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矩阵式高频链逆变器控制方法研究

作　者: 赵永涛
导　师: 郑连清
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 高频链矩阵变换器双向桥臂正弦脉宽脉位调制拓扑解耦
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

矩阵变换器是一种新型拓扑结构的绿色“全硅”功率变换器,因具有单级频率变换、无需大容量的贮能元件、输入端功率因数可调、输出电压幅值和频率可调、能量可双向流动等特点而越来越得到人们的关注,具有巨大的研究价值和广泛的应用前景。绪论介绍了高频链逆变技术和矩阵变换器的发展现状,分析了几种具有代表性的电压型和电流型高频链逆变器的优缺点和矩阵变换器的各种控制策略。第二章将矩阵变换器拓扑族中单相交流输入变换到三相交流输出作为高频链逆变器的后级电路拓扑,利用DC/HFAC/LFAC两级功率变换结构来实现逆变功能。研究了一种拓扑解耦的新型控制思想,即根据高频逆变桥输出电压波形的极性,可将后级矩阵变换器拓扑解耦成两个常规的三相电压型逆变器,从而可将电压型逆变器的控制策略引入到矩阵变换器的控制策略当中,与着重研究或优化矩阵变换器控制策略相比,大大降低了对矩阵变换器分析的难度。为便于理论分析,提出了“双向桥臂”概念。建立了矩阵变换器的数学模型,利用SABER仿真软件搭建了基于拓扑解耦控制思想的矩阵变换器仿真模型,进行了仿真研究。第三章对脉冲密度调制策略的实现过程进行了理论分析,并对逆变器利用移相控制加脉冲密度调制控制方法进行了研究,进行了仿真验证。第四章对高频逆变桥引入了一种新型正弦脉宽脉位调制策略,并对其实现原理进行了详细的数学推导,阐明了工作于SPWPM模式的高频链变换过程,并用仿真实验对上述理论分析过程进行了验证,得出了工作于SPWPM模式时高频逆变桥输出电压成分主要集中在二分之一载波频率处,变压器工作于高频状态,体现出高频链的优势所在。第五章为验证拓扑解耦控制策略的可行性,研制了逆变器实验样机,特别对主电路中的磁性元件、滤波器和带有死区时间驱动信号的获得进行了详细的设计。对输出滤波器进行了优化设计,采用带有阻尼电阻的R-L-C滤波器,与传统二阶LC滤波器相比,对高频谐波成分衰减能力更强。双向开关采用共源极连接方式,以TI公司的TMS320LF2407 DSP为控制核心,利用Altera公司的EPM240T100C5N CPLD来完成调制信号的逻辑处理的数字控制方案进行了实验研究,实现对矩阵变换器的正弦脉宽调制,实验结果验证了对所提控制策略理论分析的正确性及控制方案设计的可行性。最后对课题进行了总结和展望。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景与意义  9
  1.2 低频环逆变技术  9-10
  1.3 高频链逆变技术  10-12
    1.3.1 单向电压源高频链逆变器  11
    1.3.2 双向电压源高频链逆变器  11-12
    1.3.3 电流源高频链逆变器  12
  1.4 矩阵变换器概述  12-13
  1.5 矩阵变换器的发展与研究现状  13-15
  1.6 课题的主要研究内容  15-17
2 高频链矩阵变换器理论  17-31
  2.1 矩阵变换器主电路拓扑  17-18
  2.2 矩阵变换器的控制策略  18-19
    2.2.1 电压控制法  18
    2.2.2 电流控制法  18-19
    2.2.3 其它控制策略  19
  2.3 拓扑解耦控制思想分析  19-22
  2.4 矩阵式高频链逆变器数学模型  22-26
    2.4.1 开关网络状态分析  22-24
    2.4.2 基于拓扑解耦控制思想的开关阵列数学模型  24-26
  2.5 基于拓扑解耦控制思想的SPWM 控制策略  26-29
    2.5.1 拓扑解耦控制思想的SPWM 策略仿真  28-29
    2.5.2 仿真结果分析  29
  2.6 本章小结  29-31
3 高频交流脉冲密度调制理论  31-39
  3.1 引言  31
  3.2 脉冲密度调制理论  31-34
  3.3 软化SPWM 波形产生电路  34-36
  3.4 基于脉冲密度调制的矩阵变换器仿真结果与分析  36-37
  3.5 本章小结  37-39
4 单极性移相全桥正弦脉宽脉位控制策略  39-52
  4.1 引言  39
  4.2 自然采样法  39-40
  4.3 对称规则采样法  40-41
  4.4 正弦脉宽调制技术  41-43
    4.4.1 单极性正弦脉宽调制  41-42
    4.4.2 双极性正弦脉宽调制  42-43
  4.5 正弦脉宽脉位控制策略的构思  43-51
    4.5.1 正弦脉宽脉位控制策略的实现  44-45
    4.5.2 SPWPM 模式下逆变桥输出电压波形分析  45-48
    4.5.3 SPWPM 模式下逆变桥输出电压谐波分析  48-49
    4.5.4 仿真结果分析  49-51
  4.6 本章小结  51-52
5 矩阵式高频链逆变器实验电路设计  52-68
  5.1 引言  52
  5.2 矩阵式高频链逆变器实验样机指标  52
  5.3 主电路设计  52-56
    5.3.1 开关矩阵电路及保护  52-53
    5.3.2 PWM 调制时高频变压器设计  53-56
    5.3.3 SPWPM 调制时高频变压器设计  56
  5.4 输出滤波器电路设计  56-59
    5.4.1 滤波电感设计  58-59
    5.4.2 滤波电容设计  59
  5.5 抗磁偏电容选取  59-60
  5.6 辅助电源设计  60
  5.7 驱动电路设计  60-62
    5.7.1 高频逆变桥驱动电路  60-61
    5.7.2 矩阵变换器驱动电路  61-62
  5.8 数字控制三相SPWM 波形生成原理与实现  62-63
  5.9 基于CPLD 实现控制信号逻辑处理  63-64
  5.10 实验结果及分析  64-68
    5.10.1 控制电路实验波形  64-65
    5.10.2 主电路实验波形  65-68
6 总结与展望  68-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
附录: 作者在攻读学位期间发表论文目录  76

矩阵式高频链逆变器控制方法研究

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