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(电机与电器专业论文)三相单相矩阵变换器的研究与应用.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
一一1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得金8 巴互些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字: 降甙 签字日期:劲i 年斗月弓b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些态堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。本人授权金蟹些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名: f 脬纠 i 导师签名: 立付胜 签字日霸p l k 叶肜刁日签字日期:功i 午斗月乡d 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 3 电话: 邮编: 三相单相矩阵变换器的研究与应用 摘要 矩阵变换器是一个可控半导体开关阵列,可将输入电源直接连接到输出负载,被 认为是一种有着先进拓扑的“全硅”功率变换器。 三相单相矩阵变换器能够实现三相交流电到单相交流电的变换,在以单相负载为 主的小功率场合能够提高系统效率,允许能量的双向流动,是一项具有节能、环保优 势的新技术,有着巨大的研究价值和广泛的应用前景。 本文主要对三相单相矩阵变换器展开控制策略、开关换流、开关模式等基本问题 进行分析,并在其应用上提出一点探索性尝试,从而为三相单相矩阵变换器深入研究 和应用奠定基础。 首先指出了矩阵变换器出现的意义,并对矩阵变换器进行了详细的分类,然后介 绍了三相单相矩阵变换器当前的研究热点。三相单相矩阵变换器在很多方面与常规 三相三相矩阵变换器的研究有相似之处,只有调制策略由于输出为单相而有所不同。 文中研究了三相单相矩阵变换器的各种调制策略,分析了开关模式及换流技术,且就 发现的一些问题提出了改进,并对应用了三相单相矩阵变换器的燃气轮机发电机系统 进行了分析,设计了该系统的并网运行及独立运行控制系统。 然后在理论分析的基础上,搭建了简单模型的三相单相矩阵变换器,用于各种调 制策略、开关模式及闭环控制的验证。 最后搭建了三相单相矩阵变换器实验平台,以验证各种调制算法和开关模式。并 详细介绍了系统中硬件和软件设计过程,控制系统主要由d s p 和c p l d 组成的,其 中d s p 主要完成闭环控制算法和调制策略,而c p l d 主要完成四步可靠换流。实验 结果证明了各种算法的正确性。 关键字:矩阵变换器,三相单相,开关模式,四步换流,d s p ,c p l d 一 一一 s t u d yo ft h r e ep h a s et os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e ra n di t s a p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h em a t r i xc o n v e r t e ri sa i la r r a yo fc o n t r o l l e ds e m i c o n d u c t o rs w i t c h e st h a tc o n n e c t s d i r e c t l yt h es o u r c et ot h el o a d i ti sc o n s i d e r e da sa n ”t o t a ls i l i c o n ”p o w e rc o n v e r t e rw i t h a d v a n c e dc i r c u i tt o p o l o g y t h r e ep h a s et os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e rp e r m i tt h r e ep h a s ea ct os i n g l ep h a s e a cp o w e rc o n v e r s i o ni nas i n g l e s t a g ep r o c e s s i n g a n dc a ni m p r o v et h es y s t e me f f i c i e n c y , i th a sa d v a n t a g e so ns a v i n ge n e r g ya n d p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t t h i st h e s i sd i s c u s s e s p r i n c i p a li s s u e so ft h et h r e ep h a s et os i n g l ep h a s em a t r i x c o n v e r t e rs u c ha sm o d u l a t i o na l g o r i t h m s ,s w i t c h i n g p a t t e r n ,c u r r e n tc o m m u t a t i o na n d a p p l i c a t i o n s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n dc o n c l u s i o n sa r eg i v e n ,w h i c hf o u n dt h eb a s i so f t h ep r o j e c tf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s f i r s t l y ,t h i sp a p e rp r e s e n t st h es i g n i f i c a n c eo ft h em a t r i xc o n v e r t e r ,t h e nd i f f e r e n tt y p e s o fm a t r i xc o n v e r t e ri sd i s c u s s e d ,a n di n t r o d u c es e v e r a lr e s e a r c hf o c u s e sa b o u tt h et h r e e p h a s et os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e r t h e r ea r em a n yt e c h n o l o g yi nt h r e ep h a s et os i n g l e p h a s em a t r i xc o n v e r t e ra r es a m et ot h r e ep h a s ee x c e p tm o d u l a t i o ns t r a t e g y s oi ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h em o d u l a t i o ns t r a t e g yi nt h r e ep h a s et os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e r t h ec o m m o nq u e s t i o n sa b o u tm a t r i xc o n v e r t e rs u c ha s s w i t c h i n gp a t t e r n ,c u r r e n t c o m m u t a t i o na l s ob es t u d i e d a n dd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo fg e st h em a t r i xc o n v e r ti sb e u s e di ni t b a s e do nt h et h e o r yo ft h r e ep h a s et os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e r ,w ed e s i g nt h e s i m p l ym o d e lt ov e r i f yt h ec o n t r o ls t r a t e g y ,s w i t c h i n gp a t t e ma n da p p l i c a t i o no f t h r e ep h a s e t os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e r i nt h ee n d ,t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sb u i l tt ov e r i f yt h ea l g o r i t h ma n dc o n t r o ls t r a t e g y e f f e c t i v e n e s s t h es y s t e md e s i g na b o u tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h r e ep h a s et os i n g l e p h a s em a t r i xc o n v e r t e ri sg i v e n t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e db yd s pa n dc p l d t h e a l g o r i t h ma n dc o n t r o ls t r a t e g ya r ei m p l e m e n t e di nd s p ,a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r e t r a n s p o r t e dt oc p l d t h ec p l da c h i e v e dt h er e l i a b l ec u r r e n tc o m m u t a t i o n t h ef i n a l e x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f i e dt h em o d u l a t i o na l g o r i t h m sa n dc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h r e ep h a s e t os i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e r k e y w o r d s :m a t r i xc o n v e r t e r ;t h r e ep h a s e t o s i n g l ep h a s e ;s w i t c hp a t t e r n ;f o u r - s t e p c o m m u t a t i o n ;d s p ;c p l d 6 致谢 在本人攻读硕士学位的将近三年的时间里,自始至终得到了我的导师王付胜老师 的悉心指导和无微不至的关怀以及大力支持,无论是从课程学习、研究方向选择以及 论文选题,还是到资料搜集、论文定稿,都倾注了王付胜老师的大量心血。王老师渊 博的知识、严谨的治学态度、务实的科研精神和精益求精的工作作风时时刻刻影响着 我;生活中,王付胜老师开阔的胸怀、豁达的人生态度、诲人不倦的良师风范向我展 示了为人的道德风尚。王老师对我的谆谆教诲使我受益终生。在此,谨向恩师王付胜 老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢。 感谢张兴教授,在我课题研究的过程中,经常得到张老师的指点和帮助,在此对 张老师表示深深的感谢! 在学习和科研工作中,还得到了杨淑英老师,谢振老师,刘芳博士,陈红兵博士, 童诚师兄,谭理华师兄以及戚振彪师兄的热情帮助和指点,在此对他们表示感谢! 实验室同学丁杰,李飞,邵章平,刘震,张虎,胡超,郭海滨,王莹,查乐在我 学习和生活上给予了我很大的帮助和支持,在此一并表示感谢! 感谢董文杰,文家燕 等师弟师妹们平时的帮助与支持! 特别感谢默默支持我的父母和哥哥,你们无私的爱一直是我勇往前行的不 揭动力,你们的谆谆教诲让我终生受益。感谢我的女友柏琴琴,是她对我一如既 往的支持和鼓励,使我能够安心完成研究生学业! 祝愿我的家人身体健康、万事如 意! 最后,谨以此文献给所有关心、帮助和支持过我的老师、同学、亲人和朋 友! 作者:陈武 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 矩阵变换器的研究目的与意义1 1 2 矩阵变换器原理与分类3 1 3 三相单相矩阵变换器的研究现状5 1 4 本课题主要研究任务6 第二章三相单相矩阵变换器调制策略研究8 2 1 开关函数法8 2 1 1 基本原理8 2 1 2 优缺点分析9 2 2 电压拟合法9 2 2 1 基本原理9 2 2 2 优缺点分析1 0 2 3 双电压合成法l0 2 3 1 以输入瞬时值最小相为基准电压1 0 2 3 2 以输入绝对值最大相为基准电压1 1 2 3 3 优缺点分析1 3 2 4 空间矢量法l3 2 4 1 基本原理1 3 2 4 2 优缺点分析1 6 2 5 小结1 6 第三章三相单相矩阵变换器开关模式研究17 3 1 开关模式介绍1 7 3 2 双电压合成法开关模式19 3 2 1 开关模式分析一1 9 3 2 2 开关模式改进2 0 3 3 小结2 1 第四章矩阵变换器换流策略研究2 2 4 1 换流策略2 2 4 1 1 四步换流2 2 4 1 2 辅助电路换流法2 3 4 1 3 两步换流法2 4 4 2 四步换流问题分析2 4 4 3 四步换流策略程序优化2 5 4 4 ,j 、结2 6 8 第五章三相单相矩阵变换器应用研究2 7 5 1 功率脉动问题2 8 5 1 1 功率问题分析2 8 5 1 2 输入电流控制2 9 5 2 系统设计3 0 5 2 1 输出滤波器设计3 0 5 2 2 并网运行控制设计3 l 5 2 3 独立运行控制设计3l 5 3 小结3 2 第六章仿真验证3 3 6 1 不同调制策略的仿真波形3 3 6 1 1 开关函数法仿真3 4 6 1 2 电压拟合法仿真3 7 6 1 3 双电压合成法仿真3 8 6 1 4 空间矢量法仿真4 3 6 2 开关模式改进的仿真波形4 5 6 3 燃气轮机发电系统仿真波形4 8 6 3 1 并网运行仿真4 8 6 3 2 独立运行仿真4 9 6 4 ,j 、结51 第七章系统设计与实验验证5 2 7 1 系统设计5 2 7 1 1 双向开关5 3 7 1 2 吸收电路5 3 7 1 3 驱动电路一5 4 7 1 4 箝位电路5 6 7 1 5 控制系统设计5 7 7 2 实验验证及分析6 3 7 2 1 空间矢量调制开环实验结果6 3 7 2 2 开关模式改进的实验结果6 6 7 2 3 四步换流优化实验结果6 7 7 2 4 并网及独立运行实验7 0 7 3 小结7 2 第八章总结和展望7 3 8 1 本文工作总结7 3 8 2 今后工作的展望7 3 9 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文7 9 l o 插图清单 图1 1 三相三相a c d c a c 变换器1 图1 2 相控a c a c 变频器一2 图1 3 三相三相矩阵变换器3 图1 4 三相单相矩阵变换器4 图1 5 单相单相矩阵变换器4 图1 6 间接型三相三相矩阵变换器5 图2 1 三相单相矩阵变换器主电路结构8 图2 2 双电压合成法示意图1 l 图2 3 输入电压扇区划分1 2 图2 - 4 虚拟为整流与逆变的拓扑结构1 4 图2 5 输入相电流六边形空间矢量图1 4 图2 - 6 电流空间矢量的合成1 5 图3 1 不对称脉宽分布17 图3 2 双侧对称开关模式18 图3 3 单零矢量开关模式18 图3 4 双零矢量开关模式1 9 图3 5 常规对称开关模式1 9 图3 6 改进后扇区2 中开关模式2 0 图3 7 扇区3 中开关模式2 1 图4 1 单相斩波电路图2 2 图4 2 四步换流系统框图2 4 图4 3 单个窄脉冲导致换流失败情况2 5 图4 4 改进后的窄脉冲换流情况2 6 图4 5 多个窄脉冲导致换流失败情况2 6 图5 1 采用矩阵变换器的燃气轮机发电系统2 8 图5 2 并网运行控制框图3 1 图5 3 独立运行控制框图3 2 图6 1 理想开关组成的3 2 开关矩阵3 3 图6 2 系统仿真结构框图3 4 图6 3 开关函数法仿真控制结构图3 5 图6 4 输出电流波形3 5 图6 5 输出电压波形及频谱3 6 图6 6 电压拟合法仿真结构图3 7 图6 7 输出电流波形3 7 图6 8 输出电压波形及频谱3 8 图6 9 双电压合成法仿真结构图一3 9 图6 1 0 输出电流波形3 9 图6 1 1 输出电压波形及频谱4 0 图6 1 2 双电压合成法仿真结构图4 l 图6 13 输出电流波形4 1 图6 1 4 输出电压波形及频谱4 2 图6 15 空间矢量法仿真控制框图4 3 图6 16 输出电流波形4 3 图6 17 输出电压波形及频谱4 4 图6 1 8 输入电流波形4 6 图6 1 9 改进前输出电流波形及频谱4 7 图6 2 0 改进后输出电流波形及频谱4 7 图6 2 1 并网运行系统仿真框图4 9 图6 2 2 并网运行给定电流突变电流波形4 9 图6 2 3 独立运行仿真系统框图5 0 图6 2 4 独立运行给定电压突变电压波形5 0 图6 2 5 独立运行负载突变电压电流波形5 0 图7 1 系统结构框图5 2 图7 2 双向开关5 3 图7 3 带吸收电容的双向开关5 4 图7 4 驱动电路5 5 图7 5 三相单相矩阵变换器中的箝位电路5 6 图7 6 主程序流程图5 9 图7 7t 1 下溢中断程序流程图6 0 图7 8 他周期中断程序流程图6 l 图7 9l e 与占空比脉冲信号同步示意图6 2 图7 1 0c p l d 四步换流控制结构6 3 图7 1 1 空载运行时输出电压波形6 4 图7 1 2 带载运行时输出电压电流波形6 5 图7 1 3 输出电流波形放大6 6 图7 1 4 输入电流实验波形6 7 图7 1 5 输出电流实验波形6 7 图7 1 6 单个窄脉冲开关信号6 8 图7 1 7 多个窄脉冲开关信号6 9 图7 18 稳态运行电流波形7 0 1 2 0 1 1 2 7 1 ,7 1 , 够 一 一 一 波形形形流波波波电流流流变电电电突压压压值电电电定出变变给输突突流态载定电稳负给 9 0 1 2 2 2 2 - - - - 7 7 7 7 图图图图 表格清单 表2 1 电压拟合法不同电压组合9 表2 2 电流空间矢量组合表1 4 表5 1 三种拓扑对比2 7 表6 一l 调制策略验证仿真参数3 4 表6 2 开关模式改进仿真参数。4 5 表6 3 燃气轮机发电系统仿真和实验参数一4 8 1 4 第一章绪论 1 1 矩阵变换器的研究目的与意义 随着电力电子技术、计算机控制技术以及自动控制原理的不断发展,电力电子技 术在电气设备中得到了广泛的应用。电力变换装置极大地提高了人们的生活质量。各 种电力变换装置如a c d c 、d c a c 、d c d c 、a c a c 变换器等已经在社会各领域发挥 着巨大的作用。据有关调查表明,在工业发达的国家,有超过7 5 的电能都经过了电 力变换后再加以利用。 同时国家有关部门的调查统计表明,我国发电总量的6 0 7 0 都是用于驱动电动 机,而其中9 0 的电动机为交流电机【2 】,由于大部分为直接拖动,因此造成了极大的电 能浪费,再考虑到励磁、网损、调峰、无功以及用电设备上的损耗,全国浪费的电能 总量非常惊人,而变频恒速驱动交流电机技术能够有效提高系统效率,降低电能损耗, 因此发展交流电气驱动技术,实现节能减排具有非常重要的意义。 目前交交电力变换器根据有无中间直流环节可分为两种类型:一种是a c d c - a c 型变换器,这种类型的交交变换器包含两级电力变换结构,其中按直流侧储能元件类 型的不同又可分为电压型变换器和电流型变换器;另一种是a c a c 行变换器,只有一 级电力变换结构,根据控制方式的不同又可分为相控式a c a c 变换器( 又称周波变换 器) 和斩控式a c a c 变换器。 储 叫丰 能 _ 兀 件 储 节 能 叫 兀 件 ( a ) 整流级为二极管全桥 ( b ) 整流级为可控硅全桥 储 叫 。 、 y 一 一 u fl c s ,c s n c 二、 h 、 y 乇上 甜d 一广l 图1 4 三相一单相矩阵变换器 ( b ) 不带中线型 三相单相矩阵变换器的输入为三相交流电,输出为单相交流电,又分为有中线型 ( 如图1 - 4 ( a ) ) 和无中线型( 如图1 4 ( a ) ) 两种【2 3 】,在小功率及家庭用电设备场合,单相负 载占多数,而电网主要以三相为主,因此三相到单相的a c a c 变换具有很大的应用 需求,无中线型虽然比有中线型的开关数目增加一倍,但是其电压传输比更高、控制 方法更加丰富,本文就是以无中线型三相单相矩阵变换器为研究对象。 单相单相矩阵变换器也是目前研究较多的一种矩阵变换器【2 4 1 ,其输入输出都为 单相交流电,其拓扑图1 5 所示。 “口l“口2 园l k 、 ik - 熬l & 。& 2 k 、- 、 u 屯上 “d 广1 图1 5 单相单相矩阵变换器 除了直接型矩阵变换器,还有学者根据直接型矩阵变换器的间接空间矢量调制策 略提出了另外一种结构的矩阵变换器,即间接式矩阵变换器【2 5 】,其三相三相结构如 图1 6 所示。 4 口 彳 款 逆l 匕 b 流变 bj 1 c 级级 c 。 图1 6 间接犁三相三相矩阵变换器 该矩阵变换器由整流级电路和逆变级电路组成,中间是直流环节,但是与传统的 a c d c a c 比,其直流环节没有储能电容,因此减小了体积,并且没有了传统交交变 换储能电容寿命的问题。 本文只研究无中线型三相单相直接变换的矩阵变换器。 1 3 三相单相矩阵变换器的研究现状 矩阵变换器理论上可以实现任意相输入输出控制,目前对于矩阵变换器的研究主 要集中于三相三相拓扑。但随着工业应用的发展,三相单相矩阵变换器得到越来越多 的关注。 三相单相矩阵变换器的研究在很多方面可借鉴常规的三相三相矩阵变换器,如换 流策略、滤波器设计、箝位电路设计等。只是调制策略由于其输出要求不同而有所不 同,以及应用场合的不同。 2 0 0 3 年,伊朗t a b r i z 大学的s k h u n m o h a m m a d i 等人提出了三相单相矩阵变换器 的电压拟合调制策略,该方法采用与期望输出电压差值最小的输入线电压来拟合输出 【26 | ,算法简单,易于实现。 2 0 0 3 年,日本大阪大学的y m i u r a 等人提出了三相单相矩阵变换器双电压合成调 制策略,该方法由三相三相矩阵变换器的双电压合成调制策略改进而来,并提出将三 相单相矩阵变换器应用于小型燃气轮机发电系统中,以提高系统效率【2 7 也8 1 。 2 0 0 4 年,美国德克萨斯a & m 大学电力电子与电能质量实验室的s o m n i d a r a t a n a p a n a c h o t e 等人提出将三相单相矩阵变换器应用于开关电源中,以提高开关电源 的输入功率因数,并减小开关电源的电能变换次数,提高系统效率【2 9 瑚】。 2 0 0 8 年,英国谢菲尔德大学的n n g u y e n q u a n g 等人提出将三相单相矩阵变换器 应用与感应加热场合,将三相工频交流变换为高频交流电,并由浙江大学的蔡家利等 人对应用于感应加热场合时输入功率因数较低的缺陷提出改进【3 卜3 4 】。 2 0 0 8 年,日本芝浦工业大学的m a k o t os a i t o 等人提出一种对三相单相矩阵变换器 的输出脉动功率进行补偿的方法,使输入功率为恒定值,从而使三相单相矩阵变换器 实现输入单位功率因数成为可能1 3 纠。 2 0 0 9 年,清华大学的梅杨、孙凯等人提出了一种改进的三相单相矩阵变换器开关 函数调制策略,并提出将其应用于电力机车中单相负载的变装置,直接完成三相交流 5 到单相交流的电力变换p6 。 总之,目前有关于三相单相矩阵变换器的研究主要有以下几个方面: 1 ) 调制策略研究,分别提出了电压拟合法、双电压合成法、开关函数法等调制 方法,以及对各种调制策略的改进; 2 ) 应用研究:分别提出了应用于感应加热、开关电源、单相负载供电、燃气轮 机发电系统中等。 1 4 本课题主要研究任务 矩阵变换器具有优良的性能和应用前景,是当前国内外的变频技术的研究热点, 就矩阵变换器开展一定的研究工作很有实际意义。同时三相单相矩阵变换器的研究方 面国内目前的研究与国外还有较大差距,适时开展研究,紧密关注国内外趋势,对以 后的研究非常重要。作者主要致力于三相单相矩阵变换器的调制策略研究,并对矩阵 变换器中的共性问题如四步换流、开关模式等问题进行了研究,并搭建了三相单相矩 阵变换器实验平台,为今后的深入研究打下基础。 本文详细论述了三相单相矩阵变换器的各种调制策略的基本原理、四步换流及开 关模式,并提出了一种新的调制策略;对开关模式及四步换流程序进行了改进,并对 其在微型燃气轮机发电系统中的应用进行了进一步研究,在理论研究和仿真分析的基 础上设计了三相单相矩阵变换器试验平台,验证了所提出了调制策略、开关模式以及 所设计的控制系统。 第一章绪论介绍了矩阵变换器的研究背景与原理,以及一些不同拓扑结构的矩阵 变换器,并重点介绍了三相单相矩阵变换器的国内外研究现状。 第二章详细介绍了三相单相矩阵变换器的各种调制策略的原理,对比了各种调制 策略的优缺点,并针对已有调制策略所存在的缺点,提出了三相单相矩阵变换器的空 间矢量调制,并详细介绍了新调制策略的算法过程。 第三章首先介绍了矩阵变换器的各种开关模式,并分析基于双电压合成调制策略 的三相单相矩阵变换器采用常规开关模式在扇区切换过程中的输入电流脉冲情况,并 针对由于电流脉冲位置变化而导致输入电流跳变及输出电流畸变问题提出了改进的 开关模式。 第四章详细分析了矩阵变换器的四步换流过程,并针对基于状态机的四步换流程 序中由于窄脉冲引起的换流失败现象提出了改进。 第五章针对三相单相矩阵变换器应用到微型燃气轮机发电系统,分析了输入电流 控制方法来消除输出单相功率脉动,并设计了并网及独立运行状态的控制系统。 第六章在理论分析的基础上,利用m a t l a b 软件建立了三相单相矩阵变换器简 单仿真模型。简单模型不涉及实际系统中必须的换流,以加快研究进度。并分别对各 种调制策略、开关模式改进、在燃气轮机发电系统中的应用等理论进行了仿真验证。 第七章介绍了在搭建实验平台的过程中的系统硬件部分和软件控制部分的设计 6 过程,主要包括双向开关,驱动电路,筘位电路,吸收电容等硬件设计,以及基于 d s p 和c p l d 的软件编程过程。并给出了基于该实验平台所得到的一些实验结果。在 最后还就实验中波形畸变的原因做了一些初步的分析探讨。 最后,第八章就全文的研究工作进行了一个总结,并对三相一单相矩阵变换器今后 的工作做了些许展望。 7 第二章三相单相矩阵变换器调制策略研究 本章研究对象为无中线型三相单相矩阵变换器,其整体结构如图2 1 所示。它由 六个双向开关元件组成一个3 x 2 的开关矩阵,任一输出相与任一输入相都由一组双向 开关连接。对于频率为f 的三相输入电压,可以通过一定的调制规则来控制变换器 中的双向功率开关来合成所需频率为的单相输出电压以,即u o = m 术u ,开关变换 矩阵m 的计算反映了三相单相矩阵式变换器的调制策略。 三相单相矩阵变换器的调制策略目前主要有开关函数法、双电压合成法、电压拟 合法等,本文对各种方法分别进行研究,并总结各种调制策略的优缺点,最后针对已 有调制策略,提出了一种类似于常规矩阵变换间接空间矢量的三相单相矩阵变换器空 间矢量调制策略,其原理为:将交一交变换虚拟为交直变换和直交变换,并采用成熟 的高频s v p w m 整流和高频逆变s p w m 波形合成技术,具体实现时整流和逆变是一步 完成的,具有双p w m ( p w m 整流p w m 逆变) 变换器的效果。 图2 - 1 三相一单相矩阵变换器主电路结构 即d 2 1 开关函数法 2 1 1 基本原理 1 9 8 1 年,美国电力专家v e n t u r i n i 和以色列数学家a l b e r t a l e s i n a 两人合作,共同给出 了矩阵变换器基于高频合成的严格数学证明过程,并首次对矩阵变换器实用控制策略 即开关函数法调制策略进行了介绍,正是由于这一调制策略的提出,才使得矩阵 8 变换器的实现和应用成为可能。 开关函数调制策略通过计算开关调制矩阵来实现矩阵变换器的输入输出变换功 能,调制矩阵的数值输出电流与及输入电压有关。三相单相矩阵变换器的开关函数可 以由常规的三相三相矩阵变换器的开关函数中的两行来得到,因为三相一三相矩阵变换 器开关函数的每一相输出是相互独立的,且由输入三相来合成,因此取两相来得到无 中线型三相单相矩阵变换器的开关矩阵是合理的,其开关函数矩阵如式( 2 1 ) 所示1 3 7 1 。 确l啊2 l 忱l 嘞 _ 1 + q c o s ( 一q ) f 】+ 2 9 c o s 【( + q ) r 】 j + jl c o s 【( 刊卜等1 + 2 删。+ q ) ,+ 争 扣酬( 一q ) f 一等l + 2 删+ q ) ,+ 等】 + 删 ( c o o 训卜争均c 。s 【( + 础+ 等】 + q c o s 【( 一q ) ,】+ 2 9 c o s 【( + q ) ,+ 等】 1 + q c o s ( 一q ) f 一娶】+ 2 q c o s 【( + q ) f 】 一 j ( 2 - 1 ) 2 1 2 优缺点分析 三相单相矩阵变换器的开关函数法与三相三相矩阵变换器的开关函数法一样,也 具有相似的优缺点,其优点主要是物理意义明确,缺点是由于其计算量较大,因此软 件实现比较困难,电压传输比较低。值得注意的是,虽然三相一三相矩阵变换器开关函 数法调制策略电压传输比较低,只有0 5 ,但由于无中线型三相一单相矩阵变换器输出电 压相当于线电压,因此电压传输比能够达n 0 8 6 6 ,但这相比于其他调制策略电压传输 比仍较低。 2 2 电压拟合法 2 2 1 基本原理 三相单相矩阵变换器电压拟合法调制策略的主要思想是接通与期望输出电压值的 差值最小的输入线电压相,以得到期望的输出电压波形。由于矩阵变换器开关组合存 在输入不能短路,输出不能开路的限制,所以只有六种开关组合模式,如表2 1 所剥2 6 】: 表2 - 1 电压拟合法不同电压组合 组合模式导通开关 乞 us s 幛 s 。s 。z o 以s 曲s 。u b a 仉 s 虫s 。 屯 u 5 s s 。 眈s 。s 墙甜西 9 六种开关组合分别对应六种不同的输出电压,分别定义为u 1 玩;输出电压设为 碥,定义= u o 一配( , l ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ) ,a u f = m i n a u l ,a u 2 ,u 3 ,u 4 ,a u 5 ,a u 6 ,则采用第 f 组开关组合来拟合输出,规定开关周期r ,在每个周期内进行比较,选出对应的开关 组合,在本周期内对输出电压进行拟合,以得到期望的输出电压。 2 2 2 优缺点分析 电压拟合法调制策略的优点是能够消除输入电压不平衡的干扰,甚至是缺相的情 况,因为输出始终是由输入线电压与输出电压差值最小相来拟合的,即使输入电压不 平衡,只要所得到的电压中存在与期望值之差最小的项,就能用此开关模式来等效输 出。缺点是要求输入频率要比输出频率小,才能用尽可能多的输入来合成输出电压, 且要求输入与输出电压幅值相同或相似,否则不能够很好地用输入来拟合输出电压。 2 3 双电压合成法 三相单相矩阵变换器的双电压合成调制策略是根据三相三相矩阵变换器里的双 电压合成演变得到的,其主要思想是在每个开关周期内,通过接通不同线电压的时间 不同,来控制其平均值等于期望的输出电压值,因此需要给定的输出电压波形,并采 样输入电压值,以计算每个开关周期内不同线电压的导通情况1 3 引。 双电压合成法根据其基准电压选择的不同,又可分为两种:一种是以输入电压最 小相为基准电压相;另一种以输入电压绝对值最大相作为基准电压相,在此分别进行 分析。 2 3 1 以输入瞬时值最小相为基准电压 首先对输入三相电压进行排序,得到。、u 。i d 、u 。i n ,并以输入最小相作为基准 电压相,在每个调制周期内,分别用线电压来合成得到期望输出的电压“二。 当甜 0 时,采用的调制策略为,使输入最小相u 。;。始终与输出下桥臂相连,而上 桥臂则根据一定的占空比轮流接通输入三相,以此来得到等效的输出,其表达式如下 式: ( 瓦一正) ( 甜。毅一“。i 。) + ( 五一t o ) ( u
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