基于DSP的矩阵式三相／单相电源研究

目前矩阵式变频器因采用具有输入功率因数可调，输出频率连续，功率双向流动且无直流母线的矩阵式变换器(MC)而倍受关注。虽然三相用电设备广泛应用于生产领域，但是在一些行业(如感应加热和感应熔炼)仍需要单相电源，而在这些行业用电对电网产生严重污染，如果将矩阵式变换器(MC)应用在这些行业中将对新一代“绿色”电源产生深远的影响。在此综合考虑因不同的控制策略，低频段和高频段对系统的资源占用率不同，故采用不同的控制策略，CPU采用DSP和CPLD联合控制，实现了具有安全换流和相应的保护功能的三相-单相调功电源，该电源就很好地应用在相应的场合，充分发挥矩阵式电源的优良特性。

1 主电路结构和换流策略

1．1 主电路结构

系统电路采用的是三相-单相变换电路的其中一种较为简单的拓扑结构(带中线)如图1所示。将S1+和S1-均导通的状态称为S1状态。为了尽可能多地滤除输入电流中的由开关动作产生的高频谐波中高频谐波成分，减少对电网侧的高频污染，并提高输入功率因数，因此引入滤波器，阻尼电阻Rd有利于在转折频率点后高频电流的衰减，并入电容有利于减小开关器件间的耦合。电路采用反向并联IGBT构成双向开关，通过控制各个开关状态的时间，实现目标电压。



1．2 换流策略

由主电路的基本特征和应用在感应加热行业就决定了矩阵式变换器在工作过程中必须遵循两个原则：矩阵式变换器的三相输入中的任意两相之间不能短路，避免使用电压源短路造成过流。矩阵式变换器的输出不能断路，避免感性负载突然断路而产生的过电压。由此可见在换流的过程中必须选择可靠的换流策略，为了解决这一问题采用传统的基于电流检测的四步换流策略较为合适。该方法必须加以电流检测元件(电流互感器、霍尔传感器等)，为了保证IGBT的可靠开通与关断，将控制电压设定为：开通电压+15 V(记为1)，关断电压-5 V(记为O)。为了便于说明规定电流如图1所示时记为I(+)，反之I(-)。四步换流开关转换过程如图2所示，现以由S1到S2状态进行换流的四个过程进行说明，假设此时检测输出电流方向为I(+)。第一步，在开通S2-之前必须将S1-关断，否则U1和U2将通过S2+和S1-形成回路；第二步．开通S2-，如果U2＞U1，此时负载电流将立刻从S1-转移到S2-，否则负载电流将继续通过S1+；第三步，在开通S2-前先关断S1+，此时负载电流已转移到S2+；第四步，开通S2-。



当电流反向时采用相同的方法，只是开通顺序的不同。由此可见采用四步换流法，既禁止了可能是电源发生短路的组合，又保证了在任意时刻至少有一条通路，从而提高了环流的安全性。值得注意的是在换流的过程中为了避免换流出错需要锁存获取的电流方向的信息。

2 控制策略

由于系统的结构所决定，空间矢量调制法以及双电压控制法均不能直接应用于三相-单相矩阵式变换器中。为了使系统更为可靠合理的运行，现在必须解决分配和控制双向开关的通断来达到输出要求，在该系统中采用输入拟合法，其以设定输出电压为目标，确定适当的选择原则，并基于该原则在每个采样周期内选择相应的输入电压，拟合出目标电压。就目前得到应用的两种控制策略而言，以输入三相电压中的最大相和最小相拟合出设定的输出电压，输出电压较为平稳但是控制策略在高频段CPU资源开销大。以输入电压与输出电压的差值为选择依据，其算法简单、在高频段资源占有率低，但是在低频段电压输出波动大。

为了使系统得到更好的性能，采用二者相互结合的控制策略，在低频段采用第一种控制策略，在高频段采用第二种策略。

假设变换器的输入为三相理想电源电压，则：



对于第一种策略在每个采样周期内，只利用输入电压的最大相Umax和最小相Umin合成目标输出电压U0。



与此对应定义最大相开关函数Smax和Smin。在一个采样周期内，两个开关的导通时间T1，T2分别为：



式中：U0为输出电压参考值；Ts为采样周期时间长度。

在相应的控制算法下其拟合示意图如图3所示。其实质上类似于直流斩波电路，不过在此其是对交流斩波。利用该拟合方法进行输出得到的电压比较平稳。第二种控制策略较为简单在此不做详述。高频和低频控制策略的转换通过软件来实现，输出U0的频率f0可以通过人机交互装置进行设定(假如设定50 Hz以下为低频，以上为高频)，其子程序结构框图如图4所示。





3 数字控制系统组成

检测的信号多而且要求精度高，同时产生相应的控制信号要求实时性好。这样就决定了其CPU要求特别高，为了满足这一要求，该系统采用CPU为CPLD+DSP数字控制系统(见图5)。为了使其各自的优点充分发挥，利用DSP(TMS32LF2407)的模拟输入通道接收来自信号检测调制信号模块的输入／输出信号实时计算并执行控制策略(输入拟合法)，再将其运算的结果送给CPLD，CPLD根据相应的信号进行逻辑运算实现逻辑换流功能。



在CPU运行过程中CPLD和DSP同时接收输入／输出电压电流信号，但是其实现的功能不一样：DSP接收到的信号是为了控制策略的运算，而CPLD接收的信号是为了保证每个时刻发出的控制信号的准确性，当CPLD发现故障时将进行相应处理并显示故障位置。

4 矩阵式变换器(MC)系统实验分析

在该系统的设计当中CPU模块采用SY-XDS510USB 2．0 DSP仿真器实现对双向开关管的控制，从而实现MC系统的部分实验，以下是不同频率下的电压电流实验的波形图，如图6所示。



在低频段由于最大相和最小相拟合出设定的输出电压控制策略，该策略类似于直流的斩波方法，所以其输出的波形就是一斩波波形，由于和负载并入了电容，所以对负载两端的电压比较平稳。对于高频段采用的电压逼近原则，所以输出电压和电流都存在一定的波动，但是其节约了CPU的资源，提高了系统的可靠性。

5 结语

系统针对感应加热和感应熔炼等行业进行三相／单相电源变换，采用分频段控制策略，实现了稳定与资源的合理协调，达到了很好的效果。虽然控制方法和成本较高，但就其在功率因数以及对电网影响等各方面而言仍然远高于现有的变换方式。随着集成模块和控制方法的进步，必将矩阵变换器应用在更广阔的领域。