优化矿用矩阵变换器输出性能的控制策略

徐永

(郑州煤电股份有限公司 告成煤矿， 河南 郑州 450052)

0 引言

随着煤矿大功率设备的增多，大功率变频器也更多应用于煤矿。矿用矩阵变换器具有优越的输入、输出特性已受到学者们的重视[1-2]。它可以实现任意相输入到任意相输出的电能变换，其基本拓扑结构如图1所示。由图1可知，采用了9个矩阵排列的双向开关实现输出相到任意输入相的电源连接，没有中间直流储能环节，功率密度大。该结构在煤炭工业中应用会有很好的发展。其矩阵变换器调制策略中双电压合成法[3]及空间矢量法[4]是电压控制法中应用最广的。双电压调制法采用两个最大输入线电压合成输出线电压时功率因数较大，但谐波含量较高。在输出电压较低时，大量窄脉冲的存在使输出线电压波形严重畸变。文献[5]利用两个较小的输入线电压合成输出电压，低压输出性能得到了改善，但其最大电压增益仅为0.5。由于传统双电压调制策略存在不足，本文提出了一种改善矩阵变换器输出性能的控制策略。该新策略可以克服传统双电压调制策略的不足，既改善了变换器的输出性能，又能使最大电压增益达到0.866。

1 调制策略的提出

为了便于理解分析，定义变量最大、中间、最小

图1 矩阵变换器拓扑结构

输入相电压为：

(1)

对应输入相电压emax、emid、emin的电流记为ii(max)、ii(mid)、ii(min)。

最大、中间、最小输入线电压为：

(2)

式中:ebase为输入相电压中具有最大绝对值的相电压。

对应输出相电压vmax、vmid、vmin的电流记为io(max)、io(mid)、io(min)。

最大、中间、最小输出线电压为：

(3)

式中:vbase为输出相电压中具有最大绝对值的相电压。

矩阵变换器9个开关的调制时间及对应的调制系数应满足如下关系：

(4)

式中:TS为采样周期。

将输入相电压和输出参考相电压均按图2所示分区。当ii(mid)<0时，输入输出相电压以2区段为例，双电压策略模式下输出线电压波形如图3所示。一个采样周期过程中输出相电压的最大相与输入相电压的最大相始终是相连关系，其余6个双向开关

图2 电压分区

图3 双电压调制策略矩阵变换器波形合成过程

(a) 低压输出

(b) 高压输出图4 新调制策略的开关模式及输出电压波形

进行脉宽调制。输出线电压波形中有2个零电压和最大输入线电压段，含有较大谐波。在输出电压较低的情况下，因大量窄脉冲存在导致输出线电压中谐波含量大大增加，使波形严重畸变从而影响矩阵变换器的输出性能。

图3和图4分别为周期Tc内的开关模式和输出线电压。图3以输入相电压2曲为例，a相双向开关管Tua始终保持导通，b、c两相开关管一个周期内有各自导通时间，Δemax、Δemid、Δemin表示最大、中间、最小输入线电压;Δvmax、Δvmid、Δvmin表示最大、中间、最小输出线电压。由图4可知：新的调制策略中，在高输出电压情况下，开关模式为最大输入线电压脉冲波构成最大输出线电压，非最大两输出线电压有其余两条输入线电压脉冲和零电压合成，输出电压谐波含量明显减少；在低输出电压情况下，输出线电压均由非最大的两输入线电压脉冲和零电压合成，而相同条件下新的合成策略窄脉冲数大大减少，使矩阵变换器的输出性能得到很大改善。

2 调制策略的推导

在满足输入、输出电流电压条件下，以图4(b)为例，推导一个周期内矩阵变换器各开关的调制时间。

三相输入电流与输出电流、输出线电压与输入线电压间的方程如下：

(5)

(6)

为保证输入电流为正弦量，按式(5)有：

(7)

根据图4(b)的开关模式图，可得与输出最大相电压相相接的3个开关的调制时间为：

(8)

与输出中间相电压相相接的3个开关的调制时间为：

(9)

与输出最小相电压相相接的三个开关的调制时间为：

(10)

同理，矩阵变换器各开关的调制时间也可根据图4(a)的开关模式求取，与上述由图4(b)的开关模式求取的结果完全一样。

(12)

进一步可得：

(13)

其功率因数角φ*的调整范围为：

-π/6≤φ*≤π/6

3 仿真及实验

按基于DSP为主控制器的样机设计实验平台，来验证提出的调制策略的可行性及正确性。仿真及实验参数：输入滤波电感5 mH，滤波电容6 μF，阻尼电阻15 Ω；三相对称阻感负载电阻15 Ω，电感5 mH；采样频率5 kHz，输入线电压有效值120 V，频率50 Hz；输入功率因数1。图5和图6分别为期望输出电压幅值为70 V、32 V，频率为80 Hz时的实验波形。

图5 输出相电压幅值70 V/80 Hz的实验波形

由图5和图6可以看出:在参考输出相电压幅值大时，最大输出线电压相由三输入线电压脉冲形成，没有使用零矢量。在参考输出相电压幅值低时，三输出线电压均由非最大的两输入线电压脉冲和零电压形成。与前述理论分析相一致，输出电压谐波得到很大抑制。

图7为期望输出电压幅值为32 V/30 Hz，输入功率因数角φ*=0时，传统双电压及提出的调制策略负载中性点共模电压实验波形。由图7可以看出:两个调制策略不同点是零矢量作用于输入电压的值域不同。新的调制策略零矢量作用于输入电压中间值相。双电压调制法零矢量作用于输入电压最大值相，故新的调制策略抑制了中性点共模电压。

(a) 共模电压(新调制策略)

(b) 共模电压(传统双电压策略)图7 共模电压实验波形

4 结论

实验结果表明，提出的调制策略通过开关模式的改变，比较传统双电压合成调制策略，同样条件下输出电压的质量得到了提高。尤其在低电压输出时，输出电压谐波得到很大抑制，矩阵变换器的输出性能有大的改善；调制过程所使用的零矢量为输入相电压的中间值相，负载中性点的共模电压得到了抑制。因此，新的调制策略能实现高、低输出电压的连续控制，并且在保证功率因数的同时，减少了输出电压谐波，改善了矿用矩阵变换器的输出性能。