论文题目: 矩阵变换器—异步电动机高性能调速系统控制策略研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制理论与控制工程
作者: 粟梅
导师: 张泰山
关键词: 矩阵变换器,输入滤波器,虚拟电阻算法,自抗扰控制器,电磁兼容性,非劣排序遗传算法,多目标优化
文献来源: 中南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 矩阵变换器是一种直接变换型交流—交流电力变换装置,具有一些优于传统脉宽调制变频器的特性,即能量双向流通、正弦输入与输出电流、可控的输入功率因数等,非常适合于应用到交流电动机调速领域。在交流调速系统中,使用矩阵变换器驱动异步电动机,一方面能够实现较好的传动性能,另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求。因此,矩阵变换器驱动异步电动机系统被称为下一代的交流电气传动模式。 论文深入分析了矩阵变换器的拓扑结构,工作原理及直接空间矢量调制策略,提出了一种补偿输入电压不平衡的矩阵变换器调制策略。从统一的观点出发,引入基于开关状态的空间矢量描述的占空比矢量的概念,建立了涵盖各种不同调制策略的矩阵变换器的统一非线性解析模型。 在矩阵变换器的实际应用中,为了满足电磁兼容性(EMC)的要求,通常在电源与开关矩阵之间接有输入滤波器。输入滤波器反过来会降低开关功率变换器的动态性能,甚至使系统不稳定。论文深入分析了引入输入滤波器导致动态性能下降和潜在不稳定的本质原因;定量分析了滤波器参数影响稳定性的规律;从降低输入滤波器的输出阻抗的角度,提出了通过改变输入滤波器的结构来改善矩阵变换器输入输出电流质量的方法,并在此基础上,提出了一种改善矩阵变换器系统动态性能和稳定性的虚拟电阻算法。该电阻算法就是在原调制算法的基础上,仅仅增加了数字低通运算,算法简单,易于工程实现,并且不存在实际电阻的损耗。 在归纳、总结和完善矩阵变换器输入滤波器的设计原则的基础上,提出了一种输入滤波器的多目标优化设计方法。该方法以确保系统稳定、谐波总畸变率低、避免开关频率谐波电流造成滤波器谐振为约束,以工程费用、基频压降、基波相移、功率稳定裕量和阻尼电阻功耗为目标。从数学分析的角度深入研究了输入滤波器的作用机理,推导出各项性能指标及约束条件的解析表达式。提出了采用改进的基于Pareto最优的非劣排序遗传算法(Non-dominated Sorting GeneticAlgorithm—NSGA—Ⅱ),并对此算法的约束处理作了改进。 论证了基于传统PI控制器的矩阵变换器—异步电动机矢量控制系统的方案,建立了基于传统PI控制器的矩阵变换器—异步电动机矢量控制调速系统的大信号非线性状态方程,分析了系统的稳定性和动态特性。提出并实现了基于自抗扰控制器的矩阵变换器—异步电动机矢量控制系统的控制策略,并对比分析了两类控制器的控制效果。形成了包含有矩阵变换器的系统在建模、系统分析、系统综合
论文目录:
第一章 绪论
1．1 交流变频电力传动的战略意义
1．2 对异步电动机的高性能电力变换器的客观要求
1．3 电力变换器的发展现状
1．3．1 交直交电力变换器
1．3．2 周波变换器(Cycloconvertor—CC)
1．3．3 矩阵变换器
1．4 矩阵变换器研究现状
1．5 交流调速研究现状及发展
1．6 论文的课题背景和主要研究内容
第二章 矩阵变换器的调制策略及解析模型
2．1 矩阵变换器的空间矢量PWM(SVPWM)调制策略
2．1．1 矩阵变换器SVPwM调制策略开关状态的选取
2．1．2 矩阵变换器SVPVgl调制策略占空比的计算
2．1．3 SVPWM换流顺序的确定
2．2 矩阵变换器的非线性输入—输出关系模型
2．3 矩阵变换器时域仿真模型
2．3．1 矩阵变换器在理想电源下的仿真
2．3．2 矩阵变换器补偿输入不平衡的仿真
2．4 本章小结
第三章 改善矩阵变换器输入输出电流性能的软硬件方法
3．1 降低输入滤波器输出阻抗的硬件方法
3．1．1 输入滤波器与矩阵变换器相互作用定性分析
3．1．2 输入滤波器与矩阵变换器相互作用定量分析
3．2 一种改善矩阵变换器系统动态性能和稳定性的虚拟电阻算法
3．3 仿真分析
3．4 本章小结
第四章 矩阵变换器输入滤波器的优化设计
4．1 输入滤波器的设计原则
4．1．1 输入滤波器的基本类型及优化设计要求
4．1．2 输入滤波器稳态数学分析
4．2 目标函数描述
4．2．1 成本因数
4．2．2 基波压降和基波相移
4．2．3 稳定功率限制
4．2．4 阻尼电阻功耗
4．2．5 约束条件
4．3 多目标优化遗传算法
4．3．1 NSGA—Ⅱ的算法
4．3．2 改进的约束处理
4．4 算法实例
4．5 本章小结
第五章 自抗扰控制器原理
5．1 引言
5．2 非线性环节的效应
5．3 自抗扰控制器的组成
5．4 非线性跟踪-微分器
5．4．1 非线性跟踪-微分器原理
5．4．2 采用非线性跟踪-微分器安排过渡过程
5．5 扩张状态观测器
5．5．1 从经典状态观测器到扩张状态观测器
5．5．2 扩张状态观测器
5．5．3 扩张状态观测器同经典观测器之间的比较
5．6 误差的非线性组合
5．7 自抗扰控制器的应用类型
5．8 本章小结
第六章 矩阵变换器—异步电动机矢量控制系统
6．1 异步电动机动态数学模型及转子磁链定向矢量控制原理
6．2 基于PI的MC—异步电动机系统大信号非线性状态方程的建立
6．2．1 矩阵变换器输入端的状态方程
6．2．2 异步电动机在两相同步旋转坐标系上的状态方程
6．2．3 矢量控制闭环的状态方程
6．3 小信号模型的建立及系统工作点稳定性分析
6．3．1 稳态工作点的确定
6．3．2 稳态工作点附近的微偏线性化
6．3．3 矢量控制闭环调节器参数对稳定性的影响
6．4 基于ADRC的矩阵变换器—异步电动机矢量控制系统的组成方案
6．4．1 方案设计
6．4．2 矩阵变换器—异步电动机矢量控制系统的自抗扰控制器设计
6．4．3 系统的时间尺度
6．4．4 跟踪微分器的设计与参数调整
6．4．5 扩张状态观测器的设计与参数调整
6．4．6 非线性反馈控制律的设计与参数调整
6．5 系统运行性能分析
6．6 本章小结
第七章 矩阵变换器—异步电动机调速系统设计
7．1 主电路
7．1．1 开关矩阵与驱动板
7．1．2 输入滤波器的设计
7．2 控制系统的硬件结构
7．2．1 控制系统整体结构
7．2．2 电压电流采样电路
7．2．3 过流保护电路
7．2．4 DSP控制系统
7．2．5 复杂可编程逻辑器件(CPLD)
7．3 基于DSP和CPLD的控制算法实现
7．3．1 算法实现的硬件结构
7．3．2 DSP控制软件设计
7．3．3 基于CPLD的PWM发生器的实现
7．4 本章小结
第八章 总结与展望
8．1 本论文研究工作的总结
8．2 进一步研究的方向
参考文献
致谢
攻读博士期间发表的主要论文
发布时间: 2006-03-28
参考文献
- [1].宽变频输入条件下双级矩阵变换器的若干关键技术研究[D]. 秦显慧.南京航空航天大学2016
- [2].矩阵变换器的空间矢量调制、系统集成及应用研究[D]. 王勇.浙江大学2005
- [3].矩阵变换器供电的交流励磁风力发电系统研究[D]. 汤宁平.福州大学2005
- [4].交—交矩阵变换器控制策略及提高电压传输比研究[D]. 郭有贵.中南大学2005
- [5].基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制系统[D]. 葛红娟.南京航空航天大学2006
- [6].双级矩阵变换器及其控制策略研究[D]. 邓文浪.中南大学2007
- [7].矩阵变换器及其电机驱动控制系统关键技术研究[D]. 郭前岗.西北工业大学2007
- [8].对矩阵变换器若干问题的研究[D]. 曾雨竹.浙江大学2007
- [9].矩阵变换器调制策略优化及应用分析[D]. 唐酿.华北电力大学2013
- [10].Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器研究[D]. 刘硕.北京交通大学2014
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