關(guān)鍵詞:變流器;矩陣式變換器;補(bǔ)償;換流
矩陣式變換器是一種直接型的交流-交流電力變換裝置,其結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的交-直-交變換器,取消了中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié),因此電路結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。近些年,矩陣式變換器一直是電力電子研究的焦點(diǎn)之一,并取得了較大的進(jìn)展。然而,與普通逆變器類(lèi)似的,由于電力半導(dǎo)體器件的非理想特性,矩陣式變換器不可避免地存在多步換流延時(shí)、器件的開(kāi)通/關(guān)斷延時(shí)以及器件的導(dǎo)通壓降,從而引起輸出電壓誤差和電流畸變,直接影響矩陣式變換器-異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能,在低速輕載情況下該效應(yīng)尤為明顯。目前,對(duì)于該問(wèn)題的研究主要集中在多步換流產(chǎn)生的影響上。
為了盡可能減小不同成因引起的輸出電壓誤差和輸出電流畸變,本文提出了一種對(duì)輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨,針?duì)換流及器件開(kāi)關(guān)延時(shí)和器件導(dǎo)通壓降分別采用2種不同的補(bǔ)償方法——直接脈寬補(bǔ)償和等效電壓補(bǔ)償,從而有效地減小了矩陣式變換器的輸出電壓誤差,抑制了輸出電流畸變,提高輸出波形質(zhì)量。
1 輸出電壓誤差分析
1.1 多步換流延時(shí)及器件的開(kāi)通/關(guān)斷延時(shí)
如圖1所示三相-三相矩陣式變換器由9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)(Sij,i=A,B,C;j=a.b,c)組成,圖中a、b、c表示輸入三相,A、B、C表示輸出三相。
基于矩陣式變換器輸入不短路、輸出不斷路的原則,其雙向開(kāi)關(guān)間的換流一般需要多步完成,必然帶來(lái)多步換流延時(shí)。此外,器件開(kāi)通和關(guān)斷也存在延時(shí)。這些延時(shí)會(huì)引起矩陣式變換器實(shí)際輸出電壓與參考電壓之間的誤差,即輸出電壓誤差△U'。
傳統(tǒng)的4步、3步、2步換流方法如圖2所示。假設(shè)負(fù)載電流方向?yàn)檎,傳?dǎo)電流的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是SXP或Syp。實(shí)際換流時(shí)刻由輸入電壓相對(duì)大小決定。以4步換流為例,假定Ux>Uy。由于在第2步時(shí)Syp反向偏置,故實(shí)際換流將在第3步發(fā)生,換流延時(shí)Terr為t1+t2,t1、t2定義如圖2。依此類(lèi)推,采用3步和2步換流時(shí)Terr均為t1。
本文采用空間矢量調(diào)制算法和九段式脈寬調(diào)制方式(PWM)。以下以B相為例,詳細(xì)分析在一個(gè)采樣周期(如圖3所示含4次換流)中,采用不同換流方法時(shí)的輸出電壓誤差△U'B。假設(shè)輸出電流方向?yàn)檎,輸入電壓大小為Ua>Uc>Ub。圖3為4步換流下的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出電壓誤差,各符號(hào)定義如圖1,“+”表示正向(輸入至輸出)開(kāi)關(guān),“一”表示反向開(kāi)關(guān)。粗線表示輸出電壓,陰影部分表示△U'B。
在換流l和2中,換流發(fā)生在第2步,而在換流3和4中,換流發(fā)生在第3步?紤]到器件的通斷延時(shí),則4次換流的Terr分別為t1+Ton、t1+Ton、t1+t2+Toff和t1+t2+Toff;因此,在該采樣周期中,延時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓誤差的平均值為
1.2 器件的導(dǎo)通壓降
目前矩陣式變換器選用的電力電子器件均為非理想器件,存在導(dǎo)通壓降,將引起輸出電壓誤差△U”。尤其是在負(fù)載電機(jī)低速情況下,由于電機(jī)電壓較低,器件導(dǎo)通壓降所占的比重增大,其影響將更為顯著。假設(shè)輸出電流為負(fù),一個(gè)采樣周期中器件導(dǎo)通壓降產(chǎn)生的輸出電壓誤差如圖4所示。
不同于延時(shí)作用,△U”是一個(gè)恒定量UF(雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降),大小取決于雙向開(kāi)關(guān)的構(gòu)成和選用功率器件的特性。本文選用圖1所示的共集電極開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),相應(yīng)的UF=Ud+UIGBT,其中Ud和UIGBT分別為二極管和IGBT的導(dǎo)通壓降。誤差極性由輸出電流方向決定。輸出電流為負(fù)時(shí),參考電壓小于輸出電壓,因此,△U”滿足
式中sign(Io)為輸出電流方向的極性。
2 輸出電壓誤差補(bǔ)償
參考傳統(tǒng)PWM逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方法,可采取2類(lèi)有效的補(bǔ)償方式:直接補(bǔ)償脈寬和間接補(bǔ)償?shù)刃щ妷赫`差矢量。由于矩陣式變換器的輸出電壓誤差成因復(fù)雜,因此本文選用了兩種補(bǔ)償方法。圖5為帶補(bǔ)償?shù)木仃囀阶儞Q器-異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用4步換流策略。
2.1 針對(duì)換流和開(kāi)關(guān)延時(shí)的補(bǔ)償
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