（电力电子与电力传动专业论文）三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计.pdf

t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ha n dt h eh a r d w a r es y s t e m d e s i g n i n go ft h r e e - p h a s em a t r i x c o n v e r t e r a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sa n ”a l ls i l i c o n ”p o w e rc o n v e n e rw i t ha na d v a n c e d c i r c u i tt o p o l o g y i tp e r f o r m st h ep o w e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni na s i n g l e - s t a g ep r o c e s s i n gw i t h o u tt h en e e do fl a r g er e a c t i v ee n e r g ys t o r a g e c o m p o n e n t s ，a n dt h ep o w e rc o u l db et r a n s f e r r e db i - d i r e c t i o n a l l yb e t w e e n t h ei n p u ta n do u t p u t 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 do u t p u tv o l t a g e s i m u l t a n e o u s l y ，a n da l l o w st h ei n p u tf u n d a m e n t a ld i s p l a c e m e n tf a c t o rt o b es e ta tu n i t yo rf 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 sc a p a b l eo fp e r f o r m i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o nw i t h s i n u s o i d a lo 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 do u t p u tf r e q u e n c y a n da l l o w sb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w a c c o r d i n gt ot h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o do ft h ee q u i v a l e n t s 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 ，t h ec o n v e r s i o nr e l a t i o n so ft h e m a t r i xc o n v e r t e rw e r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n a c a cd i r e c tt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o la n dt h ee q u i v a l e n ta c d c a c s c h e m eo ft h em a t r i xc o n v e r t e rw e r ed e d u c e d b e s i d e s ，t h et h e s i sa l s o p r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no fs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g y a n d d i s c u s s e st h e i s s u e so fb i d i r e c t i o n a ls w i t c hc o m p o n e n ta n ds a f e l y s w i t c h i n gf l o w ，a n dp r e s e n t sak i n do fe f f e c t i v es w i t c h i n gf l o ws t r a t e g y t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h et h r e e p h a s em a t r i xc o n v e r t e rw a sb u i l ti n m a l la b s i m u l i n k t h ee x p e r i m e n t so ft h r e e p h a s er ll o a da n dt h e t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rl o a dw e r er e s p e c t i v e l yp e r f o r m e do nt h e m o d e lw h i c ha p p l y i n gt os p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g y ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ep r e c i s e n e s so ft h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n s t r a t e g yo nm a t r i xc o n v e r t e r b a s e do nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h e t h e s i sp r e s e n t st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo n m a t r i xc o n v e r t e r ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc u t o f ff r e q u e n c yo fi n p u t f i l t e ra n dp o w e rf r e q u e n c ya n dt h e s w i t c h i n gf r e q u e n c yw a s b e e n p r e s e n t e dw i t c hs u p p o r t sac r e d i b l et h e o r yb a s i c - f o rt h ed e c i d i n go ft h e i n p u tf i l t e rc i r c u i t t h ec o m m o nr o l et od e c i d et h ea r e ao fas p a c ev e c t o r i sa n a l y z i n gg o ta n dam a k i n gm e t h o di sg i v e n ，t h i sg i v e sat h e o r yb a s i c t ot h eu s eo ft h e c r o s s i n g z e r oc h e c k i n gc i r c u i t t h em e c h a n i s mo f o c c u r r i n go v e r 。c u r r e n t o v e r - v o l t a g e w h e nt h e s y s t e m t h a tm a t r i x c o n v e r t e rd r i v i n gm o t o ri sw o r k i n gi naw r o n gs i t u a t i o ni sd i s c u s s e da n d a ne f f e c t i v ep r o t e c t i n gm e t h o di sg i v e n t h i st h e s i sd i s c u s s e sp r i n c i p a li s s u e so ft h em a t r i xc o n v e r t e rs u c hi t s p r i m ep r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , c u r r e n tc o m m u t a t i o n ，i t sa p p l i c a t i o n se t c b yt h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，t h ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c eo ft h r e e - p h a s em a t r i xc o n v e r t e ri st e s t i f i e da n dt h es p a c e v e c t o rm o d u l a t i o ni sn o t i f i e dc o r r e c t s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n d s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa t eg i v e n ，w h i c hf o u n dt h eb a s i so ft h ep r o j e c tf o r t h ef u r t h e rs t u d i e s k e yw 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 rc o n t r o l ，s w i t c h i n gs a f e l y f l o w , s i m u l a t i o n ，d s p , c p l d i l l 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 ：益2 渤日期：2 q q z 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 缫篓罗避蒜篓：孙趔隆 论文作者签名：勉毖盏导师签名：。荔范盔亟日期：2 q qz 生 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 第一章绪论 1 1 电气传动的发展概况 电气传动系统是指以各类电机为动力的传动装置与系统，按其电源性质不同分为直 流传动和交流传动两大类。直流传动因其电机磁场与电驱电流间具有自然的解耦关系而 有优越的调速性能，在过去很长一个时期内，高性能调速系统一般都采用直流传动。由 于直流电机固有机械换向装置的存在，致使直流传动也存在一些难以克服的缺点：结构 复杂，造价昂贵；需经常维护；容量、电压、转速上限受到机械换向器结构的限制，无 法适应高电压、大容量及高速场合；电刷易产生火花，系统无法在易燃易爆场合下使用， 使用环境受到限制等等。而这些缺点不仅严重制约了直流调速系统的广泛使用，也制约 了直流调速系统的发展【1 】。交流传动中使用交流电动机，特别是鼠笼式三相异步电动机， 由于其具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很少需要维护、能 用于恶劣环境等突出优点，在现代工农业生产中获得了非常广泛地应用，也很适合现代 电气传动的发展趋势。但由于运行机理和结构上的特点，决定了三相交流电动机是一个 多变量、强耦合、非线性时变的复杂系统，它的可控性比较差。要使交流电动机获得良 好的调速控制性能，必须要有性能优良的控制系统，而这又受到交流电机调速控制理论 和电力电子变流技术的制约，因此在很长一段时间内交流调速系统无论是在控制性能还 是在系统成本、复杂性、可靠性等方面都和直流调速系统存在着一定的差距。近2 0 年来， 由于电力电子技术的迅速发展，使电力传动面l 临着一场巨大的变革，交流调速迅猛发展， 交流调速系统取得了巨大的进步，它在各个方面的指标都有了提高，交流电机固有的优 良特性又得到了充分的发挥，电气传动交流化的新时代已经到来。 交流电机调速方法可分为两大类1 2 j ：变同步速调速( 变极和变频) 和变滑差调速( 定 子调压、转子串电阻、转子串级及转差离合器调速等) 。变频调速是其中最为有效的调速 方式，是交流调速的理想调速方案。 变频调速是通过改变电机定子供电频率，来实现改变电机同步转速的交流调速方 法。通过变频装置可将电网的固定供电频率转换为可调供电频率，使三相交流电机在宽 广的范围内实现平滑的无级调速，获得良好的启动性能和运行性能。为使电机变频时磁 通保持设计点值不变，必须使定子输入电压随频率按一定关系变化。因此，变频调速又 有变压变频调速( 、厂、，、，f ) 之称。变频方式分为交一直一交变频和交一交变频两大类型。要 实现交流电机变频调速，必须要有能提供可变电压、可变频率的变频电源，上世纪七十 年代之前由于受电力电子变流技术和交流电机调速理论发展水平的限制，性能良好的变 频器技术上无法获得，变频调速方案也一直无法实施。近几年来随着电力电子变流技术 和交流电机控制理论等相关专业的飞速发展，变频调速获得了巨大的发展，现代的变频 陕西科技大学硕士论文 调速系统无论是在性能、可靠性还是价格等方面都己达到甚至超过了直流调速方案。以 变频调速为代表的交流调速方案已经成为电气传动领域的首选方案，而且也代表了电气 传动发展的趋势和主流技术。 1 2 常规电力变换器特点及缺陷 常规电力变换器有交一交变换器和交一直一交变换器两大类p j l “。 交一直一交变换方式有方波( 六脉波) 和脉宽调制型之分，均由整流器、滤波器和逆变器所 组成，完成交流( 工频) 一直流一交流( 变频) 转换。按照直流环节滤波元件的不同又可分为电 压型和电流型。电压型逆变器( v s i ) 用电容器滤波，输出电压稳定，内阻较小，具有电压 源特征；电流型逆变器( c s i ) 用电抗器滤波，电流稳定，内阻较大，具有电流源特征，有 再生制动能力，又能设置电流环提高电流的动态响应速度和控制能力，适合需要快速增 减速和调速范围宽的场合。脉宽调制型伊w m ) 逆变器采用不控整流，通过调节逆变器的 脉冲宽度来改变其输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率，由于开关频率高， 动态响应快。但是交一直一交变换器输入功率因数也很低，一般只有o 6 5 左右，整流器、 电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压是正弦的， 但输入交流电流的波形却严重畸变，呈脉冲状。另外，对于采用大电感滤波的电路，输 入电压为正弦波，但输入交流电流为方波状，同样也含有大量丰富的谐波，功率因数也 较低，会对电网造成“污染”，已成为其应用普及的最大障碍。 交一交变换方式也分为电压型和电流型。电流型交一交变换器输入接入了足够大的滤 波电感，输出电流波形近似方波；电压型交一交变换器则可以采用余弦交点法触发控制方 式输出正弦波电压。交一交变换方式一般是通过移相控制晶闸管整流器实现交流电源与交 流电机之间的功率低频直接转换，它的工作原理基于可控整流电路，可选用容量大、价 格低和工作可靠的晶闸管作为开关器件，利用电源交流电压实现晶闸管自然换流，使大 容量晶闸管可靠关断，因而无需辅助换流电路，由于它没有中间直流环节，所以能实现 能量双向流动，实现四象限运行，系统损耗低，变换效率高。但是由于交一交变换器采用 移相触发控制的方式实现功率变换，会引起电流、电压波形的严重畸变，无论是输入侧 还是输出侧都含有丰富的谐波，造成严重的谐波效应。而且其最高输出频率一般不超过 电源频率的1 3 1 2 ，且使用的元器件较多，控制线路复杂，低速功率因数低，因而仅 适用于大功率电机低速调节工况。 输入电流含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，整流电路的输入端必须增加滤波 器，其成本高，体积、重量又庞大、笨重。大量电流谐波分量流入电网后，造成对电网 的“谐波污染”。这样一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反 过来使电网电压也发生畸变；另一方面会造成电路故障，使变电设备损坏pj 。由于谐波 2 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 在电网中产生大量的无功功率，使得电网无功功率失去平衡，对电网的稳定构成威胁， 影响了整个电力系统的电力环境，不仅导致电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波 形发生畸变，并对电力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害1 6 】1 7 】。 解决电网的谐波污染和低功率因数问题主要有两种途径。一是装设补偿装置即在电 力系统中投入大容量的有源或无源滤波器，以补偿谐波和无功功率；二是开发高功率因 数和低谐波污染的电力电子变换器。无功补偿和滤波从实质上讲只是一种防治手段，是 先污染后治理的方法，治标不治本。因此，研制并使用具有优良控制性能和品质的电力 变换器，使其具有可控的输入功率因数且不对电网造成谐波污染是一种较为积极的办法。 矩阵式变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ，简称m c ) 以其简单的拓扑结构及诸多的理想特性，已 经被普遍认为是一种最具发展前途的电力变换器。 1 3 矩阵式变换器的特点和研究现状 矩阵式变换器是一种直接从交流输入到交流输出的电能转换装置，依靠双向开关 ( b i - d i r e c t i o n a ls w i t c h ) 阵列，产生频率和幅值满足要求的可调输出电压。自从1 9 7 6 年 l g y u g y i 和b r p e l l y 首先提出矩阵式变换器思想和拓扑以及1 9 7 9 年m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 在理论上论证了该电力变换技术的可行性以来，矩阵式变换器变换理论、样机 制作与传动应用等方面都取得了长足的发展，在电力变换和电力传动领域，矩阵式变换 器一直吸引着人们浓厚的研究兴趣【8 j 【w 。 1 3 1 矩阵式变换器的特点 矩阵式变换器作为一种新型的交一交变换器，以其简单的拓扑结构及诸多的理想特 性，使其具有巨大的研究价值。在理想条件下，与传统的交交变换器及交一直一交变换器 相比具有明显的优点，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 能够实现能量双向流动，非常适合四象限运行的交流传动系统； ( 2 ) 输入功率因数可任意调节，而与负载阻抗特性无关； ( 3 ) 可获得j 下弦形的输入电流和输出电压，波形失真度小； ( 4 ) 无中间储能环节，结构简单且动态响应快； 1 3 2 矩阵式变换器的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变 换器，控制难度是很高的。矩阵式变换的硬件特点是要求大容量、高开关频率、具有双 向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理 能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平难以达到的。所 陕两科技大学硕士论文 以这一时期的矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多 都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。 8 0 年代，高工作频率、低控制频率的全控型功率器件如b j t 、i g b t 等不断涌现， 推动了矩阵式变换器控制策略的研究。人们发现，采用全控器件不仅能对输入移相进行 控制，还可以对输入电流波形进行控制。8 0 年代末，矩阵式变换器的试验装置问世了。 早期的试验装置由于工作频率不够高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电 网频率，但突破了以往交一交变换器的上限。 进入9 0 年代以来，随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵式变换器的研制 形成了一个热点。构成双向开关的单相开关间的多步换流控制技术被推广开来，装置的 性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的2 旬倍，输入侧电流波形畸变 率小于2 ，对于恒压频比、电流跟踪和矢量控制等，取得了一定的成果。与此同时， 由于计算机软、硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实验相结合的基础上，更多的采用 了仿真方法，以进一步提高研究的深度和广度，提高研究的效率。其中最引人注意的有 南斯拉夫学者l h u b e r 和美国教授d b d r o j e c v i c 提出的基于空间矢量调制的控制技术， 并成功地研制出了2 k w 的实验样机l l o l ，台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技 术，提出了另一种实现方法【1 1 1 。1 9 9 6 年英国学者w a t t h a n a s a m 等基于d s p 和i g b t 硬件 条件完成了2 k w 的实验样机【1 2 l 。1 9 9 7 年英国学者e w h e c i c r 和d g r a n t 提出了一种对构 成双向开关的单相开关问切换实现四步换流的的开关损耗和优化输入滤波器的矩阵式变 换器的仿真研究，并研制出了5 k w 的实验装置1 1 3 】。 我国矩阵式变换器的研究工作开展较晚，基本上从9 0 年代开始。哈尔滨工业大学对 矩阵式变换器的理论进行了深入的分析和研究，其中针对矩阵式变换器的无功功率问题 【1 4 】，分析了矩阵式变换器输入无功功率的性质和无功量值的调节规律，得出了一些有意 义的结论；关于灵敏性问题【1 5 l ，导出了用伴随网络法分析电压增益对矩阵式变换器滤波 参数和控制参数的灵敏度公式。他们还提出了基于p a r k 变换的矩阵式变换器等效电路模 型【1 6 l ，在矩阵式变换器的线性时不变电路模型的基础上，对空间矢量调制矩阵式变换器 非理想条件下的稳态特性进行了分析旧，对空间矢量调制矩阵式变换器的暂态相应特性 与输入滤波器的关系进行了讨论【1 8 】，取得了令人注目的成绩。福州大学基于电流滞环跟 踪控制的矩阵式变换器的研究，建立了电流滞环跟踪控制的仿真模型并进行了仿真研究 【1 9 】，推导了电流滞环跟踪控制方式下的开关函数，试制样机并带三相感性负载进行了实 验，从而验证了矩阵式变换器电流滞环跟踪的j 下确性和可行性印j 。上海大学基于空间矢 量调制的三相矩阵式变换器研究【2 1 】，完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的矩阵式变换器控制 系统，并取得了较好的实验结果。 总的来看，矩阵式变换器是随着电力电子技术的发展在不断发展，但目前世界范围 4 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 内的矩阵式变换器研究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。 矩阵式变换器在国内外虽然己在研究，但是尚有许多问题还没有解决。本课题除了 高起点地继续深入进行理论研究外，也注重其实现技术和应用基础的研究，探讨矩阵式 变换器回馈电机变频调速等与矩阵式变换器特性相匹配的应用方式。此外，在实现技术 上采用d s p + c p l d 及i g b t 组合双向开关构成的高速、可靠、紧凑、全数字控制的硬 件结构，以考虑今后条件成熟时为实现构造模块式优质电源变换器提供技术基础，能使 研究工作紧密跟踪，追赶国外电力电子技术的最新发展趋势，对我国电力电子工业的发 展具有现实意义。 1 4 本课题的研究意义及研究目的 1 4 1 研究意义 传统的交一交变换器由三套可逆整流装置组成，多用于大容量低速传动和交流励磁发 电。采用移相控制的交一交变换器在实现功率变换的同时会引起电压、电流波形的严重畸 变，产生大量的谐波。而交流励磁发电时会导致发电机输出的电能质量不符合电网的要 求【捌。 高频自关断器件的应用和调制技术的不断发展，交一直一交型p w m 变频器迅速成为 变频电源的主体。特别是各类调制技术的发展，优化了p w m 变频器的输出特性，获得 了良好的正弦输出电压，从而在高性能调速传动中得到广泛应用。但通用的交一直一交型 p w m 变频器还有输入特性差的弊病。由于交一直变换中多采用不控整流加大电容作直流 滤波的配置，一方面使得输入电流的波形为仅在输入电压峰值处很窄范围内的脉冲，其 谐波成分很大，加上应用面广，是造成电网污染的主要谐波源。在电力系统中，各种谐 波源产生的谐波对电力系统造成污染，影响到整个电力系统的电气环境，并对电力系统 本身和广大用户的电力设备甚至其他用户的设备造成极大的危害。另一方面直流滤波的 电解电容随变频器容量而增大，成为变频器寿命、可靠性的隐患，更是变频器功率密度 提高的严重制约因素。再者这种不控整流方式不可能实现能量的双向流动，用于调速系 统不能真正实现四象限运行。这样，从环境保护、电网侧谐波污染的角度出发，人们的 注意力又从改善变频器的输出特性转移到致力于改善输入特性的更深层次的研究之中。 随着电力电子技术的不断进步，变频调速已在交流调速传动中占据了主导地位，成 为工业自动化的关键传动技术，更是运行节能的重要手段。然而，随着变频装置的广泛 应用，电网中的谐波污染也越柬越严重，防治“电力公害”，提高电能质量是当前电工技 术最为关注的热点问题，除了被动的谐波抑制外，改善变频装置的输入、输出特性，消 减谐波的主动措施具有事半功倍的效果，更为人们所关注。矩阵式变换器具有优良的输 陕两科技大学硕士论文 入输出特性，能够避免常规变换器的负面效应，达到主动消减谐波的目的，适用于回馈 电机变频调速驱动系统。 矩阵式变换器是一种具有优良输入输出特性的新型交一交直接电源变换器，它允许功 率单级变换，无需大容量的储能元件如大电容、大电感。可使输入电流正弦，可达到单 位输入功率因数并可自由调节，且与负载的阻抗特性无关。输出电压正弦，输出频率、 电压幅值可调，输出频率可高于、低于输入频率。功率可双向流动，具有四象限运行能 力；加之体积小、效率高，符合模块化发展方向。矩阵式变换器在变频调速系统中的应 用既可产生节能的重大经济效应，又可避免因谐波污染带来的电力系统环保问题，是一 种无负面效应可持续发展的技术方案，因而研究意义深远。 1 4 2 课题的研究目的 由于矩阵式变换器的特性优良，世界各国的研究人员都对其产生了浓厚的兴趣，但 我国的矩阵式变换器研究较之国外的研究程度还处于初步阶段，所以本文的研究目的就 是比较全面地验证矩阵式变换器的优良特性，从整体上给出基于空间矢量调制策略的矩 阵式变换器的实现方法，为我国以后的矩阵式变换器的研究工作提供一些基础。 1 5 本课题的研究背景及研究内容 1 5 1 研究背景 前已叙述，矩阵式变换器在国内外已成为研究的热门课题之一，并已经研制成功基 于多种调制策略和不同种类开关器件组成双向开关的矩阵式变换器物理样机，通过实验 研究以及对有关问题的研讨，己充分说明了矩阵式变换器的理论不仅是正确的，而且是 切实可行的，但实验研究还不够深入和全面，在矩阵式变换器的工程实用化即产品化过 程中仍有许多务需解决的问题，如矩阵式变换器的输人功率因数可调的机理以及与之有 关的变量是什么? 调整输人相位差应注意什么问题? 如何解决矩阵式变换器的电压传输 比偏小的问题? 实现矩阵式变换器时存在对可靠性有影响的双向开关换流问题，有没有 办法进行回避以增加可靠性? 矩阵式变换器的调制策略比较复杂，有没有矩阵式变换器 的简化实现方法? 用空间矢量调制方法能否减小开关损耗以增加主电路的工作可靠性? 三相矩阵式变换器作为一种频率变换器可否大量用于三相异步电机传动系统以及应注意 的问题是什么? 能否验证其四象限运行? 应用矩阵式变换器的主要目的之一是解决目前 通用交一直一交变频器的输人功率因数偏低及谐波含量偏大问题，在现实条件下有没有其 他解决方案以及能达到什么效果? 为进一步研究这些问题，采用仿真手段应是一个较好的方法之一，将仿真手段应用 于科研和开发，在国外各高校、科研机构以及企业或公司己经走向成熟化，出现了大量 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 工具软件包。在电力电子与自动化行业，大家熟悉的有p s p i c e 、s p i c e 、m a t l a b s i m u l i n k 等，在国外应用较多的大型商业软件还有s a b e r 、c a d e n c e 、m e n t o r 等，另外还有许多专 业性较强的工具软件。随着计算机软、硬件的发展，仿真的意义和作用在国内已经被大 家所重视，如浙江大学以s a b e r 作为主要工具，建成了电力电子仿真中心。用仿真的手 段，一方面可以解决用实验和理论均难以解决的问题，另一方面可以提高工作效率。因 此本文根据实际情况，在具备了较好的仿真工作条件下，采用理论分析和仿真实验相结 合的方法，对以上部分问题如矩阵式变换器的输入功率因数调节等进行了研究，尤其在 仿真应用方面做了较多的工作。 1 5 2 课题的研究内容 本文的主要内容包括一下几个方面： 第二章分别对矩阵式变换器的交一直一交等效变换，空间矢量调制策略和双向开关的 安全换流方案的理论基础进行了阐述。第1 节，讨论了矩阵式变换器的交一直一交等效变 换结构，第2 节，讨论了等效交一直一交结构下的空间矢量调制策略，第3 节，讨论了矩 阵式变换器的交一交直接变换策略，第4 节，讨论了矩阵式变换器的双向开关安全换流策 略。交一直一交等效变换是本文调制策略的来源和基础，空间矢量调制策略是实现矩阵式 变换器的核心控制策略，而在目前没有商品化双向自关断器件的条件下，由单相自关断 器件组成的双向开关的安全换流问题是矩阵式变换器实现技术的关键。因此，本章构成 了全文研究的理论基础部分。 第三章在理论分析的基础上，展示了对三相矩阵式变换器的仿真研究成果。应用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对矩阵式变换器的控制策略、带三相阻感性负载和三相异步电 机负载运行进行了仿真研究，并着重分析了仿真的实现、结果及应用。第1 节讨论了基 于m a t l a b s i m u l i n k 软件的控制策略；第2 节讨论了等效交一直一交结构中虚拟交一直整流 部分的仿真与研究；第3 节讨论了等效交一直一交结构中虚拟直一交逆变部分的仿真与研 究；第4 节讨论了矩阵式变换器交一交直接变换的仿真与研究。 第四章在理论分析和仿真研究的基础上，对矩阵式变换器的硬件实现技术和手段进 行整体分析和总结，给出了d s p + c p l d + i g b t 的全数字式矩阵式变换器控制系统的 硬件体系。第1 节给出了矩阵式变换器的全数字控制系统的整体框图；第2 节讨论了矩 阵式变换器的主回路电路设计，其中包括：输入滤波器的设计、双向开关的驱动电路设 计；第3 节讨论了矩阵式变换器的控制电路的设计，其中包括：d s p 控制器介绍、过零 检测电路设计、译码换流电路设计、系统保护电路( 钳位电路) 第五章是对矩阵式变换器研究的分析和总结，并对矩阵式变换器的研究工作进行展 单。 7 陕西科技大学硕士论文 本文从理论研究和仿真两个方面对矩阵式变换器的基本原理、控制策略、开关换流、 应用范围等基本性问题进行了深入系统的研究，通过对理论和仿真结果的分析得出了一 些有意义的经验和结论，并为这一新型“绿色”变换器的进一步深入研究和应用打下基 础。 8 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 第二章矩阵式变换器的基本结构和控制原理 本章从矩阵式变换器的变换矩阵出发，应用交一直一交等效变换的方法，推导了矩阵式变换器和 等效交一直一交结构的开关函数和变换矩阵，得出了矩阵式变换器和等效交一直一交结构的功率开关之 间的对应关系，并建立了数学模型；分析了矩阵式变换器的基本原理和交一交直接变换的控制策略， 并得出了控制的开关表；阐述了等效交一直一交结构的空间矢量调制策略的基本原理，并讨论针对等 效交一直一交结构的该调制策略的实现方法。同时，探讨了矩阵式变换器的双向开关及其安全换流问 题，为下一步的仿真和研究奠定了基础。 从理论上讲，矩阵式变换器的输入可以是n 相频率为f 的交流电，输出可以是m 相频率为正的交流电。但在目前的实际研究中，往往以三相矩阵式变换器为主要研究对 象。对于一组频率为q 的三相交流电压玩，通过按一定规律控制变换器中的功率开关， 可以合成所需频率为的三相输出电压o o ，即：驴。一于巧；，式中变换矩阵f 的确定反映 了矩阵式变换器的控制策略。 矩阵式变换器的控制策略可以分为三类【驯：直接变换法，间接变换法和滞环电流跟 踪法。 1 直接变换法：直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的。 它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法和标量法，所有这些方法虽各有一定 的优越性，但也存在一定的问题，具体实现复杂，软件运算量较大，限制了它们的应用 范围和深度。 2 间接变换法( 交一直一交等效变换法) ：基于空间矢量变换的一种方法，将交一交变 换虚拟为交一直变换和直一交变换，这样便可采用目前流行的高频整流和高频逆变p w m 波形合成技术，变频器的性能可以得到较大的改善。而且，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。它是目前在矩阵式变 换器研究中较为成熟的一种方法，比较有发展前途。 3 滞环电流跟踪法：这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较， 根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作。它具有容易理解、实现简单、相应 快、鲁棒性好等优点，但也有滞环电流跟踪控制共有的缺点，开关频率不够稳定，谐波 随机分布，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等。 采用间接变换法( 交一直一交等效变换法) 可以使用成熟的交一直一交变换器的控制策 略，以获得较好的输出电压和输入电流波形。本文的研究是基于这种方法进行的。 2 1 矩阵式变换器的交一直一交等效变换 矩阵式变换器交一交直接变换关系可以从等效的交一直一交变换中推得。一个实现交一 陕西科技大学硕士论文 交变换的矩阵式变换器可以由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器构成的等效交一直一 交结构来代替，如图2 - 1 所示。采用这样的等效结构可以充分利用已有成熟的交一直一交 变换中的p w m 控制技术，并可通过对比分析出如图2 2 所示实际矩阵式变换器的开关 控制规律i 刎。 【厂 u 【， s 。js ，s ： 夕t sp ts ，( outi n 丑 s 。s 。： s - “s 。，s 。， i 图2 - 1 矩阵变换器的等效交一直一交结构 f i 9 2 - 1a c - d c - a c f r a m eo fm a t r i xc o n v e r t e r 【，j 【厂j 【厂c a b c 图2 - 2 矩阵变换器的拓扑结构 f i 9 2 - 2t o p o l o g i c a lf r a m eo fm a t r i xc o n v e r t e r 分析图2 - 1 和图2 2 时，首先定义开关函数s m ；导通时，s m - 1 ；断开时，s m - 0 。 对于图2 - 1 的等效交一直一交结构，j e a ，b ，c ，爿，b ，c ，t e p ，n 。由于输入是电压 源性质，输入电压不能被短路；输出为感性负载，输出电压不能突然开路。按照这一原 则，虚拟整流器中同一直流母线p 或n 上的开关必须有一个且只能有一个处于导通状态， 即： e i + s + s d 一1 ，t 尸，n j ( 2 - 1 ) 而虚拟逆变器同一输出相a 、b 或c 上必须有一个而且只能有一个开关导通，即： s ，+ s 一1 ，j 彳，b ，c j ( 2 2 ) 对于图2 - 2 的矩阵式变换器拓扑结构，j e a ，b ，c ) ，七 n ，b ，c 1 。矩阵式变换器的 三相矩阵式变换器的仿真研究与硬件系统设计 两个输入相不能同时与一个输出相相连以免输入短路；同时每一输出相必须始终与一输 入相相连以免感性负载回路开路。按照这一原则，每一输出相必须连至且只能连至一个 输入相，故开关函数必须满足： s 扣+ s 拍+ s 扛- 1 ， 爿，b ，c ) ( 2 3 ) 等效交直交结构中虚拟整流器部分的变换关系为： u j , | s b p 站 f 口 f c u 4 u b 【，。 s 。p s b p s , e ( 2 - 4 ) ，u n b ds b n s c 0 i p s d s w s m 等效交直交结构中虚拟逆变器部分的变换关系为： u a u 8 u c f p | 】 1 月 b f c s ” s b p s c p u p + s 8 n s c m ( 2 6 ) 【0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ， i s b # s c u b f c ( 2 5 ) ( 2 9 ) 将式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 7 ) ，并按l k 一乩一，【，w - u b - u c ，u ai u c - u j ，可得 输出线电压的表达式为： 、i s 。+ s 。一蝤口+ s 茹s 。+ s 。一q 。+ s os 。+ s “一，+ s 。h l 土i 旯，- 置即+ 5 。s 时一，珏+ 5 ：。- 写口v ) s 0 - f 酽+ 点w - 瓦，一写、，_ 5 ：，+ 5 w s 叫) s 0 s r + 5 。，# 州一，s 口+ j 5 ：；，s 甜) i ll s ：，s 俨+ 5 ：。忍一0 0 ，- 鞍r + 5 。v s 0 ) 5 i s 口+ 5 ：，爰x 一( 写垆p + 5 w - “) s 0 爰，+ 5 ：，& 一s ：，护+ 5 ；。墨，) l ( 2 1 0 ) 将式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 代入式( 2 6 ) ，可得输入相电流的表达式为： s d p s p + s s “ s b p s p + s b n s “ s 。p s 4 p + s d s “ s 。口s8 p + s d s b n s b 口sb p + s b n sb n s 。口s8 p + s s8 n s 。口s c p + s 。n s c n s b p s c p + s b n s c n s - p s c p + s 。n s c n 而实际的矩阵式变换器交一交直接变换关系为： u u 口c s a 。- s m s b ，一s c ， s c ，一s h s a 6 一s 8 6 s 8 b s c b s c 口一s n s ：一sa 。 s m s c 。 s c c s a 。 u u 。 z 日 c ( 2 1 2 ) ( 2 1 1 ) 陕两科技大学硕士论文 【| ；】_ | i ； s 口。 s 日b s 口。 s c 。1 卜1 s c 6l li 口i ( 2 1 3 ) mj s 肚一s i e s i ，+ s t n s t ，j e a ，b ，c ) ，七扣，b ，c ) ( 2 - 1 4 ) 式中g , j ，k e a ，b ，c ) ，历，n ，l e a ，b ，c ) ，且g - ，_ k ，m _ 以- f 。 谚料叫巍箸；卜6 ， 玩忖u b c 唯c 篇o s ( c o t - 4 0 鬻o + 3 0 0 茅) ；卜 = 考虑至l j u o 一于反( 2 1 8 ) c o s ( m o t 一+ 3 0 0 )1 c o s ( m i t 一铭)1 。 于一肌lc o s ( m o t 一+ 3 0 0 一1 2 0 0 ) | | c o s ( c o i t 一仍一1 2 0 0 ) l ( 2 1 9 ) i c o s ( c o o t 一+ 3 0 0 + 1 2 0 0 ) | | c o s ( c o i t 一铭+ 1 2 0 。) l c o