摘  要：為了減小矩陣式變換器輸出電壓誤差和輸出電流畸變，提出了一種輸出電壓補(bǔ)償方案。針對不同的輸出電壓誤差成因采用不同的補(bǔ)償方法，直接脈寬補(bǔ)償用于多步換流和器件開關(guān)延時(shí)，等效電壓補(bǔ)償用于器件導(dǎo)通壓降。在矩陣式變換器-異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)輸出頻率為5 Hz時(shí)，采用該補(bǔ)償方案使輸出電流總諧波畸變率(THD)從6．32％降低至4．92％；當(dāng)頻率為15 Hz時(shí)，輸出電流THD從5．46％降低5．30％。結(jié)果表明：采用該補(bǔ)償方案可以有效抑制輸出電流THD，在低速運(yùn)行下補(bǔ)償效果更加明顯。
關(guān)鍵詞：變流器；矩陣式變換器；補(bǔ)償；換流

    矩陣式變換器是一種直接型的交流-交流電力變換裝置，其結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的交-直-交變換器，取消了中間直流儲能環(huán)節(jié)，因此電路結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。近些年，矩陣式變換器一直是電力電子研究的焦點(diǎn)之一，并取得了較大的進(jìn)展。然而，與普通逆變器類似的，由于電力半導(dǎo)體器件的非理想特性，矩陣式變換器不可避免地存在多步換流延時(shí)、器件的開通／關(guān)斷延時(shí)以及器件的導(dǎo)通壓降，從而引起輸出電壓誤差和電流畸變，直接影響矩陣式變換器-異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，在低速輕載情況下該效應(yīng)尤為明顯。目前，對于該問題的研究主要集中在多步換流產(chǎn)生的影響上。
    為了盡可能減小不同成因引起的輸出電壓誤差和輸出電流畸變，本文提出了一種對輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨�，針對換流及器件開關(guān)延時(shí)和器件導(dǎo)通壓降分別采用2種不同的補(bǔ)償方法——直接脈寬補(bǔ)償和等效電壓補(bǔ)償，從而有效地減小了矩陣式變換器的輸出電壓誤差，抑制了輸出電流畸變，提高輸出波形質(zhì)量。

1 輸出電壓誤差分析

1．1 多步換流延時(shí)及器件的開通／關(guān)斷延時(shí)
    如圖1所示三相-三相矩陣式變換器由9個(gè)雙向開關(guān)(Sij,i=A，B，C；j=a．b，c)組成，圖中a、b、c表示輸入三相，A、B、C表示輸出三相。

    基于矩陣式變換器輸入不短路、輸出不斷路的原則，其雙向開關(guān)間的換流一般需要多步完成，必然帶來多步換流延時(shí)。此外，器件開通和關(guān)斷也存在延時(shí)。這些延時(shí)會引起矩陣式變換器實(shí)際輸出電壓與參考電壓之間的誤差，即輸出電壓誤差△U＇。
    傳統(tǒng)的4步、3步、2步換流方法如圖2所示。假設(shè)負(fù)載電流方向?yàn)檎�，傳�?dǎo)電流的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是SXP或Syp。實(shí)際換流時(shí)刻由輸入電壓相對大小決定。以4步換流為例，假定Ux>Uy。由于在第2步時(shí)Syp反向偏置，故實(shí)際換流將在第3步發(fā)生，換流延時(shí)Terr為t1+t2，t1、t2定義如圖2。依此類推，采用3步和2步換流時(shí)Terr均為t1。

    本文采用空間矢量調(diào)制算法和九段式脈寬調(diào)制方式(PWM)。以下以B相為例，詳細(xì)分析在一個(gè)采樣周期(如圖3所示含4次換流)中，采用不同換流方法時(shí)的輸出電壓誤差△U＇B。假設(shè)輸出電流方向?yàn)檎�，輸入電壓大小為Ua>Uc>Ub。圖3為4步換流下的開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓誤差，各符號定義如圖1，“+”表示正向(輸入至輸出)開關(guān)，“一”表示反向開關(guān)。粗線表示輸出電壓，陰影部分表示△U＇B。
    在換流l和2中，換流發(fā)生在第2步，而在換流3和4中，換流發(fā)生在第3步�？紤]到器件的通斷延時(shí)，則4次換流的Terr分別為t1+Ton、t1+Ton、t1+t2+Toff和t1+t2+Toff；因此，在該采樣周期中，延時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓誤差的平均值為

1．2 器件的導(dǎo)通壓降
    目前矩陣式變換器選用的電力電子器件均為非理想器件，存在導(dǎo)通壓降，將引起輸出電壓誤差△U”。尤其是在負(fù)載電機(jī)低速情況下，由于電機(jī)電壓較低，器件導(dǎo)通壓降所占的比重增大，其影響將更為顯著。假設(shè)輸出電流為負(fù)，一個(gè)采樣周期中器件導(dǎo)通壓降產(chǎn)生的輸出電壓誤差如圖4所示。

    不同于延時(shí)作用，△U”是一個(gè)恒定量UF(雙向開關(guān)的導(dǎo)通壓降)，大小取決于雙向開關(guān)的構(gòu)成和選用功率器件的特性。本文選用圖1所示的共集電極開關(guān)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的UF=Ud+UIGBT，其中Ud和UIGBT分別為二極管和IGBT的導(dǎo)通壓降。誤差極性由輸出電流方向決定。輸出電流為負(fù)時(shí)，參考電壓小于輸出電壓，因此，△U”滿足

式中sign(Io)為輸出電流方向的極性。

2 輸出電壓誤差補(bǔ)償
    參考傳統(tǒng)PWM逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方法，可采取2類有效的補(bǔ)償方式：直接補(bǔ)償脈寬和間接補(bǔ)償?shù)刃щ妷赫`差矢量。由于矩陣式變換器的輸出電壓誤差成因復(fù)雜，因此本文選用了兩種補(bǔ)償方法。圖5為帶補(bǔ)償?shù)木仃囀阶儞Q器-異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用4步換流策略。

2．1 針對換流和開關(guān)延時(shí)的補(bǔ)償
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