永磁同步电机-矩阵变换器新型电流调制策略研究

为保证矩阵变换器具有良好的输入与输出性能,提出输入电流空间矢量调制与正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)电流控制相结合的控制策略,构建交交驱动的永磁同步电机矢量控制系统。把矩阵变换器等效为虚拟的交直交结构,详细分析了输出电流的合成过程,并推导出一个开关周期内矩阵变换器虚拟直流环节的电压与电流表达式,为实现矩阵变换器的虚拟逆变器及虚拟整流器的对应控制策略提供了理论依据。原理样机试验结果表明,采用空间矢量SPWM电流控制的矩阵变换器-永磁同步电机系统不仅达到了良好的矢量控制,而且也提高了输入侧的性能。     

一种矩阵变换器的低调制比策略及实现

针对矩阵变换器空间矢量调制策略在低调制比输出时引起的换流问题及输出波形的非线性畸变,提出了三零矢量调制的空间矢量调制方案,同时设计了一套基于DSP和FPGA的控制系统.通过实验验证了该控制策略的可行性和正确性,达到了改善在低调制比给定时输出电压波形的目的,提高了矩阵变换器的运行性能.     

矩阵变换器的输入电流控制策略

根据有功功率平衡原理推导出不平衡输入电压下表征矩阵变换器输入电流特性的通用方程,分析表明矩阵变换器的输入电流特性只能通过对输出功率及输入电流偏置角的控制来调节.根据矩阵变换器输入电流特性方程及输入电流控制目标得到3种典型输入电流控制策略.在输出电压平衡正弦的情况下:使矩阵变换器的输入电流矢量与输入电压矢量保持固定的功率因数角(策略1),可得到不平衡且非正弦的输入电流男;使输入电流矢量跟踪输入电压正序分量与负序分量之差的方向(策略2),可得到不平衡但正弦的输入电流;输出电压矢量幅值变化并使输入电流矢量与输入电压正序分量保持固定的功率因数角(策略3),可得到平衡正弦的输入电流,但输出电压不平衡且非正弦.其中,策略1的输入功率因数及输出电压控制能力最强,但输入电流波形质量最差;策略2的输入电流波形质量较好,但输入功率因数和输出电压控制能力有限;策略3得到的输入电流波形质量最好,但输出电压特性最差.通过仿真及实验验证了理论分析的正确性.     

基于电流空间矢量预测控制的HFLMR研究

高频链矩阵整流器是一种新型的电力电子变换器,具有体积小、重量轻、转换级数少和可靠性高等特点。分析了高频链矩阵整流器的双极性空间矢量调制策略,提出了基于参考输入电流空间矢量的预测控制算法,建立了基于该预测控制算法的高频链矩阵整流器系统仿真模型。该预测控制算法具有计算量小,开关频率固定,可靠性高等特点,能实现高频链矩阵整流器输入侧电流正弦、单位输入功率因数和稳定的输出直流电流。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

矩阵式交-交变频电源中DSP控制器的时间分配

介绍了矩阵式变换器的工作原理和空间矢量调制的控制策略,并以DSP为控制器、IGBT为功率开关,制作了一套矩阵式交-交变频电源实验装置.通过编制相应的控制软件,以DSP为控制器,进行时间合理分配控制,成功实现了对输出电压频率和幅值的改变.     

实际应用中的矩阵变换器空间矢量调制算法及优化调制模式

矩阵变换器在实际应用中会出现非理想状况,空间矢量调制策略算法不恰当会引起输出波形畸变。考虑输入非正常工况和换流时间问题,提出空间矢量调制策略的实现算法和优化的调制模式,以获得宽调节范围、低谐波的输出性能。首先提出一种采用矢量幅值之比实时计算电压调制比的方法,实现矩阵变换器在输入电压正常和非正常工况下均能输出三相正弦对称电压的目的;然后分析7种调制模式在考虑换流时间情况下窄脉冲出现的几率,在此基础上提出优化的调制模式,以解决窄脉冲引起的输出波形畸变问题;最后,设计一套基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的控制系统,实现所提算法。实验结果验证了该实用算法的正确性。     

多电平矩阵变换器的控制策略研究

提出了一种新颖的多电平矩阵变换器,介绍了其拓扑结构、工作原理和空间矢量调制技术.维持变换器内开关单元中点电容电压恒定和选择适当的控制策略,能在变换器两侧合成期望的可控正弦输入/输出电压.最后,对多电平矩阵变换器进行了仿真,验证了变换器的良好性能.     

矩阵变换器在非正常输入电压下的调制方法

由于矩阵变换器没有中间直流储能环节,输入端的任何扰动都会对输出端产生影响.为了保证矩阵变换器系统在非正常输入电压工况下仍能安全稳定运行,基于空间矢量调制策略提出了一种采用输出电压和输入电压空间矢量幅值实时计算电压调制比的方法.该方法通过采集输入端电压的瞬时值对开关状态的占空比进行实时调节,从而保证输入电压在正常和非正常...     

输入不平衡时双级矩阵变换器调制策略的改进

针对输入电压不平衡时双级矩阵变换器输出电能质量差且电压传输比低等问题,在空间矢量脉宽调制基础上提出了一种混合型控制策略.整流级采用过调制策略,保证负载侧输出最大功率,逆变级通过时变电压调制系数来实时修正逆变级占空比,确保负载侧三相对称输出,利用Matlab/Simulink对该调制策略下TSMC输出性能进行了仿真研究.仿真结果表明该方法不仅能有效改善非对称输入时输出波形,提高电压利用率,而且算法简单易于实现.     

矩阵变换器直接空间矢量调制策略的优化

矩阵变换器直接空间矢量调制策略存在开关频率倍频现象,开关频率提高会加大系统的开关损耗,增加换流过程和窄脉冲出现的几率,引起输出电压非线性畸变,恶化矩阵变换器的运行性能.提出一种空间矢量调制策略的优化方法,对每个功率器件的驱动信号进行优化分配,降低器件的实际开关频率;为了消除换流延时对输出波形的影响,根据输入电压扇区和输出电流对驱动脉冲进行延时补偿;利用3个零矢量调制消除窄脉冲.实验证明,该方法可以较好地改善低调制比时直接空间矢量调制策略的输出性能.     

Improvement of the input performance of a three-phase-single-phase matrix converter based on space vector modulation

A 6-switch three-phase to single-phase matrix converter (3-1MC) with independent neutral line is directly coupled to the input side through bidirectional switches, and the output ripple power produces low-frequency harmonics in the input side that are difficult to filter out. In this paper, the expressions of the frequencies and contents of the low-frequency harmonics are derived based on the principle of input-output instantaneous power conservation. Then, a 3-1MC topology with decoupling unit is studied and the working principle and process of improving the input performance are analyzed. Second, based on the relationship between the output side and the decoupling side modulation function, the influence of the introduction of the decoupling unit on the maximum voltage transfer ratio of 3-1MC is studied. The relationship between the voltage transfer ratio and parameters such as decoupling unit and output frequency is derived in detail. It is proved that maximum voltage transfer ratio of the topology is a nonlinear function related to system parameters. Then, the operating principle and modulation method of 3-1MC are discussed. A double-side current closed-loop control strategy based on space vector modulation under power decoupling conditions is proposed. Finally, an experimental platform is built to verify that the 3-1MC with decoupling unit can suppress the low-frequency harmonics in the input current at different output frequencies and effectively improve the performance of the input side. The results show that the 3-1MC with the decoupling unit is beneficial for use in single-phase applications.     

非正常输入下矩阵变换器性能恶化的原因剖析

传统空间矢量间接调制策略(Space Vector Indirect Modulation Strategy,简称SVIMS)下的矩阵变换器(MatrixConverter,简称MC)在非正常输入情况下,其性能会发生恶化。针对该现象,在简单介绍MC的SVIMS的基础上,分别采用PWM面积等效原理、传递矩阵和矢量内积3种方法,分析了MC输入电压中的非正常因素对MC输出电压的作用机理,揭示了非正常输入对SVIMS下MC性能影响的原因,为改善MC的性能奠定了基础。     

基于双空间矢量调制的矩阵变换器-永磁同步电机矢量控制系统

结合永磁同步电机磁场定向控制的特点,将矩阵变换器用于永磁同步电机的调速系统,实现永磁电机的交交直接控制并且达到近似单位功率因数.首先阐述矩阵变换器双空间矢量调制的原理,输入侧采用电流空间矢量,输出侧采用电压空间矢量构建了矩阵变换器-永磁同步电机矢量控制系统;然后为了降低转矩脉动,加入电流补偿环节,文中给出了补偿环节的设计方法.原理样机试验结果表明,采用双空间矢量调制的矩阵变换器-永磁同步电机系统不仅达到了良好的控制效果与较好的网侧性能,而且电流补偿环节也是确实有效的.     

矩阵变换器空间矢量调制的闭环控制研究

开环控制的矩阵变换器空间矢量调制方法在输入端有随机扰动的情况下,输入电流、输出电压易出现波形畸变和谐波,为此提出输出电压闭环控制方法。对实际输出电压进行实时采样,计算其旋转空间矢量的相位、幅度以及与期望输出电压的空间矢量对应各量的偏差,将两者的相位偏差和幅度偏差作为负反馈量,加到下一个采样周期中以修正开关调制矩阵函数,从而实现系统的闭环控制。给出了算法的具体实现方法,仿真验证了算法的正确性和有效性。     

矩阵变换器的电流控制策略

该文以矩阵变换器的输出电流为控制目标。首先将矩阵变换器等效为整流器和逆变器的串连，得出变换器基本滞环控制开关策略；并分别以改善其输出输入电流品质为出发点，分析得到正弦环宽滞环控制方法和输入电流空间矢量合成控制方法；在分析输入电压对输出电流影响的基础上，结合预测电流控制，得到了变换器独特的27矢量电流控制法。仿真证实了这些方法的有效性。     

A control method to realize sinusoidal input and output current waveforms for matrix converters based on PWM

A matrix converter (MC) is a three‐phase AC‐to‐AC direct converter without any energy storage requirement. It is expected to be a next‐generation converter by reason of possibilities of small size and high efficiency. At present, there are some problems preventing it from being used practically. One of the problems is the distortion in the input current. The control methods proposed so far have not realized sufficient reduction of the input current harmonics compared with conventional PWM rectifiers. As a solution to these problems, many approaches have been proposed. In the present paper, an improved PWM method that can achieve both sinusoidal input and output currents simultaneously is considered. In this method, the MC is treated as a controlled voltage source viewed from the load side. On the other hand, it is treated as a controlled current source viewed from the line side. The proposed control method is based on the mathematical expression of the function of the PWM operation of MC. To improve the input current waveform, two line‐to‐line voltages of the three‐phase line are used to control the output current. The output duty ratio of the two line‐to‐line voltages is utilized to improve the input current waveform without affecting the controllability of the output current. In addition, the compensation of the variations in the line voltage and the output current are introduced. In this way, the proposed method can realize the sinusoidal input and output currents. The effectiveness of the proposed control method is confirmed by some experimental results employing a laboratory prototype. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 161(1): 66–76, 2007; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20242     

基于MATLAB的单相矩阵变换器仿真分析

分析单相矩阵变换器的工作原理和拓扑结构,建立Simulink仿真分析模型.仿真分析结果表明单相矩阵交-交变换器具有输出频率和电压连续可调、输入输出电流较接近正弦波、但输出电压波形存在畸变等特点.单相矩阵变换器具有广阔的应用前景.     

Implementation of Matrix Converter in Wind Energy Conversion System with Modified Control Techniques

Abstract

In this article, different matrix converter (MC) control strategies are comprehensively explained. Further, an ultra-modified space vector modulation (UMSVM) of the MC is proposed. The total harmonic distortion for both output voltage and current is reduced, when the proposed UMSVM technique is applied. Moreover, a modified indirect space vector modulation with feed forward controller (MISVMFC) of the MC is also proposed in order to obtain a fixed output voltage and frequency for different wind speeds. The advantages of the MC are introduced in this article. These advantages include the wide range of the output frequency of MC, which may be greater than the input frequency and the control of both the output voltage magnitude and input displacement factor (IDF). Extensive theoretical and simulation results about conventional and proposed control techniques for the MC are presented. Experimental test bench is constructed and several experimental results are obtained. The experimental results validate the simulation ones.     

一种基于Boost电路的新型矩阵变换器及其谐波分析

在交-直-交矩阵变换器的中间直流环节上串联-工作在高频脉冲状态下的Boost升压电路,形成了一种基于Boost电路的交-直-交矩阵变换器Boost MC(boost matrix converter).利用其在高频脉冲状态的升压能力,达到提高矩阵变换器的电压传输比的目的.推导了相关的数学模型,讨论了Boost电路的不连续导通(DCM)工作模式,分析了电路拓扑结构,重点讨论了Boost MC的升压原理并对输入电流和输出电压进行了谐波分析.仿真试验结果验证了该方案的有效性和正确性,电压传输比可达到1.0以上,输出电压波形非常接近正弦波,谐波含量增加不多,且主要为开关频率附近的高次谐波.     

采用零矢量补偿的矩阵变换器电流控制策略

在矩阵变换器普通滞环电流控制的基础上，针对采用18静止矢量控制会造成输入电流高频正负振荡和区间恒值为零的现象，提出一种新型电流复合控制策略。该方法不使用旋转矢量调制，将矩阵变换器等效为虚拟整流器和逆变器串接的形式，其虚拟逆变部分采用零矢量补偿的控制策略，消除了输入电流的高频正负振荡；其虚拟整流部分采用空间矢量调制以消除区间恒值为零，两者复合控制改善了输入和输出电流的品质。仿真和实验结果证明了该控制方法的可行性和正确性。