（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的空间矢量调制、系统集成及应用研究.pdf

a b s t r a c t m a t i xc d n v e n e ri sc o n s i d e r e da sa n _ “a l ls i l i c o n ”p o w e r c o n v e r t e rw i t ha na d v a n c e dc i r c u i tt o p o i o g yi t p e ”j t sf r 。q u e n c yc 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 gw i t h o u t l a r g er e a c t i v ee n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s i td r a w ss i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t sa n da l l o w st h ei n p u tf u n d a m e n t a l d i s p l a c e m e n tf a c t o rt ob es e ta tu n i t yo r f r e e l yv a r i e dr e g a r d l e s so ft h el o a dp o w e rf a c t o r b e s i d e st h e s e ，i ti s c a p a b l eo fp e r f o r m i n gf r e q u e n t y c o n v e r s i o nw i t hs i n u s o i d a l o u t p u tv o l t a g e sa n dc u r r e n t sa tt h ed e s i r e d o u t p u tf r e q u e n c ya n da l l o w s b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w m a t r i xc o n v e r t e rh a sf l e x i b l et o p o l o g y , i tc o u l db e 3 i ( a c a o 、3 1 ( a c a c ) 、1 3 ( d e a o 、1 i ( a c a c ) e r e ，s oi tc o u l db eu s e di nm a n yp o w e rc o n v e r s i o ns i t u a t i o n t h r e e p h a s ei nt h r e e p h a s eo u tm a t r i xc o n v e r t e ri sd e e p l yr e s e a r c h e da n dw i d e l yu s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e e p h a s ei nt h r e e p h a s eo u tm a t r i xc o n v e r t e ri sm a i n l yr e s e a r c h e do ni t ss p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns c h e m ea n di t sa p p l i c a t i o ni n d r i v es y s t e m s ，a l s o ，s i n g l ep h a s em a t r i xc o n v e r t e ri sa l s or e s e a r c h e db ys i m u l a t i o na n d v e r i f i e dt h a ti tc o u l d b eu s e di ns w i t c h i n gp o w e rs y s t e m ，a n das c h e m eo fa c v o l t a g er e g u l a t i o nt o p o l o g yi sp r o p o s e db yu s i n g t h ef u n d a m e n t a lu n i to fm a t r i xc o n v e r t e rw h i c hi sb i d i r e c t i o n a ls w i t c h a n d t h r e e p h a s ei nt h r e ep h a s eo u t m a t r i xc o n v e r t e ri st h em a i no b j e c f i v eo f t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t ，h ea c a ct r a n s f o r m a t i o nc o n t r o la n dt h ed o u b l e s p a c e - v e c t o rp w ms c h e m eo ft h em a t r i x c o n v e r t e rw e r ed e d u c e df r o mi t s e q u i v a l e n ts t r u c t u r eo ft h ea c - d c a cc o n v e r s i o n ，a n db a s e do nt h e f u n d a m e n t a ls c h e m ea n dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o n so fs e v e r a ld i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d s ，ao p t i m i z e d s w i t c h i n gs c h e m e w a sp r e s e n t e dt or e d u c et h es w i t c h i n gl o s s ，s ot h e o p t i m a li n p u ta n do u t p u tp e r f o r m a n c e i sg a i n e d u n d e rt h es v m s c h e m e ，t h e r ei sas e r i o u sp r o b l e mb r o u g h tb yt h em u l t i s t e pc o m m u t a t i o n ，t h e m u l t i s t e pc o m m u t a t i o nm a d e t h eo u t p u tv o l t a g ed i s t o r t e d ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ee r r o ri s c a l c u l a t e d ，t h e8 1 1 e a s ys c h e m ei sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t et h eo u t p u tv o l t a g ee r r o rb yc o r r e c tt h ed u t yt i m eo ft h ev e c t o r t h e t h r e ep h a s ei na n dt h r e ep h a s eo u tm a t r i xc o n v e r t e rp r o t o t y p ei s f u l f i l l e d ，i n c l u d i n gi t s m a i nc i r c u i ta n d d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n s t r u c t i o no fb i d i r e c t i o n a ls w i t c hi sa n a l y z e d ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo fi n p u t f i l t e ra n di t sa f f e c t i o nt oi n p u ta n do u t p u tp e r f o r m a n c ew e r ed i s c u s s e d ，a n dam o d u l a t i o nm e t h o dw i t hi n p u t p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nw a sp r e s e n t e dt h et e c h n o l o g yo f 3o 一1 中a n d3 一1 中p e b bi sr e s e a r c h e d a n dt h ep e b bi n c l u d e si t sm a i nc i r c u i t 、d r i v ec i r c u i t 、l o g i cc o m m u t a t i o nc i r c u i te t c ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h e i n s u l a t e dd r i v ep o w e r s y s t e mi sa l s oi n t e g r a t e di nt h ep e b b ，t h et h r e el a y e r sc o n t r o ls y s t e mc o n c e p t i o ni s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fm a t r i xc o n v e r t e r , t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n e dt h e c o n t r o l s y s t e mo fv fs c h e m ef o rm o t o rd r i v es y s t e m ，a n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i nl o ws p e e d c i r c u m s t a n c e ，as c h e m eo f a d a p t i v ec o m m u t a t i o nb yu s i n gl o g i cc h i pi sp r o p o s e d i i t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yp a ya t t e n t i o no nt h et h r e ep h a s ei nt h r e ep h a s eo u tm a t r i xc o n v e r t e r , a n dt h e i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，a p p l i c a t i o no fm a t r i xc o n v e r t e r a n ds o m ei d e a lr e s u l t sw l 。r e g o t ，a n d c o n t r i b u t e dt ot h em a t r i xc o n v e r t e r si n d u s t r y a p p l y k e y w o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r , s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ，e q u i v a i e n ta c d c - a c ，b i d i r e c t i o n a l s w i t c h ，d r i v es y s t e m ，i n t e g r a t i o n ，i n d u s t r ya p p l y i i i 本文受浙江省院士基金资助 项目名称：矩阵变换器子系统集成技术 t h i sp 啦e c ti ss u p p o r t e db ya c a d e m y m e m b e r f o u n d a t i o no f z h e j i a n gp r o v i n c e 国家自然科学基金资助 项目名称：电力电子系统集成理论与若干关键技术的研究 项目编号：5 0 2 3 7 0 3 0 t h i sp r o j e cti ss u p p o r t e db yn a r u r a ls c i e n c e f o u n d at i o no f 国i n a 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注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘、江盘生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列本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谫f 意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘望盘堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授 权堑鎏盘堂可姓将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话 邮编 第一章绪论 1 1 交流变频传动技术概述 在当前，现代电力电子技术、微电子技术以及电动机控制技术的进步使得交 流调速用变频传动技术得到了巨大发展，加强了交流传动在电力传动领域中的主 导地位。在原有直流调速系统和新建调速系统中，相当一部分都已经改造成或采 用交流变频调速系统。变频调速技术在自动控制、电气传动、电力变换等方面的 广泛应用，使电能在变换、控制、利用方式上获得了本质的变化，达到了高效、 节能和充分柔性的效果“7 i 。 目前交流变频传动领域用量最大的是基于交一直一交变换的电压源型通用变 频器以及用于低速高压大功率的相控式交一交变频器”“。 基于交直交变换的电压源型通用变频器拓扑如图卜1 所示。这种拓扑己在 工业上，特别是中小功率场合得到了广泛的应用。它的前级通过不控整流得到中 间直流电压，后级控制开关调压调频满足负载的要求。随着功率器件和p 1 v m 调制 技术的发展，其输出性能有了很大的改进。但是，由于前级为不控整流，因此输 入电流非正弦，输入功率因数低，会给电网带来谐波污染”1 ；另外它不能实现四 象限运行；并且存在中间储能元件，使得系统体积大，特别是在大功率的应用中， 中间储能电容价格高、易于损坏，降低了整个系统的可靠性。 一 p ， 一lk k芊一k芊一k b 生 c 三一 忘 kl 一l 一| o( b ) 丘 现，所以s b l 、s c l 承受反压而冗余导通。如图卜1 3 示，从一个主 状态( 原主状态) 到另外个主状态( 目标主状态) 之间换流需要经过次中间 状态。原主状态到目标主状态之间的切换过程是：第一步，关闭对于目标主状态 不必须的原状态的单向开关，执行完此步，将产生一个中间状态，持续时间应该 大于开关的开通时间：接着在第二步，触发目标主状态全部单向开关。例如在图 1 一1 3 中，要完成由主状态p 到m 的转换。主状态p 下有四个单向开关处于触发 导通状态，其中s a t 、s a 2 导通，提供双向电流路径，而s b i 、s c i 冗余导通，不 消耗功率。第一步，关断目标状态m 不需要的s a i ，电流导入目标路径，负载电 流转由b 相或c 相维持，达到中间状态p m ；第二步，触发目标状态m 的全部单 向开关即触发s b 2 导通，达到状态m 。同样方法可以实现由主状态 l 换流到主状 态n 。当从主状态n 换流到主状态p 或从主状态p 换流到n 时，可以不经过主状 洲 呲 驯 呲 第一章绪论 态m ，而经过一个中间状态n p 即可。两步换流中，开关的零电流开通和零电流 关断概率也各占5 0 ，故称为两步半软换流。 图卜1 2 两步换流输入相电压相区划分 s a i 、s a p 导通 s b l 导通、s b 2 关闭 s c l 导通、s c 2 关闭 1 1 0 0 1 0 o _ 9 o “ o 号 图卜1 3a 输出相两步半软换流开关状态 辅助谐振软开关换流。“：它利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为 换流电容。在辅助谐振下，主开关可以实现z v s ，辅助开关可以实现z c s a 主开 关之问只有容性换流，零电压切换，通过增加换流电容可以做到关断瞬间零电压。 辅助开关只有感性换流，零电流切换，通过增加换流电感可以做到零电流开通。 这种换流方式能够安全、高效的高频切换，改善系统动态性能和频谱特性，简化 保护逻辑和缓冲电路，但是功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且需要谐 振网络和辅助开关，零电压、零电流的检测很困难，谐振回路易受元件时漂的影 响，整机成本增加。 ( 5 ) 矩阵变换器的应用研究 因为矩阵变换器具有优良的输入输出特性，著具有广义的变换器特性，所以 它在众多的电力变换场合得到了应用，以下是矩阵变换器主要的应用场合。 变频调速：传统变频器在交流电机调速领域应用已经很成熟，但存在输 入功率因数低，存在中间大电容和电感等问题，矩阵变换器作为“绿色”变频器， 第一车绪论 有望能够替代传统变频器。 电力系统无功功率调节：矩阵变换器输入功率因数可调，可以发出感性 无功或容性无功，可以用于电力系统的无功调节，作为柔性交流输电的一部分得 到应用。 直流变换：通常矩阵变换器运行在由三相到三相的交流变换场合，但它 同样可以用在整流变换器。 风力发电：发电机转子通过一个矩阵变换器与电网相连，利用矩阵变换 器的双向功率流通能力，使转子与电网实现功率交换，当发电机次同步运行时， 电网向转子提供电能，反之转予向电网提供能量，变换器还同时控制转子电压和 变换器输入电流为正弦量，它的另一个作用是实现定子输送有功无功的闭环控 制，变换器采用空间矢量调制，而发电机转速，定子电流有功无功控制通过定子 磁场定向原理实现，两者结合，就得到了风力发电机的最优控制模式，实现了最 大风能利用率。 现阶段世界范围内矩阵变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段， 尚未形成实用化的成熟产品，还有许多问题尚未解决，这主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 在控制方式上，目前研究多采用基于电压空间矢量调制的交一交直接变 换法( 双电压空间矢量p w m 法) 。如何优化空间矢量算法，降低开关损耗，降低 输出电压谐波含量，使这种控制方式实用化并优化输入输出电流波形是值得研究 的内容； ( 2 ) 在控制实现的关键问题一换流上，研究适合于矩阵变换器的高效、可靠 的换流方法，将多步换流造成的输出电压损失降低到最小程度； ( 3 ) 矩阵变换器换流过程存在和逆变器类似的死区效应，但是很少有文献定 量分析死区效应对性能的影响，从而缺乏针对性的补偿，造成输入输出性能下降； ( 4 ) 双向开关要通过分立元件实现，损耗大，连接复杂，开发适合于矩阵变 换器的双向开关构成，进而研究适合矩阵变换器的功率模块和标准电力电子模 块，甚至是包含控制电路在内的系统级集成是矩阵变换器的关键问题； ( 5 ) 矩阵变换器存在固有输出、输入电压传输比低的缺陷，如何提高电压传 输比一直是矩阵交换器在通用调速系统中的重要问题和应用障碍，但它与变换器 输入端功率因数和调制系数有关，如何设计合理的控制方案是矩阵变换器走向实 用化需要解决的重要问题，应深化这方面研究以提高矩阵交一交变换器的实用价 值； ( 6 ) 主电路参数的系统优化设计方面鲜有文献涉及，事实上主电路参数例如 第一章绪论 输入滤波网络也是矩阵变换器优良特性的保证，这方面还有待深化： ( 7 ) 矩阵变换器的系统集成技术是突破矩阵变换器发展瓶颈并推向工业应 用的方向，这方面的研究国外也刚刚开始，仍有许多需要研究和深化的技术。 鉴于目前国外在矩阵交一交变换器的研究工作尚未成熟，国内研究刚刚起 步，从理论到实践还有很多问题尚未解决，特别是在实现技术和应用研究上还相 当欠缺，需要在已有的研究基础上高起点地进行更加深入的研究，以解决矩阵交 一交变换器实现技术和应用方面的一些关键问题。 针对矩阵变换器研究中存在的问题，本文在国内外现有的研究基础上，除了 对矩阵变换器这一新型变换器继续深化研究外，更注重其实现技术和应用技术的 研究。理论上将在现有基础上进一步对双电压空间矢量p w m 控制策略进行深入研 究；重点研究如何提高矩阵变换器输入输出波形质量，提高换流可靠性和高效性， 这是目前矩阵交一交变换器研究工作中尚未解决的重要问题；并研制实验样机， 对其实现方式进行深入研究，完善矩阵变换器的实现方式；在实际装置的实现工 艺上采用d s p 、逻辑器件构成的高速、可靠、紧凑、全数字控制的硬件结构；重 点研究矩阵变换器的系统集成技术，为构造模块式优质电源变换器提供技术基 础。 g 1 4 矩阵变换器的系统集成技术 电力电子与电力传动技术具有越来越广泛的应用前景，其市场十分广阔；电 力电子器件与变流器电路拓扑已经发展到了很高的水平。如果要充分利用电路发 展和元件改进所带来的优势，必须实现电力电子技术模式的转变，电力电子系统 集成理论将是本世纪电力电子技术发展的一个重要趋势“。 本文认为矩阵变换器在推向工业应用中面临的问题有望通过电力电子系统 集成的方法解决，从而充分发挥矩阵变换器的优良特性。同时，矩阵变换器是适 合应用电力电子系统集成技术的拓扑形式，矩阵变换器的系统集成可以成为电力 电子系统集成技术的一个典型应用。 ( 1 ) 矩阵变换器的系统集成具有迫切性，是矩阵变换器新的发展方向。矩阵 变换器经过3 0 年的发展，理论已经日臻成熟，虽然它具有许多优良的特性，但 是仍然限于实验室样机阶段，并没有达到大面积工业应用的程度，因为它仍然面 临许多问题，比如主电路与控制电路的复杂性，成本较高、换流复杂、损耗高、 第一章绪论 控制系统较为复杂等。以上问题，有望通过系统集成技术来解决，例如，通过使 用新型功率器件，使用功率器件的裸芯片封装，从而减少主电路器件数量、损耗： 通过控制电路芯片集成的方法，提高功率密度，减少控制的复杂性等等。所以系 统集成技术在矩阵变换器中的应用有望将其推向工业应用。 ( 2 ) 矩阵变换器是适合实现系统集成的拓扑。，矩阵变换器没有中间直流环 节，容易实现主电路和控制系统高度集成化，并且其输入无源滤波器参数可以设 计的很小，所以相比于其它电力变换拓扑，更容易实现整个大系统的高度集成。 ( 3 ) 矩阵变换器的系统集成发展现状。国外在上世纪9 0 年代已经开始了矩 阵变换器系统集成技术的研究，并取得了一定的成果，文献 2 9 报道了一种矩阵 变换器的系统集成方案，它将三相一三相矩阵交换器的相输出主电路及其驱动 电路，以及相应的保护电路、换流电路集成到标准模块中，如图卜1 4 所示，标 准模块技术大大降低了电路的连线数量，寄生参数，实现了高功率密度。但总体 来说，国外在矩阵变换器的系统集成方面研究也刚刚起步，还有很多工作要做， 国内仍然是空白，虽然有国内学者提出了矩阵变换器系统集成模块概念，但是还 没有样机的报道。 图卜1 4 矩阵变换器标准模块“” ( 4 ) 开展矩阵变换器系统集成技术研究的意义。电力电子系统集成涉及许多 共性的电力电子应用基础理论和关键技术问题，是电工学科、信息学科等多学科 的高度交叉，是一个以电力电子技术为基础的新学科增长点，代表着本世纪电力 电子技术发展的方向，具有促进电力、能源、工业生产过程自动化产生革命性变 革的良好前景。开展电力电子系统集成的研究具有重要的学术和实用意义。同时， 电力电子的系统集成研究工作在n # b 还刚刚开始不久，在我国还处于萌芽阶段。 近年来，随着我国对高校及科技实际投入的增加以及我国微电子产业的发展，我 国已初步具备软、硬件方面较强的技术基础和开发能力。所有这些均使研究标准 化智能电力电子模块及实现电力电子系统集成的设想成为可能。而矩阵变换器是 具有优良输入输出特性的拓扑，具有广阔的应用空间，并且很适合应用系统集成 技术。系统集成技术可能为矩阵变换器带来新的重大发展，矩阵变换器以其独特 的优点有可能发展成通用的电源变换器基本模块，成为在主电路和控制系统方面 第一章绪论 均高度集成化的产品，这种变换器有可能取代传统的交一直一交式变换器而成为下 一代电力变换器，开拓新的变频电源时代。因此对矩阵变换器的研究开发能否紧 密跟踪、追赶国际先进电力电子技术的最新发展趋势，对我国电力电子工业的发 展极具现实意义。同时矩阵变换器系统集成技术将有可能成为电力电子系统集成 技术的一个典型应用范例，反过来促进电力电子系统集成技术的发展。 本课题根据电力电子系统集成要求，站在模块化的层面，研究模块化矩阵变 换器基础性问题，提供解决制约矩阵变换器瓶颈问题的方法，促进矩阵变换器模 块技术发展，使之真正体现矩阵变换器“绿色”变频电源的优点，本项目的预期 成果将对变频电源技术产生重大的影响，成为电力电子系统集成方面成功应用的 典型例子。 1 5 选题的研究背景和本文完成的工作 由前文所述可知，矩阵变换器具有输入电流、输出电压正弦、输入功率因数 高、能量可双向流动的显著优点，能够实现谐波的主动削减。因而作为新一代“绿 色”变频电源受到了普遍的重视，成为各国学者竞相研究的热点。同时国外已经 丌始了矩阵变换器系统集成技术的研究，以期将矩阵变换器推向工业应用。本文 的选题就是在这样的背景下，在浙江省院士基金一矩阵变换器子系统集成技术” 及国家自然科学基金一“电力电子系统集成理论及若干关键技术的研究” ( 5 0 2 3 7 0 3 0 ) 资助下完成。 1 5 1 本文的选题背景 矩阵变换器控制及系统集成技术研究内容涉及电力电子技术、交流调速技 术、发电技术和计算机技术等，是多学科技术的交叉，属于本学科前瞻性问题， 需要做大量相关的基础研究工作和创新工作以推进其产业化应用进程。本论文同 时是国家自然科学基金一“电力电子技术系统集成及若干关键技术研究”项目中 的一个组成部分。 因此，本文的研究重点将放在矩阵交一交变换器控制技术和系统集成技术研 究上，既符合当前矩阵变换器的研究现状，也充分体现了理论研究联系实际、注 意工程实用性的明显特点。 第一章绪论 1 5 2 本文完成的主要工作 本文采用了计算机仿真与实验结合的方法，深入研究了三相一三相矩阵变换 器的空间矢量调制策略及其优化、具体实现技术以及矩阵变换器系统集成技术的 若干关键问题，同时探讨了矩阵变换器的应用问题。 论文工作在以下几方面展开： ( 1 ) 空间矢量调制策略的优化。分析了三相一三相矩阵变换器空间矢量调制 原理。提出了一种优化的空间矢量调制策略，同时在此基础上提出了一种带死区 补偿的空间矢量调制策略； ( 2 ) 三相一三相矩阵变换器的实验平台的建立。完成了三相一三相矩阵变换 器的实验样机，由d s p 和逻辑器件构成了矩阵变换器的数字控制核心；重点研究 了双向丌关的构成和四步换流方案；详细讨论了输入滤波器的设计原则和对输 入、输出特性的影响； ( 3 ) 矩阵变换器系统集成技术的研究。本论文按照功率级、控制级和系统级 研究了矩阵变换器的系统集成技术，给出了矩阵变换器在不同功率等级和集成程 度的主电路封装形式；建立了矩阵变换器标准结构功率模块( p e 3 b ) ：提出将模 块控制电路与d s p 控制电路的光耦电平转换和隔离电路集成到模块中；提出将分 布式辅助电源系统( d p s ) 集成到标准结构模块中：提出了含标准结构模块的矩 阵变换器集成控制系统软件分层的概念；研究了将表面贴装技术、多层印刷线路 板设计、平面变压器、磁集成技术等应用于矩阵变换器的标准结构模块集成中； 同时本文研究了矩阵变换器与电机的系统级集成； ( 4 ) 矩阵变换器在交流传动中应用的研究。设计了三相一三相矩阵变换器用 于常规异步电机的v f 恒定控制方案；为提高矩阵变换器应用于低速传动时的输 出性能，提出了一种使用逻辑器件和d s p 控制的自适应换流方案。 本文主要章、节内容安排如下： 第一章结合文献综述，概括介绍了矩阵变换器及其系统集成技术的研九现恹 和趋势，提出了本文研究的主要内容； 第二章从三相三相矩阵变换器的等效交一直一交结构的空间矢量调制推 导出矩阵变换器基本的空间矢量调制策略，本文称之为基本的单边调制策略。并 在此基础上提出了一种降低换流次数和开关损耗的改进单边调制策略，然后定量 分析了其具体实现时多步换流的死区效应，最后提出了一种带死区补偿的空间矢 量调制策略； 第三章根据三相一三相矩阵交换器的运行特性和控制原理，设计了矩阵变换 第一章绪论 器的主电路和数字控制系统。利用r b n p t - i g b t 和逻辑门电路器件实现了开关的 安全换流；设计了输入滤波器与输入功率因数补偿，并给出了仿真和实验结果； 第四章研究了矩阵变换器系统集成技术中的若干关键问题。建立了矩阵变换 器3 m 一3 垂标准结构模块和3 中一1 中标准结构模块：提出将模块控制电路与 d s p 控制电路的光耦电平转换和隔离电路集成到模块中，降低了主电路对控制电 路的干扰；提出将分布式辅助电源系统集成到标准结构模块中；研究并提出了含 标准结构模块的矩阵变换器集成控制系统软件分层的概念；并研究了表面贴装、 多层印刷线路板设计、平面变压器及磁集成等技术在矩阵变换器标准结构模块中 的应用； 第五章研究了矩阵变换器在交流传动中的应用。设计了三相一三相矩阵变换 器应用于交流异步电机的v f 比恒定控制系统；研究了矩阵变换器用于低速传动 时的输出性能，并提出了一种由逻辑器件和d s p 实现的自适应换流方案，改善了 输出波形的质量和电机低速性能。 第六章对全文作了总结并对矩阵变换器的研究工作进行了展望。 综上所述，本文从仿真和实验两个方面对矩阵变换器基本原理、控制策略、 开关换流、系统集成、应用对象等基本问题进行了系统深入和理论联系实际的研 究，通过对理论、仿真和实验结果的分析得出一些有价值的理论和方法，力争为 这新型“绿色”变换器的进一步深入研究和应用做出有益的贡献。 誊 参考文献 黄俊，王兆安，电力电子变流技术( 第3 版) ，机械工业出版社，1 9 9 3 许大中，贺益康，电机控制( 第二版) ，浙江大学出版社，2 0 0 2 陈伯时，陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，1 9 9 8 贺益康，潘再平，电力电子技术基础，浙江大学出版社，1 9 9 5 高景德，王样珩，李发海等，交流电机及其系统的分析，北京：清华大 学出版社，1 9 9 3 胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社，1 9 9 9 王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿，机械工业出版社， 1 9 9 8 吴竞昌等，电力系统谐波，水利电力出版社，1 9 8 8 张一中等，电力谐波，成都科技大学出版社，1 9 9 2 宋文南等，电力系统谐波分析，水利电力出版社，1 9 9 5 圆嘲吲同 闻忉 嘲嘲l 呈 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 1 7 1 8 【1 9 2 0 3 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 中华人民共和国国家标准g b l 2 3 2 5 9 0 ， 中国标准出版社，1 9 9 3 中华人民共和国国家标准g b l 2 3 2 6 9 0 ， 中国标准出版社，1 9 9 3 电能质量供电电压允许偏差， 电能质量电压允许波动和闪变 中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 ，电能质量一公用电网谐波，中 国标准出版社，1 9 9 4 张为杰，交流励磁电机发展前景，大电机技术，1 9 9 2 ，n o 5 ，p 1 - 6 ，1 6 颜湘武，王仁洲等，交流励磁发电机综述，电力情报，1 9 9 6 ，n o 4 ，p 6 - l o 朱振东，发电机交流励磁变速运行的研究，浙江大学博士学位论文，1 9 9 6 钱照明，张军明，吕征宇等，我国电力电子与电力传动面临的挑战与机 遇，电工技术学报，2 0 0 4 ，v 0 1 1 9 ，n o 8 ，p i o 一2 2 水轮发电机交流励磁变速运行控制系统研制报告，浙江大学电机控制研 究所，1 9 9 5 ，8 韦忠朝，黄声华等，交一交型矩阵式变换器及其控制原理综述，电工技 术杂志，1 9 9 6 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j 3 0 【3 1 3 2 1 3 3 ：3 4 3 5 3 6 a l e j a n d r ow e i n s r e i n ，“m a t r i xc o n v e r t e r s ：at e c h n o l o g yr e v i e w , i e e e0 n i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，a p r i l2 0 0 2 ，p p ：2 7 6 2 8 8 k 1 m n p n e r c ，n i e l s e n p ，b o l d e a i ，b l a a b j e r g f ， n e ws o l u t i o n sf o ra l o w c o s tp o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c kf o rm a t r i xc o n v e r t e r s ， i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，v 0 1 4 9 ，i s s u e ：2 ，a p r i l2 0 0 2 ， p p ：3 3 6 3 4 4 p a t r i c kw w h e e l e r , “t h em a t r i xc o n v e r t e r - f u t u r ep o s s i b i l i t i e s ”i e e c o l l o q u i u m ，19 9 7 ，p p ：1 - 5 a k i oi s h i g u r o ，t a k e s h if u r u h a s h i ，s h i g e r uo k u m a ，“an o v e lc o n t r o l m e t h o df o rf o r c e dc o m m u t a t e dc y c l o c o n v e r t e r su s i n gi n s t a n t a n e o u sv a l u e s o f i n p u t l i n e t o l i n ev o l t a g e ，”【j ，i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r i a l e l e c t r o n i c s ，、b i 3 8 ，n o 3 ，1 9 9 1 ，p p ：1 6 p 1 7 2 h u b e r l ，b o r o j e v i c d ，“s p a c ev e c t o rm o d u l a t e dt h r e e p h a s e t o t h r e e p h a s em a t r i xc o n v e r t e rw i t hi n p u tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，”i e e e t r a n s a c t i o n so r , i n d u s t r y a p p l i c a t i o n s ，v 0 1 _ 3 1 ，i s s u e ：6 ，n o v d e c ，1 9 9 5 ， p p ：1 2 3 4 - 1 2 4 6 k a is u n ，l i p e ih u a n g ，m a t s u s e k ，i s h i d a t ，“c o m b i n e dc o n t r o lo f m a t r i xc o n v e r t e rf e di n d u c t i o nm o t o rd r i v e s y s t e m ，”i n d u s t r y a p p l i c a t i o n sc o n f e r e n c e ，2 0 0 3 ， 3 8 t hi a sa n n u a l m e e t i n g ， c o n f e r e n c er e c o r do fi a s ，v 0 1 3 ，1 2 1 6o c t ，2 0 0 3 ，p p ：1 7 2 3 1 7 2 9 p o d l e s a k ，t f ，k a t s i s d ， “a1 5 0k v av e c t o rc o n t r o l l e dm a t r i x c o n v e r t e ri n d u c t i o nm o t o rd r i v e ，”i n d u s t r ya p p li c a t i o n sc o n f e r e n c e ， 2 0 0 4 ，3 9 t hi a sa n n u a lm e e t i n g ，c o n f e r e n c er e c o r do ft h e2 0 0 t i e e e ，v o 3 ，3 - 7o c t ，2 0 0 4 ，p p ：1 8 1 卜1 8 1 6 k 1 u m p n e r c