论文摘要
目前,对矩阵变换器的研究主要集中于改进其调制策略和提高变换器调速系统的性能领域,如输入不平衡抑制、降低开关损耗、提高系统稳定性、将矩阵变换器应用于矢量控制和直接转矩控制的异步电动机传动系统等问题的研究。对于如何将矩阵变换器的电压传输比提升至0.866以上这一具有较强工程应用意义的课题,相关的研究成果报道较少。迄今为止,国内外学者对于提高电压传输比的研究主要集中在控制策略方面,其结果是当电压传输比大于0.866时,输出电压的谐波含量大大增加。本文以交-直-交矩阵式变换器为基础,以提高矩阵变换器电压传输比为重点,提出了一种新的电力变换器—Boost矩阵变换器（Boost Matrix Converter）。将Boost电路引入矩阵变换器的电路拓扑中,利用其在高频脉冲状态下的升压能力,达到提高矩阵变换器的电压传输比的目的。并针对Boost直流斩波电路与矩阵式变换器两者的不同特性,设计了一种改进的直流升压拓扑电路结构,以保证BoostMC具有能量可双向传输这一优点,推导了理论上的可行性。根据不同的应用场合,从其拓扑电路的演变出发,研究了多种拓扑电路形式的BoostMC型矩阵变换器及其特点,给出了适合其运行方式的两种换流策略,并重点介绍了改进后的直流零电流换流策略,结合直流零电流换流法,提出了单位功率因数的PWM整流和空间矢量调制的逆变控制策略。将BoostMC等效分解为整流电路、升压电路和逆变电路三个部分并进行了谐波分析,将其整流侧开关函数傅立叶分解为低频分量和高频分量,并分析开关函数高频分量与BoostMC器输入电流高频分量的关系。从关系中可知BoostMC输入电流高频谐波分量与开关采样频率成反比。因此适当提高开关采样频率可以抑制输入电流谐波。给出了升压电路电感电流n次谐波振幅的函数表达式。谐波分析表明:随着升压电路输出侧稳压电容C容量的不同,基波和谐波的幅值随之变化,较小的电容值有助于谐波含量的抑制,然而从稳定输出电压的角度考虑,容量较大的C更为有利。因此,对升压电路电容C的取值必须权衡利弊加以选择。BoostMC输出电压谐波一部分是自身信号产生的,一部分是调制策略带来的。提高开关采样频率,把输出电压谐波成分主要集中在高频段,选用适当的低通滤波器将滤除输出电压中的高频分量。建立了基于MATLAB/SIMULINK的BoostMC仿真模型;研究了主电路和数字控制系统的实现技术,制作了以DSP2812控制器为控制核心的BoostMC型矩阵变换器的硬件实验平台;按照模块化原则用C语言编写了软件程序,提出了对三相输入电压进行相位跟踪和补偿的方法,提高了控制精度,并实现了整流、升压和逆变三部分电路的同步控制。仿真和实验结果表明:在保持原有优良输入输出性能的基础上,BoostMC理论上有非常高的电压传输比。此外,Boost电路虽然处于直流环节中,有储能元件,但容量很小,对整个系统的输入功率因数影响不大,而且可以通过调节电容电感的参数使得输入功率因数接近1,同时由于采用的电感与电容较小,对系统的体积和重量影响甚微。本文提出的方法为矩阵变换器在电力传动和高电压、大电流领域的应用提供了有利的理论依据和应用条件。