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1、毕业设计（论文）题 目 基于直接传递函数调制的 矩阵阵变换器仿真专 业 班 级 学 生 指导教师 2013 年西安理工大学本科生毕业设计（论文）基于直接传递函数调制的矩阵变换器仿真专业：自动化班级：自092班作者：指导教师： 职称：答辩日期：2013-06-18摘要本文首先研究了矩阵式变换器的基本原理，讨论了其双向开关的构成和换流方式。接着介绍了直接传递函数法调制策略，并对其开关矩阵进行了严密的数学推导。然后对直接传递函数法进行了Matlab仿真，得到不同输出频率下输出电压、电流波形，验证其正确性；对不同输出频率下的输出电流进行FFT分析，观察输出电流与总谐波畸变率THD，发现输出频率越高，总
2、谐波畸变率越大；在相同输出频率条件下，观察不同开关频率下的总谐波含量THD，得到直接传递函数法低开关损耗的结论；说明直接传递函数法得到的开关矩阵在合成输入电流时出现的问题。最后，就仿真中出现的问题予以分析，并对直接传递函数法调制策略进行了展望。关键词：矩阵变换器、直接传递函数法、Matlab仿真、总谐波含量THD赵丹：基于直接传递函数的矩阵变换器仿真AbstractThe paper first analyses the basic principles of matrix converter, including bidirectional switch and commutation mo
3、de. With that, a direct transfer function approach is introduced, and then determining the switch matrix. Secondly, a completing simulation, using Matlab-Simulink, is discussed, obtaining the output voltage and current wave with different output frequency, and for each profile FFT transform the size
4、 of that harmonic distortion rate, finding that the higher the output frequency it required, the bigger the distortion rate it is. In the condition that the output frequency fixed, watching the relationship between switch frequency and harmonic distortion rate, and drawing a conclusion low switching
5、 losses of direct transfer function approach. The paper clarifies the problem when synthesizing the input current. In the end, the deficiency in the simulation is proposed, and the expectation about direct transfer function approach.Keywords: matrix converter, direct transfer function approach, simu
6、lation, harmonic distortion rate西安理工大学本科生毕业设计（论文）目录第1章 绪论11.1 选题的目的及意义11.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势11.3本课题主要研究内容3第2章 矩阵式变换器的原理42.1 矩阵变换器的原理42.1.1矩阵变换器的基本拓扑42.1.2矩阵变换器的双向开关构成52.2矩阵变换器的换流方法72.3直接传递函数法的调制原理92.4 优化AV法14第3章 直接传递函数法的Matlab仿真173.1 Matlab仿真软件的介绍173.2直接传递函数法的Matlab仿真183.2.1双向开关的导通时间183.2.2电压源203.2.3
7、双向开关模型213.2.4输入电流的合成223.2.5负载模型23第4章 仿真结果的分析25赵丹：基于直接传递函数的矩阵变换器仿真4.1输出电压、电流的波形图254.2输入电流的波形图294.3 THD与输出频率的关系304.4 开关频率与THD的关系31第5章 总结与展望335.1总结335.2 展望35致谢36参考文献37西安理工大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 选题的目的及意义矩阵变换器(MC)由9个双向开关排成一个3行3列的开关矩阵，利用9个双向开关周期内的占空比来组成3行3列的开关调制矩阵，以决定矩阵变换器的变换关系。与传统变频器相比，矩阵变换器的优点是输出电压可控制为正
8、弦波，频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。因此，矩阵变换器的电气性能是十分理想的。矩阵变换器的调制策略是实现其功率开关器件控制的关键，各国学者对其进行了深入的研究，也提出了各种不同方法实现功率开关器件的调制策略。直接传递函数法是一种简单、容易实现并且应用广泛的方法。本论文就是对基于直接传递函数调制的矩阵变换器利用MatlabSimulink软件进行仿真。验证矩阵变换器的可实现性，直接传递函数法的正确性，为后续矩阵变换器的进一步研究打下了基础
9、。1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势矩阵变换器(MC)的思想最初由L.Gyugyi和B.R.Pelly在1976年提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Afesina才提出矩阵变换器存在理论以及控制策略，立即引起了全世界专家学者们广泛关注。目前世界上已经形成了以德国、英国、日本等几所著名大学为主导，西门子、罗克韦尔等传统专业技术公司，甚至有军方背景的研发团队，研究内容涵盖了矩阵变换器的各个方面。欧洲代表着矩阵变换器研究的最前沿，首先EUPEC公司相继研发出25A、35A等多个不同电流等级的集成化功率模块，随后英国Dynex公司也推出了200A大功率双向可控开关集成模
10、块。美国对矩阵变换器器件的研究虽然没有进入商业化生产，但是仍然促进了矩阵变换器飞速的发展。意大利学者Casadeid在博罗纳大学发表了许多相关的文章，内容包括输入电压不平衡时各种调制策略效果的优劣进行比较，系统的稳定性问题、各种实际因素对入功率因数的影响，开关热应力问题和新功率模块的试验等多个具体的实际方面。由此可以看出产业界正在努力提高变换器的性能，大大促进了矩阵变换器快速进入工业领域的步伐。国内学术界对于矩阵变换器的研究起步较晚，从上世纪90年代中期才开始，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。1994年南京航空
11、航天大学庄心复教授对矩阵变换器空间矢量调制原理进行仿真和实验研究。1998年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和矩阵变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和输出电压为正弦的调制函数。上海大学朱贤龙博士以Saber软件为实验平台建立了基于空间矢量调制策略的三相/三相矩阵变换器的仿真模型，提出了一种优化控制方法，简化了调制过程，并降低了开关损耗。2000年湘潭大学开始矩阵变换器的研究，取得了一定的成绩，建立了矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2004年清华大学孙凯等对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，制作了实验样机。他们的研究成果对矩阵变换器的分析与设计具
12、有较大的指导意义。M.Venturini和A.Alsina在1980年首次全面地介绍了矩阵变换器的控制策略直接传递函数法，该方法是一种简单容易实现并且控制效果良好的方法，因此得到了广泛的应用。1.3本课题主要研究内容第一章为绪论。这一章，刚开始介绍了写这篇文章的目的和意义，矩阵变换器的输出电压可以控制为正弦波，频率不受电网限制，功率因数可以控制为1，AC-AC直接变频，以及直接传递函数法简单容易等等这些优点成为人们关注矩阵变换器的原因，本课题也是为验证直接传递函数法的正确性而做。接着本文介绍了本课题在国内外的发展情况，国外一些学者正在火热地研究矩阵变换器，而中国还处于刚起步阶段。第二章主要介绍
13、了矩阵变换器的基本原理，这也为本文的研究提供了一个参考模型。在这一章，主要探讨了矩阵变换器的拓扑图，安全工作的原则；接着，本文讨论了矩阵变换器双向开关的构成，并简要分析了几种双向开关的优缺点；然后，本文大致介绍了矩阵变换器的换流方法-基于输出电流方向检测的四步换流策略；最后，本文中点研究了直接传递函数法调制策略，并通过图形的方式来说明调制的过程，同时推导出调制矩阵的数学表达式。第三章重点在直接传递函数调制策略的基础上建立Matlab的仿真模型，详细叙述了仿真各部分的构成及参数设定。第四章主要在Matlab仿真结果中研究了不同输出频率下输出电压、电流的波形以验证直接传递函数调制策略的正确性；另外
14、，本文还细致讨论了总谐波含量THD与输出频率、采样周期数之间的关系。第五章主要是对全文的工作作了总结，其中包括仿真中出现的一些问题以及直接传递函数法的弊端；另外，本文对矩阵变换器今后的研究工作进行了展望。第2章 矩阵式变换器的原理2.1 矩阵变换器的原理2.1.1矩阵变换器的基本拓扑矩阵变换器被定义为一种含有个双向开关的单级电力变换器，它可以将输入侧相电压源直接连接至相负载。实用的三相-三相交流矩阵式变换器包括共个双向开关，每个双向开关具有双向导通和双向关断的能力，如图 2- 1所示。图 2- 1三相-三相矩阵式变换器电路拓扑通常情况下，矩阵式变换器的输入侧为三相电压源，而输出侧为三相感性负载
15、（如电动机等设备），可等效为三相电流源，如图 2- 1所示。因此，根据电压源和电流源的特性，矩阵式变换器在工作过程中必须遵循两个基本原则：1）矩阵式变换器的三相输入端中任意两相之间不能短路，避免电压源短路造成过电流（输入滤波器阻抗很小，短路电流很大）；2）矩阵式变换器的三相输出端中的任意一相电路均不能断路，以防止感性负载突然断路而产生过电压。三相-三相交流矩阵变换器中的每个双向开关可用开关函数表示，定义如下: (2.1)根据上面所述的矩阵变换器安全运行的两个基本原则，在运行过程中的某一时刻，连接到同一项输出的三个双向开关中，有且仅有一个开关可以导通，而另外两个开关必须关断，用开关函数表示如下： (2.2) 在实际运行中，须根据控制目标的需要，采用一定的调制策略来选择相应的开关状态。具体的控制方法在2.3节中详述。2.1.2矩阵变换器的双向开关构成矩阵式变换器由9个双向开关组成，每个双向开关都具有双
