三相交—交矩阵式变换器及其在电气传动中应用的研究

【摘要】：由于交流传动系统越来越显示出其优越性，已在各个领域得到日益广泛地应用，但量大面广地采用三相整流电路进行AC／DC变换的通用交-直-交变频器仍存在电网侧功率因数偏低、谐波含量偏大的问题。由于直流母线上大容量电解电容的存在，结构也不够紧凑。此外，由于制动时能量不能回馈给电网，因而不能进行四象限运行。这样，研制一种电网侧功率因数高、输入电流谐波小、结构紧凑，可四象限运行的变频器就成为这项技术发展的趋势之一。矩阵式变换器正拥有所有这些特点，虽然它还存在一些有待解决的问题，但并不妨碍它成为当前研究的热点。本文对基于空间矢量调制的三相交-交矩阵式变换器及其用于电气传动系统所面临的问题进行了研究。全文分为两篇，第一篇对三相交-交矩阵式变换器的基本原理、调制过程和有关特性进行了研究；第二篇对其用于传动系统所面临的问题进行了分析和研究，提出了一些解决方案。在绪论中，阐述了本文选题的背景、目的、意义和研究的内容与成果，对矩阵变换器的发展和研究现状进行了综述。 在第一篇中，根据MC的空间矢量调制原理和等效交-直-交变换结构，基于电路器件用仿真的方法首次全面佐证了AC／DC、DC／AC和AC／AC变换的理论分析结论和调制机理。为此先分别对DC／AC和AC／DC变换的空间矢量调制原理进行了分析研究，再组合成AC／AC变换进行合成调制分析，提出MC在感性负载下输入相位差的变化范围为±90°，直流母线电压大 2000年上海大学博士学位论文 小和极性也发生相应的变化.并进一步指出输人相位差如果超 过士30“，会出现在半个周期内能量多次可逆的情况，这对主电 路的换流产生不利的影响，从而影响矩阵式变换器的可靠性， 因此其最佳变化范围为士300.在此基础上，对三种变换又提出 了一种优化调制方法，并深人分析了AC/AC变换的调制过程和 相应的组合开关状态之间的转换，提出了使其开关状态之间转 换次数最少的两个奇偶性准则，简化了调制过程和降低了开关 损耗，解决了MC实现的一个难点.另外，对DC/AC变换，指 出了主电路开关信号之间的逻辑关系，提出了两种建立空间矢 量调制算法模型的方法，其思路对减小矩阵式变换器控制系统 的计算时间和简化控制会有所帮助.同时，用仿真和实验证实 了优化调制方法的实用性和可行性. 在第二篇中，首先对MC构成的三相异步电机变频调速系 统进行了分析，提出不仅MC的输出电压和频率是可控的，而 且其输人相位差也是可控的，这是MC在控制方面与通用变频 器的不同之处.然后对MC应用于传动系统所涉及的有关起动、 能量回馈、调速以及输人功率因数间题进行了研究，指出了MC 在起动方法上与通用变频器的共性，分析了四象限运行情况，提 出了在小40Hz范围内输出电压满足恒转矩调速的调制系数补 偿方法和输人功率因数与电压传输比之间的近似线性关系，并 进一步指出功率因数的最佳变化范围为0.866和1之间，这些 研究结果和结论为MC成功地应用于传动系统打下了基础.最 后，在综合MC优点基础上，又提出了一种MC的简化实现方 案，基于双PwM主电路结构分别用空间矢量调制进行AC心C 和OC/AC变换，在理论上可不用直流母线的电容，但实际中可 加人用于吸引开关尖峰的小电容，对输人电流或直流母线电压 三相交一交矩阵式变换器及其在电气传动中应用的研究 也不需要反馈控制，就可以实现AC/AC变换，有效缓解了MC 实用化所面临的电压传输比偏小、双向开关换流和成本偏高的 问题，只是适当牺牲了矩阵式变换器的输人电流波形，但功率 因数可达到或高于具有直流滤波电感的通用交一直一交变频器，具 有较大的实用价值.另外，针对通用变频器的网侧功率因数偏 低和谐波含量偏大问题，提出了一种无源功率因数校正方法，达 到了较好的结果，具有较大的应用价值，其成果申请了专利，并 用于实际工程和产品. 本文的最后为总结与展望，系统地归纳了本文研究成果，并 对矩阵式变换器的未来发展和研究方向进行了综述.