矩阵式变换器驱动六相永磁同步电机控制研究

摘要

变频器技术在现代电力推进船舶中处于较为核心的地位，但目前应用于其中的变频器技术均存在一定缺陷。如周波变换器输出频率受到限制，普通交—直—交变换器因需要中间储能环节而功率密度低，且能量不能双向流动。矩阵式变换器作为一种新型变换技术，由于其本身拓扑结构及运行原理，有功率密度高、输入输出特性好、能够实现四象限运行等优良特性，在船舶电力推进系统中存在巨大潜力。理论上，三相——三相矩阵式变换器的最大缺陷是电压利用率不高，而采用多相电机驱动系统是解决低压大功率瓶颈的有效途径之一。本文的核心思想是将多相电机与矩阵式变换器联合，结合双方优点并弥补矩阵式变换器输入电压利用率低的缺陷。非对称六相永磁同步电机较普通三相电机具有冗余性好、可靠性高等优点，与十二相、十五相电机相比具有制造难度低，变频器控制简单等特点，总体上比较适合电力推进船舶的技术需求。开展矩阵式变换器、非对称六相永磁同步电机及二者的结合研究对于船舶电力推进系统既有学术价值也有现实意义。本文着重于矩阵式变换器双空间矢量调制策略、非对称六相永磁同步电机矢量控制、矩阵式变换器与非对称六相永磁同步电机组合控制的研究，主要进行了以下工作：
　　1）调研了电力推进船舶中变频器技术现状，分析了各项现有技术优缺点，并提出在未来电力推进船舶发展趋势下，矩阵式变换器将有广阔及广泛的使用前途的观点。同时，调研了多相永磁同步电机的研究现状以及其在电力推进船舶中的应用。
　　2）介绍了矩阵式变换器的原理、双空间矢量调制理论及其实现方法，从数学上证明了三相——三相矩阵式变换器电压使用率不能超过0.866的弊端以及功率因数可调节的优点，论证了矩阵式变换器双空间调制策略的合理性，设计了带有阻尼电阻的输入滤波器。验证了其变压变频、功率因数可调（超前，滞后，单位功率因数）等优良特性。
　　3）介绍了非对称六相永磁同步电机的结构、原理、数学方程以及其矢量控制原理，并完成了其矢量控制模型，依照某实际电机参数，进行了相关仿真实验，验证了矢量控制对转速，转矩控制的准确性与快速性。
　　4）通过移相变压器将三相——三相矩阵式变换器与非对称六相永磁同步电机进行联合，并论证了该方法下矩阵式变换器功率密度高，具有四象限运行，良好的输入输出特性以及多相永磁同步电机矢量控制对于转速与转矩控制的准确性与快速性的优点。

目录

声明

主要符号表

第1章 引 言

1.1研究背景及研究意义

1.2 国内外概况及发展趋势

1.3 研究内容及章节安排

第2章 矩阵式变换器原理及其调制策略

2.1 矩阵式变换器基本拓扑结构

2.2 矩阵式变换器控制原理

2.3 矩阵式变换器典型调制算法

2.4 矩阵式变换器双空间矢量控制原理

2.5 本章小结

第3章 矩阵式变换器的模型搭建与实验

3.1 双向开关的实现

3.2 矩阵式变换器模型搭建

3.3 输入滤波器设计

3.4 矩阵式变换器的仿真实验

3.5 本章小结

第4章 六相永磁同步电机原理与模型搭建

4.1 相带角的概念与六相永磁电机优势[41, 42]

4.2 非对称六相永磁同步电机分类与结构

4.3 非对称六相永磁同步电机数学模型[69]

4.4 双d-q变换矩阵

4.5 非对称六相永磁同步电机模型搭建

4.6 本章小结

第5章 非对称六相永磁同步电机矢量控制

5.1 矢量控制原理

5.2 六相永磁同步电机矢量控制模型

5.3 六相永磁同步电机矢量控制实验

5.4 本章小结

第6章 矩阵式变换器驱动六相永磁同步电机控制的研究

6.1 矩阵式变换器驱动六相电机拓扑结构/模型

6.2 移相变压器原理与建模

6.3 仿真实验

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文不足与后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间科研成果

附录A 矩阵式变换器调制S函数

附A1：标幺化S函数

附A2：双空间矢量调制S函数

附A3：PWM波生成S函数