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基于双SVPWM控制的矩阵变换器研究

时间:2015-07-08 12:34来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,本文在对矩阵变换器采用双SVPWM 控制方法的深入研究下,设计实现了基于 ARM STM32 控制的 MC 实验系统。将仿真和实验相结合,对 MC 的输入输出特性以及相关技术

第1章 绪论


1.1 常规电力变换器概述
随着微电子、电力电子技术和控制技术的不断发展,各类电力变换器在计算机、现代通讯、电网优化、电子仪器、工业自动化以及国防工程等领域受到广泛应用,在电能变换方面起到高效率、高质量和高可靠性的关键作用。在电气传动领域,直流调速系统具有结构复杂、造价昂贵、无法适应高压大容量高速场合、需经常维护以及受环境限制等缺点,而交流调速系统具有结构简单、价格低廉、转动惯量小、动态响应快、体积小、重量轻、维护简单以及可适应恶劣环境等优点,在电气传动领域成为了发展趋势。随着电力半导体的迅速发展和PWM 调制技术的日益成熟,交流传动电源在工业自动化、农业生产和家庭生活也得到了广泛应用,并且开始逐步取代直流的趋势。现代供电系统通常采用交流供电,而交流传动电源主要是采用交-直-交间接变换和交-交直接变换。由于选择不同的开关器件,使得交-直-交变换器具有不同的拓扑。图 1-1 中 a)采用了二极管不控整流和全控型器件PWM 可控逆变构成的PWM 变频器,输出电压近似正弦,电路结构和控制方法相对简单,但不控整流和LC滤波电路会对输入电流造成影响,使得输入电流发生畸变,谐波增大,输入功率因数偏低,能量无法实现双向流动,并且需要体积庞大的直流储能电容。图 1-1 中 b)整流和逆变均采用全控型器件构成的双PWM 变频器,解决了前面不控整流的问题,实现了输入电流和输出电压的正弦特性,且能量可双向流动以及实现了高功率因数运行,但该结构同样需要体积庞大的直流储能电容。
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1.2 矩阵变换器的背景及研究意义
当前国民经济持续增长依赖于科技的创新,而在众多科技领域中,电力电子与电力传动技术的发展占据着重要地位,尤其以交流变频传动技术最为突出,被国家和众多学者广泛关注,多年来深入研究取得了飞速发展,使电能变换在控制和利用方面发生了本质的变化,实现了高效、节能以及充分柔性的效果[4]。然而,交流传动技术发展的同时也存在着至今无法解决的难题,跟据国家相关部门调查统计显示,我国用于电动机拖动的电量占总发电量的 60%~70%,其中交流电动机占 90%,且大部分都用于直接拖动,而直接恒速拖动,会造成大量的电能浪费[5],对能源的充分利用成为阻碍。随着新能源开发的不断发展,怎样获得高质量的再生能源,怎样高效率的利用新能源,成为人们热议的话题。然而,长期的发展使得国家和学者关注点在变频恒速发电模式上,通过这种模式驱动原动机(如水能机、风能机),使其在一定速度变化范围内运行,才是最为适合新能源发电的方式,这才能直接解决新能源高效率的利用问题,所以,目前最关键的难点就是要实现交流励磁技术[6],这就需要研制出一种能从根本上克服传统变换器的缺陷,而具有更加“绿色环保”的变换器。传统的电力变换器对于电气节能技术和新能源发电技术都存在着阻碍作用,而且随着电力变换装置接入电力系统的增加,会因传统的电力变换装置产生的各种谐波源对整个电力网络或者用电设备造成危害[7]。1992 年,日本关于谐波源的调查显示,主要产生谐波源的用电设备基本都来自整流器,其威胁程度在 186 个调查用户中占 89%[8]。如此,加强对“电力公害”的防治己经成为刻不容缓的环保专题。在当今科技发展、能源合理利用的前提下,怎样让未来电力变换器在电源技术、功率因数校正技术、低转数传动技术以及高压大功率变换技术等领域拥有自己独特的地位,成为人们所关注的焦点[9]。当前国内变换器市场份额低下,主要还是国外变换器处主导地位,所以,在发展未来新型变换器的势头之下,我们应立足于从根本上解决现有电力变换器所存在的缺陷,站在未来新型电力变换器的角度去思考,研制出具有电路结构紧凑且易于集成化、输出调频调幅广、输入输出波形正弦化、控制自由度大,输入功率因数可控,能实现单位功率因数稳定运行、能量双向流动、实现四象限运行、谐波含量小、动态响应快等优良控制性能和品质的电力变换器[10-12]。
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第2章 矩阵变换器的基本原理


2.1 矩阵变换器的基本拓扑结构
矩阵变换器是一种被公认为“绿色”的功率变换器。它是一种可由任意M相输入到任意N相输出的电能变换装置,是一种直接单级交-交电力变换器,不需要大容量的直流储能环节,依靠双向开关阵列和采用适当的调制算法,便能实现输入输出正弦特性、可控的功率因数、能量的双向流动、四象限运行、谐波含量小、动态响应快等功能,最终可以得到频率和幅值都满足要求的输出电压。三相-三相矩阵变换器由九个具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件组成,每相输出都由一个双向开关与三相输入端分别相连。通过采用一定的调制控制策略,对这些功率器件进行通断控制,就能实现对MC输出电压和输入电流同时调制,同时实现变压变频和高功率因数运行。其电路拓扑结构如图 2-1 所示。
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2.2 矩阵变换器的变频过程
对于矩阵变换器复杂的变频过程,本文以二分频为例进行分析,如图 2-3所示。其本质是半周波控制的特殊整流,类似于双向整流过程。从图 2-3 可知,电路由 9 个双向开关和输入、输出电路组成,通过 9 个开关接通的不同组合,可以控制输出电流的流向实现分频,这里介绍二分频工作过程。三相电源的输入为 L1、L2、L3,UL1-L2为 a 相,UL2-L3为 b 相,UL3-L1为c 相,变频输出为 A、B、C。详细介绍以 A 相为例,B、C 两相简化表述。A 相各开关动作介绍:第一个正半周,UL1-L2为正(即 L1 为正,L2 为负),电流流向为 L1→K2→A→负载→B→K5→L2,K2、K5 导通,输出 A+,B-;第一个负半周,UL1-L2为负(即 L1 为负,L2 为正),电流流向为 L2→K3→A→负载→B→K1→L1,K3、K1 导通,输出 A+,B-。第二个正半周,UL1-L2为正(即L1 为正,L2 为负),电流流向为 L1→K1→B→负载→A→K3→L2,K1、K3 导通,输出 A-,B+;第二个负半周,UL1-L2为负(即 L1 为负,L2 为正),电流流向为 L2→K5→B→负载→A→K2→L1,K5、K2 导通,输出 A-,B+。B 相:第一个正半周,电流流向 L2→K5→B→负载→C→K8→L3,K5、K8导通,输出 B+,C-;第一个负半周,电流流向 L3→K6→B→负载→C→K4→L2,K6、K4 导通,输出 B+,C-。第二个正半周,电流流向 L2→K4→C→负载→B→K6→L3,K4、K6导通,输出B-,C+;第二个负半周,电流流向L3→K8→C→负载→B→K5→L2,K8、K5 导通,输出 B-,C+。C 相:第一个负半周,电流流向 L1→K2→A→负载→C→K8→L3,K2、K8导通,输出 A+,C-;第一个正半周,电流流向 L3→K8→C→负载→A→K2→L1,K8、K2 导通,输出 A-,C+。第二个负半周,电流流向 L1→K9→C→负载→A→K7→L3,K9、K7导通,输出A-,C+;第二个正半周,电流流向L3→K7→A→负载→C→K9→L1,K7、K9 导通,输出 A+,C-。
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第 3 章 矩阵变换器相关技术问题的研究....27
3.1 双向开关的构成及其安全换流的实现 ......... 27
3.2 输入滤波器设计.......... 31
3.3 网侧功率因数调节方法研究 .... 36
3.4 变频变压功能的实现......... 40
3.5 本章小结........ 41
第 4 章 矩阵变换器仿真研究..........42
4.1 矩阵变换器整体仿真模型的建立 .......... 42
4.2 输入特性仿真研究...... 46
4.3 变频变压功能的实现......... 49
4.4 输出特性仿真研究...... 50
4.5 能量回馈验证....... 61
4.6 本章小结........ 63
第 5 章 矩阵变换器的系统设计......64
5.1 矩阵变换器的控制系统整体结构 .......... 64
5.2 系统硬件设计....... 65
5.3 系统软件设计....... 70
5.4 CPLD 控制部分设计.... 73
5.5 本章小结........ 74


第6章 系统实验研究


6.1 实验平台搭建
按照前面几章的理论分析、仿真研究和系统设计,搭建了矩阵变换器样机平台,系统以开环模式运行,样机参数为:输入电压:对称三相电压源 Ui=380V,fi=50Hz;输入滤波器:电感值 L=2.5mH,电容值 C=10μF/400V,电阻值 R=100 ;阻感负载:电感值 L=18mH,电阻值 R=10 ;异步电机参数:额定功率 Pn=2.2kW,额定电压 Un=380V,空载运行。图 6-1 为样机实验平台。开关频率设定 5kHz,换流时间设定 2μs,本实验中功率单元采用 9 个双向开关组成的开关矩阵电路,即系统共有 18 只 IGBT,每个 IGBT 与一个快速恢复二极管反并联,每 2 只 IGBT 共集电极串联组成一个双向开关,IGBT 选用 7MBR50SB120-50,参数为 60A,1200V。实验系统搭建完成之后,用示波器测量相关量的实验结果波形。图 6-2 为 a相电压过零检测相关波形图,即电压霍尔采样电网电压转换成低压正弦信号,经LM339与 0 比较后,生成的一个与电网同频同相的方波信号,其上升沿便是正弦波上升的过零点,图中上面波形为电压霍尔采样 a 相电网电压后转换的低压正弦波形,下面为调理之后的方波信号,此信号由 STM32 捕获中断捕获,程序处理连续两个方波信号的上升沿时间差后便能得到电网频率。


………


结论


本文查阅了大量与矩阵变换器及其相关技术问题实现的文献,在介绍了几种常见电力变换器优缺点的同时引入了 MC 的概念,分析和总结了 MC 的背景、研究意义、国内外研究现状以及当前研究热点与关键问题,并对矩阵变换器的基本拓扑结构进行了分析,对虚拟直流环节思想及双 SVPWM 控制策略进行了详细的数学推导和分析,同时围绕矩阵变换器相关技术问题的实现方法做了研究。对矩阵变换器进行了仿真实验,掌握了双 SVPWM 控制方法以及相关技术问题实现的方法,同时验证了所给出控制方法的有效性。研究后得出结论如下:
(1)通过在矩阵变换器基本拓扑结构可等效虚拟交-直-交结构的基础上,对虚拟直流环节思想进行了论述,对矩阵变换器的“虚拟整流侧”和“虚拟逆变侧”分别进行了 SVPWM 控制,分别对各扇区的判断和基准矢量作用时间进行了数学推导,得出了交-交单级直接变换调制策略,即双 SVPWM 控制策略。
(2)对矩阵变换器相关技术问题的研究进行了详细介绍,给出了四步换流策略的实现方法、带阻尼输入 LC 滤波器的设计方法、网侧功率因数调节方法以及变频变压实现方法。
(3)在对双 SVPWM 控制策略的数学推导和相关技术问题控制方法的详细分析下,利用 MATLAB 搭建了矩阵变换器的仿真模型,通过 S 函数编程实现了双 SVPWM 控制策略,以及相关模块的线性关系实现了网侧功率因数调节和变频变压控制方法。仿真结果呈现了矩阵变换器良好的输入输出特性,实现了输入三相电压源转换成幅值和频率可变的输出电压,反映了本文所给出的控制方法的正确性。
(4)针对仿真中的矩阵变换器系统,采用 ARM (STM32F103RBT6)+CPLD为核心进行了矩阵变换器的软硬件设计,并搭建了矩阵变换器的硬件实验平台。在此平台的基础上进行大量的实验研究,结果验证了本文所提出的控制策略及实现方案的正确性和可行性。
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参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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