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矩阵变换器共模电压的研究与控制信号窄脉冲的抑制

作　者: 李萌
导　师: 史婷娜
学　校: 天津大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 矩阵变换器双电压窄脉冲共模电压四步换流
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

矩阵变换器是一种直接型的交-交变频装置,具备理想变频电源所需的重要特性:具有正弦的输入输出;对任意负载可以实现输入功率因数为1;能量直接双向流动,满足电机四象限运行的要求;无需中间直流储能环节,符合模块化的发展方向。但由于受调制算法及输入输出波形的限制,双电压合成调制算法会产生开关控制信号窄脉冲,窄脉冲的出现可能导致换流失败,产生电压电流尖峰信号,影响系统的输入输出性能。同时矩阵变换器输出电压中不可避免地会产生高频共模信号,对负载及周围电气设备产生很大危害。本文针对矩阵变换器中控制信号窄脉冲及共模电压对系统的危害,通过适当调整占空比和合理选择零输出状态对双电压合成调制策略进行了改进。首先,本文介绍了矩阵变换器的拓扑结构和数学模型,阐述了双电压合成调制策略基本原理。基于Matlab/Simulink仿真平台建立了双电压合成矩阵变换器仿真模型,仿真结果证明了双电压合成调制策略的可行性和优越的抗干扰特性。其次,对调制策略进行改进。分析了开关控制信号窄脉冲导致换流失败的原因;提出了新颖的窄脉冲抑制方法,在保证输出电压不变的基础上,对窄脉冲存在的采样周期内小于最小换流时间的占空比进行调整,以达到了改善输入输出波形的目的。针对共模电压对负载及周围电气设备的危害性能,本文分析了基本的双电压合成矩阵变换器在一个采样周期内共模电压的瞬时值;针对四步换流的延时作用,分析了影响共模电压误差的决定因素及采样周期内共模电压平均值的改变;通过合理选择零输出状态所对应输入相电压,将共模电压的最大瞬时值减小到输入相电压幅值的3/3倍。仿真结果验证了改进控制策略的正确性和有效性。最后,在理论研究和仿真分析的基础上,采用DSP芯片TMS320F28335为主控制器,以FPGA芯片EP1C6T144C8为协处理器搭建矩阵变换器实验平台。基于实验样机,编程实现了本文控制策略,并对双电压合成调制策略的抗干扰特性、控制信号窄脉冲的危害性、共模电压抑制的有效性等问题进行验证。实验结果表明,改进双电压调制策略避免了输入输出尖峰信号,改善了矩阵变换器的输入输出性能,降低了共模电压的负面效应,提高了系统运行的可靠性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 矩阵变换器的研究背景  8-9
  1.2 矩阵变换器的控制策略及研究现状  9-13
    1.2.1 矩阵变换器的调制策略  9-10
    1.2.2 矩阵变换器的换流方式  10-11
    1.2.3 矩阵变换器的研究现状  11-13
  1.3 本文的选题背景及研究意义  13-14
    1.3.1 开关控制信号窄脉冲的抑制  13
    1.3.2 共模电压抑制的研究意义  13-14
  1.4 本文的主要内容  14-16
第二章双电压合成矩阵变换器控制原理  16-34
  2.1 矩阵变换器的工作原理  16-18
  2.2 双电压合成矩阵变换器调制策略  18-27
    2.2.1 矩阵变换器脉宽调制策略  18-23
    2.2.2 矩阵变换器输出电压合成  23-25
    2.2.3 矩阵变换器输入电流合成  25-27
  2.3 双电压合成矩阵变换器的仿真研究  27-33
    2.3.1 仿真模型  27-29
    2.3.2 仿真结果及分析  29-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章双电压合成矩阵变换器控制信号窄脉冲的抑制方法  34-45
  3.1 矩阵变换器的换流策略  34-37
    3.1.1 双向开关的构成形式  34-35
    3.1.2 四步换流策略  35-37
  3.2 窄脉冲的产生及抑制方法  37-40
    3.2.1 窄脉冲的形成原因  37-38
    3.2.2 形成窄脉冲的危害  38-39
    3.2.3 窄脉冲的抑制方法  39-40
  3.3 仿真结果及分析  40-44
    3.3.1 与传统方法比较  40-41
    3.3.2 电流型四步换流  41-43
    3.3.3 电压型四步换流  43-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章双电压合成矩阵变换器的共模电压抑制  45-56
  4.1 矩阵变换器共模电压的产生机理及危害  45-46
  4.2 矩阵变换器共模电压瞬时值分析  46-48
  4.3 换流方式对共模电压的影响  48-51
  4.4 矩阵变换器共模电压的抑制  51-52
  4.5 仿真结果及分析  52-55
    4.5.1 四步换流方式对共模电压的影响  53
    4.5.2 共模电压抑制  53-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章双电压合成矩阵变换器实验系统设计  56-73
  5.1 系统硬件电路设计  56-61
    5.1.1 控制电路  57-59
    5.1.2 功率主电路  59-61
  5.2 双电压合成调制策略软件设计  61-65
    5.2.1 基于DSP 的控制程序设计  61-63
    5.2.2 基于FPGA 的控制程序设计  63-65
  5.3 实验结果及分析  65-72
    5.3.1 控制电路信号调试实验  66-68
    5.3.2 窄脉冲存在特性实验  68
    5.3.3 不同输出频率时系统输出特性实验  68-69
    5.3.4 输入不平衡时系统输出特性实验  69-70
    5.3.5 系统共模电压抑制前后对比实验  70-72
  5.4 本章小结  72-73
第六章总结与展望  73-75
参考文献  75-81
发表论文和参加科研情况说明  81-82
致谢  82

矩阵变换器共模电压的研究与控制信号窄脉冲的抑制

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