基于空间矢量调制的矩阵式变换器在高压变频系统中的应用研究

摘要

矩阵变换器作为一种先进的功率变换器，具有拓扑结构简单，无中间储能环节，结构紧凑，能量双向传递、适合四象限运行、控制自由度大、输入功率因数可调，可获得正弦形的输入电流和输出电压、动态响应快、波形失真度小等众多优点，已经成为功率变换器研究的热点。
　　首先，为克服传统变换器存在的响应速度慢，功率因素低等缺点问题，本文结合卧龙集团杭州研究院有限公司WL-Hvdrive_M研发项目，提出将基于空间矢量调制的矩阵变换器应用在高压变频系统的方案。并简单介绍了其拓扑结构、控制方法，提出了目前存在的问题。
　　其次，本文以矩阵变换器的空间矢量调制作为研究重点，详细分析了虚拟等效交-直-交调制策略，得出了输出线电压与输入电压以及输出线电流与输入电流之间的数学关系，推导出矩阵变换器中的占空比表达式和开关状态的确定方法，运用互相嵌套的双空间矢量调制策略，使变换器输出线电压和输入相电流满足正弦变化。
　　在分析比较了三种换流策略之后，选择了基于电压信号检测的四步换流法来完成双向开关的安全换流，这方法简单可靠且容易实现。接着建立了矩阵变换器仿真模型，分别对三相电压源模块、电压检测模块、输入滤波器、控制策略模块以及空间矢量调制模块进行了介绍，仿真结果显示在电机启动、稳态运行以及变速时，实际速度可以跟随参考值，响应速度快。同时三相输出电流正弦变化，谐波含量少，具有优良的输入输出特性，这验证了空间矢量调制策略的有效性和正确性，为矩阵变换器应用于高压变频系统奠定了基础。
　　最后，本文设计了级联型矩阵式高压变频器硬件结构，对变频器的功率单元、移相变压器副边绕组进行了分析，为了提高矩阵变换器的可靠性和持续工作能力，对矩阵式高压变频器进行了旁路设计和工变切换设计。为了用弱电控制强电，且不产生干扰问题，在功率单元与主控系统之间选择了光纤传输，完成了连接设计和参数的确定。之后根据前面各部分的硬件控制电路，详细说明了控制软件的实现思路，设计了软件流程图。最后对级联型矩阵式高压变频器进行了现场实验，得到了实验波形，通过对变频器的各种频率下输出电压波形的观测，总结出级联矩阵式高压变频器具有谐波含量低，对电网谐波污染小，输出线电压具有正弦性等特点。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 矩阵变换器的特点和研究目的

1.3 矩阵变换器国内外研究现状和发展趋势

1.4主要研究内容

第二章 矩阵变换器的空间矢量调制策略

2.1 引言

2.2 矩阵变换器的等效交-直-交变换分析

2.3 矩阵变换器的双空间矢量调制策略

2.4 本章小结

第三章 矩阵变换器双向开关与换流策略

3.1 引言

3.2 矩阵变换器双向开关实现

3.3 矩阵变换器的换流策略

3.4 本章小结

第四章 矩阵式变换器的建模与仿真

4.1 MATLAB/Simulink简介

4.2 矩阵变换器仿真模型的建立

4.3 仿真试验

4.4 本章小结

第五章 矩阵式级联高压变频器的系统设计

5.1 引言

5.2 级联矩阵式高压变频器的硬件架构

5.3 级联矩阵式高压变频器功率单元

5.4 移相变压器副边绕组移相设计

5.5 级联矩阵式高压变频器旁路设计

5.6 级联矩阵式高压变频器光纤传输设计

5.7 矩阵变换器系统软件设计

5.8 矩阵式高压变频器实验结果分析

5.9 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1主控制器原理图

附录2矩阵式级联高压变频器实验装置

附录3攻读学位期间发表的学术论文、授权的知识产权及参加的科研项目