矩阵变换器的空间矢量调制、系统集成及应用研究

矩阵变换器是一种先进拓扑结构的“全硅”功率变换器,它允许频率单级变换,无需大容量的贮能元件,而且输入电流、输出电压正弦,输入功率因数可达到0.99以上并可自由调节,能量可双向流动。 矩阵变换器的拓扑结构灵活,可以为3×3(AC-AC)、3×1(AC-AC)或者1×3(DC-AC)、1×1(AC-AC)拓扑等等,它是广义的电力变换器,可以在众多的电力变换中获得应用。目前研究最多、应用比较广泛的还是三相—三相矩阵变换器拓扑,也是本文重点研究的对象。 本文首先从三相—三相矩阵变换器等效交—直—交变换的双PWM空间矢量调制方法出发,深入分析了三相—三相矩阵变换器的变换关系,推导出了其交—交直接变换控制规律和空间矢量调制策略;同时在基本的单边调制策略基础上,对比分析了各种调制策略,提出了改进的单边调制策略,它有效降低了开关换流次数和损耗;并针对空间矢量调制下多步换流的死区效应,提出了带死区补偿的改进单边调制策略;本文实验研究了三相—三相矩阵变换器的主电路和数字控制系统实现技术,分析了双向开关的构成和四步换流方案及其对输入输出性能的影响,详细讨论了输入滤波器的设计原则和负载特性对输入输出的影响;本文在国外矩阵变换器系统集成技术的研究基础上,按照功率级、控制级和系统级进一步研究了矩阵变换器的系统集成技术。研究了三相—单相及三相—三相标准结构模块,标准结构模块包含主电路、驱动电路、逻辑换流电路、控制及保护电路等;提出将模块控制电路与DSP控制电路的光耦电子转换和隔离电路集成到模块中,和驱动电路构成双光耦隔离;并提出将分布式辅助电源系统集成到模块中;提出了对于含标准结构模块的矩阵变换器控制系统软件分成硬件级管理层(HM)、应用级管理(AM)、系统级管理(SM)三层;在矩阵变换器的应用方面,设计了三相—三相矩阵变换器用于异步电机的恒压频比控制系统;并针对低速时,由于多步换流时间而无法实现的矢量过多,影响了输出性能的情况,本文提出了一种由逻辑器件和DSP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。 本文的研究重点放在三相—三相矩阵变换器的空间矢量调制策略优化;具体实现方式;矩阵变换器的系统集成技术;以及矩阵变换器在交流传动中的应用研究上。通过理论分析、计算机仿真和实验验证得出了一些有意义的经验和结论,为矩阵变换器进一步实用化的研究,提供了一定的技术基础。