多相PWM变换器控制技术研究
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摘 要
矩阵变换器作为“绿色”变频器，具有输入和输出电流都是正弦波特性；输
入功率因数的可控性；能量传输的可逆性以及体积小等优良品质，自 1980 年提出
矩阵变换器理论以来受到了很多研究者的重视。然而矩阵式变换器与交-直-交电
压型变频器相比较，电压的利用率较低，其最大值只有 86.6%。使用“注入谐波”
法虽然提高了电压利用率，但是输出波形的质量和输出侧的电能质量都不佳。
为了克服上述缺陷，本文提出了采用 Cuk 电路作为矩阵变换器的逆变电路的
方案，以发挥其升压特性，使矩阵变换器的电压传输比达到或超过 1.0。本文主要
围绕矩阵式变换器的电路拓扑结构，开展深入的研究，提出基于 Cuk 逆变器的五
相矩阵变换器，并对该矩阵变换器的滑模控制策略进行研究。
本文首先介绍了矩阵变换器的发展和研究现况。针对矩阵变换器的电压利用
率较低的问题，概述了矩阵式变换器电压传输特性的研究现状，并给出了本课题
研究的背景和意义。
其次在 Cuk 直流变换器分析的基础上，构建了 Cuk 逆变器的结构，并且对理
想状态下的 Cuk 逆变器进行了建模分析，总结了该逆变器的优点。提出了基于
Cuk 变换器的三相矩阵式变换器，通过分析该拓扑结构，将三相 Cuk 矩阵式变换
器拓展到五相 Cuk 矩阵式变换器，以满足多相电力推动的要求。
为了研究 Cuk 型五相矩阵变换器逆变侧的滑模控制策略，在第三章概述了滑
模控制的基本原理、滑模控制系统中的基本问题以及该控制系统存在的问题，并
总结了滑模控制结构的优点和局限性。
在第四章分析了五相 Cuk 型矩阵式变换器的控制策略，即整流级采用无零矢
量的空间矢量调制，逆变侧采用时变滑模控制策略，并且分析了采用时变滑模控
制策略时系统的稳定性。
最后使用 MATLAB/SIMULINK 对五相 Cuk 型矩阵变换器控制系统的仿真，
结果表明 Cuk 型矩阵式变换器输出电压为标准的正弦波，谐波含量很低，有效弥
补了矩阵式变换器电压传输比低的缺陷。
关键词：Cuk 变换器 电压传输比 矩阵变换器 滑模变结构控制
ABSTRACT
Mactrix Converter is known as a “green” inverter with many good qualities, such
as the sinusoidal current of input and output, the controllable input power factor, the
reversible energy trasfer as well as smaller size and so on. Since the theory of matrix
converter was proposed in 1980, Matrix Converter has attracted the attention of a lot of
researchers. However, compared to the AC-DC-AC voltage-type inverter, the Matrix
converter has lower utilization of voltage and its maximum is only 86.6%. Though
"Harmonic injection" method can increase the voltage utilization, the quality of the
output waveform and the power quality on output side are still both poor.
In order to overcome the above deficiencies, this paper presents a program which
uses the Cuk circuit as matrix inverter circuit, so as to play its step-up feature, and
make matrix converter voltage transfer ratio reach or more. In this paper, we conduct
in-depth study of Matrix converter circuit topology, and submit a five-phase matrix
converter bassing on Cuk inverter and research the sliding model control strategy for
this matrix converter.
At first, this paper introduces the development of the matrix converter and
research status. For the low voltage utilization issue of the matrix converter, we give an
overview of the research status about the voltage transfer characteristics of matrix
converter, as well as the background and significance of this study.
Second, on the analysis of the Cuk DC-DC converter, we construct an inverter
structure which bases on Cuk circuit, analyze the Cuk inverter under the ideal state,
and summarize the advantages of this inverter. Then a three-phase matrix converter
basing on Cuk converter is proposed, by analyzing the topological structure,
three-phase basing on Cuk inverter matrix converter is extended to five-phase , in order
to meet the requirements of multi-phase power driving.
To study the sliding mode control strategy on the inverter side of five-phase
Cuk-type matrix converter, the third chapter outlines the basic principles of sliding
mode control, the basic issues of the sliding mode control system, the problems in this
control system, and summarizes the advantages and limitations of the sliding model
control structure.
In the fourth chapter, we analyze the control strategy of the five-phase Cuk-type
matrix converter, namely, the converter side uses the zero-vector space vector
modulation, and the inverter side uses the time-varying sliding mode control strategy.
And then we analyze the stability of the system whose inverter side uses the
time-varying sliding mode control strategy.
Finally, according to the MATLAB/SIMULINK software, the simulation results
of the five-phase Cuk-type matrix converter control system show that the output
voltage of Cuk-type matrix converter is a standard sine wave and its harmonic content
is low. The Cuk-type matrix converter effectively offsets the defects of low voltage
transfer ratio.
Key Words: Cuk Converter ，Voltage Transfer Ratio ，Matrix
Converter，Sliding Mode Variable Structure Control
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 前言 ..................................................................................................................1
§1.2 矩阵变换器发展历程 ......................................................................................1
§1.3 矩阵变换器存在的问题与研究热点 ..............................................................2
§1.4 矩阵变换器电压传输特性的研究现状 ..........................................................3
§1.5 本课题的主要研究内容 .................................................................................4
第二章 Cuk 型MC 拓扑结构 .........................................................................................6
§2.1 矩阵变换器概述 ..............................................................................................6
§2.2 Cuk 型DC-AC 逆变器 ................................................................................... 7
§2.2.1Cuk 型DC-DC 变换器电路分析 ......................................................... 7
§2.2.2Cuk 型DC-AC 逆变器拓扑及工作原理 .............................................. 9
§2.2.3 理想 Cuk 型DC-AC 逆变器分析 ...................................................... 10
§2.2.4 Cuk 型DC-AC 逆变器优点 ................................................................11
§2.3 三相 CMC 拓扑结构 .....................................................................................11
§2.4 五相 CMC 拓扑结构 .....................................................................................13
§2.5 本章小结 ..........................................................................................................14
第三章 滑模变结构控制 ...............................................................................................15
§3.1 滑模变结构控制理论概述 ...........................................................................15
§3.2 滑模变结构控制基本原理 ...........................................................................15
§3.2.1 滑动模态定义及数学表达 ..................................................................16
§3.2.2 滑动变结构控制的定义 ......................................................................17
§3.3 滑模控制系统的基本问题 ...........................................................................17
§3.3.1 滑动模态存在性 ..................................................................................17
§3.3.2 滑动模态可达性 ..................................................................................18
§3.3.3 滑动模态稳定性 ..................................................................................19
§3.4 滑模控制系统存在的问题 ...........................................................................20
§3.4.1 滑模系统的抖振问题 ..........................................................................20
§3.4.2 滑模变结构控制的优点及局限性 ......................................................21
§3.5 本章小结 .......................................................................................................21
第四章 Cuk 型MC 控制策略的研究 ...........................................................................22
§4.1 三相 Cuk 型MC 控制策略 ..........................................................................22
§4.1.1 整流侧无零矢量的空间矢量调制 .......................................................22
§4.1.2 逆变侧的调制 .......................................................................................27
§4.2 五相 Cuk 型MC 控制策略 ..........................................................................28
§4.2.1 Cuk 型MC 逆变侧的系统模型 ............................................................28
§4.2.2 Cuk 型MC 逆变侧的时变滑模控制 ....................................................34
§4.2.3 Cuk 型MC 逆变侧时变滑模控制下的稳定性分析 ............................37
§4.3 逆变侧滑模控制的仿真 ................................................................................44
§4.3.1 不同输出频率的仿真 ............................................................................45
§4.3.2 不同电压传输比的仿真 .......................................................................48
§4.3.3 输出电压超调量分析 ...........................................................................49
§4.3.4 电路参数对系统的影响 .......................................................................50
§4.4 本章小结 .......................................................................................................54
第五章 系统仿真 ...........................................................................................................55
§5.1 系统仿真原理图及结构模块 .........................................................................55
§5.2 系统仿真结果和分析 ...................................................................................58
§5.2.1 负载为感性负载 ...................................................................................58
§5.2.2 负载为五相异步电机 ...........................................................................60
§5.3 本章小结 .......................................................................................................62
第六章 总结与展望 .......................................................................................................63
§6.1 总结 ................................................................................................................63
§6.2 展望 ................................................................................................................64
参考文献 .........................................................................................................................65
附录 A：系统电路图 .....................................................................................................70
附录 B：整流侧的空间矢量控制模块 .........................................................................71
在读期间公开发表的论文 .............................................................................................72
致 谢 ...............................................................................................................................73
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 前言
随着经济的发展，人们为了追求更好、更便捷的生活，越来越依赖于电器设
备，这使得电能变得越来越短缺，而且还导致了使用煤炭发电所带来的环境污染
问题。如今能源短缺和环境污染成为了世界性的两大难题，所以学者们越来越多
的关注电气节能技术。虽然目前我国的电能生产量和消费状况名列世界前列，但
是还远远满足不了现今我国工业生产和人民生活的需要。在我国大力发展电气节
能技术的背景下，对交流变频技术的研究成为了研究的热点。
现阶段，在交流变频调速的应用中，基于传统 PWM 技术的交-直-交电压型
变频器，因为其技术发展比较成熟因而被使用的最多，但随着工业生产过程中对
节能要求的不断提高，以及电力器件向小体积、低成本发展的要求，矩阵式变换
器技术肯定会取代传统 PWM 技术，成为变频调速领域中使用最多的变频装置。
从20 世纪 80 年代开始，在欧美和日本很多大型公司就开始对矩阵式变换器
展开了研究，而在 05 年相继推出了使用矩阵变换器技术的产品，但是目前国内的
变频器生产厂商在这方面的研究还是空白。所以当该技术的大规模实用化、市场
化阶段到来的时侯，我国市场上将见不到具有我国知识产权的产品，而都是外国
公司的成熟产品。因此，对矩阵式变换器技术的研究是刻不容缓，而且研制出具
有我国自主知识产权的产品也是非常必要的。
§1.2 矩阵变换器发展历程
矩阵式变换器的概念[1]最早是由 L.Gyugi 和B.Pelly 提出的，他们使用晶闸管
和外部强制换流电路，首次实现双向开关的功能。
随后由晶体管构成双向开关的矩阵式变换器也被学者们提出来，并首次使用
数学方法系统的分析了矩阵式变换器低频特性，同时提出了基于“直接传递函数”
的矩阵式变换器的一种调制算法，而且这些学者做出了该矩阵式变换器的实验样
机[2,3]。在 1983 年，一名学者提出了基于“虚拟直流环节”概念的矩阵式变换器
的控制方法，该方法将矩阵式变换器等效为中间环节没有储能元器件的整流器和
逆变器的虚拟连接，并分别在等效的“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”上使用传
统的脉宽调制（PWM）技术[6,7]，有效的解决了能量的传输和反馈的问题。双电
压控制调制方法[13-15] 在1989 年由日本学者提出，这个方法最大的特点是指定幅
值和频率的输出电压是由三相输入电压的加权平均来得到的，而且在加权系数（各
多相 PWM 变换器控制技术研究
2
个双向开关的占空比）的计算过程中，把输入电流的指令值列为考虑因素。使用
这种方法能够让电网电压在非正常情况下调节输入电流，但是繁琐的控制算法让
其很难得到实现[16]。
矩阵式变换器的电路拓扑中没有自然续流通道，所以其在双向开关的换流控
制方面存在困难，而且电力电子器件的损坏大多是在换流过程中产生的过电压和
过电流所造成的。为了解决上述问题，研究人员提出了一系列多步换流的控制方
法。比如，N.Burany 提出的“四步换流”法，使得换流过程中的短路和断路状况
得到有效的解决，实现了真正的安全换流。随后两名学者提出的“两步换流”法，
大大缩短了开关换流的时间[17,18]。在 2003 年LiXiang Wei 和T.Lipo 为了使矩阵式
变换器符合实际工业生产中的要求，提出了电压换流的方式[22]。
随着日本安川电机公司在 2004 年推出矩阵式变换器技术的产品，标志着矩阵
式变换器的实用化已经进入一个崭新的阶段。可以预见，矩阵式变换器作为“绿
色”的变频器，将替代现有的交-直-交电压型 PWM 变频器，逐渐进入工业生产
和民用领域。
§1.3 矩阵变换器存在的问题与研究热点
从提出矩阵变换器理论至今已经有 30 年，期间各国学者和技术人员对其进行
了大量的研究和开发，并且市场上也出现了基于矩阵式变换器技术的实用产品。
但是作为一种电力电子变频器件，与传统的交-直-交电压型 PWM 变频器相比，
矩阵式变换器技术还存在亟待解决的问题：
1）矩阵变换器的开关较多，数学模型复杂，所以该变换器的调制方法和换流
控制都很繁琐，稳定性和可靠性都不是很理想。
2）由于矩阵变换器没有直流储能环节，负载侧的干扰可以直接反映到输入侧，
将会对输入功率因数造成影响。
3）在非正常工作状况发生时，想要控制矩阵式变换器正常工作，控制策略主
要依靠输入电压的检测值，造成其及时性和可靠性不是很理想。
4）相比较交-直-交电压型变频器，矩阵式变换器的电压利用率很低，其最大
值也只有 86.6%。“注入谐波”的方法虽然提高电压的利用率，但是降低了输出波
形质量和输出侧的电能质量。
目前对矩阵式变换器的研究热点集中在以下几个方面：
1、提出新颖的调制策略
例如输出最大控制范围调制策略、基于输出电流检测的新型调制策略以及基
于输出电压、输入电流解耦控制的调制策略等都达到了改善输出波形质量，减少
第一章 绪论
3
输入侧电流谐波含量，降低装置的开关功率损耗的目的。
2、研究新型的电路拓扑结构
比如基于单向开关的矩阵式交-交变换器、双极矩阵式变换器以及稀疏矩阵式
变换器等，简化了变换器的结构，降低了器件的功率损耗和控制的难度。
3、采用新型的电力电子开关器件
碳化硅结型场效应晶体管（Sic JFET）越来越多的使用在稀疏矩阵式变换器
中，作为构成矩阵式变换器中双向开关的器件，而该晶体管具有很好的性能。
4、优化输入滤波装置设计
为了解决输入不平衡情况下的矩阵变换器输出侧的质量问题，当前提出的有
效方法是，使用基于辅助谐振电路的 LC 滤波器和基于新型电路的电磁兼容
（EMC）输入滤波器。
5、研究非正常工况下的控制方法
电网瞬时断电时的制动控制方式有效的解决了矩阵式变换器和双桥直接变换
器在非正常工况下的输出电压波形和电能质量问题。
§1.4 矩阵变换器电压传输特性的研究现状
矩阵式变换器在输入功率因数为 1的情况下，使用空间矢量调制（SVPWM），
电压传输比可以达到最大值即为 0.866，给实际工程应用带来了障碍。为了解决这
个问题，使得矩阵式变换器能够在工程中得到应用，1986 年，有学者提出间接
PWM 控制法，并采用 6脉冲换流法，使得矩阵式变换器的电压传输比达到 1.05，
但是输出频率最大值只能是 200Hz[31]。
1997 年，空间矢量控制策略被提了出来，但是这种基于直接频率变换器的控
制策略也只能使矩阵变换器的电压传输比近似为 1[33]。
2005 年，混合型矩阵式变换器（Hybrid AC/AC Converter）结构被提了出来，
在该结构中可控的电压源被加在矩阵变换器的中间环节。这种混合型的矩阵变换
器能使得其电压传输比达到甚至超过 1.0，而且有效解决了输入电压不平衡所带来
的问题[35]。
在2006 年，多名学者在深入地研究混合型矩阵变换器的基础上，提出了调节
中间直流环节电压的方法，基本上解决了矩阵式变压器电压传输比低的问题
[36,37]。
我国对矩阵变换器电压传输比特性的研究比较少。最近几年湘潭大学的朱建
林、郭有贵等几位学者才开始从事这方面的研究，但是他们的研究成果给我们分
析和设计矩阵式变换器提供了一种方向。
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：76 页
大小：7.82MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
