CN1350719A - 直流矩阵变换器的控制 - Google Patents

Abstract

一种具有六个正向电流导电电力开关和六个反向电流导电电力开关的DC矩阵变换器,其每个电力开关在一个脉宽调制周期内的接通持续时间是由调制指数的d和q分量之间的关系控制的,所述调制指数的d和q分量是由电压命令与固定dq座标中表示的AC电源的瞬时电压之比确定的,做出其选择是基于在固定dq座标中表示的DC电力线电压分量之间的不等关系。还响应固定dq座标中表示的AC电力线电压分量的关系来进行开关选择。选择零向量以使共模电压最小化。

Description

直流矩阵变换器的控制

技术领域

本发明涉及控制一种直接的交流(AC)到直流(DC)矩阵变换器、以便利用精确控制的脉宽调制向负载提供DC电压。

背景技术

在与此同时提交的序列号为OT-2672的共有的、共同未决的美国专利申请中，直接的3相AC到DC矩阵变换器采用逐一控制的开关、直接在直流电动机的输入端合成所需的平均DC电压波形，同时把DC输出电流以与AC电压同相的正弦波形的形式在各AC输入线之间分配。所述共同未决的申请的直接的DC矩阵变换器与先有的DC-PWM(直流-脉宽调制)变换器之间的差异在于，先有的变换器产生固定电压的DC电力，与电池大致一样，然后按照需要、利用电压的某一部分、通过脉宽调制合成平均起来合适的DC电压，而在所述申请中，通过直接从AC电源进行脉宽调制合成在所需电流下的所需电压，同时保持正弦波平衡和AC输入电流的单位功率因数。

在所述申请的***中，在每个调制周期中接通和断开每个开关。如众所周知的，仅在不导电与导电状态之间转换的过程中产生电力开关的开关损耗；因此，减小换向次数会明显降低开关中的功耗。

发明的公开

本发明的目的包括以最小的换向损失、以最少的计算(处理器步骤)、用保证DC电压和电流中脉动最小的高达10KHz或者更高的调制频率、直接从三相AC电源提供脉宽调制合成的DC电压，在AC电源处具有最小的失真和单位功率因数。

此项发明基于本人的以下发现：当以适当的次序来操作时、DC矩阵变换器中所有开关可以接通并且在同一或相邻脉宽调制周期的三个部分中的二个部分期间保持接通，这三部分包括每个脉宽调制周期的两个电压产生部分和一个非电压产生部分。

按照本发明，DC矩阵电力开关的接通时间由瞬时电压命令信号V*(反映出由所述DC矩阵变换器提供的电压)与固定dq坐标中三相AC电源的瞬时大小V之比、连同在固定dq坐标中所述AC电源电压的当前瞬时相位与跨过所述AC电源的一个周期的六个相位分区的超前和滞后界限之间的相位关系来决定。

而且按照本发明，利用三角的角-和关系、以dq量来表示所述相位关系，并且通过在正交dq坐标中表示的AC电源的电压与零之间的不相等性来识别上述相位关系。

进一步按照本发明，通过正交DQ坐标中AC电源电压的各分量间的关系来选择在脉宽调制周期的每个部分中使用的开关对。可以以提供单向电流、双向电流并且有或没有正反馈的DC矩阵变换器来实现本发明。

根据对附图中所说明的本发明的示例性实施例的以下详细描述，本发明的其他目的、特征和优点会变得更加清楚。

附图简介

图1是采用按照本发明控制的DC矩阵变换器的电梯***的简要框图。

图2是可按照本发明控制的共射极、DC矩阵变换器的示意图。

图3是包括有关本发明的电流向量的表示的AC电源电压的曲线图。

图4是说明本发明的原理的空间向量图。

图5和6是说明在一个周期的各个分区中、本发明的各种参数的示意图。

图7是说明用于按照本发明控制DC矩阵的不等式的空间向量图。

图8是按照本发明、用于确定接通持续时间的示例性程序的简化逻辑流程图。

图9-12是说明可以在其中操作各种开关的周期的各分区的示意图。

图13是非零向量开关选择程序的逻辑流程图(简化的示例)。

图14是说明用于选择零向量的不等式的空间向量图。

图15是示例性的零向量开关选择程序的简化逻辑流程图。

图16是说明本发明原理的、在共相位基础上的一系列波形。

实现本发明的最佳方式

参照图1，DC矩阵变换器18向DC电动机19提供电流，在此实施例中DC电动机19以机械方式连接到滑轮20，滑轮通过绳索21连接电梯车厢22和平衡块23。DC矩阵变换器18选择性地把各对三相AC电力线a、b、c直接连接到变换器的输出端j、k。电压可能在j端为正而在k端为负并且常规正向电流从j端流到k端、例如当电梯携带重负载被向上驱动时，或者k端可能为正而j端为负并且常规正向电流从k流向j、例如当电梯携带轻负载被向下驱动时；这称为“电动机驱动”。无论何时电梯带轻负载向上移动、带重负载向下移动、或者减速，实际上滑动20驱动电动机19，使得电动机19起到发电机的作用。在这种情况下，流过电动机19的正向电流的极性与j、k端的电压极性相反；这称为“再生”。DC矩阵变换器18会根据提供给图1的DC矩阵变换器控制器的速度命令的大小和方向、以及电动机19工作在电动机驱动方式下还是再生方式下来适当地连接各开关。

在此处的实例中，最终会导致DC矩阵变换器以所需方式驱动电动机19的这些命令是由常规电梯运转控制器(未示出)提供的，后者通过线路30向加法器31提供速度命令，加法器31减去由常规位置与速度转换电路33响应来自与滑轮20(或电动机19、随情况而定)耦合的适当常规编码器(未示出)的线路34上的信号而经线路32提供的实际速度。电路33经线路37的位置输出被反馈给运转控制器以便确定使电梯以想要的方式移动所必需的命令的连续性，这些是本领域中众所周知的并且不构成本发明的部分。经信号线40把加法器31的输出提供给常规速度误差比例与积分增益电路41，后者经线路42的输出包括馈送到加法器43的电流命令I^*。加法器43减去从常规电流检测器45得到的线路44上的实际电动机电流、以便经线路46提供电流误差信号。在电路51中以常规比例与积分增益来处理电流误差信号，电路51的经线路52的输出包含电压命令V^*。

按照本发明，电压命令的幅值与输入的AC供电电压向量在固定dg坐标中的幅值之比决定调制指数m^*，后者用于确定在AC输入电力线上电压的脉宽调制期间接通的持续时间，以便得到用于加在负载如电动机19上的所需DC电压。

AC电力线a、b、c上的电压馈送到常规固定三相至固定dq坐标转换电路56以提供输出Vd、Vq，后者如已知的、在正交坐标中定义AC电源的三相输入电压。AC电源在线路57上的幅值V只不过是在常规单元58中实现的Vd、Vq的平方和的平方根。正交幅值Vd、Vq还馈送到常规锁相环63，后者经线路65和66的输出分别是反映sinθ和cosθ的信号。这些信号加在电路68上，后者把同步dq坐标中的调制指数m^*转换成所需的固定dq坐标中的调制指数分量mq、md。mq和md信号经线路71、72馈送到持续时间与选择功能块73，后者确定所选择的开关对或组应被接通的持续时间，并且选择在任何给定时刻要接通的开关对或组，以执行必要的脉宽调制，以便在DC矩阵变换器18的输出端j、k合成所需的DC电压。下面更全面地描述功能块73。指示接通的持续时间和所选的要接通的开关对的各信号经干线77提供给定时电路78，后者实际上对脉冲进行实时计数、以便通过经12线的干线79向DC矩阵变换器18提供接通门电路来实现所需的持续时间。定时电路按照常规换向方法接通和断开各开关，使得每个输出端总是连接在AC电力线上，没有断路间隙，以便满足已知的电流连续性约束条件。在1992年1月的IEEETrans.Power Elec.，Holmes与Lipo的“用AC-AC矩阵变换器理论实现可控整流器”中给出了一个换向的实例。

尽管图1中未示出，但是本发明的DC矩阵变换器需要跨AC输入端的线间电容以支持下文所述的开关换向。这些电容连同串联的电感器可包括在输入滤波器82内。类似地，DC矩阵变换器最好具有包括串联电感和并联电容的输出滤波器83，在前述申请中示出了这两种滤波器。

图2中说明DC矩阵变换器18的一个实施例。对于AC电力线a、b、c中的每一相，有图2上部的两个功率晶体管开关和图2下部的两个开关。图2上部的一个开关，at+、bt+、ct+会通过j端把来自相应的一条AC电力线的电流导向电动机19，而相应的下部开关ab+、bb+、cb+中的一个会把来自电动机19的电流导向相应的AC电力线。这里为了说明，假定从j端向下经过电动机19到k端的电流为正向电流。对于反向电流，反向下部开关ab-、bb-、cb-中的一个会把来自相应的一条AC电力线的电流经过k端、电动机19导向j端，并且上部反向开关at-、bt-、ct-中的一个会把来自j端的电流导向相应的一条AC电力线。

DC矩阵变换器的一般工作特性示于图3中。其中，画出AC电力线的正弦波电压Va、Vb、Vc对时间的曲线图。图3中还画出通过图2中导通功率晶体管开关at+、bt+…cb-的不同组合得出的多个不同电流向量i1、i2…i6。这些表示成从负电压到正电压延伸的垂直箭头。与每个垂直箭头相联系的是带有括号中的同样名称的水平箭头，它表示每个周期的一部分，在这部分中可以变换相应的电流向量(在以下实例中每周期大约五十五次)、以便无论何时输入命令为正(m^*＞0)就在输出端产生正电压(Vj＞Vk)。在每个实例中，箭头的上部被指定为流经标有a、b或c的开关的电流，符号At表示：或者晶体管at+或者晶体管at-会在取决于如前述的电流是正向还是反向的特定时间导通。类似地，对于电流向量i1，符号Cb表示晶体管cb+、cb-之一会根据电流是正向还是反向而分别导通。因此，通过分别把c相的AC电力线和a相的AC电力线连接到矩阵的k和j端，得到电流向量i1(如下文所述，它为正向或反向)。电流向量i1可存在于从Vc＝0的点到Va＝0的点之间的时间内。

指令的用于DC矩阵变换器的调制指数m^*被转换成dq坐标中的如下固定空间坐标：

md＝m^*sinθ

mq＝m^*cosθ          0＜θ＜2π其中θ＝0对应于同步空间坐标中的AC电力线电压的q轴(图1中的63-68)。

电流i1-i6是在输出端产生非零电压(Vj不等于Vk)的唯一可能，可通过一次选择操作图2中的开关中的两个来获得这些电流。例如，如果同时操作图2中的开关at+与开关bb+，会产生如图3中所示的电流i6。如果同时操作at+和cb+，会产生图3的电流i1。如果同时操作at+与ab+，由于在输出端未产生不同电压(Vj＝Vk)，这里被定义为零向量的电流通过at+与ab+开关循环，使j、k端短路。DC电压的合成是通过在相对AC电源的频率来说非常高、如10KHz的频率下(由此得到短调制周期如100μs)的脉宽调制来实现的。在每个100μs调制周期内，第一对开关(如At、Bb)会在调制周期的某一段(定义为“占空比”和“持续时间”)中导通，第二对开关(如At、Cb)会在该调制周期的某一段内导通，而且由涉及同一相位的一组开关形成的零向量，如Bt、Bb会在剩余的时段中导通以提供零向量，如下所述。

参照图4，说明控制DC矩阵变换器的方法的空间向量图包括如前述的、通过使所选择的开关对导通而产生的每个电流向量1i-i6。电流向量i1-i6是分开六个相位分区s＝0、…S＝5的界线。每条界线是一个相位分区的滞后界线和下一个接着的相位分区的超前界线。图4中图解说明产生正输出电压情况下(m^*＞0)、调制周期内具体的转矩电流参考i^*，该转矩电流参考存在于可利用i6和可利用i1的时间中的某点上。这被定义为零相位分区(s＝0)。还示出由此而得到的调制指数m^*和相关量md、mq。对于图4中描述的调制周期，定义为Iα的超前电流向量(或界线)是电流向量i6，而定义为Iβ的滞后电流向量(或界线)是电流向量i1。为了接近参考向量i^*，对于相应的电流向量Iα、Iβ，各对开关接通的占空比或持续时间dα、dβ与参考向量和相应的超前和滞后电流向量Iα、Iβ之间的角度的正弦值成正比。在每个分区中采用的占空比由以下等式给出：

dα＝m^*sin(π/3-φ)  dβ＝m^*sin(φ)    0＜φ＜π/3

                       d0＝1-dα-dβ

其中φ＝0和φ＝π/3分别对应于α向量和β向量的角位置。

此外，按照本发明，为了确定开关次数，在如下每个分区中利用三角形的角-和关系、以dq量来表示上述调制函数。使用上述等式和φ＝π/6+θ-sπ/3的事实，其中s是图4中的分区，对于0＜s＜5，可以表示出

dα＝m^*sin[π/3-(π/6+θ-sπ/3)]＝m^*sin(π/6+sπ/3-θ)

   ＝m^*sin(π/6+sπ/3)cosθ-m^*cos(π/6+sπ/3)sinθ

   ＝sin(π/6+sπ/3)mq-cos(π/6+sπ/3)md

以及

dβ＝m^*sin(π/6+θ-sπ/3)＝m^*sin(π/6-sπ/3+θ)

   ＝m^*sin(π/6-sπ/3)cosθ+m^*cos(π/6-sπ/3)sinθ

   ＝sin(π/6-sπ/3)mq+cos(π/6-sπ/3)md

供参考，对于每个分区s＝0到s＝5，在下表中给出以上等式中的正弦和余弦系数值。

如果这样定义以下各量： $m1=\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{md}-\frac{1}{2}\mathrm{mq}$ $m2=\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{md}+\frac{1}{2}\mathrm{mq}$

则调制函数(α和β占空比)在每个分区中通过下表中给出的量来确定：

s	dα	dβ
			0	-m1	m2
1	mq	m1
			2	m2	-mq
3	m1	-m2
			4	-mq	-m1
5	-m2	mq

这在图5和6的空间向量图中说明。因此，仅仅由量mq、m1和m2来确定对于两个向量dα和dβ的占空度，这可在数字信号处理器上用前述的等式来容易地计算，如图8中的步骤101-104所示。

在分区开始处的调制周期期间，用于α向量的开关时间很大，而用于β向量的开关时间很小。在分区的中间，用于α向量的开关时间等于用于β向量的开关时间。接近分区的末端，用于β向量的接通时间很大而用于α向量的接通时间很小。在每个调制周期的其余部分中，d0＝1-dα-dβ(用于零向量的持续时间)，这样接通涉及同一AC电力线的一对开关、如Bt、Bb、以便提供零向量，由此在利用最少的开关换向次数的同时调整输出电压的幅度。图9中示出不同的上部开关为了传导向量α而接通的时间，而图10中示出各上部开关为了传导向量β而接通的时间。图11中示出不同的下部开关为了传导向量α而接通的时间，而图12中示出各下部开关为了传导向量β而接通的时间。何时加上每个量(mq，m1，m2)以AC电源输入电压向量所在分区的确定为条件，这种确定是通过不等式测试以及测试m^*是正是负来完成的。图7中示出对于m^*＞0、定义分区界线的不等式。这里，Vd和Vq指的是在固定坐标中的输入AC电源电压(图1，56)。对于负命令(m^*＞0)，电流向量I^*被从图4中所示处偏移π弧度。下列表格表示用于选择上下α和β开关的量。

	m*＞0     m*＜0
		上部开关	Vd′＝Vd   Vd′＝-VdVq′＝Vq   Vq′＝-Vq
下部开关	Vd′＝-Vd  Vd′＝VdVq′＝-Vq  Vq′＝Vq

因而，在测试不等式之前，测试107和步骤108-111关于m^*的符号来适当地定义Vd′和Vq′。从图6中可见，在由以下不等式定义的分区0和3中|dβ|＝m2： $[\mathrm{Vd}>-\mathrm{Vq}/\sqrt{3}\&cap;\mathrm{Vd}<\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]\&cup;[\mathrm{Vd}<-\mathrm{Vq}/\sqrt{3}\&cap;\mathrm{Vd}>\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]$ $\left[\right|\mathrm{Vd}|<\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]\&cup;\left[\right|\mathrm{Vd}|<-\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]$ $\left|\mathrm{Vd}\sqrt{3}\right|<\left|\mathrm{Vq}\right|$

如图8的测试115中所示，这在数字信号处理器上是容易测试的。类似地，在由下列不等式定义的分区1和4中|dβ|＝m1： $[\mathrm{Vq}<0\&cap;\mathrm{Vd}<\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]\&cup;[\mathrm{Vq}>0\&cap;\mathrm{Vd}>\mathrm{Vq}/\sqrt{3}]$ $[\mathrm{VdVq}>{\mathrm{Vq}}^2/\sqrt{3}]\&cup;[\mathrm{VdVq}>{\mathrm{Vq}}^2/\sqrt{3}]$ $\mathrm{VdVq}\sqrt{3}>{\mathrm{Vq}}^2$ 这在图8的测试116中确定。

剩余的分区2和5(其中|dβ|＝mq)是通过排除处理(图8中测试115和116的否定结果)来确定的。通过在图8的测试117-119中测试Vq的正负号来确定dβ的正负号；即如果Vq＜0则dβ＝-dβ，如图8的步骤120-122中所示。

通过注意到图5中占空比dα相对于图6中的dβ偏移了2π/3弧度可以容易地得出占空比dα。因此，通过在测试上述不等式时利用下列替换，dα的确定与上述的赋值是一致的： ${\mathrm{Vd}}^{\&prime;\&prime;}=-\frac{1}{2}{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}$ ${\mathrm{Vq}}^{\&prime;\&prime;}=-\frac{1}{2}{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}$

这是通过做出替换的步骤123和124(图8)、以及重复步骤和测试115-122等的步骤和测试125而得到的。

一旦为α和β向量确定接通时间，必需确定要接通哪个开关以按照图4产生向量。这是具有两个步骤的处理：确定用于非零向量的开关、接着为零向量指定开关。

按照电压向量所在区域来确定上述占空比或持续时间所用于的相位(即开关)。例如，图9和10中示出对于α向量和β向量指定DC矩阵变换器中的上部电源开关。如果向量位于标有Bt的分区之一中，则指定开关Bt。参照图10，对于开关Bt，可以共同地通过测试以下不等式识别分区s＝1或s＝2(测试130，图13)： $[{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}>-{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}/\sqrt{3}]\&cap;[{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}>{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}/\sqrt{3}]$ ${\mathrm{Vd}}^{\&prime;}\sqrt{3}>\left|{\mathrm{Vq}}^{\&prime;}\right|$ 为β向量指定的其余上部开关是在排除分区1和2之后、通过测试如图7中所示的Vq的正负号来确定的；如果Vq’＞0(测试131，肯定)，则分区是0或5并且上部β开关是At；如果Vq＜0(测试131，否定)，则分区是3或4，而上部β开关是Ct。

通过在图9中留意到相对于图10中关于β向量的上部开关指定的π/3弧度的相移，容易得到关于α向量的上部开关指定。由此，如果首先做出下列替换，则关于α向量的上部开关的确定与上述指定一致(图13的步骤135、136)： ${\mathrm{Vd}}^{\text{'}}=1/2{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}-\sqrt{3}{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}/2$ ${\mathrm{Vq}}^{\text{'}}=-1/2{\mathrm{Vq}}^{\text{'}}+\sqrt{3}{\mathrm{Vd}}^{\text{'}}/2$ 这些指定在图13的测试与步骤138中示出。

关于α向量和β向量的下部开关指定的确定，除了关于两组的指定之间有π弧度的相移之外，与以上所述一致。因此，当使用下列替换时，所述确定与上述的一致(图13的步骤140、141)：

Vd″＝-Vd″

Vq″＝-Vq″在图13的步骤和测试143中作出这些选择。

如以上所描述的，零向量i0定义为输出端j、k由一组同相开关At，Ab；Bt，Bb；Ct，Cb短路。选择哪一组开关用于表示零向量影响共模输出电压。每个向量i1-i6的施加导致每个输出端j、k连接到AC电源电压Va、Vb或Vc之一。加在负载VD两端的电压差是输出相电压之差Vj-Vk，而参考所述***中性线的共模电压VCM等于两个输出线电压之和除以输出相位的数量，即(Vj+Vk)/2。下表中给出由每个向量产生的所得差值和共模电压：

向量	i0	i0	i0
				开关	At，Ab	Bt，Bb	Ct，Cb
Vj	VA	VB	VC

Vk	VA	VB	VC
				VD	0	0	0
VCM	VA	VB	VC

由于线电压Va、Vb和Vc是正弦的，所以可容易地计算在一个AC周期中、由非零向量i1至i6得出的峰值共模电压，如下计算：

其中VLL是rms线间电压，而ωt是以弧度表示的AC相角。相反，在相同周期中由零向量得到的峰值共模电压是：

因此，不加选择的使用零向量产生峰值共模电压是关于非零向量的二倍。

但是，能以这样的方法来选择零向量、以便减小峰值共模电压。例如，如果零向量(At，Ab)的使用限于这样的周期：

其中ωt＝0对应于线电压Va的峰值，最大共模电压由下式给定：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}<\mathrm{\&omega;t}\&le;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}$ 或者 $\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3}<\mathrm{\&omega;t}\&le;\frac{5\mathrm{\&pi;}}{3}$ 这等价于

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}<\mathrm{\&omega;t}\&le;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}$ 或者 $\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3}<\mathrm{\&omega;t}\&le;\frac{5\mathrm{\&pi;}}{3}$ 所以，通过限制零向量在AC周期中的使用，把由此零向量产生的峰值共模电压减小了一半。为了实现对整个AC周期的这种缩减因数，对其他零向量设置同样的限制。将此总结于下表中，并且在图14中图解说明。

零向量	允许的施加周期
		(At，Ab)	π/3＜ωt＜2π/3和4π/3＜ωt＜5π/3

(Bt，Bb)	0＜ωt＜π/3和π＜ωt＜4π/3
		(Ct，Cb)	2π/3＜ωt＜π和5π/3＜ωt＜0

确定用于零向量的开关组，表示为SW0，这适用于DC矩阵变换器中上部和下部的各组开关。确定电压向量位于哪个分区是由不等式测试来完成的。定义分区界线的不等式示于图14中。其中SW0＝A的这些分区是由以下不等式(图15的测试139的肯定结果)来定义的： $[\mathrm{Vd}>-\mathrm{Vq}\sqrt{3}\&cap;\mathrm{Vd}>\mathrm{Vq}\sqrt{3}]\&cup;[\mathrm{Vd}<-\mathrm{Vq}\sqrt{3}\&cap;\mathrm{Vd}<\mathrm{Vq}\sqrt{3}]$ $[\mathrm{Vd}>|\mathrm{Vq}\sqrt{3}\left|\right]\&cup;[-\mathrm{Vd}>|\mathrm{Vq}\sqrt{3}\left|\right]$ $\left|\mathrm{Vd}\right|>\left|\mathrm{Vq}\sqrt{3}\right|$ 类似地，SW0＝B是通过测试下列不等式(图15的测试140的肯定结果)来识别的： $[\mathrm{Vd}>0\&cap;\mathrm{Vd}<\mathrm{Vq}\sqrt{3}]\&cup;[\mathrm{Vd}<0\&cap;\mathrm{Vd}>\mathrm{Vq}\sqrt{3}]$ $[{\mathrm{Vd}}^2<\mathrm{VdVq}\sqrt{3}]\&cup;[V{d}^2<\mathrm{VdVq}\sqrt{3}]$ ${\mathrm{Vd}}^2<\mathrm{VdVq}\sqrt{3}$ SW0＝C是通过排除法(图15的测试140的否定结果)而确定的。

如果需要，通过留意与设置占空比的算法的类似性可以简化程序，只要做出以下替换：

Vd＝Vq

Vq＝Vd

参照图14和15在前文描述的零向量开关选择已在与此文同时提交的序列号为(OT-4208)的共有的共同未决的美国专利申请中公开并要求其专利权。

在每个调制周期内，用于α向量、β向量以及零向量的各对和各组开关的操作顺序是无关紧要的。因此次序可以是α、β、零；β、α、零；β、零、α；或者任何其他次序。在AC电力线之一与输出端之一之间导电的开关从不断开、直至另一开关接通以使AC电力线到该端导通，在这样的限制条件下，图4(连同图9-12和14)中所示的开关对(α和β)与组(零向量)的关系表明，通过实施本发明，使开关换向最小化。例如，当α向量为i6时，接通开关At将其作为α向量的一部分(包括相位分区s＝0的超前界线)，并且在每个调制周期的β部分期间，保持接通作为用于电流向量i1的开关对的一部分。另一方面，在相位分区s＝0中的每个调制周期内，开关At可首先接通作为电流向量i1的一部分并且保持接通作为电流向量i6的一部分。并且即使在一个调制周期中，在α开关对与β开关对之间操作零向量开关组，例如At开关可以在一个调制周期结尾的i6期间接通，并且在下一个接着的调制周期的开头的i1期间保持接通。因此，在任何情况下，两个开关在每个调制周期仅接通一次，与此前已知的先有技术的任何方案中、每个调制周期三个开关接通的情况大不相同。因此，在形成非零向量的过程中、开关所用的换向次数减少了三分之一。对于零向量换向存在同样的关系。

因此，由图4中所示的空间向量图中表示的、本发明的空间向量方法所提供的减少换向的好处可以与所述序列号为(OT-4208)的共同未决的申请中说明的、通过缩减允许的零向量施加周期来实现降低的共模电压而提供的、对共模磁元件的降低的要求相结合。下表中给出对于m^*＞0、所有允许的向量的组合策略。

分区	向量Iα	向量Iβ	角度	电压关系	零向量
						0	i6(A1，B2)	i1(A1，C2)	330-360	VA＞VC＞VB	(C1，C2)
0-30	VA＞VB＞VC	(B1，B2)
			1	i1(A1，C2)	i2(B1，C2)				30-60
60-90						VB＞VA＞VC	(A1，A2)
	2	i2(B1，C2)						i3(B1，A2)	90-120
120-150			VB＞VC＞VA	(C1，C2)
					3	i3(B1，A2)	i4(C1，A2)		150-180
180-210	VC＞VB＞VA	(B1，B2)
			4	i4(C1，A2)				i5(C1，B2)	210-240
240-270					VC＞VA＞VB	(A1，A2)
	5	i5(C1，B2)					i6(A1，B2)		270-300
300-330			VA＞VC＞VB	(C1，C2)

参照图4，在分区0中的小相角φ处，在每个脉宽调制周期内，关于α向量I6，开关At(连同开关Bb)通相对较长的时间，而关于β向量I1，它接通相对较短的时间(连同开关Cb)。在零分区中的大相角φ处，出现相反的情况。对于同时涉及α向量和β向量的部分，开关At保持持续地接通。在分区0的中心，At开关保持接通的时间最大，产生图16(a)的占空度波形。图16(b)表示对于开关at、bt和ct的示例性的一组接通时间，而图16(c)说明将会产生的(未滤波的、理想的)瞬时DC输出电压。

执行计算的次序(图8、13和15)与本发明不相干。当然，在每个调制周期中能操作该对或该组开关之前，开关选择(每一对或组)以及每对或每组的持续时间必须是已知的。在定时电路78内的选择和持续时间信息的使用是常规的，基本上与AC-AC矩阵变换器中使用的相同。

已经在实施例中描述了本发明，在该实施例中，有12个开关at+、at-、…cb+、cb-，以便适应直接与再生的负载。但是，本发明也可以在驱动单向无再生的负载的DC矩阵变换器中使用，例如用于驱动电动工具或者其他应用场合。

已经说明本发明可以利用n型、穿通、绝缘栅双极晶体管电力开关来实现。但是，本发明可以用p型晶体管、或者用连接成反并联的非穿通的、绝缘栅双极晶体管来实现。

前述专利申请和文章通过引用合并于此。

Claims (9)

1.一种通过DC矩阵变换器控制DC负载与一组三相AC电力线之间的电流的方法，所述DC矩阵变换器包括：每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第一个DC输出端之间的多个上部开关；以及每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第二DC输出端之间的多个下部开关，所述方法包括：

以这样的方式操作所述开关、使得每个开关在***作而把所述AC电力线中相应一根连接到所述DC输出端的相关的特定的一个时、保持工作直至另一个开关已工作而把所述AC电力线之一连接到所述特定DC输出端，并且使得所述上部开关之一与所述下部开关之一被同时操作，所述开关被成对操作，每对包括与一根AC电力线相关的上部开关和与所述那根AC电力线不同的AC电力线相关的下部开关，并且所述开关还被成组操作，每组包括与同一AC电力线相关的上部开关和下部开关；

提供电压命令信号V^*，后者表示由所述DC输出端提供给所述负载的电压；

提供调制命令m^*，后者是所述电压命令信号V^*与固定d、q座标中所述AC电力线的电压的瞬时幅度V之比；以及

提供同相调制命令分量mq＝m^*cosθ和正交调制命令分量md＝m^*sin θ；

提供量 $m1=\sqrt{3}\mathrm{md}/2-\mathrm{mq}/2;$

提供量 $m2=\sqrt{3}\mathrm{md}/2+\mathrm{mq}/2;$

提供与所述AC电压线中给定的一根的相位一致的瞬时AC电力线电压在正交座标中的同相分量Vq和正交分量Vd，以及

当

时，如果Vq＞0则提供第一部分dα＝-m1而如果Vq＜0则提供dα＝-m1，并且如果Vq＞0则提供第二部分dβ＝m2而如果Vq＜0则提供dβ＝-m2；

当 时，如果Vq＞0则提供所述第一部分d α＝-m2而如果Vq＜0则提供dα＝m2，并且如果Vq＞0则提供所述第二部分dβ＝mq而如果Vq＜0则提供dβ＝-mq，以及

当既非 、也非 时，如果Vq＞0则提供所述第一部分dα＝mq而如果Vq＜0则提供dα＝-mq，并且如果Vq＞0则提供所述第二部分dβ＝-m1而如果Vq＜0则提供dβ＝-m1，以及

在与所述AC电源电压的周期相比要小些的调制周期的连续序列的每个周期中，在所述周期的所述第一部分dα期间操作所述开关中的第一对开关，在所述周期的所述第二部分dβ期间操作所述开关中的第二对开关，并且在所述周期的其余部分期间操作一组开关。

2.权利要求1的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述第一部分时间先于所述第二部分时间。

3.权利要求1的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述周期的所述其余部分跟在所述第一和第二部分时间之后。

4.一种通过DC矩阵变换器控制DC负载与一组三相AC电力线之间的电流的方法，所述DC矩阵变换器包括：每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第一个DC输出端之间的多个上部开关；以及每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第二DC输出端之间的多个下部开关，所述方法包括：

以这样的方式操作所述开关、使得每个开关在***作而把所述AC电力线中相应一根连接到所述DC输出端的相关的特定的一个时、保持工作直至另一个开关已工作而把所述AC电力线之一连接到所述特定DC输出端，并且使得所述上部开关之一与所述下部开关之一被同时操作，所述开关被成对操作，每对包括与一根AC电力线相关的上部开关和与所述那根AC电力线不同的AC电力线相关的下部开关，并且所述开关还被成组操作，每组包括与同一AC电力线相关的上部开关和下部开关；

在与所述AC电源电压的周期相比要小些的调制周期的连续序列的每个周期中，在所述周期的所述第一部分dα期间操作所述开关中的第一对开关，在所述周期的所述第二部分dβ期间操作所述开关中的第二对开关，并且在所述周期的其余部分期间操作一组开关。

其特征在于改进之处包括：

提供与所述AC电压线中给定一根的相位一致的瞬时AC电力线电压在正交座标中的同相分量Vq和正交分量Vd；

如果

，则所述第一对开关包括连接至在相位上提前于所述AC电力线的给定的一根的第三AC电力线的上部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＞0，则所述第一对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的上部开关，但如果也并非如此，则所述第一对开关包括连接到相位上紧随所述AC电力线的所述给定的一根之后的第二AC电力线的上部开关；

如果 ，则所述第一对开关包括连接至所述第三AC电力线的下部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＜0，则所述第一对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的下部开关、但如果也并非如此，则所述第一对开关包括连接到所述第二AC电力线的下部开关；

如果 ，则所述第二对开关包括连接至所述第二AC电力线的上部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＞0，则所述第二对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的上部开关、但如果也并非如此，则所述第二对开关包括连接到所述第三AC电力线的上部开关；以及

如果

，则所述第二对开关包括连接至所述第二电力线的下部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＜0，则所述第二对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的下部开关、但如果也并非如此，则所述第二对开关包括连接到所述第三AC电力线的下部开关。

5.权利要求4的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述第一部分时间先于所述第二部分时间。

6.权利要求4的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述周期的所述其余部分跟在所述第一和第二部分的时间之后。

7.一种通过DC矩阵变换器控制DC负载与一组三相AC电力线之间的电流的方法，所述DC矩阵变换器包括：每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第一个DC输出端之间的多个上部开关；以及每个连接在所述AC电力线中相应的一根与所述DC矩阵变换器的第二DC输出端之间的多个下部开关，所述方法包括：

以这样的方式操作所述开关、使得每个开关在***作而把所述AC电力线中相应一根连接到所述DC输出端的相关的特定的一个时、保持工作直至另一个开关已工作而把所述AC电力线之一连接到所述特定DC输出端，并且使得所述上部开关之一与所述下部开关之一被同时操作，所述开关被成对操作，每对包括与一根AC电力线相关的上部开关和与所述那根AC电力线不同的AC电力线相关的下部开关，并且所述开关还被成组操作，每组包括与同一AC电力线相关的上部开关和下部开关；

提供电压命令信号V^*，后者表示由所述DC输出端提供给所述负载的电压；

提供调制命令m^*，后者是所述电压命令信号V^*与固定d、q座标中所述AC电力线的电压的瞬时幅度V之比；以及

提供同相调制命令分量mq＝m^*cosθ和正交调制命令分量md＝m^*sin θ；

提供量 $m1=\sqrt{3}\mathrm{md}/2-\mathrm{mq}/2;$

提供量 $m2=\sqrt{3}\mathrm{md}/2+\mathrm{mq}/2;$

提供与所述AC电压线中给定一根的相位一致的瞬时AC电力线电压在正交座标中的同相分量Vq和正交分量Vd，以及

当

时，如果Vq＞0则提供所述第一部分dα＝-m1而如果Vq＜0则提供dα＝-m1，并且如果Vq＞0则提供所述第二部分dβ＝m2而如果Vq＜0则提供dβ＝-m2；

当 时，如果Vq＞0则提供所述第一部分dα＝-m2而如果Vq＜0则提供dα＝m2，并且如果Vq＞0则提供所述第二部分dβ＝mq而如果Vq＜0则提供dβ＝-mq，以及

当既非

、也非Vd 时，如果Vq＞0则提供所述第一部分dα＝mq而如果Vq＜0则提供dα＝-mq，并且如果Vq＞0则提供所述第二部分dβ＝m1而如果Vq＜0则提供dβ＝-m1，以及

在与所述AC电源电压的周期相比要小些的调制周期的连续序列的每个周期中，在所述周期的所述第一部分dα期间操作所述开关中的第一对开关，在所述周期的所述第二部分dβ期间操作所述开关中的第二对开关，并且在所述周期的其余部分期间操作一组开关；

所述方法还包括：

如果

，则所述第一对开关包括连接至在相位上提前于所述AC电力线的给定的一根的第三AC电力线的上部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＞0，则所述第一对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的上部开关，但如果也并非如此，则所述第一对开关包括连接到相位上紧随所述AC电力线中所述给定的一根之后的第二AC电力线的上部开关；

如果 ，则所述第一对开关包括连接至所述第三AC电力线的下部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＜0，则所述第一对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的下部开关、但如果也并非如此，则所述第一对开关包括连接到所述第二AC电力线的下部开关；

如果

，则所述第二对开关包括连接至所述第二AC电力线的上部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＞0，则所述第二对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的上部开关、但如果也并非如此，则所述第二对开关包括连接到所述第三AC电力线的上部开关；以及

如果 ，则所述第二对开关包括连接至所述第二电力线的下部开关，但若并非如此，那么，如果Vq＜0，则所述第二对开关包括连接到所述AC电力线中所述给定的一根的下部开关、但如果也并非如此，则所述第二对开关包括连接到所述第三AC电力线的下部开关。

8.权利要求7的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述第一部分时间先于所述第二部分时间。

9.权利要求7的方法，其特征在于：在所述调制周期内、所述周期的所述其余部分跟在所述第一和第二部分的时间之后。

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