《基于Matlab的矩阵变换器仿真研究设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Matlab的矩阵变换器仿真研究设计（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、矩阵式变换器及其 Matlab 仿真研究目录 摘 要1 Abstract 2 第一章 绪论3 1.1 电力变换器的发展及应用现状3 1.2 常规电力变换器的缺陷4 1.3 矩阵式变换器的特点5 1.4 矩阵式变换器的产生及国内外研究现状5 1.5 矩阵式变换器的缺点6 1.6 矩阵式变换器的应用前景7 第二章 矩阵式变换器的拓扑结构和工作原理9 2.1 矩阵式变换器的基本电路拓扑结构和工作原理10 2.2 基于开关函数矩阵变换器的数学模型15 第三章 基于前馈补偿的 SPWM 控制策略19 3.1 矩阵变换器的控制方法19 3.2 基于前馈补偿的 SPWM 调制策略20 第四章 矩阵式变换器
2、Matlab 仿真研究.22 4.1 Matlab/Simulink 软件简介.22 4.2 31 矩阵变换器的建模和仿真22 4.3 32 矩阵变换器的建模和仿真29 4.4 基于开关函数的 33 矩阵变换器的建模和仿真.35 第五章 展望与总结40 5.1 矩阵变换器发展展望40 5.2 总结41谢辞42 参考文献431摘 要：矩阵式变换器是一种新型的电力变换器，它能够直接实现交交变换，与传统的交直交的变频器相比，不需要中间直流环节，能量直接传递，传输效率较高；可以获得正弦的输入电流和输出电压，波形失真度小；能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统。本文首先介绍了单相和三相矩阵式变换器
3、的基本工作原理及其电路拓扑结构。其次，建立了基于开关函数的矩阵式变换器的数学模型；另外还对SPWM前馈补偿技术进行了研究。最后用Matlab对开关函数法进行仿真研究，并用电流滞环控制策略来实现31矩阵式变换器的控制。以及用基于SPWM前馈补偿的控制策略来实现对32矩阵式变换器的控制；仿真结果表明基于开关函数的矩阵式变换器的数学模型是正确的。关键词：矩阵式变换器 开关函数法 电流滞环控制 SPWM 前馈补偿2Abstract:Matrix converter is a new type of power converter, which can achieve direct AC-AC conv
4、ersion, compared to the traditional AC-DC-AC converter, which needs no intermediate DC link, direct energy transmission, high transmission efficiency; be sinusoidal input current and output voltage waveform distortion small; Energy can be a two-direction transmission, suitable for four-quadrant oper
5、ation of the AC drive system. This paper introduces the single-phase and three-phase matrix converter basic principle and circuit topology. Secondly, establish the mathematical model of matrix converter based on the switching function; also SPWM feedforward compensation were studied. Finally, Matlab
6、 for switching function method simulation, Current and hysteresis loop control strategy to achieve the 3 1 matrix converter control. And SPWM-based feedforward compensation control strategy to achieve the 3 x 2 matrix converter control; Simulation results indicate that the switching function matrix
7、converter mathematical model is correct.Keywords: Matrix converter The switching function Current hysteresis loop control SPWM Feedforward compensation 3第一章 绪论1.1 电力变换器的发展及应用现状随着电力电子技术、电机控制理论和微处理器的不断进步，交流变频技术开始逐步取代直流调速，在电气传动领域占据主导地位。在原有直流调速系统和新的调速系统中，相当一部分都已经采用交流调速系统。变频调速在自动控制、电气传动、电力变换等方面的广泛应用，使电能在
8、变换、控制、利用方式上发生了很大的变化，实现了高效、节能。微电子技术与电力电子技术的结合促进了电力电子技术的进步；随着电力电子技术的进步，电力变换器得到了普及，各种电力变换器已在电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输等经济建设领域中得到越来越广泛的应用。然而随着介入的电力电子装置数量及容量急剧增加，从小容量的家用电器到交直流调速传动的各类大中容量静止变流装置，以及感应加热、电弧炉、电化学生产等大容量负荷。它们一方面从电网吸收大量的无功功率，影响电网的频率和电压稳定性；另一方面也向电网排放了大量的谐波电流，引起电网电压畸变，这样使得传统的无功补偿问题变得复杂。因此电力谐波对电能质量的影响日益显著
9、，已引起人们广泛的关注和重视。随着国民经济的高速发展，对电力能源的需求随之增长。在传统的石油，煤炭等不可再生资源日益枯竭，且对环境污染较大的情况下。发挥我国幅员辽阔，水力、风力等自然资源丰富的优势，大力发展水力，风力发电已成为我国电力发展的一个重要方向。为提高水力、风力等可再生能源的利用效率，采用变速恒频方式发电可使原动机（风机、水轮机）能在一定的可变速范围运行，从而提高能量的获取和转换利用率，是一种非常适合水力或风力等可再生能源发电利用的运行方式。实现变速恒频发电的最佳方法是交流励磁技术，采用这种技术可使发电系统根据原动机的转速变化来调节励磁电流的频率，可在不同的速度下实现变速恒频发电；通过
10、改变励磁电流的幅值和相位来实现发电机的有功、无功功率的调节，并达到提高电网稳定性的目的，这是其它调速方式所不能做到的。要实现交流励磁发电，关键在于开发一种输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双向流动的“绿色”变频器。41.2 常规电力变换器的缺陷近十几年来，围绕着新型功率器件的应用，人们进行了大量系统的研究工作，到目前为止，这些新型功率器件的驱动、保护技术以及控制技术已趋于成熟。目前常见的交流电力变换器主要是交直交变换的电压源型通用变频器以及用于低速高压大功率的相控式交交变频器。交直交变换是电力电子技术中应用较广泛的一种变流方案。它由整流器、滤波器和逆变器所组成，它的整流器电容滤波器是一种非线
11、性元件和储能元件的组合，因此虽然输入交流电压是正弦的，但是输入电流波形却发生严重畸变，存在大量谐波，输入功率因素较低，会对电网造成“污染” ，另外由于需要中间直流储能环节大体积的无源器件（大容量滤波电容） ，因此造成系统成本上升、集成度低、可靠性降低等问题。晶闸管器件的出现促进了交交变频技术的深入发展，由于交交变频电路采用的是移相触发的控制方式。因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。在输出电压的一个周期内，控制角是以 90为中心而o前后变化的。输出电压调制比越小，半周期内控制角的平均值越大，位移因数越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。而且不论负载功率因数
12、是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。并且对常用的三相桥式电路而言，一般认为，输出上限频率不高于电网频率的 1/31/2。电网频率为 50Hz 时，交交变频电路的输出上限频率约为 20Hz。目前，治理电力电子装置污染的方法有两种：一种是被动地装设谐波补偿装置来补偿谐波，即在电力系统中投入大量的有源或无源滤波器，以补偿谐波和无功功率；第二种是主动对电力电子装置本省进行改造，使其不产生谐波、具有较高且可控制的功率因素。显然后者是一种较为积极的办法。以上两种变换器的输入电流都含有大量的谐波，输入功率因素低。谐波在电网中将产生大量的无功功率，使得电网无功功率失去平衡，对电网的稳定构成威胁，对电
13、力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害。矩阵式变换器以其简单的拓扑结构及诸多诱人的特性，已经被认为是一种极具发展前途的电力变换器。51.3 矩阵式变换器的特点矩阵式变换器是一种直接型的交流交流电力变换装置，由于其具有优越的电气性能。越来越引起人们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势。特别是它本身不产生谐波污染,还能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性能高于其它变换器；研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。矩阵变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交交变频电源，在M.Venturini 及 Huber.L 等人提出两种有效的开关控制策略后，其特点已为人们
14、所关注。它有以下优点：（1）无中间直流或交流环节，能量直接传递，传输效率高；（2）可获得正弦波的输入电流和输出电压，波形失真度小；（3）输入功率因数可任意调节，且与负载功率因数无关；（4）能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统；（5）控制自由度大，输出频率不受输入电源频率的限制。1.4 矩阵式变换器的产生及国内外研究现状M.Venturini 和 A.Alesina 在 1980 年提出了用晶体管构成双向开关以实现矩阵式变换器的方案，J. Rogriguez 于 1983 年提出了“虚拟直流环节”概念的矩阵式变换器的控制方法；这种方法是将矩阵式变换器在理论上等效为一个整流器和逆变器的虚拟
15、连接，并将传统的脉宽调制(PWM)技术分别应用于对双向开关进行调制；M.Braun 和 J.Rodriguez 分别于 1983 年和 1985 年提出了将空间矢量脉宽调制(SVPWM)应用于矩阵式变换器控制的。矩阵式变换器的换流技术，自 1989 年，N.Burany 首次提出了四步换流方式后 M.Ziegler 和 W.Hoffmann 于1998 年提出了矩阵变换器“两步换流”方式。同时，J.Clare、P.Wheeler 和L.Empringham 也于 1998 年将可编程逻辑器件(PLD)技术用于双向开关的换流控制， J.Mahlein 在 2002 年提出了改进的多步换流控制策略
16、。省去了专门的输入电压或输出电流方向检测电路。Lixiang Wei 和 T.Lipo 也在 2003 年提出了专用于矩阵式变换器的电压换流方式。矩阵式变换器的研究在国内虽然起步较晚，但已成为电力电子学科中一个重要的热点课题。1997 年，南京航空航天大学庄心复、穆新华在国内刊物上介绍了一般意义上的 nm 型矩阵式变换器的拓扑形式及双向开关的构成，分析6了基于瞬时电压调制技术的三相 AC-AC 矩阵式变换器的开关状态和控制规律。1998 年，上海大学陈伯时、陆海慧采用反向串联的双向 IGBT 作为矩阵式变换器的主回路，利用可编程逻辑器件实现了四步安全换流，并根据开关函数的瞬时对应关系及其限定条件，综合矩阵式变换器的 PWM 控制策略，取得了一定的实验成果。在 2000 年哈尔滨工业大学陈希有、陈学允将 PARK 变换应用到空间矢量脉宽调制矩阵式变换器中，建立了矩阵式变换器的线性定常电路模型，借助电路分析理论研究了空间矢量脉宽调制矩阵式变换器的暂态响应特性与输入滤波器参数的关系；2002 年，王毅、陈希有、徐殿国提
