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基于空间矢量控制的双级矩阵变换器的研究

作　者: 王锋
导　师: 高海生
学　校: 华东交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 双级矩阵变换器拓扑结构双向开关空间矢量调制仿真
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

矩阵变换器(MC)是一种先进拓扑结构的功率变换器,具有拓扑结构简单、无中间储能环节、对电网谐波污染小、输入电流和输出电压正弦、输入功率因数可以为1并可自由调节、输出电压幅值和频率可调、能量可以双向流动等优良特性,已经成为功率变换研究的热点。而双级矩阵变换器(TSMC)由于其克服了常规矩阵变换器(CMC)控制策略复杂、开关数量多等缺点,更使其成为目前颇具发展潜力的一种新型矩阵变换器。首先,本文简单阐述了双级矩阵变换器的工作原理,推导了由常规矩阵变换器到双级矩阵变换器的演变过程,综合介绍了几种典型的双级矩阵变换器的拓扑结构和数学模型,对矩阵变换器的核心器件双向开关的实现问题也进行了讨论。介绍了常规矩阵变换器中应用广泛的四步换流策略以及双级矩阵变换器中的换流策略,并对几种控制策略的特点进行了比较。接下来,本文重点分析了双级矩阵变换器的两种空间矢量控制策略,即整流级无零矢量双空间矢量控制策略和整流级有零矢量双空间矢量控制策略。对目前普遍采用的TSMC整流级无零矢量的空间矢量调制法进行了推导介绍,并对其进行了改进,克服了该方法只能实现TSMC输入功率因数固定为1的局限,可以在一定范围内对TSMC输入功率因数角进行调节。接着提出了一种适用于TSMC的双空间矢量调制策略,在此基础上对基于双空间矢量调制法的TSMC低频开关函数进行推导,最后提出了TSMC双空间矢量调制法的一种简化算法。采用MATLAB软件分别建立了基于改进的整流级无零矢量双空间矢量控制策略和整流级有零矢量双空间矢量的双级矩阵变换器仿真模型。两种模型的仿真结果展示了双级矩阵变换器的优良特性,也验证控制策略的正确性和可行性。最后,本文设计了以DSP(数字信号处理器)为控制核心的矩阵变换器控制系统的硬件电路,主要包括主电路、DSP及其外围电路、驱动电路、电压过零检测电路等,配合硬件电路对软件部分也进行了设计。本文通过理论分析、计算机仿真和实验研究相结合的方法,对双级矩阵变换器的工作原理、调制策略、换流策略等基本问题进行了探索性的研究,得出了一些有意义的经验和结论,对课题的深入研究具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 引言  9-10
  1.2 矩阵变换器的特点和研究现状  10-13
    1.2.1 矩阵变换器的特点  10-11
    1.2.2 矩阵变换器的研究现状  11-13
    1.2.3 矩阵变换器存在的问题与研究热点  13
  1.3 双级矩阵变换器的特点和研究现状  13-16
    1.3.1 双级矩阵变换器的特点  13-14
    1.3.2 双级矩阵变换器的研究现状  14-15
    1.3.3 双级矩阵变换器存在的问题与研究热点  15-16
  1.4 本课题的研究意义和研究内容  16-17
第二章双级矩阵变换器工作原理  17-32
  2.1 双级矩阵变换器的开关传递函数  17-19
  2.2 双级矩阵变换器的拓扑结构  19-21
  2.3 双向开关的实现  21-24
  2.4 双级矩阵变换器的换流方法  24-28
    2.4.1 常规矩阵变换器的四步换流策略  24-27
    2.4.2 双级矩阵变换器的换流  27-28
  2.5 矩阵变换器控制策略综述  28-32
第三章双级矩阵变换器SVM 控制策略  32-53
  3.1 整流级无零矢量双空间矢量控制策略  32-37
    3.1.1 整流级的空间矢量调制  32-35
    3.1.2 逆变级的空间矢量调制  35-37
  3.2 整流级无零矢量双空间矢量调制策略的改进  37-42
    3.2.1 调制策略的改进  38-40
    3.2.2 输入电流分析  40-41
    3.2.3 电压传输比分析  41-42
  3.3 整流级有零矢量的双空间矢量调制策略研究  42-53
    3.3.1 双空间矢量调制策略  42-45
    3.3.2 基于双空间矢量调制策略的双级矩阵变换器的低频开关函数  45-49
    3.3.3 双空间矢量调制策略的简化算法  49-53
第四章双级矩阵变换器的建模与仿真  53-64
  4.1 MATLAB/SIMULINK 软件简介  53-54
  4.2 双级矩阵变换器的建模与仿真  54-64
    4.2.1 基于整流级无零矢量双空间矢量调制策略的TSMC 仿真建模  55-56
    4.2.2 基于整流级无零矢量双空间矢量调制策略的TSMC 仿真分析  56-59
    4.2.3 基于双空间矢量调制策略的TSMC 仿真建模  59-60
    4.2.4 基于双空间矢量调制策略的TSMC 仿真分析  60-62
    4.2.5 仿真结果分析  62-64
第五章基于DSP 的双级矩阵变换器系统设计  64-72
  5.1 双级矩阵变换器系统硬件设计  64-68
    5.1.1 主电路的设计  64-66
    5.1.2 驱动电路的设计  66-67
    5.1.3 隔离电源的设计  67-68
    5.1.4 同步过零检测电路的设计  68
  5.2 双级矩阵变换器系统软件设计  68-72
第六章总结与展望  72-73
  6.1 本文工作总结  72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-77
个人简历在读期间发表的学术论文  77-78
致谢  78

基于空间矢量控制的双级矩阵变换器的研究

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