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矩阵整流器的研究与实现

王思尧  
【摘要】:整流器是工业生产和日常生活中应用最为广泛的一类电力电子装置。传统整流器会在输入侧产生大量谐波污染电网,并降低电网的功率因数;双向PWM整流器虽然可以在一定程度上解决这些问题,但需要大容量的储能元件,而且负载侧无法实现四象限运行。 鉴于以上问题,选择一种矩阵整流器作为研究对象。这种整流器由交流-交流矩阵式变换器演化而来,性能优良:输入谐波含量低,具有单位功率因数,无需大容量的储能元件且负载侧能够实现四象限运行。 首先,详细阐述了矩阵整流器的研究意义,并对已有的研究成果进行了总结,尤其深入研究了矩阵整流器的四种非隔离拓扑结构,并选用其中的单路直流输出能量可回馈型作为本设计使用的拓扑结构。 随后,推导了矩阵整流器的开关传递函数,从数学角度验证了其合理性与科学性;对电流空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)算法和双电压合成法两种控制策略进行了分析,从合成原理和开关序列两个角度论述了两者的内在统一性,通过比较确定电流SVM算法更适合本设计;在传统SVM算法的基础上,加入了电压前馈、输入功率因数校正、共模电压抑制和输出电压反馈等环节,对其进行了改进;阐述了安全换流方法对矩阵整流器运行的重要性,分析比较了四步换流法、两步换流法和一步换流法的原理,最终选择四步换流法作为本设计的换流方法。 之后,利用MATLAB/Simulink组件建立了系统的仿真模型,针对改进型电流SVM算法的几个环节,设计进行了抗电网畸变、输入功率因数校正、共模电压抑制和输出电压跟随给定等仿真实验,并分析了输入电流的谐波含量,对矩阵整流器的控制和运行性能进行了较完整的仿真研究。仿真结果验证了理论分析的正确性。 最后,使用TI公司出品的TMS320F2812型DSP和Xilinx公司出品的XC9572L型复杂可编程逻辑器件作为控制核心,设计了开关矩阵电路、滤波电路、采样电路、保护电路和IGBT驱动电路,建立了矩阵整流器的硬件实验平台,并在该平台上进行了与MATLAB仿真实验一一对应的样机实验。实验结果与仿真结果基本本相符,验证了设计方案的可行性,并为矩阵整流器进一步的实用化研究打下了基础。


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