變換器及其在電氣傳動中的應用研究_圖文

1、Y79t38810708 826潰西料技大擎碩士學位論文題目:矩雕式變=變變熱器及甚查電氬熊動蟲的虞搦研究 R蕊n鯽MAlrix旦n!Prl置.§豫島j蟾.叩lK#l地旦陋m蚌l置摶 nr縋蚋g.§x§螺黑院(系一電氣與電子工程學院專業(yè)控制理論與控制工程 研究生 李耀華 指導教師 .孟廖;康教擐一郭前崗一副教擐 一 oo五年五月:二十日Y79388矩陣式交.交變換器及其在電氣傳動中的應用研究摘要矩陣式變換器作為一種奎新電能變換裝置,具有輸入功率因數(shù)為 l,輸入電流諧波小,機構緊湊,易于四象限運行等諸多優(yōu)點,成為 未來傳動技術的發(fā)展趨勢。本文重點研究三相/三i相交.

2、交矩陣式變換器及其在電氣傳動中的 應用,主要內容如下。第一章緒論,闡述了本文選題的背景、目的和意義,并對矩陣式 變換器的發(fā)展做了綜述。第二章第一節(jié)研究了矩陣式變換器的主回路拓撲、雙向開關、輸 入濾波電路、和鉗位電路;第二節(jié)在矩陣式變換器“虛擬直流環(huán)節(jié)” 思想的基礎上,推導出矩陣式變換器與等效交.直.交的對應關系;第 三節(jié)研究了矩陣式變換器空間矢量調制策略,得出矩陣變換器基于虛 擬交.直.交結構的空間矢量調制實質上就是電壓型雙PWM交.直.交 變換器的綜合協(xié)調控制目標的一體化實現(xiàn);第四節(jié)研究了矩陣式變換 器四步換流技術;第五節(jié)對基于空間矢量調制的矩陣式變換器進行了 仿真研究,驗證了矩陣式變換器的

3、特性;第六節(jié)對矩陣式變換器與雙 PWM變換器進行比較研究。第三章對矩陣式變換器的電壓傳輸比進行了分析研究,給出了傳 輸比受限的物理解釋,用空間矢量調制技術驗證了物理解釋的正確性, 并給出了一種提高矩陣變換器電壓傳輸比的方法。第四章給出了矩陣式變換器電機系統(tǒng)概念及其系統(tǒng)構成,把矩陣 變換器與感應電機視為一個整體,建立了基于虛擬直流環(huán)節(jié)思想的矩 陣式變換器電機系統(tǒng)在兩相靜止坐標系中的動態(tài)數(shù)學模型,利用 Matlab/Similink建立了仿真模型,并對采取空間矢量調制的矩陣式 變換器電機系統(tǒng)進行了仿真研究,得出矩陣變換器電機系統(tǒng)是機電一 體化、集成化的新型電機控制系統(tǒng)體系結構,可在不明顯增大系統(tǒng)成

4、 本的前提下,提高系統(tǒng)可靠性和效率,符合機電一體化、集成化這一 電氣傳動發(fā)展趨勢。第五章分析了直接轉矩控制系統(tǒng)原理,建立了直接轉矩控制仿真 模型,對直接轉矩控制中電壓矢量對電磁轉矩的影響進行了詳細的理 論分析,指出當定子磁鏈幅值和磁通角變化發(fā)生矛盾時,電壓矢量對 電磁轉矩的影響與磁通角(定、轉子磁鏈夾角大小及定子磁鏈矢量相 對其所在扇區(qū)的位置均有關,仿真實驗證明了理論分析的正確性,最 后提出了12扇區(qū)磁鏈圓優(yōu)化控制思路。第六章在矩陣式變換器電機系統(tǒng)及直接轉矩控制系統(tǒng)的基礎上, 分析了矩陣式變換器輸出電壓空間矢量及輸入電流空間矢量,建立了 矩陣式變換器電機系統(tǒng)直接轉矩控制的開關表。仿真結果表明直

5、接轉 矩控制應用于矩陣式變換器電機系統(tǒng)兼有直接轉矩控制的響應速度 快,魯棒性好與矩陣式變換器輸入功率因數(shù)可調的優(yōu)點,是實現(xiàn)高性 能電機驅動控制系統(tǒng)的一種理想控制策略。第七章是全文的總結,并對矩陣式變換器的發(fā)展作了展望。本文探討了矩陣式變換器運行機理,對矩陣式變換器電壓傳輸比 做出了物理解釋,提出了矩陣式變換器電機系統(tǒng),對直接轉矩控制中 電壓矢量對電磁轉矩的影響進行了詳細的理論分析,將直接轉矩控制 應用于矩陣式變換器電機系統(tǒng),仿真結果驗證了本文的理論分析。關鍵詞:矩陣式變換器,空間矢量調制,交一直一交等效變換,雙PwM 變換器,矩陣式變換器電機系統(tǒng),直接轉矩控制R&D on Matrix

6、 Converter and its Application in Electric Driving System ABSTRACTMatrix Converter(MCl as a novel inverter with many virtues such as:unity input power factor,low THD in input current,compact volume and the easy realization of four quadrant running is the developing trend ofdrives.MC and its applicat

7、ion in driving system is presented in this dissertation.The main contents are as to¨OWSChapter 1is an introduction including the background,the purpose,the meaningof this research and a survey ofthe development ofMC.The main circuit,bi-directionalswitch,input filter and clamp circuit of MC are

8、presented insection 1of chapter 2.On the basis of“fictitious dc link”of MC,thecorresponding relationsbetween MC and equivalent AC一13(2一AC inverter in section2.Space Vector Modulation(SVMof MC is studied and the conclusion is proposed that Matrix Converter is the realization toward the coordinate con

9、trol goal of dual PWM AC-DCAC converter in section 3,Four-steppedcommutationstrategy of MC is proposed in section 4In section 5,from the simulation results of MC Implemented by SVM,the characters of MC are proved.Comparison of MC and dual PWMAC-DC-AC converter is done in section6.Input inactive powe

10、r ofMC is studied in section 7.In chapter 3,the transfervoltage ratio of MC is studied and an explanation to the limit of voltage ratio is given and the SVM strategy is used to prove it true,and a method to increase voltage ratio is proposed.In chapter 4,Matrix Converter Motor System(MCMSis proposed

11、.The mathematics modelof matrix converter fed motor drive system in the staticplane based on the fictitious link conceptis given and the model of the drive system based onspace vector modulation by means ofMatlab/Simulink is discussed.The simulation results of MCMSimplemented by SVM showsMCMS has th

12、e low volume,the sinusoidalinput current,the bidirectional power flow,and the 4lack of the bulky and limited-lifetime electrolytic capacitors,SO itS the ideal choice to realize integration ofmotor and frequency conveffer.MCMS integrating the療equency converler and the electrical motor into a single u

13、nit is the trend in electrical drives to reduce the cost and increase the overall efficiency and the equipment ability,In chapter 5,the impact of space vector of voltage on electromagnetic torque in Direct Torque Control(DTCis studied.The conclusion is proposed that when the changes of the magnitude

14、 of the stator flux and the flux angle(angle between the stator and the rotor fluxis contradictory,the impact on the torque relates to the magnitude of the flux angleand the position of the stator flux in its sector.The simulation proves the mathematics analysis right.Finally a novel DTC control str

15、ategy is proposed.In chapter 6,the output voltage space vectors of input currents space vectors of MC are studied on the basis of MCMS and DTC and the switching table of MC implemented by DTC is proposed.Simulmion results show MCMS implemented by DTC combines the advantages of MC with the advantages

16、 of DTC:fast response,unity input power factor,which is all ideal control stratt:gY.Chapter 7is the summary and the future development ofMC is given.This dissertation works on the opermion mechanism of MC,giving the physical explanation of the transfer voltage of MC and the concept of MCMS,studying

17、the impact of space vector of voltage on electromagnetic torque in DTC and realizing MCMS implanted by DTC.The simulation results verify the theoretical analysis in this dissertation.Keyword:matrix converter,space vector modulation,equivalent ACDCAC conversion,dual PWM AC-DCAC converter,matrix conve

18、rter motor system,direct torque control5卜1引言、4第一章緒論矩陣式變換器(Matrix Converter MC是一種直接從輸入到輸出的電能轉換裝 置,依靠雙向開關(Bi.directional Switches陣列,產生頻率與幅值可調的輸出電壓, 是真正的“pure silicon converter”。理論上,矩陣式變換器為n相輸入,m相輸出, 并且在同一矩陣式變換器上,通過采用不同的控制策略,可以實現(xiàn)整流器、逆變 器、斬波器以及變換器的功能,因此,亦被稱為“力_能變換器”。近二十年的研究表明,矩陣式變換器與傳統(tǒng)的交.直一交變頻器和交.交周波變 頻

19、器相比,至少具有以下優(yōu)點:(1控制自由度大,輸出電壓可調,輸出頻率不受輸入頻率的限制;(z輸入功率因數(shù)可調,可以滯后,超前或為1,不受負載限制;(3輸入電流正弦,對電網無諧波污染;(4能量可以雙向流動,尤其適合于電機四象限運行;(5無任何中間直流環(huán)節(jié),結構緊湊,體積小,效率高,易于實現(xiàn)集成化和模 塊化。本文重點研究三相/三相交-交矩陣式變換器及其在電氣傳動中的應用。 1-2研究矩陣式變換器的重要意義b交流調速裝置具有節(jié)能效果明顯;機械特性硬;無附加轉差損耗;最高轉速 和容量增大;頻率精度高:可實現(xiàn)軟啟動;安裝方便,性能穩(wěn)定,維修工作量小 等優(yōu)越性能,因此被廣泛應用在現(xiàn)代工業(yè)的各個領域。但目前普

20、遍采用的電壓型交一直一交變頻方式存在以下問題:諧波污染; 無法實現(xiàn)四象限運行;功率因數(shù)較低。而大容量系統(tǒng)所采用的交一交變頻器同樣存在諧波污染和無功功率等負面效應,并且輸出頻率受到輸入頻率的限制。當 電網頻率為50Hz對,交一交變頻器的輸出上限頻率約為20Hz。無功功率會增加電網和用戶設備容量,并且增大設備、線路的損耗。諧波的 危害主要表現(xiàn)在:對旋轉電機產生附加功率損耗,引起電機振動,諧波轉矩影響 電機特性;增加變壓器和電網的損耗,對繼電保護、自動控制裝置及計算機產生 干擾,引起可靠性的問題;高次諧波產生附加的無功功率,導致電網有效傳輸能 力下降,增大電網損耗,引起電網電壓嚴重下降,從而形成了嚴

21、重的“電力公害”, 限制了變頻調速技術的應用。因此,解決“電力公害”問題就變得同益重要。目前基本思路主要有兩條;是加設補償裝置用以抑制諧波和進行無功功率補償;二是對電力電子裝置本身進 行改進,使其不產生諧波和不消耗無功功率。l、裝設補償裝置晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor TCR、晶閘管投切 電抗器(Thyristor Switched Capactior TCR、采用自換相電路的靜止調相 器(Static Condenser STATCON以及基于瞬時無功功率理論的有源電力濾波 器(Active Power Fiiter APF,可以有效抑制諧波和進

22、行無功補償。但加設 補償裝置本質上是種消極的方法,且一般價格昂貴,控制復雜,同時存在著 “過補償”和“欠補償”的問題。2、單位功率因數(shù)變流器(Unity Power Factor Converter在輸入側附加功率因數(shù)校正裝置(Power Factor Correction PFC,缺 點是電路復雜,總體效率降低,EMI大;對大容量變頻裝置采取多重化技術,缺點是體積龐大,成本高昂:對電壓型交一直一交變頻器整流側采取PWM整流技術,將二極管不可控整 流改為P州可控整流,與PWM逆變器配合,構成理想的四象限變換器,也稱為 雙PWM變換器;對傳統(tǒng)變換器的主電路拓撲結構進行革新,開發(fā)不產生諧波且輸入功

23、率 因數(shù)為1的全新交流變頻裝置。矩陣式交一交變換器就是其中的典型,也是近年來電力電子學科的研究熱點之一。雖然矩陣式變換器的研究尚且處于試驗階段,并未實現(xiàn)產業(yè)化,但它應用前 景較為廣闊:作為變頻調速裝置,其有可能逐步取代傳統(tǒng)電氣傳動中的交一直一 交以及交一交變頻。由于傳統(tǒng)的電壓源逆變器(Voltage SourceInverterVSI本身 具有大容量的電容,體積、重量龐大并且電容使用壽命有限,不能在高溫環(huán)境下 工作,難以與電機實現(xiàn)集成。矩陣式變換器無需任何中間儲能環(huán)節(jié),體積小,輸 入電流正弦,能量雙向流動,易于與電機實現(xiàn)集成,形成機電一體化、集成化的 新型電機控制系統(tǒng)體系結構,可在不明顯增大系

24、統(tǒng)成本的前提下,提高系統(tǒng)可靠 性和效率,是變頻驅動的發(fā)展方向之一。在水力、風力發(fā)電系統(tǒng)中,交流勵磁可 以使發(fā)電系統(tǒng)根據原動機的轉速變化來調節(jié)勵磁電流的頻率,實現(xiàn)變速恒頻發(fā) 電,從而最大限度利用能源。對于交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)(AC Excite Generator,其 實現(xiàn)的關鍵在于開發(fā)出輸入/輸出特性好,能量可雙向流動的變頻裝置,則矩陣 式變換器即為變速恒頻發(fā)電變頻裝置的理想選擇。同時矩陣式變換器在電力系統(tǒng) 中的分頻供電以及諧波抑制與無功補償?shù)确矫娑加袘们熬?。矩陣式變換器具有良好的輸入/輸出特性,無需任何中間儲能環(huán)節(jié),體積小, 結構緊湊,能量一次變換且可雙向傳遞,效率高,是一種極具發(fā)展前途的電源

25、變 換器。因此,矩陣式變換器的研究是具有一定的學術價值和實際意義的。卜3矩陣式變換器基本介紹卜31矩陣式變換器電路拓撲結構三相/三相矩陣式變換器電路拓撲結構,如圖1.1所示。矩陣式變換器的主回路是由九個雙向開關構成的3×3開關陣列。由于雙向 開關目前尚未實現(xiàn),目前一般采用兩個全控器件共發(fā)射極反向并聯(lián)構造。為了濾 除輸入電流波形中因開關頻率引起的高次諧波,矩陣式變換器輸入側需要設置輸 入濾波器。為了消除上電時因輸入濾波器引起的LC振蕩,矩陣式變換器需要設置上電輔助電路。為了防止因停機以及短路所產生的過電壓對開關器件造成的損 壞,矩陣式變換器需要設置鉗位保護電路。矩陣式變換器的主電路、雙

26、向開關、 輸入濾波電路、上電輔助電路及鉗位電路將在后文中詳細介紹。Mains。 FilterLfl,贏C r、一vvL。_t F圻、二rT J。. 一+一一。!。一一“r r1f+ |Icr牛十十S ,*L。r一_r ¨【 l Ma"ix Cotlvcflzer S11圖卜1矩陣式變換器電路拓撲 Fig.1-1Topology ofMatrix Converter卜32矩陣式變換器控制策略及其換流技術IndunionMotorj M jI 3一 /矩陣式變換器的控制策略可以分為通過對輸入電壓連續(xù)斬波合成輸出電壓 的直接控制一開關函數(shù)法與基于“虛擬交一直一交”結構的間接控制一

27、空間矢量調 制兩類。開關函數(shù)控制思想為:設矩陣式變換器三相輸入電壓為F,三相輸出電壓為 圪,由要求輸入/輸出關系可以確定開關函數(shù)矩陣71。卜州 l=%【COS(O,t120。1(卜1 lCOS(O,t+120。JCOS國口,圪=I COs(co卜1200I(1-2 【COS(O。f+l 20。jK=孕tT.K (卜3 y刪其中開關函數(shù)矩陣丁為3X3矩陣,每個元素代表矩陣式變換器主回路中相應 開關的占空比。開關函數(shù)的確定可以采用滯環(huán)電流法、雙電壓合成法等。矩陣式變換器的間接控制一空間矢量調制是本文重點研究的內容,將在后文 詳細介紹。在矩陣式變換器兩個雙向開關間轉移負載電流時,必須滿足輸入相任意兩

28、相 開關不能同時導通,以防電源輸入相間短路以及兩組開關切換時不能插入死區(qū), 以防感性負載的輸入相開路而引起的瞬時高壓,即必須滿足輸入電壓不能短路及 輸出電流不能斷路。因此雙向開關之間的安全換流是矩陣式變換器的關鍵技術。 矩陣式變換器的換流技術先后出現(xiàn)了死區(qū)換流、重疊環(huán)流、四步換流及諧振換流。 死區(qū)換流技術:安排死區(qū)以避免換流時刻輸入線間短路,同時還須提供某種 形式的電壓緩沖或可替代的電流通路以避免感性負載開路時引起的開關過電壓。 在有緩沖電路和電感性負載時開關為硬開關運行方式,緩沖能量被釋放時會伴隨 能量損耗。重疊換流方案:重疊換流是以輸入線間短暫的短路過程來實現(xiàn)電流的切換, 為此需在輸入線中

29、引入小電感以限制短路電流。鑒于限流電感體積大、成本高, 同時又有可能引入新的過電壓等弊病,一般應盡量避免使用重疊換流方式。 諧振換流:利用軟開關技術能夠實現(xiàn)零電流開通,零電壓關斷,可以獲得近 于零損耗切換,且無須附加緩沖電路,但雙向開關元件數(shù)量增多,結構復雜。 四步換流技術是本文重點研究的內容,將在后文詳細介紹。1-3-3矩陣式變換器主要技術缺陷及解決方案矩陣式變換器的主要技術缺陷表現(xiàn)在器件上雙向開關尚未實現(xiàn)市場化,特性上存在最大電壓傳輸比較低及抗干擾能力較差。新型丌關拓撲的研究、器材技術的進步及安全換流技術的實現(xiàn),可以解決雙 向開關換流問題。變換器最大電壓傳輸比可以通過非線性調制和采用矩陣式

30、變換 器電機系統(tǒng)予以解決。矩陣式變換器輸入側與輸出側直接相連,能量一次變換, 輸入側干擾直接耦合至輸出側,抗干擾能力較差,可以通過閉環(huán)控制提高矩陣式 變換器的輸出性能。1-4矩陣式變換器的過去、現(xiàn)狀、前景H”矩陣式變換器的研究工作最早起于1976年。當時的研究者采用附加強迫換 流裝置的晶閘管作為雙向可控丌關,但是效果并不理想,而且體積龐大。但此時 矩陣式變換器的輸出頻率已經突破了傳統(tǒng)交.交變頻裝置輸出頻率為輸入頻率的 1/21/3的頻率上限。隨著電力電子技術的進步和計算機控制能力的提高,矩陣 式變換器的研究不斷向前發(fā)展。1979年,M.Venturini和A.Alesina首先提出了由 9個功

31、率開關組成的能量變換結構,并正式命名為“矩陣式變換器”,指出矩陣 式變換器的輸入功率因數(shù)角可任意調節(jié),是一種結構緊湊簡單而可控性極強的頻 率變換器,并且提出了“直接傳遞函數(shù)控制法”。1983年,Rodriguez提出了一 種基于“虛擬直流環(huán)節(jié)”的“間接傳遞函數(shù)法”。1985年,Kastner和Rodriguez 引入了空間矢量的概念對矩陣變換器進行控制。1989年,Huber提出了采用SVPWM 調制實現(xiàn)對矩陣變換器的控制。1989年,Burany提出了“半軟換流”技術,從 而解決了矩陣式變換器雙向開關之間的安全換流問題。1992年,Neft和Schauder 實驗證實了矩陣變換器在空間矢量控

32、制下可以只使用九個雙向開關得到高質量 的輸入和輸出電流。目前,國外的研究重要集中在:新型控制策略:過電壓和過電流的保護;不 對稱輸入情況下的性能研究;軟開關技術的應用;輸入側濾波器的優(yōu)化設計;矩 陣變換器集成化、模塊化的實現(xiàn),但是至今尚且沒有矩陣變換器產業(yè)化的相關報 道。圖卜2、卜3為Nottingham University關于矩陣式變換器的最新進展圖片。 圖1.215kw矩障式變換囂電機驅動試驗裝置 Fig.I-2Experimental t 5kw Matrix Converter Motor Drive 圖13矩陣式變換器控制卡Fig.1-3A Matrix Converter Con

33、trol Card7我國關于矩陣式變換器的研究工作起步較晚。南京航空航天大學的訪問學者 莊心復在美國弗吉尼亞電力電子中心在Fred.Lee教授帶領下完成了2KVA的實 驗裝置,并將其介紹至國內。90年代末,上海大學、浙江大學、清華大學、哈 爾濱工業(yè)大學、福州大學等都開展了該方面的研究。目前上海大學正在進行矩陣 式變換器前端串聯(lián)高頻變壓器的研究工作,浙江大學進行矩陣式變換器用于風力 變速恒頻發(fā)電的研究,清華大學進行矩陣式變換器對網側輸入影響及電源異常情 況下的研究,哈爾濱工業(yè)大學進行矩陣式變換器在不對稱輸入情況下性能改進的 研究,福州大學進行矩陣式變換器電流滯環(huán)控制法的研究,西安交通大學進行矩

34、陣式變換器與多電平技術相結合方面的研究。但從總體上而言,我國該領域的研 究在理論水平和實際研制都落后于國外先進技術,尚且處于仿真和小功率實驗裝 鼉的研制階段。隨著電力電子技術,特別是半導體材料和器件技術的發(fā)展,以及控制理論的 水平的不斷完善,矩陣式變換器極有可能實現(xiàn)市場化,成為未來變頻技術的主流 產品。卜5本文主要研究內容及成果本文重點研究交-交矩陣式變換器及其在電氣傳動中的應用,在“虛擬直流 環(huán)節(jié)”思想基礎上詳細分析了矩陣式變換器的空間矢量控制策略,對矩陣式變換 器電壓最大傳輸比作出了合理的物理解釋,并給出了提高傳輸比的方法,提出了 矩陣式變換器電機系統(tǒng)概念,并對其建立了數(shù)學模型,分析了直接

35、轉矩控制系統(tǒng) 中電壓矢量對電磁轉矩的影響,提出了12磁鏈扇區(qū)圓優(yōu)化控制思路,對直接轉 矩控制在矩陣式變換器電機系統(tǒng)中的應用進行了研究。本文的主要研究內容及成果如下:1、矩陣式變換器的電路結構、控制策略及其換流技術等本文第二章第一節(jié)分析了矩陣式變換器的主電路結構、雙向開關、濾波電路、 上電輔助電路及鉗位電路;第二節(jié)詳細研究了矩陣式變換器的“虛擬直流環(huán)節(jié)” 思想及等效虛擬交一直一交結構;第三節(jié)在矩陣式變換器“虛擬直流環(huán)節(jié)”思想基礎上詳細分析了矩陣式變換器空間矢量控制策略;第四節(jié)對矩陣式變換器雙向開 關之間的安全換流作了研究,詳細分析了四步換流技術;第五節(jié)對基于空間矢量 調制的矩陣式變換器進行了仿真

36、研究,分析了相應的仿真波形:第六節(jié)對矩陣式 變換器與雙PWM變換器作了對比研究:第七節(jié)是全章節(jié)的小結。2、矩陣式變換器的電壓傳輸比研究本文第三章第一節(jié)對矩陣式變換器的最大電壓傳輸比作出了物理解釋:第二 節(jié)分析了雙空間矢量控制下的最大電壓傳輸比;第三節(jié)給出了一種利用非線性調 制提高矩陣式變換器電壓傳輸比的方法,并進行了仿真研究,第四節(jié)是全章節(jié)的 小結。3、矩陣式變換器電機系統(tǒng)本文第四章第一節(jié)提出了矩陣式變換器電機系統(tǒng)概念:第二節(jié)對矩陣式變換 器電機系統(tǒng)進行了數(shù)學建模;第三節(jié)對采用空間矢量調制的矩陣式變換器電機系 統(tǒng)進行了仿真研究;第四節(jié)是全章節(jié)的小結。4、直接轉矩控制系統(tǒng)本文第五章第一節(jié)分析了直

37、接轉矩控制系統(tǒng)原理,第二節(jié)建立了直接轉矩控 制仿真模型;第三節(jié)分析了在直接轉矩控制系統(tǒng)中電壓矢量對電磁轉矩的影響, 并進行了仿真研究;第四節(jié)提出了直接轉矩控制中采用12磁鏈扇區(qū)圓優(yōu)化控制 思路;第五節(jié)是全章節(jié)的小結。5、矩陣式變換器電機系統(tǒng)的直接轉控制本文第六章第一節(jié)分析了矩陣式變換器輸入電壓矢量;第二節(jié)建立了矩陣式 變換器電機系統(tǒng)直接轉矩控制電壓矢量表:第三節(jié)分析了矩陣式變換器輸入電流 矢量,并建立了矩陣式變換器電機系統(tǒng)直接轉矩控制的開關表:第四節(jié)給出了基 于直接轉矩控制的矩陣式變換器電機系統(tǒng)結構,并進行了仿真研究;第五節(jié)是全 章節(jié)的小結。9第二章矩陣式變換器基本原理2-1矩陣式變換器電路結

38、構川27¨3812-1-1矩陣式變換器主回路拓撲三相/三相矩陣式變換器是強迫換相的交.交變換器,輸入側接三相電網,輸 出側接三相負載,通過PWM控制得到變頻變壓的輸出電壓,其主回路是由9個 雙向開關組成的3×3開關陣列,如圖2-1所示。2-1-2雙向開關Ud U6U。Z6r 2 Lr 1幺爿口 舌46舌4。t L侮Bn 舌B6臺B。k /SCQ 勺c6女 joCc ICU爿 UB Uc 圖2-I矩陣式變換器主回路拓撲Fig.2-1Topology ofmain circuit ofMatrix Converter對于不同的應用場合,不同開關的具體選用如表2.1所示。 10表

39、2-1開關選用表流過單向電流 流過雙向電流 阻斷單向電壓 電壓電流同向 電壓電流反向 逆導型開關 單開關 二極管阻斷雙向電壓 逆阻型開關 雙向開關矩陣式變換器的核心是能流過雙向電流且阻斷雙向電壓的開關器件,因此必 須是雙向開關。雙向開關能夠阻斷雙向電壓,流過雙向電流并且具有自關斷能力, 亦被稱為四象限開關(four quadrant switch。但目前雙向開關的單個器件尚未市 場化,因此實際的雙向開關必須由單向丌關組合而成,主要有二極管橋式結構、 共發(fā)射極反并聯(lián)結構、共集電極反并聯(lián)結構,分別如圖2.2、2.3、2-4所示。二 極管橋式結構的優(yōu)點在于:雙向電流流過同一個丌關器件,因此每一個換流

40、單元 只需一個門極驅動,缺點在于:每個導通通道都有三個器件,因此開關損耗相對 較大,而且通過開關電流的方向無法控制,無法安全換流。共發(fā)射極反并聯(lián)結構 可以獨立控制電流的方向,由于任何時刻只有兩個元件導通,開關損耗有所降低, 是目前主要采用的雙向開關結構。圖2-2二極管橋式開關結構Fig.2-2Diode Bridge Switch Arrangement.f . .一。-圖2-3共發(fā)射極反并聯(lián)結構Fig.2-3Common Emitter back-to-back Switch Arrangement.L圖2-4共集電極反并聯(lián)結構Fig.2-4Common Collector back-to-

41、back Switch Arrangement目前對于雙向開關的研究主要集中在器材和新型開關拓撲結構兩方面。在器 件方面,日本三菱公司提出基于薄晶片LPT技術具有反向阻斷能力的反向阻斷 型10BT(RB.IGBT,特別適合如矩陣式變換器需要雙向開關的場合。在新型開 關拓撲結構方面,針對矩陣式變換器的換流問題,基于軟開關技術的新型拓撲結 構是研究的熱點,如:共發(fā)射極軟開關結構和二極管橋式軟開關結構,其可以實 現(xiàn)近于零損耗開關,但由于相應元件數(shù)量增多,并沒有普遍應用。2I卜3輸入濾波電路矩陣式變換器的調制過程會因開關頻率而產生高頻諧波而污染電網,因此需 要設計輸入濾波器。矩陣式變換器從電源側來看是

42、一個電流源,因此采用LC二 階濾波電路,如圖25所示。圖2-5矩陣式變換器輸八濾波器Fig.2-5lnput Filter of Matrix Converter矩陣式變換器輸入濾波器設計準則如下:輸入濾波的截止頻率應低于開關頻率;在輸出最小功率給定下,應使濾波器引起的功率因數(shù)角偏移最小;在電抗電壓一定下,通過選擇不同的功率密度電容,使輸入濾波器的體積 或重量最小;在額定電流下,應使因濾波器電感而引起的電壓降最小,減小對電壓傳輸 比的不利影響;考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性。電容越大,電感越小,則矩陣式變換器在同等條件下能 穩(wěn)定工作的輸出功率范圍就越大。2-1-4上電輔助電路由于輸入濾波采用LC串聯(lián)電路,因此

43、上電時會出現(xiàn)振蕩,在電容上聚集出 高達正常輸入電壓2倍的電壓,因此需設計上電輔助電路消除Lc振蕩,可在上電時串聯(lián)一電阻R,通過電阻消耗掉LC上的振蕩能量,待正常后再切去該電阻, 片丁其中電阻值R>21f。t焰及上電時在電感上并聯(lián)一電阻R,將電感旁路掉,待過 T /一m渡過程結束后再將電阻切除,其中電阻值RcoL,co。為濾波電路截止頻率。2-1-5鉗位電路矩陣式變換器的鉗位電路用于保護雙向開關的開關管免于擊穿,如圖2-6所 示。正常工作時,鉗位電路能吸收環(huán)流過程中di/dt產生的過電壓。在故障狀態(tài) 下,如過流保護引起的所有開關管關斷,鉗位電路用于提供電流的續(xù)流通道,防 止感性負載因突然斷

44、路而產生的過電壓對開關器件造成的損壞。圖2-6矩陣式變換器鉗位電路Fig.2-6Clamp Circuit of Matrix Convener鉗位電路的設計應考慮所有71-'關瞬時關斷的故障狀況。此時,輸出側釋放能 量為Q。=毒(i。2+i。2+i。2=妄Ll 2,其中Q。為三相電機的總儲能,i。、ib、j。為 三相相電流,I為相電流幅值,則Q。即為感性負載向鉗位電路傳輸?shù)目偰芰俊?故障狀態(tài)下,感應電機能量向鉗位電路轉移如圖2-7所示,圖中i。為定子電流, i,為轉子電流,i。為勵磁電流,La,為定子漏感,L。為轉子漏感,L。為定、轉 子互感,C。為鉗位電容,vc為鉗位電容電壓。圖2

45、7故障狀態(tài)下感應電機向鉗位電路充電示意圖Fig.2-7Discharging ofthe induction machine to the Clamp Circuit during a fault situation在故障狀態(tài)下,由感應電機轉移至鉗位電路的鉗位電容的總能量為 Q。;三(L自i。2+Lsi r2一L&i。2。在極限情況下,i。=o且i。=i,此時 a,Qm眥。一=i31.2(L&+L。,則鉗位電路的鉗位電容選擇如式21所示: i3.2舢盎+k=丟c咖:。一(壓饑J 2(2-1 式中i。為最大允許電流,en。為鉗位電容數(shù)值,U一為最大允許電壓,【k。 為輸入線電壓。

46、2-2矩陣式變換器的等效交一直一交結構。町2-2-1虛擬直流環(huán)節(jié)思想矩陣式變換器間接控制的虛擬直流環(huán)節(jié)思想為將矩陣式變換器等效為由虛 擬電壓源整流器(FVSR和虛擬電壓源逆變器(FVSI的連接即虛擬交.直.交 結構,如圖2-8所示。串圪專圪串K 兮文 ; |】24。 74f 十屯 十 憊。P 岔, s cP oPNjl iP 包, 鴦8P 壹CP 叁bN 苣cN 百 舌。/SBN 憊cN 圖2-8矩陣式變換器等效交一直一交結構Fig.2-8Topology of Equivalent ACDCAC of Matrix ConvenerSP+=lA,B,C(2-3 S扣+Sp+S盧=1,_,=A

47、,B,C (2-4 u,=陋。s。s。,荔czs,U。U。=b。S。SeN】.jUo。IKJ剛惜。i,=一b。,S。,idf”2一b一”s“ s“1I ; 一J(26(27(2.8(2-9(2-10將式(25和(26代入式(2-8,并按u_8=U一U日,U“.=UBU_, UcA=U(1一U。,可得輸出線電壓的表達式,如式2-11所示。Sn聲P+S。NSN一咚。聲”+s。Ns80卜SnDSBP+s。Ns BN一吣4lscP+SuNSc0U。蘆cP+s。NscN一嫡q口stP+sqqSA0SPS”+s cNs mNS cPS 8P+S“SBN S。ScP+sScw0ScPsBPq-S cNsiN

48、ts:ps【.p+s cvscv 0ScPStP-4-SjMStqSbPsp+SbNSN一婿bPS8P+Sb¨s曲 SbpsRp+SbvSBN一婿b.P+sbNsc0Sb蘆cp+SbNs(一N一岱b口sP+SbNS0(2-1110代入式(2-7,可得輸入相電流的表達式,如式2-12所示。+SoNSN SqPs 8P+s;Ns8N+s bNsNS瀘tP+SbvS8N +S州SKS廿S射.+S cNS 8N矩陣式變換器交一交直接變換關系式,如式2-13、2-14所示。17(2-12(213跏跏跏一1Jk"一%II億限U 阮h K加 盯翻.0. . w ww 舅舅舅 =毫 州=5

49、c。S S +PPPS SSPPP 野麗舅 口吼霸以叭%阽,11黻豳 口 6cU U U曲 加S S S 一一一加 腫oS S S %一 一 一舢 肋 S S S 附 婦 .罷S S S 一 一 一加肋陽S S S |l船 盯d U U U鞋B嘲a糾 p S業(yè)=S.ieS艫+S州s¨,A,B,c,k口,b,c (2-152-22矩陣式變換器等效交一直一交結構開關表矩陣式變換器的等效交一直一交結構如圖29所示。U,U|以圖2-9矩陣式變換器等效交一直一交結構Fig.2-9Topology ofEquivalent ACDC-AC ofMatrix Converter矩陣式變換器麩有33

50、=27種丌關狀態(tài)。除去約束條件限制的6種開關狀態(tài), 矩陣式變換器的21種開關狀態(tài)與等效交.直一交結構的72種開關狀態(tài)對應關系如 表2.1所示。表2-1等效交.直-交結構與矩陣式變換器開關狀態(tài)對應表FVSR FVSI MCa b C A B C 開關狀態(tài)1O U 1O O SAa SAa Scb 1O U 110SAa SAa Scb l 0U O 1O SAt, SAt, Scb 10U O l 1SAb SAb Sca l O U O 0l SAb SAb Sca 1O U 10l SAa SAa Sca 1O U 1l 1SAa SAa Sca l O U O 0O SAb SAt, Sc

51、b U l O 1O 0SAb SAb Scc U l O l l O SAb SAb Scc U l O 01.0SAc SAc Scc U 1O O 1l SAc SAc Scb U 1O O O 1SAc SAc Scb U 1O 10l SAb SAb Scb U l O 1l 1SAb SAb Scb U 1000O SAc SAc Scc 0U 11O 0SAc SAc Sca 0U 111O SAc SAc Sca 0U l O l 0SAa SAa Sca 0U 10l l SAa SAa Scc 0U l 001SAa SAa Scc O U l l O l SAc SAc

52、Scc O U 1111SAc SAc Scc O U 100O SAa SAa Sca 1U 0l 0O SAa SAa Scc l U O l 1O SAa SAa Scc 191U 0O 1O SAc SAc Scc l U O O 11SAc SBa Sca 1U O O 01SAc SBC Sca 1U 0l O 1SAa SBc Sca 1U O 111SA日 Ssa Sca l U 00O O SAc Sac Scc U O 11O O SAc SBb Scb U O 1l 10SAc Ssc Scb U O l O l O SAb SBc SCb U 01O 11SAb SBc

53、 Scc U 0l 001SAb SBb Scc U 0110l SAc Sab SccU 0111l SAc Ssc Scc U 0l O O O SAb SBb Scb O 1U l O 0SAb SBa Sca 01U l l 0SAb SBb Sca 01U O l 0SAa SBb Sc8 01U 011SAa SBb SCb 0l U 00l SAa SBa Scb 01U 1O l SAb SBa Scb O 1U l 1l SAb Ssb Scb O l U 0O 0SAa SBt Sca D U U X X X SAa Saa Sca U D U X X X SAb SBb

54、SCb U U D X X X Sm Ssc Sce 注:1代表僅上橋臂導通,0代表僅下橋臂導通,u代表上、下橋臂都關斷 D代表上、下橋臂都導通,x代表通斷狀態(tài)為1、0、D、U任意之一。2-3矩陣式變換器的空間矢量調制8”231矩陣式變換器輸入電流空間矢量調制矩陣式變換器等效交一直交結構虛擬整流側電路拓撲如圖2-i0所示。abC 1a1Ib11c與/緩/S印/a kbp.1n .二L僵n 佤n 佤n圖2一l 0虛擬整流器電路拓撲Fig.2-10Topology ofFVSRpn當虛擬整流側開關S"和氏閉合時,此時輸入相電流為i。=i,i。=O,f。=j。,將其代入至Park方程可以得

55、到輸入相電流矢量7=吾(伊fc.p2=(ip-it,.p2=竽分”,其中心小”o則可知虛擬整流側的輸入相電流矢量形成一個六邊形,如圖2-II所示。虛擬整流側開 關組合與輸入相電流矢量對應表,如表2-2所示。2Ir2夕/1一歹6b÷/圖2-11輸入電流空間矢量Fig.2-H Space Vector ofInput Current表22虛擬整流側開關組合與輸入相電流矢量對應表開關 疋。Sbp Sbp Scp 足。 疋。 只。 Sbap 疋。 組合S。 S。 S。 S。 Sb。 Sb。 S。 Sb。 S。 電流 ,11213141516000矢量對于虛擬整流側而言,輸入相電流空間矢量調制

56、的目的是合成一個在復平面 上連續(xù)旋轉的理想輸入相電流矢量。因此,理想輸入相電流矢量可由其位于虛擬 整流器的電流矢量六邊形相鄰的兩個電流矢量以及零矢量合成。理想輸入相電流 矢量的運行軌跡是以i,為半徑的圓,即為矢量六邊形的內切圓。以理想輸入電流矢量于l扇區(qū)為例。此時采用電流矢量16、Il以及零矢量 來進行合成。設理想輸入電流矢量與矢量16的夾角為口,參考電流矢量11和16.C的幅值為蘭娑f。由于要求輸入電流矢量與輸入電壓矢量同相位即輸入功率因數(shù) j 。為l,則輸入電壓矢量相角為一30。+曰。輸入相電流空間矢量調制如圖2一12所示。由正弦定理可知:蘭L Tj.iPj一 j sin(60o一目 sin 120o 圖2-12空間矢量調制 Fig.2-12SVM, 23.:,-.-3-“T。一-一:=-j二-二一sin口 sin 120?？傻萌齻€電流矢量作用的時間分別為 t=E sin(60。一口L=正sinOro=rtL2-32矩陣式變換器輸出電壓空間矢量調制(217 (2-18矩陣式交換器等效交一直一交結構虛擬逆變側電路拓撲如圖2一13所示。 (2-19n p 1rla 、 rIb磊A A佤B 侮B磊。c 侮c圈2-l 3虛擬逆變器電路拓撲Fig.2-13Topology ofFVSlC由于為虛擬直流環(huán)節(jié),因此矩陣式變換器等效交一直一交結構逆變側的直