矩阵变换器交流调速系统谐波频谱分析与高传输比策略研究

Matrix converter has attracted widely interest of researchers because of advantages such as low harmonics in input and output currents, flexible input power factor control, bidirectional energy flow, high energy transform effeciency and high power density. A bottleneck of promoting matrix converter for industrial fields is its low voltage transfer ratio. This project focuses on super sparse matrix converter drived permanent magnet synchronous motor speeding system. Accurate analytical spectrum expressions are built to study the mechanism of harmonics production, with parameters of power supply, modulation strategy and output references considered. The principle of parameter optimization for modulation is discussed by combining the accurate analytical spectrum expressions with overmodulation strategy. An optimized overmodulation strategy for super sparse matrix converter will be proposed to increase its voltage transfer ratio, and reduce the effect of harmonic currents on power supply and electromagnetic energy transform process inside the motor. Based on the above research, high voltage transfer ratio control strategy for super sparse matrix converter drive system extended in whole speed range of the motor will be studied. It should be an successful solution for the bottlneck to promote matrix converter in industrial fields, and is expected to drive the technology of high effective energy saving in our country.

矩阵变换器具有输入和输出波形谐波小、输入侧功率因数调整灵活、能量双向流动、电能变换效率高、功率密度大等特点，目前制约其工业化节能应用的瓶颈是电压传输比偏低问题。本项目围绕超稀疏矩阵变换器-永磁同步电机调速系统，综合电源参数、调制策略参数、调制要求三方面因素，建立谐波频谱精确解析描述，剖析谐波产生机理；将谐波频谱解析描述与过调制策略相结合，探讨调制策略参数优化确定原则，提出超稀疏矩阵变换器优化过调制策略，在拓展输出电压范围的同时，减少谐波电流对电机系统电磁能量转换的影响及对电网的谐波污染作用；在此基础上，研究超稀疏矩阵变换器交流调速系统全速范围的高传输比控制策略，解决矩阵变换器工业化应用的瓶颈性关键问题，推动我国高效节能技术的发展。

矩阵变换器具有输入和输出波形谐波小、输入侧功率因数调整灵活、能量双向流动、电能变换效率高、功率密度大等特点，目前制约其工业化节能应用的瓶颈是电压传输比偏低问题。本项目围绕超稀疏矩阵变换器-永磁同步电机调速系统，将解析频谱分析和过调制策略优化相结合，开展电机系统全速范围内的高传输比控制策略研究。在超稀疏矩阵变换器电压传输比变化规律研究方面，发现在不同输入电压频率和相位、输出电压频率和相位的组合下，超稀疏矩阵变换器最大线性输出电压传输比可突破0.866，最大值可达到0.928，这一结论是现有认知"输入、输出电压频率无关条件下，矩阵变换器电压最大电压传输比为0.866"的重要补充。在超稀疏矩阵变换器谐波特性研究方面，开展了三重傅里叶级数谐波分析研究工作，编制完成了超稀疏矩阵变换器三重傅里叶级数谐波分析软件程序。通过大量谐波特性数据分析表明，超稀疏矩阵变换器调制波中注入了3次和9次的输入电压频率和输出电压频率谐波，此外，载波频率及其整数倍频率附近 300Hz存在高幅值谐波。在超稀疏矩阵变换器电压传输比偏低对调速系统影响分析方面，研究表明电压传输比限值仅对调速系统在转矩-转速平面第一、第三象限电动运行的性能有影响，表现在转速超出一定值下的系统输出转矩降低或拖动一定负载运行时的转速降低现象，而对第二、第四象限的制动运行没有影响。电压传输比限值对电动运行造成的影响由强到弱排列，依次为id=0矢量控制、最大转矩电流比矢量控制、单位功率因数矢量控制和恒磁链矢量控制。针对矩阵变换器交流调速系统电压传输比偏低问题，提出了基于最大输出电压轨迹的超稀疏矩阵变换器过调制策略。该策略根据基波周期内最大输出电压轨迹幅值和准六阶梯波调制下基波电压幅值划分过调制区域。在过调制I区内，输出电压矢量由最大线性输出电压矢量和基波周期内最大输出电压矢量加权合成，是一种最小相位差调制方法；在过调制II区内，输出电压矢量由基波周期内最大输出电压矢量和准六阶梯波调制下的基本矢量加权合成，是一种最小幅值差调制方法。将该方法应用于超稀疏矩阵变换器驱动的永磁同步电调速系统中，研究表明可有效拓展id=0和最大转矩电流比控制下的系统调速范围。