；開關電路Kb包括依次相連的開關S3、開關S4、開關S9和開關S10，電感Lb連接于開關S4和開關S9之間；開關電路Kc包括依次相連的開關S5、開關S6、開關Sll和開關S12,電感Lc連接于開關S6和開關Sll之間； 其中，開關SI和開關S2構成了第一雙向功率開關單元、開關S7和開關S8構成了第二雙向功率開關單元、開關S3和開關S4構成了第三雙向功率開關單元、開關S9和開關SlO構成了第四雙向功率開關單元、開關S5和開關S6構成了第五雙向功率開關單元、開關Sll和開關S12構成了第六雙向功率開關單元，所述第一雙向功率開關單元、第二雙向功率開關單元、第三雙向功率開關單元、第四雙向功率開關單元、第五雙向功率開關單元和第六雙向功率開關單元均由半導體功率開關組成。
10.根據權利要求9所述的一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟(d)中，將正向電壓激勵時的輸出電流定義為“ + ”，將反向電壓激勵時的輸出電流定義為將雙向功率開關單元中開關導通狀態用“I”表示、關斷狀態用“O”表示，開關狀態控制單元則控制開關按下表進行狀態切換:
全文摘要
本發明公開了一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置及其控制方法，主要解決了現有技術中存在的電容充電電源控制性能不夠高，不能滿足高功率微波系統的供電需求的問題。該一種電容充電用AC-DC串聯諧振矩陣變換器控制裝置，包括過零比較器、開關狀態控制單元、時序生成單元、控制參數計算單元、負載電壓采集電路和觸發驅動電路，本發明還公開了該控制裝置的控制方法。通過上述方案，本發明達到了性價比較高，能充分滿足高功率微波系統的供電需求的目的，具有很高的實用價值和推廣價值。
文檔編號H02M1/42GK103078522SQ20131001267
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月14日 優先權日2013年1月14日
發明者張政權, 劉慶想, 李偉, 王慶峰, 楊賀 申請人:西南交通大學