矩阵变换器控制技术研究及其应用

【摘要】：矩阵变换器是一种交流/交流直接电力变换装置,它不需要直流环节储能元件,具有高效率、高功率密度、高可靠性的优点。它能够产生正弦的输出电流与正弦的输入电流,输入功率因数可调,并具有天然的能量双向流动能力,在对体积、效率及可靠性要求较高的领域具有良好的应用前景。本文对矩阵变换器的调制算法、换流策略及其在感应电机调速系统中的应用等关键技术进行了广泛、系统、深入的研究,为矩阵变换器的发展与应用提供了理论和技术准备。 本文以三相/三相直接矩阵变换器为研究对象,分析了直接空间矢量调制算法和间接空间矢量调制算法,指出了它们的同一性。提出了调制矢量的概念,在此基础上提出了一种简化的间接空间矢量调制实现方法,以减小空间矢量调制算法计算量。基于调制矢量,研究了矩阵变换器输入/输出特性,分析了非正常输入电压下负载电压/电流发生畸变的原因,给出了一种实时调节调制矢量以补偿输入电压扰动的控制方法。对不平衡输入电压下矩阵变换器的输入电流特性进行了分析,研究比较了不平衡输入电压下的两种输入电流波形的控制方法。 提出了一种不依赖准确输入电压检测电路的电压型变步长安全换流策略,该策略采用两步换流实现非临界换流(相对电压大小明确的两个输入相之间的换流),并采用四步换流实现临界换流(相对电压大小不明确的两个输入相之间的换流),解决了电压型换流策略在临界区间容易导致输入相之间短路的问题。进一步将该电压型换流策略与空间矢量调制算法相结合,分析指出采用具有中置零矢量的4种空间矢量调制开关模式可以完全避免四步临界换流的使用,实现纯两步电压型换流。为避免有效矢量的占空比太小而导致的换流过程中断,提出了三零矢量开关模式与单零矢量开关模式相结合的调制方法,并分析计算了能够避免换流过程中断的换流时间占空比极大值,避免了延长法与丢弃法的使用,改善了输出电压/电流波形质量。 本文将矩阵变换器与感应电机相结合,实现了矩阵变换器感应电机高性能交流调速系统。基于转子磁场定向矢量控制策略设计了调速系统的控制结构。提出了一种基于反馈解耦的感应电机定子电流环控制策略,并在此基础上基于经典控制理论设计了定子电流环PI调节器、磁链环PI调节器及转速环PI调节器。深入分析了矩阵变换器的能量双向流动机理,指出矩阵变换器的能量流动方向只能由通过调节输出电压与反电动势之差实现,输入功率因数角的调节对于能量流动方向的控制不起作用。 本文分析了矩阵变换器电压型两步换流过程导致的输出电压误差,指出开关器件的输出电容及矩阵变换器主电路的杂散电容对矩阵变换器的强迫换流过程导致的输出电压误差将造成影响,它使得基于理想器件开关过程分析所得的输出电压误差与实际输出电压误差不符。给出了考虑各种非线性因素后矩阵变换器输出电压误差的通用表达式,提出了一种直接对参考电压进行补偿的矩阵变换器非线性补偿方法,改善了矩阵变换器的线性度及在低调制比时输出电压/电流波形质量。将该补偿方法用于矩阵变换器感应电机矢量控制系统,改善了感应电机调速系统的低速性能。 本文采用分立IGBT器件与数字控制系统研制了一台5.5 kW的矩阵变换器实验样机。并在此基础上构建了感应电机矢量控制调速系统。深入分析了矩阵变换器主电路、门极驱动电路、控制电路、检测电路、过流保护电路的设计方法。分析了矩阵变换器输入滤波器的设计要求,给出了一种增大阻尼系数的输入滤波器设计方法。通过大量实验证明了样机设计的正确性与本文所提出的各种控制方法的有效性。