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1、西安理工大学本科生毕业设计（论文）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
2、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 mode. With that, a direct transfer function approach is introduced, and then determi
3、ning 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 of that harmonic distortion rate, finding that the higher the output frequency it
4、 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 losses of direct transfer function approach. The paper clarifies the problem when
5、 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, simulation, 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
6、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
7、.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
8、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。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.Vent
9、urini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
10、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
11、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
12、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
13、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，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
14、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（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
15、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: 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： 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
16、，每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力。通常使用分立的电力电子器件IGBT来实现矩阵式变换器的双向开关，共有三中构成方式：二极管桥式、共集电极式和共射极式，另外也可以采用新型逆阻式IGBT反并联构成双向开关，如图 2- 2所示。图 2- 2矩阵式变换器双向开关构成a)二极管桥式结构 b)普通IGBT共射极式结构c)普通IGBT共集电式结构 d)逆阻式IGBT反并联结构图 2- 2a所示的二极管桥式双向开关有一个位于中间的普通IGBT和4个快恢复二极管组成。这种构成方式的主要优点在于，每个双向开关中仅包含一个开关器件，使得整个矩阵式变换器仅包括9个IGBT，可以降低电路成本。但这种方法也存
17、在严重不足之处，由于在电流流通过程中需要经过3个开关器件，必然造成开关器件损耗的增大，而且这种双向开关中的电流方向很难控制。因此，在实际的矩阵式变换器开发中，很少采用二极管桥这种方式。普通IGBT共射极式双向开关有两个带有反并联快恢复二极管的IGBT连接而成，如图 2- 2b所示。两个IGBT的射极连接到一起，而两个集电极则分别与输入侧和输出侧相连。由于普通IGBT不能承受较大的反向电压，因此需要两个快恢复二极管为双向开关提供反向阻断能力。相对于二极管桥式双向开关，这种构成方式具有两个明显的优点：一是可以独立的控制电流方向；二是由于电流只经过两个开关器件，开关器件的导通损耗也随之减小。但是这种
18、双向开关也存在缺点，由于两个IGBT的射极被连接在一起，因此每个双向开关都需要至少1个隔离电源为驱动电路供电，整个矩阵式变换器则需要9个驱动用隔离电源。相对于前两种构成方式，普通IGBT共集电极式双向开关（见图 2- 2c）不但具有期间导通损耗小、电流方向易控制等优点，而且可以减少驱动电路隔离电源的数量，因为三个射极相连的IGBT可以和共用一个隔离电源为驱动信号供电，因此整个矩阵式变换器只需要6个隔离电源。因而，这种双向开关的构成方式也得到了比较广泛。本仿真也是采用这种方式的双向开关。图 2- 2d所示为逆阻式IGBT。它解决了普通IGBT不能反向截止的问题，使得双向开关可以简化为简单的反并联
19、结构，省去了两个快恢复二极管。同共集电极式结构相同，采用逆阻式IGBT双向开关的矩阵式变换器也仅需要6个隔离电源。而且，虽然单个RB-IGBT的功率损耗略大于普通IGBT，但根据测试，由RB-IGBT组成的双向开关的总功率小于由普通IGBT构成的双向开关。因此，采用逆阻式IGBT作为开关器件是矩阵式变换器未来发展的方向。 2.2矩阵变换器的换流方法传统的交-直-交变频电路一般是由一个全控器件和一个快恢复二极管构成一个开关单元，可以形成电流的自然续流通路，以避免感性负载电路断路故障的发生。显然，矩阵式变换器电路的换流要困难很多。为了确保换流工作安全进行，矩阵式变换器双向开关的换流一般采用多步换流
20、策略。根据换流步骤依据的信息不同，多步换流策略一般分为基于输出电流方向检测和基于换流电压检测两类。通常，我们采用基于输出电流方向检测的多步换流策略。在图 2- 3中，如果电流从变换器流向负载则电流方向信号为1，反之则为0以。以时为例，此时电流从变换器流向负载，并将从双向开关换流到。第一步，在开通前必须先关断，否则和会通过和形成电流短路回路；第二步，开通，如果，负载电流将立刻从转移到，换流发生在第二步，反之，如果，则负载电流仍将流过，换流将发生在第三步；第三步，再开通前先关断，此时负载电流一定已转移到；第四步，开通。此时，双向开关换流到的动作完成。当输出电流方向信号为0时，可采用相同的方法分析出
21、每一步应采取的换流动作。图 2- 3基于输出电流方向的双向开关四步换流策略a)连接至同一相输出的两个双向开关b)时的换流步骤 c)时的换流步骤在实现四步换流策略的过程中，检测矩阵式变换器输出电流方向的方法主要有以下三种：1）采用霍尔传感器或者电流互感器等电流测量元件：优点是简单方便，容易实现，但缺点是在电流值较小时容易出现测量误差；2）在主电路输出线上串联一对反并联的二极管：有点事检测结果比较准确，会使变换器的功率损耗增大，可靠性降低；3）检测RB-IGBT上管压降：优点是检测结果非常准确，但需对18个RB-IGBT均安装管压降检测电路，并增添逻辑电路，以判断实际电流方向，因而电路复杂，成本较
22、高。目前，在矩阵式变换器的开发过程中，检测输出电流方向一般采用方法1或者方法3。对于四步换流策略，在换流过程中，应锁存获取的输出电流方向信息，以避免换流步骤出错。当然，也有很多其他换流方法，这里不再赘述。2.3直接传递函数法的调制原理为了产生出需要的输出电压，就需要给九个双向开关产生合适的触发脉冲，调制就是这样一个过程。调制最主要的目标是从一个固定幅值、固定频率的的输入电压中产生出一个幅值和频率都可变的正弦输出电压。最简单的方法就是考虑在一个时间窗口里，以期望的输出电压作为样本，而用输入电压瞬时值来合成一个信号，该信号的低频部分是期望的输出电压。如果定于是开关闭合的时间，为样本间隔（即时间窗口
23、的宽度），则上述的合成原理可以用下式来表示： 是第项输出的低频部分，并且它在每个采样间隔都会变化。这种策略会产生高频输出电压，但电压的基波分量还是期望的输出波形。显然， ，因此占空比可以通过下面的方式定义： 把方程延伸到输出的每一项，加上，就可以得到如下的等式： 其中，是输出电压矢量的低频部分，是输入电压矢量的瞬时值，是MC的低频传递函数矩阵。同理,电流可以表示为： 其中，是输入电流矢量的低频部分，是输出电流矢量的瞬时值，是的转置。 方程和是Venturini调制方法的基础，并且我们可以得到如下结论：输出电压的低频部分是由输入电压的瞬时值合成的；输入电流的瞬时值是由输出电流的瞬时值合成的。假定
24、三相输入相电压为 由于输出负载电流的低通特性是正弦的，所以三相输出电流为 假设希望得到的输入电流为 希望得到的输出电压为 下面的有功功率平衡方程必须满足 其中，和是输出和输入的有功功率，是MC的电压增益。由此可以求得一组解，即低频调制矩阵为： 式中各变量满足对MC的控制策略作如下的假设：（1）必须获得输入电压和希望的输出电压的采样值。（2）利用式，矩阵一定可以计算出来。（3）利用式，可以得到导通时间。（4）根据所示的第相输出，在期间必须产生9个脉冲。应该注意到这和开关函数的产生是一致的。（5）必须用开关函数来控制MC的双向开关在合适的情况下导通或者关断。图 2- 4 第i相输出的开关函数 在图
25、 2- 4 第i相输出的开关函数中，开关（采样）时间，工作时间。变量r是一个斜率为1的斜坡函数，在每个采样间隔的起始处从零开始。此变量r与相比较产生 的导通脉冲，其中 ， ， ，即由此得到调制矩阵 的各元素值。根据这样的调制策略我们可以得到图 3- 1的输出电压。图中只表示了参考电压下的一项输出电压；可以理解为:由于切换合成原理，输出电压具有一个很重要的谐波分量。图 3- 2是图 3- 1的具体化，它很清晰地说明了输出电压是用输入电压的瞬态平均值合成的；在一个切换间隔内，即图中的周期T内，输出电压在三相输入电压之间切换，在这个时间内，施加在输出端的那一相输入电压决定它对输出电压低频部分的贡献。
26、图 3- 1 A相输出电压 在图 3- 1中，细线代表输入电压的a,b,c三相，灰线代表各相开关闭合的时间,由式可以得到 ，粗实线代表合成的输出电压A相。图 3- 2 一个周期内合成A相输出电压2.4 优化AV法应注意的是，由于平均工作的的原理，输出电压的低频部分不能超过任意时刻振幅的最大值。该基准可以在任意时刻达到它的最大值，比如说，,最坏的情况下的最大幅值为，所以MC的电压增益就被限制在0.5以下。为了提高电压传输比，M.J.Maytum和D.Colman在输出相电压参考值中注入输入电压与输出电压的3次谐波，从而将直接传递函数法的电压传输比提高到0.866。这种方法即“优化AV方法”。此种
27、方法得以应用是基于变换器自身所固有的性质：（1）感性负载的情况下，输入矩阵变换器中的电流除含有与输入电压同频率的成分外，只含有与开关频率相同或者开关频率整数倍的谐波成分，而不含其他任何成分的谐波。并且，输出电压中除含有与输出电流相同频率外，也只含有与开关频率相同或者开关频率整数倍的谐波成分，而不含其他任何成分的谐波。（2）矩阵式变换器输入电源的频率和相位对输出电流的频率和相位不会有直接关联。以三相三相矩阵式变换器为例，将输出线电压作为被控目标，在三相输出电压中叠加共模电压，即三相输出电压为 通过选择适当的，使输出电压幅值最大化，但必须满足 式中，表示输入电压下限；表示输出电压下限；表示输出电压
28、上限；表示输入电压上限。因此，最大输出电压只能在以下条件下得到： 结合实际的三相平衡电压波形，可以推导出 从而论证了矩阵式变换器的最大电压利用率可以达到86.6%这一固有特性，并将结论推广到相输入、相输出系统中，根据式可以得到 然后，通过数学分析，得到三相三相矩阵式变换器达到最大输出电压幅值时的输出三相电压参考波形。由于三相平衡电压的幅值最大值和最小值组成的包络线上下峰值出现的时刻不重合，因此如果输出相电压参考值为三相平衡电压，不含共模成分，则如果如上分析，最大电压利用率只能达到。研究发现，在输出相电压参考值中，引入输入电压的次谐波可以最大化输入线电压范围，引入输出电压的次谐波可以最小化输出线
29、电压范围，从而提高最大电压利用率至理论最大值。因此通过数学计算，引入输入输出电压的次谐波，确定了一组适当的输出相电压参考值如下： 这种方法不仅将最大电压利用率提高至86.6%，而且实现了输入功率因数的任意调节。此方法是AV方法的一个改进，其实质仍然是一种直接计算的方法，因此该方法同样存在计算量较大、软件编程复杂、要求有较高性能的处理器等问题。第3章 直接传递函数法的Matlab仿真3.1 Matlab仿真软件的介绍Matlab应用软件由美国Mathworks公司于1984年正式推出，目前已经成为国际上最为流行的仿真软件之一。它提供了丰富快速的矩阵运算、数据处理、图像处理、图形绘制、方便的Win
30、dows编程等，还开发出了Simulink仿真环境。Simulink仿真环境的出现为用户提供了用框图的形式进行建模，在Simulink仿真环境下，集成了大量的模块，用户只需简单的鼠标点击、拖动就可以快速方便的建立仿真模型，从而比用微分方程和差分方程建模的软件更为灵活、方便和直观。它可用来对动态系统进行建模、仿真和分析，也可以解决线性和非线性问题，并且适用于连续、离散或者两者混合的系统。各个学科根据自身的需求，基于Matlab开发了大量而实用的仿真程序，并把这些程序加以封装形成模块放入simulink中，这就是simulink模块库。在电力系统行业中根据自身需要开发了电力系统模块库（Simpow
31、erSystem）, SimpowerSystem以Simulink为运行平台，可以直观的进行各种电子电路的仿真，包括电力电子、电气传动和电力系统等电工类科目中所用的各种元件和系统的集成图。包含5个子模块库：（）电源模块库：涵盖了电路和电力系统中各种电源如交直流电压源和电流源，以及受控源。（）基本电器元件模块库：各种常见的电气和电路元件模型，如串并联RLC负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感器、断路器、N相分布参数线路、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器、各种连接器等。（）电力电子模块库：包括二极管、三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT和理想开关等。为满足不同的仿真要求并提高仿真速度，还
32、有晶闸管简化模型和多功能桥模型。（）电机模块库：包括异步电动机、同步电动机及其简化模型、励磁装置、水轮机及其调节器、永磁同步电动机、电机的单位参数提供标幺值和标准值两种形式。（）测量模块库：包括对电流和电压测量的电流表和电压表、阻抗测量示波器，powergui等。3.2直接传递函数法的Matlab仿真仿真系统主要包括三相对称电源、双向开关、9个开关管导通时间、合成输入电流和电机负载。3.2.1双向开关的导通时间的导通时间由三个部分组成。第一部分是各个可控量的初始化，主要包括时钟源、输入电流的位移因素p、电压传输比q、输入电压角频率、输出电压角频率、输出电压基波初相位，如图 3- 3所示。图 3
33、- 3 矩阵式变换器各可控量的初始化第二部分为矩阵式变换器的6个开关函数。根据公式2-2矩阵变换器安全运行的原则可知，只要计算两个开关管和的导通时间即可，第三个开关管。仿真中给定输入电流位移因素p=1，q=0.5, , , ，又给定，则， 。于是可以得到式的调制矩阵 。以 的第一行第一列的元素为例，同理可得其他5个开关函数，见公式： 公式中u(1)对应着MUX模块中第一个输入变量值，即clock=t；u(2)对应着模块中的第二个输入变量值，即p=1,然后依次类推。第三部分是产生开关的导通脉冲。根据的开关函数计算出来的值乘以开关周期可以得到某个开关的导通时间，根据导通时间可以得到每一个开关管的在
34、每一个开关周期内的脉冲信号宽度。我们用滞环比较器来产生脉冲信号。图 3- 4用滞环比较器产生脉冲信号如图 3- 4，以A相为例，由开关函数算出的开关导通时间和一个时钟信号、一个零阶保持器构成输入端（即固定周期的斜坡函数）。经过集成模块MUX后连接到两个函数，经两函数计算后得到开关导通时间再由滞环比较器产生每一列第一个和第三个开关管的导通信号，由约束条件可知在任意时刻每一列有且只能有一个管子导通，所以根据第一个和第三个开关管的逻辑值用一个与非NOR模块即可产生第二个开关信号。两数学函数的表达式分别为 和。开关函数中为一个开关周期，与相减后得出导通值，再通过滞环比较器就可以产生A相中第一个管子的导
35、通信号。而可以产生A相第三个管子的导通信号。产生的脉冲信号见图 3- 4。3.2.2电压源三相对称电源在SimpowerSystems的Electrical Source中，设置电压幅值310V，频率50Hz，相位角依次为。电压源模型如图 3- 5所示。图 3- 5三相电压源3.2.3双向开关模型在只考虑直接传递函数法调制策略时，忽略IGBT开关管的延时特性，使用理想开关，并且两个理想开关信号由同一开关函数提供，以达到同时开通与关断的效果，每一个双向开关的模型如图 3- 6所示。图 3- 6 矩阵式变换器双向开关结构图三相-三相矩阵式变换器的9个双向开关如图 3- 7所示，每一个开关管都由图
36、3- 6所示的结构组成。每一行开关管输入连接在一起，共三行形成三相电输入；每一列开关管输出连接在一起，共三列形成三相电输出。每一个开关模块有两个信息控制端，控制双向开关的导通与关断，把这两个信息端连接在一起，使其可以同时导通与关断。图 3- 7矩阵式变换器功率变换模块3.2.4输入电流的合成由公式可以得到输入电流，以产生相输入电流为例。图 3- 8 a相输入电流的产生在图 3- 8中， 。3.2.5负载模型电机负载在Simpowersystem的machines中选择Asynchronous Machine SI Units,设置Nominal power、voltage、frequency分
37、别为2.5kW、310V、50Hz，Stator resistance、inductance分别为10、0.01H。见图 3- 9。图 3- 9三相负载模型仿真时的参数设置为：采用ode23tb算法，仿真时间为0.12s，开关频率10kHz。整体仿真图如图 3- 10所示。图 3- 10 系统仿真图第4章 仿真结果的分析4.1输出电压、电流的波形图首先，为了验证直接传递函数法调制策略的正确性，我们分别给定输出频率为低频 时，中频 时，高频输出电压和相电流。分别见图 4- 1和图 4- 2。a) 时的A相输出电压b) 时A相输出电压c) 时A相输出电压图 4- 1 A相输出电压图中蓝色线分别为合
38、成A相输出电压时使用输入电压的a相、b相、c相波形，红色线为经过低通滤波 后的输出电压a相。从图中可以看到，图 4- 1a）输出电压一个周期 ，即 ；图 4- 1b)输出电压一个周期 ，即；图 4- 1c)输出电压一个周期，即 。 a) 时三相输出电流b) 时三相输出电流c) 时三相输出电流图 4- 2三相输出电流从图中可以看出，图 4- 2a)输出电流的周期 ，即频率 ，并且三相输出电流各相差 ；图 4- 2b)输出电流的周期 ，即频率 ，并且三相输出电流各相差 ；图 4- 2c)输出电流的周期 ，即频率 ，并且三相输出电流各相差。当时，对A相输出电流进行FFT变换，得到图 4- 3图 4-
39、 3 A相输出电流的FFT分析图 4- 3中上边图蓝色部分为A相的输出电流，红色部分为采样部分；下边图蓝色部分为 时谐波的频率及其幅值，的总谐波含量THD=2.44%。综上，直接传递函数法调制策略在矩阵变换器中是适用的，并且可以得到很好的输出电压、电流波形，总谐波畸变率THD也并不大。4.2输入电流的波形图利用的公式合成三相输出电流，如图 4- 4。图 4- 4三相输入电流 从图中可以看出，某一项输入电流由输出电流乘以的某一行得到。由于直接传递函数法的调制策略是以合成任意频率、任意幅值的输出电压为目的，再根据矩阵式变换器安全运行的两个基本原则，所以要求合成某相输出电压的的某一列有且只有一个开关
40、管导通。而某一相输如电流又等于输出电流与的某一行的乘积。在合成输出电压的某一时刻的某一行可能会有不止一个开关管导通，从而导致输入电流的b项出现较大的偏差。这也是直接传递函数法的弊端。4.3 THD与输出频率的关系THD，即输出波形的总谐波含量。总谐波含量THD的大小就代表输出波形的质量好坏，THD越小说明输出波形越好，反之则说明输出波形越差。本文在设定采样周期数number of cycles为1的前提下，通过对输出电流a相进行快速傅里叶变换，观察其在不同的输出频率下THD的大小，得到如图 4- 5：图 4- 5不同输出频率时的THD从图中可以看到，随着输出频率的增大，总谐波畸变率THD会呈线
41、性增大，但即使当时，总谐波畸变率，总谐波畸变率THD并不算很大，如果继续增大输出频率，总谐波畸变率也会随之增大。这就提醒我们，直接传递函数法调制策略变频并不适用于高频，不过，在低频时这种调制方法可以得到很好的输出电压、输出电流。4.4 开关频率与THD的关系开关频率，即IGBT每秒完全导通、关断的次数。开关频率越高，一个周期内脉冲数越多，IGBT的开关损耗越大，对整个系统的要求也会越高，但是输出电流的波形的会变好。本文在固定输出频率的条件下，分别在开关频率为5kHz、10kHz、20kHz、25kHz的情况下对输出电流a相进行FFT分析，观察总谐波畸变率THD的大小，得到如图 4- 6：图 4
42、- 6不同开关频率下THD的大小从图中可以看到，开关频率为5kHz时，对输出电流进行快速傅里叶变换FFT分析后总谐波畸变率THD的值相对较大，而当开关频率在10kHz以及大于10kHz时，相同输出频率时输出电流的总谐波畸变率THD基本不变。我们知道，开关频率增大，开关管的开关损耗会增大，功率模块发热增加，有可能烧坏管子。而我们可以看到，利用直接传递函数法的调制策略时，只需要开关频率达到10kHz就可以得到很好的输出电压、输出电流，并减少噪音影响。第5章 总结与展望5.1总结本文针对矩阵变换器的直接传递函数法控制策略进行了验证，分别对矩阵变换器的输出电压、输出电流、总谐波畸变率THD，以及THD
43、与采样圈数和输出频率的关系进行了深入探讨。.系统的研究了矩阵变换器的工作原理和直接传递函数策略。对矩阵变换器的双向开关构成和换流策略进行了详述，并通过严密的数学公式推导出调制矩阵的表达式。.基于atlab仿真软件，我们搭建了矩阵式变换器直接传递函数策略的仿真模型，仿真实验结果验证的输出电压的频率可调的正确性。.对仿真结果的输出电流进行了研究，结果证明直接传递函数调制策略要求的开关频率低，以及总谐波畸变率THD低等问题。当然，在本文的仿真过程中，我们也发现了一些直接传递函数法的弊端。.在4.2节中，我们发现由于直接传递函数法只考虑合成输出电压而忽略了输入电流与调制矩阵的关系，导致输入电流相出现较
44、大偏差。.在4.3节中，通过图 4- 5可以发现，输出频率越大，THD增大的幅度越大。.仿真中我们发现，随着采样周期数的增加，输出电流的总谐波畸变率会越来越小，这说明输出电流的在起始段的总谐波畸变率比较大，而随着时间的推移，输出电流的谐波含量会越来越少，输出电流波形会越来越好。我们在给定输出频率的条件下，逐渐增多采样周期数，观察THD与采样周期数的关系，得到如图 5- 1：图 5- 1采样周期数与THD的关系.在仿真结果中我们发现：输出频率较大时，输出电流、电压的波形、相位依然符合正弦以及相差的要求，但是输出电流、输出电压的幅值会明显减小。给定输出频率，观察输出电流电压，如图 5- 2和图 5
45、- 3所示：图 5- 2输出频率时三相输出电流图 5- 3输出频率时相输出电压及其滤波后波形.由于输入电流是通过输出电流和调制矩阵合成的，而如果要观察输入电流和输入电压的相位差，进而得到功率因数则必须要对输入电流进行滤波。现实中，对输入电流的滤波模型和滤波参数的确定是一项比较大的工程，由于时间限制，我们还不能再短时间内得到一个能很好的对输入电流进行滤波的模型，这还有待于进一步的研究。5.2 展望由于时间以及本人能力的限制，矩阵式变换器的直接传递函数调制策略只是停留在初步验证和了解的过程中，下一步的研究工作可以从.节提出的个问题方面进行展开，解决上面的个问题对进一步了解矩阵式变换器的直接传递函数
46、调制策略将会有很大的帮助。致谢参考文献【】 孙凯，周大宁，梅杨.矩阵式变换器技术及其应用M.机械出版社，2007【】 李生民，邢新波，鲁静.矩阵变换器新型SVPWM调制策略的研究仿真 J.电气传动，2011,41（6）：35-39【】 J.Rodriguez,E.Silva. Matrix converter controlled with the direct transfunction approach:analysis,modelling and simulation【】 张先亮.矩阵式变换器及在无刷双馈风力发电系统中的应用研究D .华南理工大学【】 邹德琼.矩阵式变换器控制策略及其仿真的研究D.南昌大学【】 许东霞，李生民，孙旭霞.基于直接传递函数调制的矩阵变换器研究J .西安理工大学学报【】 李嘉杰，杨俊华，王孝红，吴捷.无刷双馈风力发电系统的矩阵变换器励磁控制J.高电压技术【】 Patrick W.Wheeler, Jos Rodrguez.Matrix Converters:A Technology Review【】 穆新华，庄心复.交-交型矩阵变换器的双电压控制原理及波形合成J.南京航空航天大学学报，1997.【】 陈伯时，陆海慧.矩阵式交-交变换器及其控制J.电力电子技术