交-交矩阵变换器控制策略及提高电压传输比研究

摘要

本文以“交-交矩阵变换器控制策略及提高电压传输比研究”为主题，研究了矩阵变换器的基本原理、优点及空间矢量调制策略的可行性；分析了双电压合成控制策略的特点、基本算法与规律；研制了基于DSP的样机系统，开发了基于空间矢量调制策略的矩阵变换器控制软件；建立了矩阵变换器的等效电路模型；提出了提高电压传输比的新型调制策略。主要内容如下： 从矩阵变换器的工作原理出发，推导出电压传输比的公式，指出在常规调制情况下，最大为0.866；使用MATLAB/SIMULINK建立了矩阵变换器的两种仿真模型：简化仿真模型和复杂仿真模型。简化仿真模型将双向开关视为理想开关，仿真速度较快，用来验证控制算法的合理性；复杂仿真模型设计了四步换流策略,考虑了实际开关器件的特性，基本上和实际系统一致，可模拟实际的矩阵变换器工作。 对双电压控制策略进行了详细的分析；在分析合成输出线电压和输入线电流局部平均值的基础上，得出了相应的定理和推论，并深入分析了该调制策略对输出线电压的自动调整规律；根据原点开关的概念，对算法进行了简化；最后应用MATLAB语言建立了仿真模型，分四种情况进行了仿真研究，验证了该调制策略的可行性和自动调节性；进一步针对输入电源异常的各种情况进行了仿真研究，得出了输入电源异常对输入线电流影响的规律，基于输入电压对输入电流的影响，提出了在输入端采取滤波措施来抑制谐波的方法。 利用VHDL语言对矩阵变换器的四步换流技术进行了程序设计，借助MAXPLUSⅡ10.2集成开发环境和MAX7000进行了程序测试，仿真验证了四步换流的正确性；阐述了矩阵变换器的硬件设计过程；按照空间矢量调制算法，应用DSP2000汇编语言开发了控制软件，再配合可编程逻辑器件成功地将四步换流策略应用于矩阵变换器的换流过程；给出了矩阵变换器的控制系统框图；实验验证了软件设计的有效性和空间矢量调制策略的可行性及硬件制作方案的正确性，为今后扩充硬件电路和软件功能打下了良好的基础。 把三相-三相矩阵变换器分成五个部分，基于Venturini直接变换法分别应用PARK变换技术求出相应的等效电路，然后综合成矩阵变换器线性定常电路模型；运用线性系统的分析方法得出输入功率因数、输出电压增益、输入电流、输入有功功率、无功功率的数学模型；仿真验证了PARK变换在矩阵变换器研究中的可行性；为研究矩阵变换器的特性和其它调制策略的矩阵变换器等效电路模型奠定了基础；得出重要结论：要提高电压传输比，又要保证输入电流或输出电压为正弦，必须从调制策略上进行改进。 简述了矩阵变换器电压传输比研究的现状和必要性，针对常规调制策略电压传输比低的问题，提出了三种新型调制策略：1、输入电流空间矢量调制与输出电压空间矢量过调制方法模式Ⅰ相结合；2、输入电流空间矢量调制与输出电压空间矢量过调制方法模式Ⅱ相结合；3、输入电流空间矢量过调制方法模式Ⅰ与输出电压空间矢量过调制方法模式Ⅰ相结合。重点对前两种新型调制策略进行了详细的分析，在此基础上，分析了第三种调制策略。针对这三种新型调制策略提出了具体的控制算法；推导出总的占空比公式；综合运用有关知识推导出虚拟逆变器的输出相电压函数式，再应用傅立叶级数理论和定积分等求出输出相电压的基波幅值，再将虚拟整流和逆变两个过程进行综合，得到总的输出线电压基波幅值，最后得出电压传输比公式。经理论计算，前两种新型调制策略的电压传输比可分别达到0.91、0.955，第三种的电压传输比在每个扇区是周期性时变的，最大为1.05。绘出了电压传输比的变化曲线、曲面图，对确定和分析提高电压传输比的调制策略具有参考价值；曲面图表明可以通过输入功率因数角与过调制系数的联合控制，提高电压传输比。最后利用MATLAB语言编制控制算法程序，对三种调制策略分别进行了仿真实验。结果表明：这三种调制策略是可行的，可以有效提高电压传输比，但增加了谐波污染，且随着过调制度的增大，谐波含量有所增加。为了改善输入电流和输出电压的波形需要采取滤波措施。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1交-交矩阵变换器的研究目的与意义

1.2交-交矩阵变换器的研究现状

1.2.1交-交矩阵变换器研究概况与特点

1.2.2交-交矩阵变换器的国外研究状况

1.2.3交-交矩阵变换器的国内研究状况

1.2.4交-交矩阵变换器的电压传输比研究现状与意义

1.3论文的研究内容与结构

第二章基于空间矢量调制的交-交矩阵变换器建模与仿真

2.1交-交矩阵变换器概述

2.1.1交-交矩阵变换器的拓扑结构

2.1.2等效交-直-交变换及其电压传输比

2.2交-交矩阵变换器的空间矢量调制

2.2.1直-交变换器的空间矢量调制

2.2.2交-直变换器的空间矢量调制

2.2.3交-交变换器的空间矢量调制

2.3交-交矩阵变换器四步换流

2.4交-交矩阵变换器系统构成与功能框图

2.5基于SIMULINK的交-交矩阵变换器仿真建模

2.5.1建模工具的选用

2.5.2仿真模型和实际系统的相似性

2.5.3简化仿真模型的建立

2.5.4仿真实例

2.5.5复杂仿真模型的建立

2.6 小结

第三章交-交矩阵变换器双电压控制策略

3.1概述

3.2矩阵变换器的双电压控制原理

3.2.1电压扇区的划分

3.2.2输出线电压局部平均值的合成

3.2.3输入线电流局部平均值的合成

3.2.4有关定理与推论

3.3输出线电压的开关PWM过程

3.4仿真分析

3.5 小结

第四章交-交矩阵变换器的实验装置研制

4.1交-交矩阵变换器的基本工作原理

4.2系统的硬件

4.3四步换流的实现

4.3.1四步换流的芯片与控制原理

4.3.2四步换流的仿真实现

4.3.3与换流有关的两个问题

4.4系统的软件设计

4.5实验

4.6 小结

第五章交-交矩阵变换器等效电路研究

5.1概述

5.2交-交矩阵变换器PARK变换分析

5.3分析总的等效电路图

5.4实例仿真研究

5.5 小结

第六章提高电压传输比的调制策略研究

6.1概述

6.2空间矢量新型调制策略Ⅰ

6.2.1 AC-DC的输入电流空间矢量调制

6.2.2 DC-AC输出电压空间矢量过调制模式Ⅰ

6.2.3交-交变换器及其电压传输比

6.2.4仿真实验

6.3空间矢量新型调制策略Ⅱ

6.3.1输出电压空间矢量过调制模式Ⅱ

6.3.2仿真实验

6.4空间矢量新型调制策略Ⅲ

6.4.1 AC-DC输入电流空间矢量过调制模式Ⅰ

6.4.2交-交变换器及其电压传输比

6.4.3仿真实验

6.5小结

第七章总结与创新

7.1总结

7.2主要创新点

7.3展望

参考文献

附录

附录一交-交矩阵变换器实验装置图

附录二攻博期间发表的论文

附录三攻博期间主持和参与的科研项目

附录四双电压合成仿真波形

附录五基于DSP的交-交矩阵变换器的几个波形

致谢