1 引言
矩陣變頻器是一種直接將工頻交流電變換為其它頻率交流電的電力電子裝置。矩陣變頻器作為一種新型的既有優(yōu)良控制性能和優(yōu)良輸入電流品質(zhì)而又成本低、結(jié)構(gòu)緊湊可靠的變換器，已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢。

矩陣變換器電路中含有9個雙向開關(guān)s11~s33(見圖1)，通過對這些開關(guān)的邏輯控制，可實現(xiàn)電壓和頻率的變換。在矩陣變換器的調(diào)制策略中，空間矢量調(diào)制技術(shù)是目前最有前途的一種調(diào)制策略[1]。

圖1 矩陣變換器拓樸結(jié)構(gòu)

矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略(即svm算法)如圖2所示，它采用瞬態(tài)空間矢量合成法表示輸出電壓矢量和輸入電流矢量。在任一采樣瞬間，輸出線電壓矢量和輸入線電流矢量之間的夾角是參考量。輸入線電壓矢量由電源電壓決定，可直接測量。因此，通過對輸入線電流矢量相角的控制就可以實現(xiàn)對輸入線電壓矢量和輸入線電流矢量之間偏置角的控制。

圖2 空間矢量調(diào)制原理圖

所有滿足矩陣變換器任一輸出相有且只有一個開關(guān)導(dǎo)通條件的開關(guān)組合共27種，其中只有21種開關(guān)組合(即18個有效開關(guān)組合:+1～+9、-1～-9和3個零開關(guān)組合:0a、0b、0c)能被svm算法所用[2]。

pwm周期內(nèi)計算輸出電壓矢量和輸入電流矢量所在扇區(qū)和偏置角，確定四個有效的開關(guān)組合和相應(yīng)的占空比，當(dāng)四個占空比之和小于一個pwm周期時，補(bǔ)充零開關(guān)組合來完成一個pwm周期[3]。

2 矩陣變換器的調(diào)制策略
在平衡輸入環(huán)境下，輸入線電壓矢量可寫成:

式中,ωi為輸入角頻率，表示輸入線電壓矢量幅值。
平衡輸出時，輸出線電壓矢量和輸出線電流矢量都可表述為:

式中，ωo為輸出角頻率;表示輸出線電壓矢量幅值;表示輸出線電流矢量幅值。

由于矩陣變換器是直接變換，沒有內(nèi)部儲能環(huán)節(jié)。在理想開關(guān)條件下，瞬時輸入/輸出功率相等。

式中，、分別表示輸入線電壓矢量、輸入線電流矢量和輸入功率，分別表示輸出線電壓矢量、輸出線電流矢量和輸出功率。如果已知輸出功率和輸入電壓矢量，就可用多種方法求得輸入電流矢量。假定輸入電流矢量沿空間矢量進(jìn)行調(diào)制:

輸入平衡、輸出平衡條件下，綜合式(1)～(4)，并用復(fù)合傅立葉變換來分析輸入線電流[4]，得:

輸入電流幅值正比于輸出功率的平均值pom。

在以上理論分析的基礎(chǔ)上，我們研制一臺矩陣變換器實驗裝置。該裝置以dsp為控制器，通過控制主回路中9個雙向開關(guān)的通/斷，實現(xiàn)了調(diào)壓變頻功能。

3 矩陣變換器的硬件實現(xiàn)
矩陣變換器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，分主回路和控制回路兩大部分。

圖3 矩陣變換器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 主回路
主回路分為開關(guān)矩陣、保護(hù)電路和負(fù)載。
主回路的開關(guān)矩陣由9個雙向開關(guān)組成，產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的輸出電壓。雙向開關(guān)的通/斷由控制回路提供的信號控制。每個雙向開關(guān)由兩igbt(型號1mbh60-1000)和兩個二極管反并聯(lián)組成。主回路的保護(hù)電路主要是開關(guān)管igbt保護(hù)。三相工頻交流電源作為矩陣變換器的輸入，其變頻輸出拖動對稱三相負(fù)載。

3.2 控制回路
控制回路包括dsp控制器和同步過零比較電路、開關(guān)互鎖及譯碼電路、隔離驅(qū)動電路。

(1) dsp控制器
dsp控制器采用ti公司專門為交流調(diào)速而開發(fā)的tms320f2407a，其特點如下:
·與tms320系列dsp兼容;
·采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù), 供電電壓降為3.3v，減小了控制器的功耗;指令周期縮短到33ns，提高了實時控制能力。
·32k字節(jié)flash程序存儲器、1.5k字節(jié)的數(shù)據(jù)／程序存儲器、544字節(jié)雙口ram;
·可擴(kuò)展的外部存儲器有:64k字節(jié)程序存儲器、64k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、64k字節(jié)i/o尋址空間。
·兩個事件管理器模塊eva和evb。每個事件管理器包括:兩個16位通用定時器、比較單元、捕獲單元、正交編碼電路以及8個16位的脈寬調(diào)制通道。
·具有10位a/d轉(zhuǎn)換器、5個外部中斷和串行通訊接口。
·擁有41個雙向i/o引腳，其中大多數(shù)引腳可復(fù)用。

在矩陣變換器的控制回路中, dsp是控制部分的核心,它完成控制策略的計算和控制信號輸出。具體使用其中的兩個模塊:輸入/輸出模塊用來輸出對應(yīng)的開關(guān)組合信號;事件管理器模塊用來計算輸入/輸出相電壓矢量、每個pwm周期的開關(guān)組合及其對應(yīng)的占空比、并定時輸出開關(guān)信號。輸入相電壓矢量的過零點由dsp的捕獲輸入口來檢測并進(jìn)行中斷處理。

(2) 同步過零比較電路
同步過零比較電路由同步變壓器、運算放大器和光電耦合器組成, 如圖4所示。輸入電源的兩相電壓u-a、u-c分別經(jīng)兩個同步變壓器trans1、trans2變壓，其輸出送運算放大器ua741進(jìn)行過零比較，確定輸入電壓零矢量時刻。過零比較電路的輸出信號必須經(jīng)光耦4n28隔離并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，才能作為dsp的捕捉輸入信號cap2。

圖4 同步及過零比較電路

(3) 開關(guān)互鎖譯碼電路
為了保證開關(guān)矩陣的正常工作，在dsp與驅(qū)動模塊之間添加了開關(guān)互鎖和譯碼電路。其原因如下:
·開關(guān)矩陣有9個雙向開關(guān), 每個開關(guān)有兩個igbt。如果每個igbt都要dsp的一個輸出口來控制, 程序會很煩瑣。若采用編碼方式, 則程序運行速度加快, 控制精度提高。
·dsp在上電和復(fù)位時，所有的輸出口都是高電平，如果直接用電平開啟igbt，則在dsp上電和復(fù)位時所有的igbt都會被打開，會導(dǎo)致相間短路，所以要求此時所有的igbt均處于關(guān)斷狀態(tài)。
·矩陣變換器的輸入電壓由電壓源型電源提供，輸入側(cè)不能短路，任一輸出相有且只有一個開關(guān)導(dǎo)通，以防止因偶然因素誤觸發(fā)而導(dǎo)致相間短路。

考慮到以上原因，我們用編碼的方式控制矩陣開關(guān)，對于每相的3個開關(guān)，01表示第一個開關(guān)，10表示第二個開關(guān)，11表示第三個開關(guān)，00表示關(guān)閉開關(guān)。這樣，既減少了輸出口，又實現(xiàn)了在每一時刻每相輸出端最多開通一個開關(guān)的互鎖功能。

開關(guān)互鎖譯碼電路由譯碼器和反相驅(qū)動器構(gòu)成(見圖5)。dsp的a口輸出信號a1-a5送74ls273鎖存器, a6和a7經(jīng)74ls240反相器后接273的clr和clk。當(dāng)cpu上電/復(fù)位時, 273被封鎖，輸出全0保證igbt的關(guān)斷。當(dāng)dsp進(jìn)入工作狀態(tài)后, 273封鎖解除, 在a口狀態(tài)改變后, clk狀態(tài)翻轉(zhuǎn), 則輸出被傳送出來。273的輸出信號經(jīng)過3個2/4譯碼器74ls139譯碼和反相器74ls240驅(qū)動, 還原成9個 雙向開關(guān)的控制信號swith1～swith9去控制相應(yīng)的雙 向開關(guān)。

圖5 開關(guān)互鎖和譯碼電路

(4) 隔離驅(qū)動電路
在隔離驅(qū)動電路中，采用igbt專用驅(qū)動模塊exb840，其開關(guān)頻率可達(dá)40khz，對igbt有自動過流保護(hù)功能。由于開關(guān)矩陣有18個igbt，所以需要18個驅(qū)動模塊分別驅(qū)動，而且每個雙向開關(guān)的驅(qū)動電源必須相互隔離，這就需要9個相互隔離的工作電源。

4 矩陣變換器的軟件實現(xiàn)
矩陣變換器的軟件由主程序、周期中斷處理程序、中斷處理程序和捕捉中斷服務(wù)程序構(gòu)成。
主程序工作流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

周期中斷處理程序完成調(diào)制策略，主要包括如下部分:輸入線電流矢量計算、輸出線電壓矢量計算、4個占空比計算，并將4個占空比分解為8個時間段輸出，流程如圖7所示。

圖7 周期中斷處理程序流程

捕捉中斷服務(wù)程序記錄零矢量作用時刻，為計算輸入電流矢量做準(zhǔn)備。
比較中斷服務(wù)程序輸出與占空比對應(yīng)的開關(guān)組合信號。

5 實驗結(jié)果
在實驗室條件下我們構(gòu)建了矩陣變換器實驗裝置，編寫了控制軟件，有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:
為保證實驗裝置安全, 輸入電源的三相工頻電源經(jīng)三相變壓器后再送到矩陣變換器的三相輸入端, 變比為10:1(矩陣變換器的輸入線電壓38v);輸出頻率調(diào)節(jié)范圍是5～75hz;控制策略的調(diào)制比變化范圍為0～0.8;輸出線電壓可調(diào)范圍為0～16.1v，三相電阻負(fù)載r=10kω，采用三角形聯(lián)結(jié)。

圖8 f0=5hz，調(diào)制比為0.5時輸出線電壓波形


圖9 f0=5hz，調(diào)制比為0.75時輸出線電壓波形


圖10 f0=20hz，調(diào)制比為0.5時輸出線電壓波形

在輸出端觀測到的線電壓波形如圖8、圖9、圖10所示。從圖8可以看出，輸出線電壓在一個輸出周期內(nèi)都是基本正弦規(guī)律變化。比較圖8和圖9可知，通過改變控制策略的調(diào)制比來進(jìn)行電壓幅值的調(diào)節(jié)。由圖8和圖10可見，此矩陣式交-交變頻電源可完成頻率的改變。

參考文獻(xiàn)
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作者簡介
易靈芝(1966-) 女 副教授/碩士生導(dǎo)師 研究方向:電力電子與電力傳動。