矩阵变换器的研究与实现

上海交通大学

硕士学位论文

矩阵变换器的研究与实现姓名：谢艳辉

申请学位级别：硕士专业：电机电器及其控制指导教师：任永德

20030101

车用新型AC_DC矩阵式变换器汇总

2011年8 月电工技术学报 Vol.26 No. 8 第26卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2011 车用新型AC-DC 矩阵式变换器 徐壮殷冠贤徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对车用电子系统容量扩大和传统PWM 整流器缺点问题，为实现输入单位功率因数和一级降压整流，去除死区时间引起的谐波带来的影响，本文提出一种新型基于42V PowerNet的车用双向AC-DC 矩阵变换器。在基于三相 - 三相矩阵变换器理论基础上，推演出AC-DC 矩阵 变换器的整流调制策略，并研究了开关序列和换相的方法，采用优化AV 法调制策略来控制整流器。运用四步换流策略解决了开关换相存在的短路、断路风险和死区时间问题，仿真和实验结果验证了车用新型AC-DC 矩阵式整流器的有效性和正确性。 关键词：AC-DC 变换器矩阵变换器功率因数四步换流中图分类号：TM464 A New Bidirectional AC-DC Converter Using

a Matrix Converter Topology Xu Zhuang Yin Guanxian Xu Dianguo （Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract The expansion of automotive electronic system and the disadvantage of the conventional rectifier should not be ignored. To achieve unity power factor and complete the step-down rectification in single stage, this paper presents a new type of AC-DC matrix converter with 42V for automotives. It removed the impact of harmonics which is caused by the dead time and reduced the cost of the system. In this paper, the modulation strategy of AC-DC matrix converter derived from that of three-phase – three-phase matrix converter and the methods of commutation are studied. The optimized modulation strategy named AV method is used to control the switch-state. The four-step commutation strategy is a solution of the risks for short circuit, open circuit and the dead-time problem. The experimental results based on DSP system and the simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the system. Keywords ：AC-DC converter, matrix converter, power factor, four-step current commutation 1 引言 随着汽车电子系统容量的扩大，极限功率为3kW 左右的传统14V 供电系统已经逐渐过渡到42V 系统，其中42V 为整流器工作时的直流端电压，蓄电池电压为36V 。而42V 车用整流器在汽车行驶过程中将发电机所发出的变频变幅的交流电变换为42V 直流电。21世纪汽车的发展受到能源、环保和 安全的三大挑战。未来车辆对电能的需求和效率的要求使得设计适合的车用整合起动发电系统（ISA ）显得尤为必要。目前的解决方案离真正意义上的ISA 还有一定的距离。考虑到中国和世界巨大的市场，ISA 的研发对中国的汽车产业将带来相当大的益处。ISA 系统（见图1）起动时由电动机带动引擎，当达到预定转速

矩阵变换器研究综述

矩阵变换器研究综述 1 引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了广泛的应用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输入电流品质而又成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。 矩阵式变换器是一种直接交-交变频器，与传统的自然换流变频器相比，具有以下优点: l 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化; l 无需较大的滤波电容，动态响应快; l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行; l 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调; l 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0; l 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小; l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输入功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。 矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，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[2]。特别是它具有本身不产生谐波污染的同时,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。在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。 矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和工作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下面就这些关键技术的研究进行一一介绍。

2 主回路拓扑结构和工作原理 矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。一个m相输入、n相输出的矩阵变换器，由m×n个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。 图1 单级矩阵变换器拓朴结构 2.1 单级矩阵变换器 常规的矩阵变换器是一种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷: l 最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关; l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术; l 必须采用复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。 单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于: l 其控制策略复杂，计算量大; l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性; l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。

矩阵变换器的研究现状分析

矩阵变换器的研究现状分析 1引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-直-交电压型变频调速装置已经广泛地应用于交流调速系统中，且结构愈来愈紧凑。但由于装置中应用了二极管桥式整流器，所以输入电流波形失真度大、功率因数低。随着电网负载中电力电子设备的增加，畸变电流对电网品质的污染已成为不可忽视的问题，因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。交-交型矩阵式变换器可以克服上述缺点，它是一种单级电源变换器，除了应用一个体积不大的交流滤波器外不需贮能环节。它与交-直-交型变换器相比具有如下优点: （1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制； （2）输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1不受负载限制； （3）输入电流正弦，对电网无谐波污染； （4）能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行； （5）无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块化，特别适合实现电机与变频器一体化。 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；因此提出了新型的电路拓扑—多电平矩阵变换器和双级矩阵变换器。多电平矩阵变换器可以用电压等级较低的器件完成高压电能的变换，使得电力电子技术可以应用在高压、大功率的场合，且突破了电压传输比小于或等于0.866的限制，既可以降压也可以实现升压；可实现多电平操作，进一步改善了输出电压波形；开关损耗小。双级矩阵变换器不仅能够实现交-交矩阵变换器的所有功能，并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。但这两种新型变换器研究的时间不长，自身还有许多问题要解决，不如单级矩阵变换器成熟。 交-交型矩阵变换器经过近30年的发展，基本趋于成熟，近年来有以下的一些应用。如矩阵式变换器驱动的交流电动机调速系统已被应用于电梯、起重机、风力发电等需要能量双向流通的场合。另外，还应用于一些安装空间有限、对变频装置体积和重量要求很严格的场合，如铁道机车、电动车辆、飞机等独立电源系统中。可以预料，矩阵变换器将有广阔的发展前景。三相-三相矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。 图1三相-三相矩阵变换器的简化拓扑 2控制策略 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在其实际应用中，采用

浅谈人工神经网络在电力矩阵变换器中的应用

浅谈人工神经网络在电力矩阵变换器中的应用 摘要：近年来，人工神经网络国际上掀起的一股研究热潮，人工神经网络独特的结构和处理信息的方法，使其在许多实际应用领域中取得了显著的成效，能够解决一些传统计算机极难求解的问题。神经网络实现技术的研究，主要是探讨利用电子、光学、光电和生物等技术实现神经计算机的途径。神经网络应用则是探讨如何利用神经网络解决实际问题，即模拟人类的某些智能行为。随着人们对低质量电力变换器功率因数、谐波污染日益重视，研制新型优质电力变换以逐渐成为热点。矩阵变换器由于其诸多理想特性，正吸引着愈来愈多的科研人员对其开展广泛的研究。本文介绍神经网络机理功能，把神经网络与矩阵变换器控制原理有机的结合起来，提出利用神经网络控制矩阵变换器的输出电压的科学方法。 关键词：神经网络；矩阵变换器；BP网络 一、神经网络的综述? 神经网络系统是由大量的，同时也是很简单的处理单元（或称神经元）广泛地互相连接而形成的复杂网络系统，它反映了人脑功能的许多基本特性，但它并不是人脑神经网络系统的真实写照，而只是对其作某种简化，抽象和模拟，这也是现实情况所能达到的，是目前神经网络研究的基本出发点。我们研究神经网络系统的目的在于探索人脑加工，存储和处理信息的机制，进而研制基本具有人类智能的机器。神经网络只有通过学习才能逐步具有某模式变换的能力，神经网络的具有学习能力、信息存储能力和计算能力，神经网络的具有巨大潜在应用。二、神经网络基础 图2.1表示了一个简单的神经网络，其中每个小圆圈表示一神经元（也称处理单元或节点）。各个神经元之间通过相互连接形成一个网络拓扑，这个网络拓扑的形式称为神经网络的互连模式。 输出 输入 图2.1 一个简单的神经网络 各个神经元之间的连接并不只是一个单纯的传送信号的通道，而是在每对神经元之间的连上有一个加权系数，这个加权系数起着生物神经系统中神经元的突触强度的作用，它可以加强或减弱上一个神经元的输出对下一个神经元的刺激，这个加权系数通常称为权值。在神经网络中，修改权值的规则称为学习算法。这也就是说权值并非固定不变的，是动态非线性函数系数。 2.2神经元（处理单元）模型 处理单元，或称之为神经元，是神经网络的最基本的组成部分，在构造神经网络模型时，首先就要确定处理单元的各种特性。一个神经网络系统中有许多处理单元，设为N个。第i个单元表示为ui，每个处理单元的具体操作都是从与其相邻的其它单元中接受输入，然后产生输出送到与其相邻的单元中去。 神经网络的处理单元可以分为三种类型：输入单元、输出单元和隐含单元。输入单元是从外界环境接受信息，输出单元则给出神经网络系统对外界环境的作用。隐含单元则处于神经网络之中，它从网络内部接受输入信息，所产生的输出则只作用于神经网络系统中的其它处理单元。 2 .3神经网络互连模式

关于矩阵式变换器现状和发展的思考

关于矩阵式变换器现状和发展的思考 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，因具有不需要中间直流储能环节，对任意负载均可实现单位输入侧功率因数等优势而成为电力电子技术研究的热点之一。论文主要分析了矩阵式变换器的研究背景、国内外发展现状和存在的问题以及矩形变换器的当前研究热点，并根据分析提出了具有原创性的新研究方法。 【Abstract】Matrix converter （MC）is a kind of power conversion device based on bidirectional switch and pulse width modulation to obtain the desired output voltage，because it does not need the intermediate DC energy storage link. The power factor of unit input side can be realized for any load，which has become one of the hot research topics in power electronics technology. This paper mainly analyzes the research background of matrix converter，development of domestic and foreign and existing problems，as well as the current research focus of rectangular converter. Based on the analysis，a new research method with originality is proposed. 标签：矩形变换器；新研究方法；编译原理 1 矩阵式变换器的研究背景 随着工业电气自动化的不断进步发展，以及对节能和环保要求的提高，传统的变频装置已无法满足工作要求。当前，尽管已有成熟的高性能交-直-交型变频装置在市场上出现，但是仍有许多方面存在不足：输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重；含有大电容或大电感作为直流储能环节，体积重量大；在电动机制动运行时，能量一般消耗在制动电阻上，从而在化工厂、酒精厂等生产危险品的工业场所，其中大容量制动电阻可能引起火灾，引发安全事故。 传统的交-交型变频电路缺点是：功率晶闸管多、接线复杂、输出频率范围窄（只能是电网频率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因数低，只能用于大容量低速重载调速场合。 矩陣式变换器作为现有交-直-交型PWM变频器和传统交-交变频电路的一种补充和替代技术，已成为电力电子技术研究的热点之一，并在军事和工程上有着广泛的应用前景。其优于传统交流电力变换装置的特性：输入与输出电流品质好；电能的直接双向流通；对任意负载均可实现输入侧功率因数为1；不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，可以产生交流和直流电压。 2 矩阵变换器的研究现状

矩阵式变换器四步换流的仿真研究

矩阵式变换器四步换流的仿真研究 郭有贵,朱建林 (湘潭大学信息工程学院　湖南湘潭　411105) 摘　要:利用SIM U L IN K 对矩阵变换器的四步换流进行了仿真,验证了理论的正确性。关键词:矩阵变换器;四步换流;SIM U LI NK 仿真;电流 中图分类号:T P 337 文献标识码:A 文章编号:1004373X (2003)0706202 A Simulation Study on Four step Commutation for Matrix C onverters GU O Y oug ui,ZHU Jianlin (Colleg e of Info rmatio n Engineering ,Xi a ng tan University ,Xiangta n,411105,China) Abstract :Simula tes t he fo ur st ep comm ut atio n fo r mat rix conv erter s by means o f SIM U L IN K .It ver ifies the cor rectness o f four step commutat ion theo ry. Keywords :mat rix co nv ert er s;fo ur st ep co mmutatio n;SIM U LI NK simulatio n;cur rent 收稿日期:200301 02 矩阵式变换器的安全换流非常重要,否则,将导致开关管的损坏。换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中,矩阵式变换器开关管通断状态不断改变,从而使换流始终存在于矩阵式变换器的运行过程中,因此,安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。 同一输出相的双向开关的换流方法主要有3种:(1)插入死区延时法。他不能工作在电流连续的情况下,且开关损耗大,但控制方法简单。 (2)N.Burany 提出的一种四步换流策略,可实现半软开关换流。被认为是最有前途的方法。 (3)台湾学者潘晴财教授提出的一种基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略。这仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器换流。1　四步换流 1.1　2个双向开关之间的换流 如图1所示,1和2是同一输出相的2个双向开关,1c 和2c 是开关1和2的正向开关,1nc 和2nc 是反向开关。假定电流方向为正向,现在要关断开关1,开通开关2,要保证电流连续,又不能出现短路情况,共要经过4步才能完成: 1关断开关1的反向开关1nc,由于电流是正向流动,这一步不会带来开关损耗。 o开通开关2的正向开关2c ,打开2c 后,如果开关2所连接的电压高于开关1所连接的电压,那么电流将自动换流到2c 中。 ?关断开关1的正向开关1c,由于电流有一半的可能已经换流到2c 中了,所以1c 的关断有50%的可能性为零电流关断。 ?开通开关2的反向开关2nc 。 图1　四步换流法 这样的四步换流策略,既禁止了电源发生短路的开关组合,又保证了在任意时刻给负载电流提供了至少一条流通路径,且换流过程中有一半的可能性实现软开关中的零电流关断,所以被称为四步半软开关换流法。 如果电流是反相流动的,仍采用原来的换流顺序,将导致不安全后果。电流为反向时要按以下顺序进行:第1步,关断1c;第2步,开通2nc;第3步,关断1nc;第4步,开通2c 。 1.2　3个双向开关之间的换流 在矩阵式变换器中,每一输出相通过3个双向开 62 郭有贵等:矩阵式变换器四步换流的仿真研究

间接式矩阵变换器的调制策略

第2章 间接式矩阵变换器的调制策略 间接式矩阵变换器是一种新型矩阵变换器，除了保留了直接式矩阵变换器无大体积储能电容、输入输出电流为正弦波、可实现单位输入功率因数、能量可双向流动等优点外，由于具有相对独立的整流侧和逆变侧，因此可以用成熟的整流和逆变控制策略分别对其整流侧和逆变侧进行调制。在本文中，对间接式矩阵变换器的整流侧采用PWM 调制，对逆变侧采用SVPWM 调制。 2.1 整流侧的PWM 调制 设间接式矩阵变换器的三相输入相电压为 ()()()()()()i a a b im b im i c c i cos cos cos cos 120cos cos 120t u u U U t u t ωθθωθω??????????????===-??????????????+???? i u (2-1) 整流侧要求使中间直流电压dc 0U >。为了充分提高电压传输比，按照如图2-1 所示的方法，在每个输入周期内将输入电压a u ，b u ，c u 平均划分为编号为1到6的6等份，每等份占/3π电角度，每一等份称为一个扇区。 1234561 a u b u c u 图2-1 输入电压扇区划分 如果按照图示的划分方法，则在每个扇区中，三相输入相电压都会有如下特点：一相电压的绝对值最大，另外两相电压与之反向。例如，在第1扇区，a u 的绝对值最大，且为正值，b u 和c u 都为负值；在第2扇区，c u 的绝对值最大，且为负值，a u 和c u 都为正值。 假设在某个周期内，(),,k k a b c =相输入电压绝对值最大，l 和m 为与k 反向的另外两相电压，如果k 为正值，则在一个PWM 周期内，对照绪论中图1-4，整流侧双向开关kp S 始终导通，ln S 和mn S 轮流导通；如果k 为负值，则整流侧双向开关kn S 始终导通，lp S 和mp S 轮流导通。例如在第6扇区，b U 的绝对值最大且为负值，则双向开关bn S 始终导通，ap S 和cp S 轮流导通。当bn S 和ap S 导通时，输出

轻型功率变换器拓扑结构及其控制技术综述

辍型功率变撼器拓扑结构及其控制拽术综述电气传动２００７年第３７卷第５期 轻型功率变换器拓扑结构及其控制技术综述 杜海江李耀华王平 中毽辩学院电蒜研究所 摘要：酋先概述了一般意义的功率变换器擞型和常规开关型功率变换器拓扑结构。在检索国内外大爨文献戆基磁羔，蓄次挺爨较囊功率交换器瓣概念，舞总结了监懑挺塞魏较熬凌率变换器络季萼秘控簇方法，静矩黪变换器、减小媛流电容的举ＰＷＭ功率变换器、减小直流电容的双删嬲功率变换器、无直流电窬的单ＰｗＭ型 功率变换器、无直流电容的双ＰＷＭ型功率变换器等５大类。把针对常规功率变换器改进而设计的各种拓扑结构及其控溯技术统一越来，以理想功率变换器佟为这类装麓豹蘩究基标，具有理论穰波蘑指导意义。 关键谲：功率变换器矩阵交换器双向歼关 Ｓ珏ｍｍａ搿蚰Ｔ印珙。影ａ珏ｄＣｏｎ￡ｒ一７ｒｅｃ歉ｎｏｌｏ豁ｏ￡ｐｏ转ｅｒＣｏｎＶｅｒ耄ｅｒ－ｌｉ曲ｔ ＤｕＨａｉｊｉａｎｇＬｉＹａｏｈｕａＷａｎｇＰｉｎｇ Ａ弧￡脯ｃ毫：Ｇｅｎｅｆａｌｐｏｗｅｒｅｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄｃｏｍｍｏｎｓｗｉｔｃ拉ｔｙｐｅｏｎｅｓｗｅｆｅｉｎｔｍｄｕｃｅｄａｔ蠢鹅ｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｅａｒｃｈｉｎｇ赫ａｎｙｄｏｍｅ８ｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｐｏｗｅｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒ＿ｌｉｇｈｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｖｅｒｓｆｉｖｅｋｉｎｄｓｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ：ｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｎｅｓｉｄｅＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｓｍａＵＤＣｃａｐａ出 ｔｏｒ，ｄｏｕｂｌ∥ｓｉｄｅＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔ｝ｌｓｍａｌｌＤＣ ｅａｐａｃｉｔｏｒ，ｏｎｅｓｉｄｅ ｐＷＭｃｏｎｖｅｒ￡ｅｒｗｉｔｈｏｕｔｃａｐａｃｉｔｏｒａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ—ｓｉｄｅｐＷｌ涯ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｏｕｔＤＣｅａｐａｅｉｔＤｒ。Ｃｏｍｐａｆｅｄｗｉｔｂｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｎｅｓ，ｄｉｓｔｉｎｃｔｅ量ｌａｒａｃｔｅｒｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｌｉｇｈｔｉ８ｔｏｄｅｃｒｅａ８ｅｏｒｅｌｉｍｉｎａｔｅＤＣｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｙｍｅａｎｉｎｇａｎｄａｃｔｕａｌｕｓｉｎｇｖａｌｕｅｏｎｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｎｅｗｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ． Ｋ蟛ｗ静靠弧：ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒ擞ａｔｆｉｘｅｏｎｖｅｆｔｅｒｂ主－蠢ｉｆｅｃｔｉｏｎａｌｓｗｉｔｃ魏 ｌ辱ｌ言 功率变换器是进行电功率变换的装置，表现为瞧压或电漉的幄值、频率、相位的变换。具备此功髓的设备包括变压器、旋转变流枧组、功率放大器和开关型功率变换器等。 变压器只熊实现电疆幅值、槌健的有级调带，变藤器属于电磁元件，设备的体积和重量较大。电磁耦合器、磁放大器也是基于电磁感应原理的功率变换器。 旋转变流桃组也称作Ｇ—Ｍ系统，这种方式设备多、体积大、效率低并且费用高。 基于电子管、离子管程晶体管越功率放大器也是一种功率变换器，器件工作予放大状态，波形特性好，但是损耗大，只能用于微功率和小功率场合，翔无线电镶号放大。 在２０世纪初，人们将离子管和电子管工作于开关状态，并利用时间比率控制实现功率变换功熊，显著提高了效率势扩展了应用范围。这一时期所震器件有汞弧整流管和阕沆管，并发瞬了主要功率回路（整流器、逆变器、循环变流器）的拓扑结构和控制方法。使器件工作予开关状态显著减小了器彳牛掇耗，但是开关频率骶时，谐波泷较大，躺提高开荚频率时，开关损耗又非常显著，功率电子技术正是在这种矛盾中不断发展和完善。 魂２０擞纪６０年代，随着华导体功率器件（晶体管、晶闸管、ＧＴＯ）的发明，功率变换技术成为一门独立、迅速发展的研究领域。 交流功率变换器发展为两大类型，蟊ｐ带中闯赢流环节型（交直交型，包括电压型和电流型）和童接变换型（交交型）。直接变换型主要指豫终循环变流器（简称ＮＣＣ）的一种功率变换器。 循环变流器可以利用高压犬功率的半控器件扶爵适用予大功率场合，其典型控裁方法是余弦交点法，相当于波形拼接技术，所以工作频率必须低于交流电源频率。驻然循环变流器可以减少无 ３ 　万方数据

矩阵式变换器

矩阵式交流/交流变频器 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGB T（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini 和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通

电力电子技术领域的现状和展望

电力电子技术领域的现状和展望 王 震 占江山 罗运成 (武汉数字工程研究所 武汉 430074) 摘 要 从产业的角度简介电力电子技术的现状,从技术的角度综述电力电子技术在今后五至十年的展望以及努力方向。 关键词:电力电子 产业现状 技术展望 中图分类号:T M76 C urrent Situation and Prospects of Electric Power and Electronic Technology Wang Zhen Zhan Jiangshan Luo Yuncheng (W uhan Dig ital Engineer ing Institute,Wuhan 430074) Abstract:T his paper briefly introduces the curr ent situatio n of electric power and electronic technology from the point of view of industr y,and summarizes the prospects and the direction of efforts in the field of electric power and electronic technology for the next fiv e to ten years fr om the point of view of technology. Key words:electric power and electronics,cur rent situation of industry,prospects o f technology C lass number:T M76 1 引言 电力电子技术属电气工程!一级学科目录下的二级学科:电力电子与电力传动,学科编号为080804。最近几年来,经国务院学位委员会和教育部批准并备案,全国许多重点高校在电气工程!及相关的电子科学与技术!、控制科学与工程!、计算机科学与技术!、信息与通信工程!等一级学科目录中又自主增设了数拾种专业(二级学科),学科之间的相互交叉、渗透日益增强。电力电子技术已在发展中实现了多学科的交叉,它的典型特点是强电与弱电相结合,以弱电控制强电,用以实现电能的转换、控制、分配和应用的最优化、高效率、智能化。电力电子技术的高速发展与半导体及其集成技术!、计算机科学与技术!、控制科学与技术!、仿真技术!等学科的高速发展和市场及社会需求的强力牵引等因素息息相关。 2 现状 电力电子技术的研究对象是电能形态的各种转换、控制、分配、传送和应用,本学科的研究成果和产品含盖了所有军事、工业和民用等产业中的一切电子设备、数字信息系统和通讯系统。电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源,正是有赖于对电能的充分开发和利用,人类才得以进入如此发达的工业化和信息化的社会。电力电子技术的诞生和发展使人类对电能利用的方式发生了革命性的变化,并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内,用电总量中经过电力电子装置变换、调节和控制的比例已成为衡量一个国家工业发达程度的重要标志。据统计,到1995年,发达国家所使用的电能中有75%左右是经过电力电子技术变换和控制后才使用的,估计在今后五年内,这一比例将高达95%以上。人类社会发展的需求给电力电子技术提出了严峻挑战。近年来,随着半导体及其集成技术、电子科学与技术、计算机科学与技术和现代通讯产业的高速发展,使得电力电子技术及其产业得到了强力的技术基础支撑和巨大的需求牵引,无论是技术发展水平还是产业规模和产值都得到了飞速发展,特别是近十年来,更是进入了高速发展时期,下面从电力电子技术产业的角度分门别类予以简介。 16 计算机与数字工程 第33卷 收到本文时间:2004年12月10日

矩阵式变换技术

矩阵式变换技术 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Bu rany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构 （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流； （2）从三相交流变换到单相交流； （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器； （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑； （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。 三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。

矩阵变换器安全换流策略综述

矩阵变换器安全换流策略综述 矩阵变换器四步换流辅助谐振换流两步换流一步换流 1引言 矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的交交直接变换性能优越。它能提供正弦的输出电压，并从电网中吸收正弦的输入电流、输出频率不受输入频率的影响；具有四象限运行能力、动态响应快、功率密度大等优点。近年来，由于其简单的拓扑结构及其优良特性，而成为变换器研究的热点之一。目前对矩阵式变换器的研究重点之一在于双向开关的安全换流问题。矩阵变换器的换流是指将某一相负载电流由一个输入相切换到另一个输入相。因为开关器件的通断都是需要时间的，为了避免换流时电源短路和（感性）负载开路而对电源和矩阵变换器的安全造成的威胁，因此需要采用一个能够使开关安全切换的换流策略。本文综述了多种形式的换流策略。 2换流技术简述 附图所示为双向可控开关器件的常见构造形式[3]，其中附图（a）所示为最早出现的开关形式，由于通态功耗较大已经逐渐被淘汰了，仅在谐振型矩阵变换器中还有应用；附图(b)、(c)所示是最常用的两种由传统的单向可控开关和快恢复二极管构成的双向开关；附图（d）所示为采用非穿通型可控器件构成的双向开关形式，由于单向通流的开关器件可以承受反向电压，因此省略了二极管；目前正逐渐得以使用。附图（e）所示是近年来出现的多电平矩阵变换器采用的双向开关；该结构形式拓宽了双向可控开关的设计理念，但也使变换器换流过程的复杂程度大大增加；当前业界普遍使用的双向可控开关形式还是如附图(b)、(c)、(d)所示的三种形式，已有的各种换流策略都是针对这三种开关形式设计的，本文对各种换流策略进行了综述。 附图常见双向开关形式 2基本换流策略 （l)死区换流

转向节文献综述--有限元分析的发展及应用前景

转向节文献综述--有限元分析的发展及应用前景

有限元分析的发展及应用前景 1 有限元分析的发展及其思想 1.1 有限元分析的发展历程 20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 1.2 有限元分析计算的思路和做法 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，只要还是有限单位元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间紧靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系差值得到。由于单元形状简单，易

矩阵式变频电路及变频器

矩阵式交---交变频器 姓名 摘要：本文介绍了矩阵式变频电路及变频器的工作原理和调制策略，文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和调制策略作了详细的分析。 关键词：变频、工作原理、调制策略 引言：随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。矩阵式变频器是一种交-交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小;其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。 一、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构 （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流； （2）从三相交流变换到单相交流； （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器； （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑； （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。 二、矩阵式变频电路的基本工作原理 （1）利用单相输入 u为 对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压 o

光伏发电系统文献综述

文献综述 光伏发电系统主要由太阳能电池板和逆变器两部分组成：太阳能电池板实现将太阳能转化为直流电的功能；逆变器则将太阳能电池板发出的直流电转化为与电网电压同频、同相的交流电。输出既可以给负载供电，也可以流向电网，实现太阳能并网发电。主要参考以下几方面的文献。 （1）光伏电池原理及特性 （2）Boost电路的原理和实现 （3）三相逆变器的结构和控制 （4）Matlab仿真 1.光伏电池原理及特性 光伏电池能量转换的基础是半导体PN结的“光生伏打效应”。“光生伏打效应”是指某些特殊材料吸收了光能之后可以产生电动势的现象，气体、液体和固体中均可产生这种效应，其中尤以半导体的转换效率最高。当半导体材料吸收光能后，由光子激发出的电子-空穴对经过分离就会产生电动势。太阳能电池是光电转换的最小单元，太阳能电池单体工作电压为～，工作电流为20～25mA/2 cm,所以太阳能单体电池一般没有实用价值。将太阳能电池单元进行串、并联后就成为太阳能电池组件，再将太阳能电池组件按要求进行串、并联后形成太阳能电池阵列。 光伏电池特性如下： (1)在接近开路电压时，它的输出电流变化很大，几乎随着电压的升高而直线下降，这时近似表现为一个恒压源;在其余时间里电流几乎不变，近似为一个恒流源。 (2)它的输出功率有个最大值，一般称为最大功率点，通常在开路电压的80%左右的地方出现。 (3)短路输出电流与光照强度成正比，开路电压与电池温度成反比。 (4)在最大功率点的左侧，输出功率随着电压的升高近似成线性增加，在最大功率点右侧，输出功率随着电压的升高近似成直线下降。 2.Boost电路的原理和实现 为了能够使逆变器的输入电压（即太阳能电池的输出电压）具有宽范围、高效率的特点，系统需要设计Boost升压部分。Boost电路是一种输出电压大于或等于输入电压的直流变换器。最大功率点跟踪功能的实现是在DC/DC级。将该级作为光伏电池的负载，通过改变占空比来改变其与光伏电池输出特性的匹配。实现太阳能电池的MPPT，其实质为匹配电池和后级变换器的动态负载。当外界环境变化时，通过不断调整变换器的开关占空比，实现太阳

PWM开关变换器分析方法综述

PWM开关变换器分析方法综述 1 引言 近年来，随着开关变换器在理论分析方法上取得了突破性进展，开关变换器的研究在国际上形成了热潮。开关变换器电路以其高效率、体积小、重量轻在各类功率变换电路中占据主导地位。由于PWM型DC--DC变换器是一个强非线性或时变或断续的电路，因此，变换器电路动态特性的分析和设计都较困难。 开关变换电路的分析方法有很多[1],大致可分为两类：数值仿真法和解析建模法。数值仿真法是指利用各利用各种各样的算法以求得变换器某些特性数字解的方法。其优点是准确度和精确度都很高，可以得到响应的完整波形，适用范围广，可进行小信号分析和大信号分析，用起来方便；缺点是物理概念不甚清楚，对设计指导意义不大[2]。而解析建模法指能用解析表达式表示其特性的建模方法，建模时常做某些近似假定，以简化分析，它着眼于工作机理的分析，满足一定精度要求下要简单通用，能为设计提供较明了的依据。本文对PWM 开关变换器的分析方法作以较全面的综述并总结其发展的趋势。 2 数值仿真法 数值仿真法有直接法和间接法。前者直接利用现有的通用电路仿真程序，如SPICE等，不需要重新建立电路模型，只需局部地建立一些专用的仿真模型，等效子电路及子程序即可,其不足之处在于计算速度较慢；后者是指在采用某种数值分析之前，需要从原变换器电路中建立一个专用的数学模型，如离散时域模型等，然后用适当的数值分析法求解，其优点是计算速度较快。 2.1spice 和pspice 仿真 Spice作为一种通用电路仿真程序，在开关功率变换器时域大信号和频域小信号仿真中得到了广泛的应用[3]。其优点是：可分析功率半导体器件、变换器电路、电力电子系统等，可直接由电路仿真，不必列写电路方程, 而且它可以解决大信号分析问题，但难用解析法求解。它还存在着运行时间长、不易收敛等问题。而PSPICE是SPICE电路模拟器家族的一员，是首先用于IBM--PC机上基于SPICE的模拟器。PSPICE和SPICE的主要区别在于PSPICE收敛性和性能更好，但作电路的瞬态分析时，也占用较多机时[4]。 SPICE和PSPICE的仿真结果都以数据文件形式表示，可以将它输入其它软件如MATLAB等，以便进一步对电路性能进行评估和寻优。香港理工大学Y.S.Lee等用PSPICE 和MATLAB结合，开发了电力电子电路优化用的CAD程序MATSPICE[3]。其用途包括：建立SPICE模型，存储在数据库内；仿真和性能评估；设计目标和约束定义的描述；多目标优化等。 另外，由于开关变换器闭环时是强非线性系统，在参数设置不当时易出现混沌类现象，而采用解析法时难以对混沌类现象进行预测，从而更需要借助于数字仿真。 SPICE同其它高性能的软件相结合可为功率电子电路和系统的仿真创造更为有利的计算机辅助分析和设计工具，这是其发展的一个重要方向之一[5]。 2.2 离散时域仿真法 1979年美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提出了开关DC—DC变换器的离散时域仿真法。20世纪80年代后期, 清华大学蔡宣三教授对该方法进行了深入的研究。此法是研究拓扑变化及元件参数变化对系统瞬态特性影响的有力工具。在应用时的基本方法是：列出非线性系统的分段线性方程，求状态转移规律，由此导出非线性差分方程，再用计