Способ коммутации тока ключами двухсторонней проводимости матричных преобразователей (варианты)

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение, например, в регулируемом электроприводе переменного тока. Техническим результатом является устранение токов короткого замыкания и перенапряжения и исключение коммутации между ключами. В способе коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, каждый из которых состоит из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, матричного преобразователя (МП) с числом входных фаз, равным или большим, чем три, позволяет осуществить безопасную пошаговую коммутацию тока ключами МП без использования информации о полярности тока нагрузки или однозначном соотношении напряжений питающей сети на момент начала пошаговых переключении. При применении данного способа в трехфазно-трехфазном МП с векторной широтно-импульсной модуляцией (ВШИМ) предусмотрен синтез пространственных векторов выходного напряжения и входного тока на протяжении каждого цикла ВШИМ из нулевых и ненулевых стационарных векторов, с разбиением периода напряжения сети на шесть интервалов, границами которых являются моменты изменения полярности входных фазных напряжений. Благодаря специальному методу формирования нулевых векторов и их чередования с ненулевыми векторами удается достичь безопасных коммутаций тока даже при значительных искажениях кривых напряжения сети. Все переключения ключей МП являются функционально целесообразными и не вызывают дополнительных динамических потерь. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и более конкретно относится к способам коммутации тока ключами двухсторонней проводимости матричных преобразователей (МП), например, трехфазно-трехфазных МП с векторной широтно-импульсной модуляцией (ВШИМ).

Изобретение может быть использовано в электроприводах переменного тока, специальных источниках питания, и т.п.

Известны способы коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, которые состоят из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, основанные на информации о полярности тока нагрузки (I_н), МП, [1], [2] или информации о соотношении напряжений сети [3], [4]. В случае слежения за полярностью I_н управление половинами ключей ведется индивидуально для каждой полярности тока, что позволяет осуществлять корректную коммутацию (без токов короткого замыкания и выбросов напряжения на элементах схемы при разрывах тока в индуктивности нагрузки), если полярность I_H определена однозначно. Если же I_н ≈ 0 или из-за искажений I_н многократно изменяет полярность на периоде выходного напряжения, в [1] невозможно точно определить порядок пошаговой коммутации половин ключей при каждом изменении полярности тока I_н. В [2] полярность I_н определяется по разности в падении напряжения на половинах ключей в каждый момент времени. Это позволяет достаточно точно определить момент спада тока до нулевого значения. Но этот способ требует значительного наращивания интеллектуальных возможностей драйверов силовых ключей и усложнения логической части системы управления за счет многократных перекрестных связей между драйверами всех ключей каждой выходной фазы МП. Кроме этого, после фиксации нулевого значения тока возникает неопределенность в дальнейшем выборе нужного порядка переключения половин ключей, что также усложняет реализацию способа коммутации.

В реальных условиях пульсирующей с высокой частотой и многократно пересекающей нулевую линию кривой выходного тока реализация механизма перевода тока из одного ключа в другой по этим способам трудно выполнима.

При использовании способов коммутации, основанных на информации о соотношении напряжений питающей сети, период напряжения сети разбивают на интервалы, для каждого из которых упомянутое соотношение напряжений остается неизменным, и поддерживают постоянно включенными половины всех подключенных к фазе нагрузки ключей, которые не создают путей для прохождения тока короткого замыкания на протяжении текущего интервала периода напряжения сети [4], или половины только двух ключей, подключенных ко входным фазам с максимальным и минимальным напряжениями для данного интервала [5]. Такой подход позволяет обеспечить для выходной фазы МП постоянное наличие условных обратных диодов по аналогии с автономными инверторами напряжения и дает возможность осуществлять коммутацию ключей с паузой, так как всегда есть путь для прохождения тока обеих полярностей. Однако в моменты приблизительного равенства фазных напряжений, в особенности если эти напряжения искажены (например, в результате прохождения потребляемого из сети модулированного тока через индуктивность фильтра) и неоднократно сравниваются при изменении интервалов, наступает неопределенность в фиксации границ интервалов напряжения сети. Неточность в выборе половин ключей, которые подлежат постоянному включению на протяжении текущего интервала, приводит к токам короткого замыкания через ключи в случае перекрытия или к разрывам тока при коммутациях, если нужная для проведения тока во время пауз половина ключа окажется выключенной. В случае значительных искажений входных напряжений эти способы неприменимы.

Наиболее близким по технической сути к предложенному является способ коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, которые состоят из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, матричных преобразователей с числом входных фаз, равным или большим, чем три [6], который состоит в том, что при переводе тока из включенного в обоих направлениях ключа, подключенного к одной входной фазе, в ключ, подключенный к другой входной фазе, на первом этапе коммутации включают ту половину ключа, которая не создает пути для прохождения тока короткого замыкания между первой и второй фазами сети для текущего соотношения фазных напряжений, на втором этапе - отключают однонаправленную с включенной на первом этапе половину ключа, который выключается, на третьем этапе - включают вторую половину ключа, который включается, и на четвертом - выключают вторую половину ключа, который выключается [5]. На временных интервалах, где существует полная определенность в соотношении напряжений фаз, к которым подключены ключи, которые переключаются, такой пошаговый алгоритм обеспечивает корректную коммутацию тока.

Недостатком этого способа, как и предыдущих, является отсутствие условий для реализации безопасного пошагового алгоритма переключения ключей на интервалах, где невозможно однозначно определить соотношение между входными фазными напряжениями, особенно при искажениях кривых мгновенных значений напряжений фаз сети, к которым подключены ключи, принимающие участие в коммутации.

Основной целью данного изобретения является разработка такого способа коммутации тока ключами двухсторонней проводимости МП с числом входных фаз, равным или большим, чем три, который позволяет устранить токи короткого замыкания через ключи и перенапряжения на элементах схемы за счет исключения коммутаций между ключами, подключенными к фазам сети, для которых на данный момент времени невозможно однозначно определить соотношения напряжений между ними.

Еще одной целью изобретения является разработка способа коммутации тока ключами двухсторонней проводимости трехфазно-трехфазного МП с ВШИМ, который обеспечивает исключение коммутаций между ключами, подключенными к фазам сети, для которых на данный момент времени невозможно однозначно определить соотношение напряжений между ними, путем формирования нулевого вектора одновременным включением всех ключей МП, подключенных к входной фазе, напряжение которой является экстремальным по модулю в данный момент времени.

Кроме того, целью изобретения является создание условий для использования вышеупомянутого способа коммутации при управлении МП с глубоким регулированием угла сдвига фаз между входным фазным напряжением и входным током МП.

И, наконец, целью изобретения является обеспечение безопасной коммутации тока одновременно с оптимизацией количества переключении ключей на каждом цикле ВШИМ при использовании наиболее распространенного режима управления, который характеризуется максимально возможным соотношением между выходным и входным напряжениями и близким к единице входным коэффициентом мощности МП.

Основная и остальные цели данного изобретения достигаются тем, что в способе коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, каждый из которых состоит из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, МП с числом входных фаз, равным или большим, чем три, который заключается в том, что при переводе тока нагрузки МП из включенного в обоих направлениях первого ключа, который обеспечивает подключение нагрузки к одной входной фазе, во второй ключ, который обеспечивает подключение нагрузки к другой входной фазе, на первом этапе коммутации включают ту половину второго ключа, которая не создает пути для прохождения тока короткого замыкания между этими фазами для текущего соотношения входных фазных напряжений, на втором этапе - отключают однонаправленную с включенной на предыдущем этапе половину первого ключа, на третьем этапе - включают вторую половину второго ключа, и на четвертом - отключают вторую половину первого ключа, при необходимости отключить первый и включить второй ключ, подключенные к фазам сети, для которых на момент начала пошаговых переключений невозможно однозначно определить полярность напряжения между ними, идентифицируют фазу сети с экстремальным по модулю на данный момент времени напряжением и осуществляют промежуточную коммутацию тока из первого ключа в третий ключ, который обеспечивает подключение нагрузки к вышеупомянутой фазе с экстремальным по модулю напряжением, после чего переводят ток во второй ключ.

В трехфазно-трехфазном МП с векторной широтно-импульсной модуляцией, которая предусматривает синтез пространственных векторов выходного напряжения (например, фазного - U_вых) и входного тока на протяжении каждого цикла ВШИМ из нулевых и ненулевых стационарных векторов, с поочередным использованием для формирования ненулевых стационарных векторов двух линейных напряжений сети и с разбивкой периода напряжения сети на шесть интервалов, границами которых являются моменты изменения полярности входных фазных напряжений, при необходимости перевода тока нагрузки МП с включенного в обоих направлениях первого ключа, который обеспечивает подключение нагрузки к первой входной фазе, во второй ключ, который обеспечивает подключение нагрузки ко второй входной фазе, в соответствии с порядком пошагового переключения половин ключей, который задается текущим соотношением напряжений этих входных фаз, и невозможности точного определения соотношения этих напряжений, поставленная цель достигается благодаря тому, что формируют нулевой вектор одновременным включением всех ключей МП, подключенных к третьей входной фазе, которая представляет собой фазу с экстремальным по модулю напряжением внутри текущего интервала периода напряжения сети, и тем самым осуществляют промежуточную коммутацию тока из первого ключа в третий ключ, который обеспечивает подключение нагрузки к упомянутой фазе с экстремальным по модулю напряжением, после чего переводят ток во второй ключ.

Если для формирования ненулевых стационарных векторов поочередно используются два входных линейных напряжения, одно из которых сдвинуто относительно другого на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, поставленная цель достигается благодаря тому, что ненулевые векторы группируют по признаку чередования однонаправленных или сформированных из максимальных по модулю входных линейных напряжений векторов, и если последний вектор предыдущей и первый вектор последующей группы являются разнонаправленными и хотя бы один из них сформирован из минимального по модулю входного линейного напряжения на интервале периода сети, то между этими группами по времени формирования располагают нулевой вектор.

В случае же формирования ненулевых векторов поочередным использованием двух входных линейных напряжений, максимальных по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, поставленная цель достигается благодаря тому, что ненулевые векторы группируют по признаку формирования из одного и того же входного линейного напряжения и располагают между этими группами по времени формирования нулевой вектор, а при сопряжении циклов ВШИМ формируют последний вектор предыдущего и первый вектор последующего циклов из одного и того же входного линейного напряжения.

Сравнительный анализ с известными техническими решениями показывает, что предложенный способ отличается тем, что позволяет исключить коммутации тока ключами МП, подключенными к фазам сети, для которых в данный момент времени невозможно однозначно определить полярность напряжения между ними, благодаря чему коммутации выполняются без токов короткого замыкания через ключи и перенапряжений на элементах схемы, причем при его использовании в МП с ВШИМ, каждый цикл которого содержит нулевую компоненту, все переключения ключей являются корректными и функционально целесообразными.

Ниже приведено более детальное объяснение сути изобретения со ссылками на чертежи, где на фиг.1 изображена принципиальная схема силовой части n-фазно-однофазного МП; на фиг.2 - фрагмент временной диаграммы напряжений питающей сети для пояснения реализации предложенного способа по п.1 для случая, если n=3; на фиг.3 - принципиальная схема силовой части трехфазно-трехфазного МП; на фиг.4 - временная диаграмма системы питающих напряжений трехфазно-трехфазного МП; на фиг.5 - векторная диаграмма U_вых и стационарных векторов при использовании для формирования ненулевых векторов двух входных линейных напряжений, одно из которых сдвинуто относительно другого на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети; на фиг.6, 7 - векторные диаграммы, которые поясняют возможные варианты порядка чередования стационарных векторов в процессе синтеза U_вых при разных его расположениях; на фиг.8 - схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети для формирования любого из стационарных векторов на фиг.6 и 7; на фиг.9 - векторная диаграмма U_вых и стационарных векторов при использовании для формирования ненулевых векторов двух линейных напряжений сети, максимальных по модулю внутри текущего интервала периода напряжения питания; на фиг.10 - векторная диаграмма, которая поясняет возможные варианты порядка чередования стационарных векторов в процессе синтеза U_вых (фиг.9); на фиг.11 - схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети для формирования любого из стационарных векторов на фиг.10; на фиг.12 - пример функциональной схемы устройства для реализации предложенного способа по п.2.

Рассмотрим реализацию предложенного способа коммутации тока на примере n-фазно-однофазной схемы МП (фиг.1) и трехфазно-трехфазной схемы МП с ВШИМ (фиг.3 и 12).

МП (фиг.1) содержит n ключей 1 двухсторонней проводимости (1.1-l.n), состоящих из отдельно управляемых половин 2 (2.1-2.n), которые проводят ток от входных фаз А, В, С,...n к нагрузке Z, и отдельно управляемых половин 3 (3.1-3.n), которые проводят ток в противоположном направлении. Конфигурация ключа из двух соединенных эмиттерами IGBT-транзисторов с параллельно включенными обратными диодами выбрана как одна из возможных и принципиального значения для объяснения предложенного способа не имеет.

Трехфазно-трехфазный МП (фиг.3) содержит девять ключей двухсторонней проводимости 1.1-1.9, которые состоят из половин 2.1-2.9 и 3.1-3.9, и приведен для пояснения предложенного способа коммутации тока при использовании в МП с ВШИМ.

На временной диаграмме входных напряжений трехфазно-трехфазного МП (фиг.4) период напряжения питающей сети разбит на шесть интервалов, границами которых являются моменты изменения полярности фазных напряжений сети. Интервалы обозначены цифрами трехразрядного двоичного кода: 101, 100, 110, 010, 011, 001; каждый разряд означает полярность соответствующего фазного напряжения фаз А, В, С в порядке старшинства разрядов ("1" - положительная, "0" - отрицательная). Например, для интервала 100 u_A>0, u_B<0, u_C<0.

вых МП в момент времени t_n (фиг.4) при формировании ненулевых векторов из двух линейных напряжений (например, u_AB и u_CB), одно из которых (u_CB) сдвинуто относительно другого (u_AB) на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, обозначенного кодом 100 (для формирования ненулевых векторов могут использоваться также линейное напряжение u_AC и второе минимальное по модулю внутри интервала 100 линейное напряжение u_BC). Обозначения 4.1-4.6 отвечают векторам, которые формируются из линейного напряжения u_AB, а обозначение 5.1-5.6 - векторам, которые формируются из линейного напряжения u_CB. Обозначение 6 отвечает нулевому вектору. Ненулевые стационарные векторы образуют на плоскости шесть секторов, которые обозначены на диаграмме как I-VI. Обозначение 7 соответствует пространственному вектору U_вых МП, сформированному в секторе I диаграммы, а 7.1 и 7.2 - его составляющим по направлениям стационарных векторов (4.1, 5.1 и 4.2, 5.2), которые образуют границы 60-градусного сектора I. Векторная диаграмма на фиг.6 поясняет возможные варианты порядка чередования стационарных векторов 4.1, 5.1, 4.2, 5.2, 6 в процессе синтеза пространственного вектора _вых. Векторная диаграмма на фиг.7 поясняет возможные варианты порядка чередования стационарных векторов 4.1, 5.1, 4.6, 5.6, 6 для синтеза пространственного вектора U_вых в секторе VI (фиг.5). Схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети (фиг.8) отвечают каждому из стационарных векторов 4.1, 5.1, 4.2, 5.2, 4.6, 5.6, 6 на трех смежных циклах ВШИМ при перемещении пространственного вектора U_вых из сектора I в сектор VI (фиг.5 - 7), причем первый слева цикл является последним в секторе I, а два следующих - первым и вторым в секторе VI соответственно. Диаграмма на фиг.9 показывает стационарные векторы, которые используются для синтеза U_вых МП в момент времени t_n (фиг.4) при формировании ненулевых векторов из двух линейных напряжений (u_AB и U_AC), максимальных по модулю внутри текущего интервала, обозначенного кодом 100. Обозначения 4.1-4.6 соответствуют векторам, которые формируются из линейного напряжения u_AB, а обозначения 8.1-8.6 - векторам, которые формируются из линейного напряжения u_AC. Обозначение 6 соответствует нулевому вектору. Шесть секторов на векторной диаграмме обозначены как I-VI. Обозначение 7 соответствует пространственному вектору U_вых МП, сформированному в секторе I, a 7.1 и 7.2 - его составляющим по направлениям стационарных векторов (4.1, 8.1 и 4.2, 8.2), которые образуют границы 60-градусного сектора I. Векторная диаграмма на фиг.10 поясняет возможные варианты порядка чередования стационарных векторов 4.1, 4.2, 8.1, 8.2, 6 в процессе синтеза пространственного вектора _вых. Схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети (фиг.11) отвечают формированию каждого из стационарных векторов 4.1, 4.2, 8.1, 8.2, 6 на фиг.10. Функциональная схема устройства для реализации предложенного способа в МП с ВШИМ (фиг.12) включает в себя контроллер 9, выполненный, например, на базе сигнального процессора. Контроллер 9 содержит блок 10 формирования задания, соединенный с входом 11 модулятора 12, второй вход 13 которого подключен к трехфазному датчику 14 напряжения, подключенного к входной сети 15. Выходы 16-18 контроллера соединены с входами программируемой логической матрицы 19, выходы 20 которой соединены с входами схемы 21 драйверов. Выходы 22 схемы 21 драйверов подключены к силовому блоку 23 МП, выходы которого в свою очередь соединены с нагрузкой 24, например, асинхронным двигателем.

Для n-фазно-однофазного МП (фиг.1), в котором по произвольному алгоритму в каждый момент времени включен один из ключей, коммутация тока по способу, который предлагается, осуществляется следующим образом. Если нужно выключить включенный в обоих направлениях один ключ (1.1) и включить другой ключ (1.2) в момент времени t₀ (временная диаграмма напряжений питания на фиг.2), то коммутация осуществляется по способу прототипа: включение 2.2 - выключение 2.1 - включение 3.2 - выключение 3.1, так как в момент t₀ существует определенность в соотношении u_A и u_B (u_A>u_B) даже при условии некоторого искажения кривых напряжений (диаграмма на фиг.2). Если же приведенную выше коммутацию тока из одного ключа (1.1) во второй ключ (1.2) необходимо осуществить на интервале t₁-t₂ (фиг.2), в особенности при значительных искажениях кривых u_A и u_B, то есть при отсутствии определенности в соотношении напряжений, то переключения осуществляют в следующем порядке: включение 2.3 - выключение 2.1 - включение 3.3 - выключение 3.1, включение 3.2 - выключение 3.3 - включение 2.2 - выключение 2.3. Такое переключение безопасно с точки зрения токов короткого замыкания через ключи и перенапряжений на ключах, так как на интервале t₁-t₂ однозначно выдерживается соотношение u_A>u_C и u_B>u_C.

Приведенное дополнительное переключение универсально и применимо во всех преобразовательных устройствах с ключами двухсторонней проводимости, но вызывает увеличение числа коммутаций ключей и, как следствие, динамических потерь. При использовании же предложенного способа коммутации в МП с ВШИМ можно организовать алгоритм формирования пространственного вектора выходного напряжения МП таким образом, чтобы все переключения были функционально целесообразными.

Суть метода ВШИМ в МП (фиг.3-11) состоит в формировании заданных пространственных векторов выходного напряжения и входного тока, которые определяются как средние значения за один цикл ВШИМ - то есть период несущей частоты. Как правило, заданный пространственный вектор получают в результате его синтеза из пяти стационарных векторов - одного нулевого и четырех ненулевых [6], попарно образующих границы сектора, внутри которого расположен заданный вектор, например, 7 (фиг.5, 9). Для формирования ненулевых векторов используются попеременно два из трех линейных напряжений сети. Амплитуды ненулевых векторов фазного выходного напряжения равны 2/3 от мгновенных значений входных линейных напряжений, из которых они сформированы. Нулевой вектор формируется при подключении всех выходных фаз МП к одной фазе сети. Продолжительность использования ненулевых стационарных векторов на цикле ВШИМ определяется законом модуляции (как правило, синусоидальным) и вычисляется для данного цикла, исходя из нужного значения пространственного вектора U_вых и текущего соотношения напряжений сети. Продолжительность использования нулевого вектора дополняет сумму временных интервалов для использования ненулевых векторов к периоду несущей частоты ВШИМ. Каждому стационарному вектору выходного напряжения МП отвечает стационарный вектор входного тока, и набор из четырех ненулевых и одного нулевого векторов позволяет получить пространственный вектор тока, который описывает траекторию, близкую к окружности с частотой сети. Мгновенные значения тока образуют синусоиду (если пренебречь гармоническими составляющими на несущей частоте).

При формировании стационарных векторов из двух входных линейных напряжений (например, u_AB и u_CB на интервале 100, фиг.4), одно из которых (u_CB) сдвинуто относительно другого (u_AB) на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, есть возможность регулировать угол между пространственными векторами входных тока и напряжения.

Формирование стационарных векторов напряжения исключительно из двух максимальных линейных напряжений сети (u_AB и u_AC внутри текущего интервала 100, фиг.4), позволяет поддерживать угол между пространственными векторами входного тока и входного фазного напряжения, близким к нулю при максимально возможном соотношении выходного и входного напряжений МП. Такой алгоритм ВШИМ может рассматриваться как наиболее характерный для применения в трехфазно-трехфазных МП.

Рассмотрим синтез вектора 7 в секторе I (фиг.5) для момента времени t_n (фиг.4) с использованием нулевого вектора 6 и ненулевых векторов 4.1, 5.1 (получение составляющей 7.1), 4.2, 5.2 (получение составляющей 7.2).

Очередность формирования пяти векторов на цикле ВШИМ в принципе может быть произвольной для получения заданного значения U_вых. Критериями для выбора той или другой стратегии чередования могут быть оптимизация числа коммутаций, минимальных длительностей использования стационарных векторов на протяжении цикла ВШИМ, гармонического состава входного тока и т.п. Покажем, как используется предложенный способ в МП на примере описанной выше ВШИМ.

Каждому из вышеупомянутых стационарных векторов отвечает определенное состояние МП, которое описывается комбинацией включенных ключей. Так, в определенный момент времени t_n на интервале 100 (фиг.4), например, стационарному вектору 4.1 отвечает комбинация ключей 1.1, 1.5, 1.8 (фиг.3); стационарному вектору 5.2 - комбинация ключей 1.3, 1.6, 1.8 (фиг.3) и т.д. При переходе из одного состояния (вектор 4.1) к другому (вектор 5.2) в середине интервала 100 (фиг.4), когда сравниваются между собой фазные напряжения фаз В и С, возникает неопределенность в очередности осуществления пошаговой коммутации тока между ключами 1.5 и 1.6 (фиг.3). Кроме этого, при переходах к нулевому вектору из вышеупомянутых состояний, если нулевой вектор формируется одновременным включением ключей, подключенных к фазам В или С, то есть ключей 1.2, 1.5, 1.8 или 1.3, 1.6, 1.9 (фиг.3), также возникает упомянутая неопределенность для пар ключей 1.2 и 1.3, 1.5 и 1.6, 1.8 и 1.9 (фиг.3). Корректные коммутации в середине интервала 100 (фиг.4) возможны только между ключом 1.1 (1.4, 1.7) и любым другим в каждой фазе МП.

На фиг.6 для рассмотренного сектора I и соотношения напряжений сети в момент времени t_n текущего интервала 100 (фиг.4) штриховыми линиями соединены между собой стационарные векторы, непосредственное чередование которых обеспечивается коммутациями ключей, подключенных к входным фазам с однозначно определенной полярностью напряжений между ними на текущем интервале периода напряжения сети. То есть, разрешены взаимные переходы между ненулевыми векторами 4.1-5.1, 4.2-5.2 и 4.1-4.2, а также взаимные переходы между нулевым вектором 6 и любым ненулевым вектором. Как видно из фиг.6, ненулевые векторы можно объединить в группы, которые состоят из одного или нескольких векторов, например (возможность взаимных переходов обозначенная как ↔):

а) 5.1 и 5.2↔4.2↔4.1

б) 5.2 и 5.1↔4.1↔4.2

в) 4.1 ↔ 5.1 и 5.2↔4.2

г) 5.1 ↔ 4.1 и 4.2↔5.2

В первых трех случаях а), б), в) нулевой вектор необходимо располагать между группами ненулевых векторов, в последнем случае г) расположение нулевого вектора в цикле ВШИМ произвольно. При переходе от одного цикла ВШИМ к другому можно чередовать векторы в обратном порядке.

Например, алгоритм чередования пяти стационарных векторов в циклах ВШИМ, которые следуют один за другим по варианту г), может выглядеть таким образом:

Этот вариант обеспечивает меньшее количество коммутаций ключей на цикле по сравнению с другими приведенными вариантами.

При перемещениях вектора U_вых из одного сектора в другой приведенный выше алгоритм по варианту г) с произвольным расположением нулевого вектора остается без изменений только в том случае, если формирование U_ВЫХ в новом цикле начинается использованием того же стационарного вектора, которым закончился предыдущий цикл ВШИМ, например, при перемещении U_ВЫХ из сектора I в сектор VI (фиг.5, 6, 7):

...|5.2→4.2→6→4.1→5.1→|5.1→4.1→6→4.6→5.6|5.6→4.6→6→4.1→5.1→|...

Если же при этом переходе предыдущий цикл ВШИМ заканчивается ненулевым вектором 5.2, расположение нулевого вектора в первом после перехода цикле не может быть произвольным, так как нулевой вектор должен выполнить функцию разделения по времени формирования ненулевых векторов, чередование которых недопустимо. На следующих циклах ВШИМ внутри сектора VI расположение векторов отвечает варианту г). Для приведенного примера чередование векторов в последнем цикле ВШИМ в секторе I, а также в первом и втором циклах в секторе VI будет выглядеть следующим образом:

...|5.1→4.1→6→4.2→5.2→|6→5.1→4.1→4.6→5.6|5.6→4.6→6→4.1→5.1→|...

Схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети, которые соответствуют стационарным векторам на фиг.6, 7 и состояниям ключей МП для их реализации, приведены на фиг.8. Они иллюстрируют процесс перемещения вектора U_вых из сектора I в сектор VI и объясняют отличия в расположении нулевого вектора на первом после смены сектора цикле ВШИМ и на других циклах. Здесь нулевой вектор 6 в начале первого после смены сектора цикла ВШИМ выполняет функцию разделения между ненулевыми векторами 5.2 и 5.1. В дальнейших циклах ВШИМ нулевой вектор располагается посредине цикла с целью уменьшения числа коммутаций ключей.

Таким образом, для реализации предложенного способа при формировании ненулевых стационарных векторов напряжения из двух линейных напряжений сети (например, u_AB и u_СВ на интервале 100, фиг.4), одно из которых (u_СВ) сдвинуто относительно другого (u_AB) на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри этого интервала, необходимо:

1) Нулевые векторы формировать одновременным включением всех ключей, подключенных к фазе сети, напряжение которой максимально по модулю и отличается по знаку от двух других фазных напряжений для текущего интервала периода сети. Для рассмотренного интервала 100 (фиг.4) такой фазой является фаза А, а ключами, которые включаются - 1.1, 1.4, 1.7 (фиг.3).

2) Ненулевые векторы группировать по признаку чередования только однонаправленных (4.1 и 5.1, 4.2 и 5.2), или сформированных из максимального по модулю линейного напряжения векторов (4.1 и 4.2) - для интервала 100 (фиг.4) в секторе I (фиг.5, 6).

3) Нулевой вектор размещать по времени формирования между группами, в которых последний вектор предыдущей и первый вектор последующей группы являются разнонаправленными и хотя бы один из них сформирован из минимального по модулю линейного напряжения на интервале периода сети. Для интервала 100 (фиг.4) в секторах I и VI (фиг.5-7) парами векторов, которые обязательно разделяются с помощью нулевых векторов, являются 4.1 и 5.2, 4.1 и 5.6, 4.2 и 5.1, 4.2 и 5.6, 4.6 и 5.1, 4.6 и 5.2, 5.1 и 5.2, 5.1 и 5.6, 5.2 и 5.6. При отсутствии таких сопряжений нулевой вектор для текущего цикла ВШИМ располагать произвольно.

Для синтеза вектора 7 в секторе I (фиг.9) в момент времени t_n (фиг.4) используются нулевой вектор 6 и ненулевые векторы 4.1, 8.1 (получение составляющей 7.1), 4.2, 8.2 (получение составляющей 7.2), которые формируются из двух максимальных по модулю линейных напряжений сети (u_AB и u_AC внутри текущего интервала 100, фиг.4). Такое формирование из двух максимальных по модулю линейных напряжений является основным способом управления МП, так как позволяет получить максимальное соотношение выходного и входного напряжений МП и близкий к нулю угол между пространственными векторами входного тока и входного напряжения.

Каждому из вышеупомянутых стационарных векторов отвечает определенное состояние МП, которое описывается комбинацией включенных ключей. Так, в определенный момент времени t_n на интервале 100 (фиг.4), например, стационарному вектору 4.1 отвечает комбинация ключей 1.1, 1.5, 1.8 (фиг.3); стационарному вектору 8.2 - комбинация ключей 1.1, 1.4, 1.9 (фиг.3) и т.д. При переходе от одного состояния (вектор 4.1) к другому (вектор 8.2) в середине интервала 100 (фиг.4), если сравниваются между собой фазные напряжения фаз В и С, возникает неопределенность в очередности осуществления пошаговой коммутации тока между ключами 1.8 и 1.9 (фиг.3). Кроме того, при переходах к нулевому вектору из вышеупомянутых состояний, если нулевой вектор формируется одновременным включением ключей, подключенных к фазам В или С, то есть ключей 1.2, 1.5, 1.8 или 1.3, 1.6, 1.9 (фиг.3), также возникает упомянутая неопределенность для пар ключей 1.5 и 1.6, 1.8 и 1.9 (фиг.3). Корректные коммутации в середине интервала 100 (фиг.4) возможны только между ключом 1.1 (1.4, 1.7) и любым другим в каждой фазе МП.

На фиг.10 для рассмотренного сектора I и соотношения напряжений сети в момент времени t_n текущего интервала 100 (фиг.4) штриховыми линиями соединены между собой стационарные векторы, непосредственное чередование которых обеспечивается коммутациями ключей, подключенных к входным фазам с однозначно определенной полярностью напряжений между ними на текущем интервале сети. То есть, разрешены взаимные переходы между ненулевыми векторами 4.1-4.2 и 8.1-8.2, а также взаимные переходы между нулевым и любым другим вектором.

По окончании одного цикла ВШИМ можно реверсировать направление обхода векторов на следующем цикле, то есть чередовать их в обратном порядке по сравнению с предыдущим.

Возможные варианты чередования векторов в цикле ВШИМ и при переходе от одного цикла к другому для расположения вектора _вых в секторе I (фиг.9, 10) выглядят следующим образом:

д)

е)

ж)

з)

Другие допустимые варианты могут быть получены объединением комбинаций из приведенных четырех основных, например, е) и ж):

...→4.1→4.2→6→8.1→8.2→8.1→8.2→6→4.1→4.2→4.1→...

Схемы подключения выходных фаз МП к фазам сети, которые отвечают стационарным векторам на фиг.9, 10 и состояниям ключей МП для их реализации, приведены на фиг.11. Чередование стационарных векторов на циклах ВШИМ здесь осуществляется в соответствии с вышеупомянутым вариантом з) в прямом и обратном направлениях. Этот вариант, в котором первыми и последними на цикле ВШИМ расположены ненулевые векторы с нечетными номерами (4.1, 4.3, 4.5 и 8.1, 8.3, 8.5 на фиг.9), отличается от других меньшим числом коммутаций за цикл:

...4.3→4.2→6→8.2→8.3... - для сектора II,

...4.3→4.4→6→8.4→8.3... - для сектора III,

...4.5→4.4→6→8.4→8.5... - для сектора IV,

...4.5→4.6→6→8.6→8.5... - для сектора V,

...4.1→4.6→6→8.6→8.1... - для сектора VI.

При перемещении вектора U_вых из одного сектора в другой, например, из сектора I в сектор II (фиг.9), алгоритм чередования стационарных векторов не изменяется:

...|4.1→4.2→6→8.2→8.1→|8.3→8.2→6→4.2→4.3→|4.3→4.2→6→8.2→8.3→|...

Для сопряжения между собой циклов ВШИМ как внутри сектора, так и при перемещениях вектора U_вых из одного сектора в другой (фиг.9, 10), необходимо формировать ненулевые векторы в конце предыдущего и в начале последующего циклов из одного и того же линейного напряжения.

Таким образом, для реализации предложенного способа при формировании ненулевых стационарных векторов напряжения из двух линейных напряжений сети, максимальных по модулю (например, u_AB и u_AC внутри текущего интервала 100, фиг.4) в секторе I (фиг.9) необходимо:

1) Сначала сформировать ненулевые векторы из одного линейного напряжения, которое отвечает, например, напряжению u_AB и векторам 4.1 и 4.2 (комбинации ключей 1.1, 1.5, 1.8 и 1.1, 1.4,1.8 на фиг.3).

2) Затем сформировать нулевой вектор одновременным включением всех ключей, подключенных к той фазе сети, напряжение которой максимально по модулю и отличается по знаку от двух других фазных напряжений. Для рассмотренного интервала периода сети такой фазой является фаза А, а ключами, которые включаются, - 1.1, 1.4, 1.7 (фиг.3).

3) На завершающем этапе цикла ВШИМ сформировать ненулевые векторы из другого линейного напряжения, например, u_AC, что отвечает векторам 8.2 и 8.1 (комбинации ключей 1.1, 1.4, 1.9 и 1.1, 1.6, 1.9 на фиг.3).

4) При переходе к следующему циклу ВШИМ как внутри сектора, так и при перемещениях вектора U_вых из сектора в сектор (фиг.9, 10), первыми в цикле расположить ненулевые векторы, которые формируются из того же линейного напряжения, из которого были сформированы последние векторы предыдущего цикла, например: 4.1, 4.2 после 4.2, 4.1; 8.1, 8.2 после 8.2, 8.1; 4.3, 4.2 после 4.2, 4.1; 8.3, 8.2 после 8.2, 8.1 и т.п.

При переходах от формирования стационарных векторов напряжения из двух максимальных по модулю линейных напряжений сети к формированию векторов из двух линейных напряжений, одно из которых сдвинуто относительно другого на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, нулевой вектор на первом после перехода цикле ВШИМ располагают в начале цикла, а на дальнейших циклах - в соответствии с принятым алгоритмом - так, как это делается при смене сектора расположения U_вых.

При обратных переходах располагают нулевой вектор на последнем перед переходом цикле ВШИМ в конце цикла.

На границах интервалов периода сети (фиг.4) соотношение напряжений между фазами сети однозначно определено. Такая определенность существует также на определенном отрезке времени до и после границы интервалов, продолжительность которого зависит от степени искажения кривых напряжений сети. На протяжении этого отрезка времени изменение порядка пошаговой коммутации ключей для каждого интервала может осуществляться в любой момент. За счет этого предложенный для МП с ВШИМ способ коммутации тока нечувствителен к точности определения границ интервалов периода сети.

Алгоритм чередования ненулевых векторов, сформированных из двух максимальных по модулю линейных напряжений сети внутри текущего интервала, в определенной мере может быть распространен для этих напряжений за границу интервала, за которой одно из них является минимальным (фиг.3). Эта возможность может быть использована при необходимости регулирования в небольших пределах (зависимых от меры искажения кривых входного напряжения, но меньших, чем 30 электрических градусов) угла сдвига пространственного вектора входного тока относительно вектора входного напряжения. При более глубоком регулировании угла сдвига возникает потребность в переходе к алгоритму, который заключается в формировании стационарных векторов из двух линейных напряжений, одно из которых сдвинуто относительно другого на 60 электрических градусов и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети.

Реализация предложенного способа показана на примере схемы на фиг.12. Блок 10 формирования задания контроллера 9 формирует координаты заданного пространственного вектора выходного напряжения МП, которые поступают на вход 11 модулятора 12. На второй вход 13 модулятора 12 поступают сигналы датчика 14 напряжений сети 15. Модулятор 12 на основе входных сигналов идентифицирует текущий временной интервал периода напряжения сети, текущий сектор расположения заданного пространственного вектора выходного напряжения, рассчитывает необходимые для реализации закона ВШИМ продолжительности каждого состояния МП и с началом очередного цикла ВШИМ вырабатывает в реальном масштабе времени импульсы соответствующих длительностей. Эти широтно-модулированные импульсы с выхода 16, а также коды текущего временного интервала периода напряжения сети с выхода 17 и текущего сектора пространственного вектора выходного напряжения МП с выхода 18 подаются на входы программируемой логической матрицы 19. В матрице 19 формируются и распределяются по восемнадцати каналам импульсы управления половинами ключей 2.1-2.9 и 3.1-3.9 (фиг.3). В так называемых статических состояниях МП, то есть между коммутациями, включены обе половины проводящих ключей, в динамических состояниях, то есть при переходах от одного статического состояния к другому, в матрице 19 реализуется пошаговая стратегия коммутации транзисторов. Очередность статических состояний и переходы от одного состояния к другому отвечают предложенному способу. Выходные сигналы матрицы 19 с выхода 20 поступают в схему 21 драйверов, где осуществляется гальваническая развязка, обеспечиваются защитные мероприятия, усиливаются и согласовываются по параметрам с транзисторами импульсы управления ими. С выхода 22 схемы 21 драйверов импульсы управления подаются непосредственно на транзисторы силового блока 23 МП, нагруженного, например, на асинхронный двигатель 24.

Таким образом, при использовании предложенного способа во время коммутаций тока исключается необходимость учитывать зону нечувствительности при сравнении между собой напряжений сети, благодаря чему есть возможность полностью устранить протекание токов короткого замыкания через коммутируемые ключи и перенапряжения на элементах силовой схемы МП даже при очень сильных искажениях кривых входного напряжения. При использовании предложенного способа в МП с ВШИМ все переключения ключей функционально обоснованы для формирования заданного пространственного вектора выходного напряжения и вместе с тем осуществляются при полной определенности в соотношении напряжений сети.

Литература

1. Р. Wheeler, D. Grant, "Optimized input filter design and low-loss switching techniques for a practical matrix converter", in IEE Proc.-Electr. Power Applicat., vol. 144, no.1, pp. 53-60, Jan. 1997.

2. L. Empringham., P.W. Wheeler, J.C. Clare, "Matrix converter bi-directional switch commutation using intelligent gate drives", IEE Power Electronics and Variable Speed Drives Conference, № 456, London, September, 1998.

3. M. Ziegler, W. Hofimann, "Semi natural two steps commutation strategy for matrix converter", in Rec. 29th Annual IEEE meeting, PESC’98, 1998, vol. 1, pp.727-731.

4. H. Youw, B.H. Kwon, "Switching technique for current controlled AC-to-AC converters", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 46, no. 2, pp. 309-318, April 1999.

5. L. Mazet, H. Boulant, J-J Huselstein, C. Glaize, "Switching control in three phase matrix converters by discrimination of command orders", in Proc. PEMC’98, vol. 2, Prague, Czech Republic, 1998, pp. 2-64-2-67.

6. L. Zhang, С. Watthanasarn, W. Shepherd, "Analysis and implementation of a space vector modulation algorithm for direct ac-ac matrix converter", EPE Journal, vol. 6, no. 1, pp. 7-15, May 1996.

Формула изобретения

1. Способ коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, каждый из которых состоит из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, матричных преобразователей (МП) с числом входных фаз, равным или большим чем три, заключающийся в переводе тока нагрузки МП из включенного в обоих направлениях первого ключа, который обеспечивает подсоединение нагрузки к одной входной фазе, во второй ключ, который обеспечивает подсоединение нагрузки к другой входной фазе, в соответствии с порядком пошагового переключения половин ключей, который задается текущим соотношением напряжений или этих входных фаз, отличающийся тем, что при невозможности однозначного определения соотношения напряжений на момент начала пошаговых переключений идентифицируют на данный момент времени фазу сети с экстремальным по модулю напряжением и осуществляют промежуточную коммутацию тока из первого ключа в третий ключ, который обеспечивает подключение нагрузки к вышеупомянутой фазе с экстремальным по модулю напряжением, после чего переводят ток во второй ключ.

2. Способ коммутации тока ключами двухсторонней проводимости, каждый из которых состоит из двух отдельно управляемых и проводящих в противоположных направлениях половин, трехфазно-трехфазного МП с векторной широтно-импульсной модуляцией (ВШИМ), которая предусматривает синтез пространственных векторов выходного напряжения и входного тока в течение каждого цикла ВШИМ из нулевых и ненулевых стационарных векторов, с использованием разбиения периода напряжения сети на шесть интервалов, границами которых являются моменты изменения полярности входных фазных напряжений, заключающийся в переводе тока нагрузки МП из включенного в обоих направлениях первого ключа, который обеспечивает подсоединение нагрузки к первой входной фазе, во второй ключ, который обеспечивает подсоединение нагрузки ко второй входной фазе, в соответствии с порядком пошагового переключения половин ключей, который задается текущим соотношением напряжений для этих входных фаз, отличающийся тем, что при невозможности однозначного определения соотношений напряжений формируют нулевой вектор одновременным включением всех ключей МП, подсоединенных к третьей входной фазе, которая представляет собой фазу с экстремальным по модулю напряжением внутри текущего интервала периода напряжения сети, и тем самым осуществляют промежуточную коммутацию тока из первого ключа в третий ключ, который обеспечивает подсоединение нагрузки к вышеупомянутой фазе с экстремальным по модулю напряжением, после чего переводят ток во второй ключ.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при поочередном использовании для формирования ненулевых стационарных векторов двух входных линейных напряжений, одно из которых сдвинуто относительно другого на 60 эл. град. и минимально по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, ненулевые векторы группируют по признаку чередования однонаправленных или сформованных из максимального по модулю входного линейного напряжения векторов, и если последний вектор предыдущей и первый вектор последующей группы являются разнонаправленными и хотя бы один из них сформирован из минимального по модулю входного линейного напряжения внутри текущего интервала периода напряжения сети, то между этими группами по времени формирования размещают нулевой вектор.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при поочередном использовании для формирования ненулевых векторов двух входных линейных напряжений, максимальных по модулю внутри текущего интервала периода напряжения сети, ненулевые векторы группируют по признаку формирования из одного и того же входного линейного напряжения и размещают между этими группами по времени формирования нулевой вектор, а при сопряжении циклов ВШИМ формируют последний вектор предыдущего и первый вектор последующего циклов из одного и того же входного линейного напряжения.

Приоритет по пунктам:

22.03.2001 по п.1;

22.02.2002 по пп.2-4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12