无电感高精度矩阵变换器研究

重离子加速器发展的趋势是提供更高能量、更高流强、更高品质的离子束以及更高的束流传输效率，这就要求加速器磁铁励磁电源具有更高的控制精度、更快的响应速度。而电源的控制精度与响应速度主要取决于磁铁励磁电源的功率变换器，但现有技术下直接提高大功率变换器开关频率已相当困难。本项目拟采用一种全新的变换器技术- - 矩阵变换器，用单变换器实现高频整流与逆变，在开关频率为10kHz的条件下，输出等效开关频率可达到120kHz，并甩掉输出滤波电感，克服了传统的采用多个变换器串并联和移相驱动来提高等效开关频率引起的系统复杂化和高成本的不足之处，将大幅度提高电源动态特性，此外引入最优控制和矢量控制等其他控制策略，跟踪误差有望由现在的±0.0002降至±0.00005，将显著改善现有重离子加速器的束流品质，同时为未来重离子加速器的发展做技术储备。

常用的重离子加速器电源系统中，电源主回路通常由三相不可控整流器和DC-DC变换器构成，整流器会在输入侧产生大量的谐波电流，使得系统的输入功率因数低且谐波畸变率高。为了解决这一问题，项目组提出了一种基于矩阵变换器的数字电源，采用这种结构，可以有效地改善输入侧电流波形质量，并且省去了直流储能电容，同时减小了电源系统的体积和重量。项目执行期间，研究人员对矩阵变换器和矢量控制策略进行了深入研究，并使用MATLAB软件做了大量的建模仿真工作，最终研制了一台小功率的矩阵式整流器磁铁电源样机，在样机上进行了矢量控制算法验证。另外，利用本课题对矢量控制算法的研究成果和研究室已有硬件资源，研制了一台功率为20KW的电压型空间矢量PWM整流器样机，并开发出基于DSP (TMS320F28335)的矢量控制程序，通过初步调试，样机实现了单位功率因数运行（0.99）和网侧电流的正弦化。通过项目组成员三年的努力工作，获得了大量有关矩阵变换器技术和矢量控制算法的理论研究成果，并积累了矩阵式整流器磁铁电源的主回路设计、控制算法实现和现场调试经验，为2015年青年科学基金《大电流高精度大动态范围脉冲电源关键技术研究》项目提供了技术支持，为未来重离子加速器的发展做了技术储备。