王剛

摘 要：由于矩陣變換器在體積、重量等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，它被視為是一種能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)AC-DC-AC變頻器的選擇，在眾多的電力變換場(chǎng)合得到了應(yīng)用。文章依據(jù)空間矢量調(diào)制算法，使用Matlab/Simulink仿真，驗(yàn)證了控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：矩陣變換器;空間矢量調(diào)制;仿真

1 引言

矩陣變換器以其簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及諸多理想的電氣特性，使其具有巨大的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，越來(lái)越受到廣大研究人員的青睞，成為20世紀(jì)80年代以來(lái)的第三個(gè)交流電力變換器平臺(tái)。因其具有優(yōu)良的輸入輸出特性，并具有廣義的變換器特性，使得它在眾多的電力變換場(chǎng)合得到了應(yīng)用。

本文依據(jù)雙空間矢量調(diào)制算法，應(yīng)用Matlab/Simulink 建立了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。

2 雙空間矢量調(diào)制算法

雙空間矢量調(diào)制算法是一種間接調(diào)制算法，它的基礎(chǔ)是PWM調(diào)制技術(shù)，是對(duì)矩陣變換器等效交-直-交結(jié)構(gòu)的前級(jí)虛擬整流級(jí)和后級(jí)虛擬逆變級(jí)分別采用空間矢量調(diào)制技術(shù)，再將兩部分有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)整體控制。

2.1 空間矢量的合成原理

空間矢量的旋轉(zhuǎn)角頻率即為三相對(duì)稱(chēng)交流量的角頻率，而且從式（2.1）的計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矢量的幅值|F|正好等于三相對(duì)稱(chēng)交流量的幅值Fm。

2.2 調(diào)制算法中輸入、輸出空間的分析

2.2.1 輸出空間

8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)電壓矢量有6個(gè)非零矢量u1-u6和兩個(gè)零矢量u1和u7，6個(gè)非零電壓開(kāi)關(guān)矢量將空間平均分成6個(gè)區(qū)Ⅰ—Ⅵ，每個(gè)區(qū)間為60°。

在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)，期望輸出的線電壓空間矢量可以用兩個(gè)相鄰的開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量Uα、和一個(gè)零矢量U0來(lái)近似合成，其表達(dá)式為：

2.2.2 輸入空間

假定負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，虛擬逆變級(jí)的直流電流的局部平均值為恒值，為前級(jí)虛擬整流級(jí)提供恒定的輸出電流。當(dāng)電源電壓對(duì)稱(chēng)，虛擬整流級(jí)的直流回路電流恒定，為后級(jí)虛擬逆變級(jí)供電。

2.3 空間矢量合成

以I1與U1所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)組合為例，在Tα?xí)r間內(nèi)，兩個(gè)相鄰的輸出電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)的矢量占空比為：

3 矩陣變換器的仿真

為了驗(yàn)證本章理論分析和推導(dǎo)的正確性，應(yīng)用Matlab/Simulink 建立了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。

仿真目的：1）驗(yàn)證提出的調(diào)制策略的正確性，主要是看輸出電壓和輸入電流的波形質(zhì)量。2）帶不平衡負(fù)載時(shí)，觀察輸入電流的變化。

仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：輸入電壓頻率100Hz;輸入相電壓幅值145V;三相負(fù)載電感1mH;三相負(fù)載電阻2Ω;輸出電壓頻率50Hz;輸出相電壓幅值220V。

采用Matlab＼Simulink作為仿真工具，主要包括五個(gè)模塊：開(kāi)關(guān)矩陣模塊（MC）、控制模塊（control）、負(fù)載模塊（Load）、給定電壓模塊（source）、和測(cè)量模塊，如圖1所示。

開(kāi)關(guān)矩陣模塊由9個(gè)理想開(kāi)關(guān)組成。根據(jù)空間矢量調(diào)制算法，控制模塊分為角度計(jì)算、扇區(qū)判斷、占空比計(jì)算和開(kāi)關(guān)控制等四個(gè)子模塊。角度計(jì)算模塊包括輸入電流角度和輸出電壓角度的計(jì)算。占空比計(jì)算是根據(jù)I和U所處扇區(qū)和扇區(qū)角通過(guò)公式（2-6）（2-11）（2-14）求得。根據(jù)Park方程和前面計(jì)算，控制開(kāi)關(guān)矩陣的動(dòng)作。

仿真分析：輸出電壓波形和電流波形如圖2所示，輸入電流波形如圖3所示。

從圖中可以看到，輸出電壓波形和輸入電流波形均為比較規(guī)則的正弦波，與期望的波形基本一致，驗(yàn)證了模型的有效性。

4 小結(jié)

本文對(duì)矩陣變換器的拓?fù)浜凸ぷ髟磉M(jìn)行了分析，介紹了雙空間矢量合成的基本原理，對(duì)調(diào)制算法中輸入空間和輸出空間進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并推導(dǎo)了整流級(jí)和逆變級(jí)占空比表達(dá)式，得到3×3矩陣變換器的調(diào)制策略。帶平衡負(fù)載時(shí)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本章理論分析的正確性。

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