基于dSPACE的矩阵变换器样机设计

刘万兵，王亚博，鲁西坤

(1.河南安彩高科股份有限公司，安阳 455000；2.安阳工学院，安阳 455000)

0 引 言

随着电力电子技术的发展，矩阵变换器理论研究不断深入，矩阵变换器样机的制造也发展迅速，从开始的2 kW发展到现在的几百千伏安[1-3]。不同的调制策略开始在矩阵变换器中得到应用，系统的性能指标逐渐完善和提高，样机在实现过程中所涉及的换流、过电压和电磁兼容等方面的问题受到关注[4-7]。其中，丹麦的Aalborg大学在矩阵变换器产品化进程中做的工作尤其突出，提出了新的实现方法——PEBB法，该方法同时应用了双向开关模块和双向开关的门极驱动电路、保护电路以及换流逻辑等[8-10]，使得整个矩阵变换器装置的体积进一步减小，同时可靠性大大提高，为矩阵变换器的工业产品化提供了宝贵的经验[11-13]。英国学者Wheeler P W则在实验室实现了150 kVA感应电机的样机驱动，为矩阵变换器大功率变频驱动积累了大量的经验。

矩阵变换器的研究及应用面虽然已经非常广泛，几乎涉及到工业应用的各个方面，同时也取得了可观的成绩，但仍存在一些问题。如何设计出更为简单的脉冲产生逻辑电路来形成算法所需的复杂不规则PWM脉冲、电压波动时的换流安全问题、换流的可靠性、可靠的矩阵变换器保护电路设计等需要进行更加深入的研究。

基于以上问题，本文设计了矩阵变换器的主电路和控制电路，并分析了矩阵变换器安全换流策略，优化了功率开关管关断策略，确保了矩阵变换器过流故障情况下主电路的可靠关断；最后，搭建了矩阵变换器实验平台。

1 实验样机控制电路设计

实验样机平台以dSPACE为主控制单元，负责输入、输出区间判断、PWM占空比计算及电压、电流计算来判断故障等工作。脉冲整形、分配及变步长安全换流策略的实现则采用ALTERA公司的MAX系列CPLD来编程实现。IGBT驱动部分采用EXB841驱动模块，为提高电压、电流测量精度，互感器采用基于霍尔原理的LEM电压、电流互感器。样机平台总体实现框图如图1所示。

图1 矩阵变换器样机的总体实现框图

1.1 IGBT驱动部分设计

本文采用了EXB841的优化设计，优化设计如图2所示。EXB841的引脚6通过快速二极管D5接到IGBT的集电极,通过检测集电极和发射极之间的电压UCE的高低来判断系统是否发生短路。根据其参数值，当IGBT过流使集射极间的UCE大于7.5 V时，判断为发生短路，过流保护电路动作,关断IGBT。为了达到延长IGBT使用寿命的同时可靠地保护IGBT,需要在IGBT轻度过流下进行保护，采用的方法是在D5与IGBT的集电极间反向串联一个稳压管。

图2 EXB841外围设计

1.2 测量电路设计

在系统运行过程中，系统(大惯性负载)升速、降速时间设置不合适(比较短)或者负载发生突变，系统都会出现过电流；或者系统出现外部故障如变频器输出侧短路、电动机发生堵转或接地等同样会引起系统的过电流。综合考虑以上几种情况，样机设计时在控制电路中加入过电流保护，从而避免系统出现大电流而损坏样机。在安全换流策略实现过程中，需要对系统的定子电流进行检测和控制，因此设计了测量电路，该测量电路主要有两个功能：一是提供安全换流策略的电流信号；二是给系统提供电压和电流监测信号，其电路如图3和图4所示。测量电路模块采用的是LV25-P型电压传感器和LA25-NP型的电流互感器，将检测到的电压和电流信号，送入主控芯片的A/D转换功能引脚处，并最终计算得到电路中的实际电流值。为了保护采样进入A/D模块信号不超过A/D模块的承受范围，在信号入口设计了信号限幅电路，由VZ1、VZ2、VZ5、VZ6来实现。

图3 电流传感器电路

图4 LEM电压传感器电路

2 矩阵变换器样机软件设计

矩阵变换器实验样机的控制系统软件部分设计包括基于dSPACE的调制策略实现以及基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的变步长安全换流策略实现两大块。

2.1 基于dSPACE的调制策略实现

在本样机的控制系统中，dSPACE是整个控制系统的核心，主要实现输入电压的采集、模数转换、触发脉冲占空比计算、开关模式的选择等功能。在设计过程中，考虑到系统控制脉冲的分辨率，通过DS5101接口板以硬件方式发出PWM脉冲。另外，基于dSPACE强大的计算能力，将输入电压相位检测和电压值大小的判断融入到具体算法中来实现，考虑到输入侧电网电压的频率和三相间相位相对稳定，可以通过检测一相输入电压，如A相，在该相电压从负值到正值过零时开始，通过定时器计数，得到当前的相位角和扇区位置。为了减少累积误差，定时器每隔一定时间要复位一次。通过以上步骤达到了优化系统设计电路、简化系统元器件使用、增强系统的稳定性的目的。在dSPACE中调制策略实现具体流程如图5所示。

图5 dSPACE中调制策略实现程序框图

2.2 安全换流策略CPLD实现

设计采用的是CPLD。系统中的18路脉冲的变步长安全换流策略则是通过3片CPLD来协同实现，具体实现软件流程如图6所示。电流方向的不安全区域通过设计软件检测，根据负载电流绝对值的大小来判断。也就是通过电流检测值的大小与设定值进行比较，在电流过零点附近，如果出现电流检测值小于阈值，就认定是不安全区域。

图6 变步长安全换流策略流程图

3 矩阵变换器实验样机装置

在实验室搭建了基于dSPACE的矩阵变换器实验样机，分别对变步长控制策略、电流检测环节、调制策略、IGBT驱动环节等功能编写程序，从而实现控制功能。该样机由主电路和控制电路两部分组成，主电路拓扑图如图7所示，样机实物图如图8所示。主电路由IGBT组、输入滤波器和箝位电路组成，其中IGBT组采用18个IGBT组合成一个公共发射极开关，以减少驱动部分的电源数量。控制电路主要由保护电路、信号检测电路、基于dSPACE和CPLD的控制电路等组成。

图7 矩阵变换器拓扑图

图8 矩阵变换器样机实物图

为了保证实验装置的安全性，电源通过三相隔离变压器送到矩阵变换器的输入端。变压器输出电压120 V，选择阻感性负载作为系统负载，其电阻值为12 Ω，电感值为5 mH。输入端选择耐压值为450 V、电容为5 μF的电容作为滤波电容，选择电感值为5 mH的电感作为滤波电感，同时在其上并联功率为25 W、电阻值为15 Ω的电阻。具体实验波形如图9所示。从图9中可以看出，矩阵变换器样机可以实现输出三相电源输出，且输出波形正弦度比较好。

图9 实验波形

4 结 语

实验样机设计基于dSPACE的三相-三相矩阵变换器，主回路采用三相-三相标准结构。同时还设计了信号测量电路，分别对各互感器采集的三相输入输出电压、电流进行整形、滤波和隔离处理，然后向控制电路提供所需信号。设计了以dSPACE和多CPLD为核心的控制单元，其中dSPACE完成区间判断、算法实现及保护措施处理，CPLD则完成所需脉冲产生、整形及变步长安全换流策略的实现。最后，在实验样机上进行了测试，证明了该样机结构设计合理，在确保安全、可靠换流的同时减少换流时间，以提高波形质量。