一種基于60°坐標系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統及控制方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種電力轉換裝置，具體涉及一種基于60°坐標系的間接空間矢量矩 陣變換器的控制系統及控制方法。
【背景技術】：
[0002] 在電氣傳動領域，直流調速系統具有結構復雜、造價昂貴、無法適應高壓大容量高 速場合、需經常維護以及受環境限制等缺點，而交流調速系統具有結構簡單、價格低廉、轉 動慣量小、動態響應快、體積小、重量輕、維護簡單以及可適應惡劣環境等優點，在電氣傳動 領域成為了發展趨勢。隨著電力半導體的迅速發展和PWM調制技術的日益成熟，交流傳動 電源在工業自動化、農業生產和家庭生活也得到了廣泛應用，并且開始逐步取代直流的趨 勢。
[0003] 現代供電系統通常采用交流供電，而交流傳動電源主要是采用交-直-交間接變 換和交-交直接變換來得到。由于選擇不同的開關器件，使得交-直-交變換器具有不同 的拓撲結構。圖1(a)中采用了二極管不控整流和全控型器件PWM可控逆變構成的PWM變 換器，輸出電壓近似正弦，電路結構和控制方法相對簡單，但不控整流和LC濾波電路會對 輸入電流造成影響，使得輸入電流發生畸變，諧波增大，輸入功率因數偏低，能量無法實現 雙向流動，并且需要體積龐大的中間直流儲能大電容；圖1(b)中整流和逆變均采用全控型 器件構成的雙PWM變換器，解決了前面不控整流的問題，實現了輸入電流和輸出電壓的正 弦特性，且能量可雙向流動以及實現了高功率因數運行，但該結構同樣需要體積龐大的中 間直流儲能大電容。
[0004] 交-交直接變換器采用晶閘管構成的交-交變頻電路，也稱為周波變換器。為了 讓三相輸入交流和負載部分的三相交流電機實現功率低頻的直接傳遞，可采用對晶閘管相 控整流達到，主要應用在大功率低速運轉的生產機械中。交-交直接變換器采用余弦交點 法觸發控制方式來實現輸出波形的正弦變化，由于沒有中間直流環節，實現了一次變換，并 利用電網電壓實現晶閘管的自然換流，提高了變換效率，且實現了能量的雙向流動和四象 限運行，使整個系統的能耗降低。由于采用移相觸發方式實現的功率變換，使得電流和電壓 波形畸變嚴重且諧波含量豐富，對電網和發電機的影響很大，且調頻范圍比較窄，通常為電 源頻率的1/3~1/2,控制方法雖然比較簡單，但是其能夠得到的輸入功率因數較低，且實 現控制的線路比較復雜，成本較高。
【發明內容】
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[0005] 本發明提供了一種基于60°坐標系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統及控 制方法，其為一種穩定、高效、可靠的電力轉換裝置，具有輸出調頻調幅廣、輸入輸出波形正 弦化、控制自由度大、能量雙向流動、動態響應快等優點。
[0006] 本發明的基于60°坐標系的間接空間矢量矩陣變換器的控制系統，包括與阻感負 載相連的雙向開關矩陣電路、通過驅動電路與雙向開關矩陣電路相連的控制電路及三相交 流電源，為實現上述目的所采用的技術方案在于：所述雙向開關矩陣電路由個具有雙向阻 斷能力和自關斷能力的功率器件組成，形成3*3的開關陣列，每一個輸出相都由一個雙向 開關與三相輸入端分別相連，三相交流電源通過帶阻尼電阻輸入濾波器連接雙向開關矩陣 電路，帶阻尼電阻輸入濾波器連接雙向開關矩陣電路構成三相-三相矩陣變換器，雙向開 關矩陣電路的兩端連接箝位電路，三相交流電源與帶阻尼電阻輸入濾波器之間的母線通過 輸入相電壓過零檢測電路連接控制電路，雙向開關矩陣電路與阻感負載之間的母線通過負 載電流極性檢測電路連接控制電路。
[0007] 作為本控制系統的進一步改進，所述箝位電路由接觸器KM1、接觸器KM2及接觸器 KM3構成，接觸器KM1主觸點與三相-三相矩陣變換器、接觸器KM3主觸點串聯后與接觸器 KM2并聯，最后經熱繼電器FR與作為負載電阻的電動機Μ串聯，控制電路通過相互并聯的中 間繼電器ΚΑ1線圈、中間繼電器ΚΑ2線圈、中間繼電器ΚΑ3線圈與三相-三相矩陣變換器相 連，中間繼電器ΚΑ2線圈與三相-三相矩陣變換器之間設有中間繼電器ΚΑ3的常閉觸點，中 間繼電器ΚΑ3線圈與三相-三相矩陣變換器之間設有中間繼電器ΚΑ2的常閉觸點；所述雙 向開關矩陣電路由工頻-變頻啟動停止開關電路和報警電路構成，所述工頻-變頻啟動停 止開關電路中的接觸器ΚΜ1線圈、接觸器ΚΜ2線圈、接觸器ΚΜ3線圈相互并聯后與三相-三 相矩陣變換器相連，接觸器ΚΜ1線圈的支路上依次串聯有中間繼電器ΚΑ1的常開觸點、啟動 按鈕SB1、停止按鈕SB2，接觸器ΚΜ2線圈的支路上依次串聯有接觸器ΚΜ3常閉觸點、中間繼 電器KA2常開觸點，接觸器KM3線圈支路上依次串聯有接觸器KM2常閉觸點、中間繼電器 KA3常開觸點；所述報警電路中的振鈴HA、報警燈HL及中間繼電器ΚΑ0線圈相互并聯后依 次經復位按鈕SB3和中間繼電器ΚΑ0常開觸點連接三相-三相矩陣變換器。在出現故障時， 接觸器KM2主觸點閉合，接觸器KM3主觸點斷開，三相-三相矩陣變換器被短接，實現工頻 輸出，由電網直接給電動機Μ供電，從而對三相-三相矩陣變換器進行保護。
[0008] 作為本控制系統的進一步改進，所述雙向開關為背靠背結構共發射極方式的雙向 開關，可流過雙向電流，且能對電流在兩個方向上進行獨立控制，實現安全換流，具有在任 意時刻導通元件少、導通損耗小的優點。
[0009] 作為本控制系統的進一步改進，控制電路和驅動電路由單相電源經驅動電源電路 進行供電。
[0010] 作為本控制系統的進一步改進，輸入相電壓過零檢測電路和負載電流極性檢測電 路分別通過信號調理電路連接控制電路，經信號調理電路將信號調整放大后傳遞給控制電 路，以提高信號傳遞的精準性。
[0011] 作為本控制系統的進一步改進，所述控制電路連接輸出電壓頻率給定電路和保護 電路，
[0012] 本發明的基于60°坐標系的間接空間矢量矩陣變換器的控制方法，采用的技術方 案在于由以下步驟構成：
[0013]步驟一、依靠雙空間矢量調制技術SVPWM將三相-三相矩陣變換器等效成虛擬的 交-直-交結構，雙空間矢量調制技術SVPWM分別通過虛擬整流側VSR和虛擬逆變側VSI 根據三相交流電源的輸入電壓計算出虛擬的交-直-交結構中的虛擬直流側電壓和虛擬直 流側電流，
[0014] 在計算虛擬直流側電壓的過程中，對虛擬逆變側VSI的輸出線電壓U。進行SVPWM 調制時，可令虛擬逆變側VSI的供電直流側電壓Upn =Ud。，根據輸出線電壓空間矢量U。的定 義：
[0015]
[0016]
獲得虛擬直流側電壓，
[0017] 在計算虛擬整流側電流的過程中，對虛擬整流側VSR的輸入相電流進行SVPWM調 制時，
[0018] 可令虛擬整流側VSR產生的直流電流iP=Id。，根據輸入相電壓空間矢量Uiph的定 義：
[0019]
[0020]
獲得虛擬直流側電流；
[0021] 步驟二、利用計算出的虛擬直流側電壓Upn和虛擬直流側電流I@求出輸出電壓占 空比和輸出電流占空比，
[0022] 在某一時刻，輸出線電壓空間矢量由兩個相鄰的非零矢量Ua、Ue和一個零矢量U。 合成，則各矢量作用時間根據正弦定理得：
[0023]
[0024] 其中：d。、de、4分別為電壓矢量U。、Ue、U。的占空比，mvS電壓調制系數，且
為開關的導通時間，Θsv為輸出電壓矢量與扇區起始位置 之間的夾角，
[0025] 在某一時刻，輸入相電流空間矢量由兩個相鄰的非零矢量I、Ιγ和一個零矢量I。 合成，則各矢量作用時間根據正弦定理得：
[0026]
[0027]其中：du、dY、d。。分別為電流矢量Iμ、Ιγ、I。的占空比，為電流調制系數，且 0彡mc=Iini/Idc< 1，Tu、TY、TQc為開關的導通時間，Θsc為輸入電流矢量與扇區起始位置 之間的夾角；
[0028] 步驟三、利用輸出電壓占空比da、dp、dQv和輸出電流占空比ddpd。。計算出電 壓電流聯合占空比以及矢量作用時間，再根據30°坐標系在之前所分區間分配矢量及作用 時間，再引入三相不衡帶來的誤差，求出最后的矢量作用時間和矢量分配情況，
[0029] 對虛擬整流側VSR的占空比九、dY、d。。和虛擬逆變側VSI的占空比da、de、(^進 行整合，按式求出能夠同時控制輸出線電壓和輸出相電流的5個聯合占空比，兩者組合的 開關狀態能夠與每個綜合占空比相對應，
[0030]
[0031] 其中：1'。、1'1、1'2、1'3、1'4為矢量作用時間，(1。 11、(1{!11、(1。，、(1{!,、(1。為聯合占空比，11