基于DSP的矩陣式三相／單相電源研究

目前矩陣式變頻器因采用具有輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸出頻率連續(xù)，功率雙向流動且無直流母線的矩陣式變換器(MC)而倍受關(guān)注。雖然三相用電設(shè)備廣泛應用于生產(chǎn)領(lǐng)域，但是在一些行業(yè)(如感應加熱和感應熔煉)仍需要單相電源，而在這些行業(yè)用電對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重污染，如果將矩陣式變換器(MC)應用在這些行業(yè)中將對新一代“綠色”電源產(chǎn)生深遠的影響。在此綜合考慮因不同的控制策略，低頻段和高頻段對系統(tǒng)的資源占用率不同，故采用不同的控制策略，CPU采用DSP和CPLD聯(lián)合控制，實現(xiàn)了具有安全換流和相應的保護功能的三相-單相調(diào)功電源，該電源就很好地應用在相應的場合，充分發(fā)揮矩陣式電源的優(yōu)良特性。

1主電路結(jié)構(gòu)和換流策略

1．1 主電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電路采用的是三相-單相變換電路的其中一種較為簡單的拓撲結(jié)構(gòu)(帶中線)如圖1所示。將S1+和S1-均導通的狀態(tài)稱為S1狀態(tài)。為了盡可能多地濾除輸入電流中的由開關(guān)動作產(chǎn)生的高頻諧波中高頻諧波成分，減少對電網(wǎng)側(cè)的高頻污染，并提高輸入功率因數(shù)，因此引入濾波器，阻尼電阻Rd有利于在轉(zhuǎn)折頻率點后高頻電流的衰減，并入電容有利于減小開關(guān)器件間的耦合。電路采用反向并聯(lián)IGBT構(gòu)成雙向開關(guān)，通過控制各個開關(guān)狀態(tài)的時間，實現(xiàn)目標電壓。

1．2 換流策略

由主電路的基本特征和應用在感應加熱行業(yè)就決定了矩陣式變換器在工作過程中必須遵循兩個原則：矩陣式變換器的三相輸入中的任意兩相之間不能短路，避免使用電壓源短路造成過流。矩陣式變換器的輸出不能斷路，避免感性負載突然斷路而產(chǎn)生的過電壓。由此可見在換流的過程中必須選擇可靠的換流策略，為了解決這一問題采用傳統(tǒng)的基于電流檢測的四步換流策略較為合適。該方法必須加以電流檢測元件(電流互感器、霍爾傳感器等)，為了保證IGBT的可靠開通與關(guān)斷，將控制電壓設(shè)定為：開通電壓+15 V(記為1)，關(guān)斷電壓-5 V(記為O)。為了便于說明規(guī)定電流如圖1所示時記為I(+)，反之I(-)。四步換流開關(guān)轉(zhuǎn)換過程如圖2所示，現(xiàn)以由S1到S2狀態(tài)進行換流的四個過程進行說明，假設(shè)此時檢測輸出電流方向為I(+)。第一步，在開通S2-之前必須將S1-關(guān)斷，否則U1和U2將通過S2+和S1-形成回路；第二步．開通S2-，如果U2>U1，此時負載電流將立刻從S1-轉(zhuǎn)移到S2-，否則負載電流將繼續(xù)通過S1+；第三步，在開通S2-前先關(guān)斷S1+，此時負載電流已轉(zhuǎn)移到S2+；第四步，開通S2-。

當電流反向時采用相同的方法，只是開通順序的不同。由此可見采用四步換流法，既禁止了可能是電源發(fā)生短路的組合，又保證了在任意時刻至少有一條通路，從而提高了環(huán)流的安全性。值得注意的是在換流的過程中為了避免換流出錯需要鎖存獲取的電流方向的信息。

2 控制策略

由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定，空間矢量調(diào)制法以及雙電壓控制法均不能直接應用于三相-單相矩陣式變換器中。為了使系統(tǒng)更為可靠合理的運行，現(xiàn)在必須解決分配和控制雙向開關(guān)的通斷來達到輸出要求，在該系統(tǒng)中采用輸入擬合法，其以設(shè)定輸出電壓為目標，確定適當?shù)倪x擇原則，并基于該原則在每個采樣周期內(nèi)選擇相應的輸入電壓，擬合出目標電壓。就目前得到應用的兩種控制策略而言，以輸入三相電壓中的最大相和最小相擬合出設(shè)定的輸出電壓，輸出電壓較為平穩(wěn)但是控制策略在高頻段CPU資源開銷大。以輸入電壓與輸出電壓的差值為選擇依據(jù)，其算法簡單、在高頻段資源占有率低，但是在低頻段電壓輸出波動大。

為了使系統(tǒng)得到更好的性能，采用二者相互結(jié)合的控制策略，在低頻段采用第一種控制策略，在高頻段采用第二種策略。

假設(shè)變換器的輸入為三相理想電源電壓，則：

對于第一種策略在每個采樣周期內(nèi)，只利用輸入電壓的最大相Umax和最小相Umin合成目標輸出電壓U0。

與此對應定義最大相開關(guān)函數(shù)Smax和Smin。在一個采樣周期內(nèi)，兩個開關(guān)的導通時間T1，T2分別為：

式中：U0為輸出電壓參考值；Ts為采樣周期時間長度。

在相應的控制算法下其擬合示意圖如圖3所示。其實質(zhì)上類似于直流斬波電路，不過在此其是對交流斬波。利用該擬合方法進行輸出得到的電壓比較平穩(wěn)。第二種控制策略較為簡單在此不做詳述。高頻和低頻控制策略的轉(zhuǎn)換通過軟件來實現(xiàn)，輸出U0的頻率f0可以通過人機交互裝置進行設(shè)定(假如設(shè)定50 Hz以下為低頻，以上為高頻)，其子程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)組成

檢測的信號多而且要求精度高，同時產(chǎn)生相應的控制信號要求實時性好。這樣就決定了其CPU要求特別高，為了滿足這一要求，該系統(tǒng)采用CPU為CPLD+DSP數(shù)字控制系統(tǒng)(見圖5)。為了使其各自的優(yōu)點充分發(fā)揮，利用DSP(TMS32LF2407)的模擬輸入通道接收來自信號檢測調(diào)制信號模塊的輸入／輸出信號實時計算并執(zhí)行控制策略(輸入擬合法)，再將其運算的結(jié)果送給CPLD，CPLD根據(jù)相應的信號進行邏輯運算實現(xiàn)邏輯換流功能。

在CPU運行過程中CPLD和DSP同時接收輸入／輸出電壓電流信號，但是其實現(xiàn)的功能不一樣：DSP接收到的信號是為了控制策略的運算，而CPLD接收的信號是為了保證每個時刻發(fā)出的控制信號的準確性，當CPLD發(fā)現(xiàn)故障時將進行相應處理并顯示故障位置。

4 矩陣式變換器(MC)系統(tǒng)實驗分析

在該系統(tǒng)的設(shè)計當中CPU模塊采用SY-XDS510USB 2．0 DSP仿真器實現(xiàn)對雙向開關(guān)管的控制，從而實現(xiàn)MC系統(tǒng)的部分實驗，以下是不同頻率下的電壓電流實驗的波形圖，如圖6所示。

在低頻段由于最大相和最小相擬合出設(shè)定的輸出電壓控制策略，該策略類似于直流的斬波方法，所以其輸出的波形就是一斬波波形，由于和負載并入了電容，所以對負載兩端的電壓比較平穩(wěn)。對于高頻段采用的電壓逼近原則，所以輸出電壓和電流都存在一定的波動，但是其節(jié)約了CPU的資源，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

系統(tǒng)針對感應加熱和感應熔煉等行業(yè)進行三相／單相電源變換，采用分頻段控制策略，實現(xiàn)了穩(wěn)定與資源的合理協(xié)調(diào)，達到了很好的效果。雖然控制方法和成本較高，但就其在功率因數(shù)以及對電網(wǎng)影響等各方面而言仍然遠高于現(xiàn)有的變換方式。隨著集成模塊和控制方法的進步，必將矩陣變換器應用在更廣闊的領(lǐng)域。