矩阵整流器输入与输出滤波器特性的研究

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1、矩阵整流器输入与输出滤波器特性的研究1引言随着电力电子变换技术的发展，静态电力变换器得到了广泛和深入的发展。整流器即AC-DC变换器，完成交变电压到直流电压转换的静态电力变换器，大体上包括相位控制整流器、PWM控制电压源整流器(VSR)、PWM控制电流源整流器(CSR)以及矩阵整流器(MR)。矩阵整流器是一种通用的降压型三相AC-DC变换器，能够实现真正的四象限运行，可以产生进行幅值可调、极性可调的直流电压源，应用范围比较广泛。矩阵整流器是降压型可控整流器中具有代表性，虽然采用PWM波形高频合成原理使得矩阵整流器的分析便于进行数学描述和系统建模，但毕竟由于存在开关作用，电路结

2、构不断发生周期性变化，对于电网而言仍然存在非线性阻抗特征，这些要求都要求其输出直流端与输入交流端必然要采用合适的无源滤波器才能实现阻抗线性化和四象限的可控整流功能。为了便于分析电力变换器系统的性能,有必要简化或消除其中开关动作影响。通过电路DQ转换技术可以将开关系统的时变非线性本质转换为不包含功率开关元件的线性网络，运用线性系统的方法分析其性能，虽然这种方法没有考虑谐波分呈，对分析整流系统的性能仍然具有一定的意义。另一方面，由矩阵整流器的拓扑还可以演化岀稀疏、很稀疏和超稀疏矩阵整流器(Wiener整流器)拓扑，再增加一种PWM控制电流源整流器。本文在分析论证矩阵整流器与电流源

3、整流器在拓扑和控制算法上本质相同的基础上，采用电路DQ转换技术建立输入LC滤波器-矩阵整流器-输出LC滤波器系统的DC等效电路，重点分析其DC特性对滤波器参数设计的要求，在进行实验验证基础上给出几点设计原则和参数选择公式。2矩阵整流器等效谐波电流源特性分析矩阵整流器电路系统的典型拓扑见图1,其功率主电路部分包含有6只双向可控功率开关，呈现三相H桥结构，上桥臂三只开关的输出端连接在一起，形成输出相uA,下桥臂三只开关的输出端连接在一起，形成输出相uB,最终输出直流电压uDC和uOo矩阵整流器是一种双向电力变换器，根据矩阵整流器的调制算法，如开关函数算法、电流空间矢量算法、双线电

4、压算法以及各种演化岀的算法，包含由输入相/线电压到输出电压的变换和输出电流到输入电流的变换，因此矩阵整流器具有一般高频谐波电流源负载特性。输岀滤波电感的感值相对输岀滤波电容的容值越大，谐波电流源负载特性越明显。输入端宜采用并联滤波方式，将输出端映射来的正弦波分布的电流脉冲旁路，可以采用并联电容方案。但是如果供电电源为无穷大电源，电源阻抗与线路阻抗很小，采用并联电容方案几乎没有任何效果。鉴于此矩阵整流器必须在网侧线路上串联阻抗，理论上可以为电感和电阻，串联电感最好，可以增加高频谐波电流的感抗，强迫谐波电流通过滤波电容。因此矩阵整流器系统适合采用输入LC滤波器，鉴于采用高频PWM

5、调制技术，L、C的参数可以下降。3矩阵整流器的开关函数算法忽略输入滤波电感的压降，以正相序为例，输入电压方程与最大输出电压时期望输出电压方程分别为cos@f+仪)=uimcos(坤+转一a)cos@f+%+a)「cos(气£+化)]ucos(呼心+化)+；cos（3昭+3%）J7cos（3%f+3化）%cos（3窣+3%）—g6~cos（3呼+3化）kJ.cos（砂+©+化）」cos（3却+3爾）cos（3铭f+3码）(2)不失一般性，令0o=-n/6,得到=U击/2_,U诚cos（3倒上+3钙）Q7U-^3/24cos（3®f+3%）(3)其中，%、S与仏分别输入相电压的幅

6、值、角频率与输出相电压的幅值，仏二几，m为电压变比，〃圧[0箱/2],0=120°O设定矩阵整流器开关阵列的开关函数矩阵为/（/）=Zl(0久2(t)fl3(0(')(')（4）其中，彳丁I二1,2表ZF各输出相：/a和％,列k=1,2,3表ZF各输入相仏、心和心，约束条件3和工恥)"为E。冇1(t)〜朴3(t)与方1(t)〜金住)分别对应图1中双向可控开关S11〜S13与S21〜S23的瞬时占空比。通过计算开关函数的瞬时取值，再乘以开关周期就可以得到在该开关周期中该功率开关的导通时间，其余时间为关断时间。采用上述开关函数算法的结果是MR的输出电压幅值可调，极性可调，输入电流

7、正弦波形且与输入电压同步，其幅值为单位输入功率因数。（5）考虑到约束条件0W外(t)…方3(t)WX再(t)+f22(t)+^3(t)=1,fu(t)+fn(t)+忌(t)二1。鉴于开关函数矩阵非满秩，可知满足式(5)的解有无穷多组，选取角频率最低的解有利于数字PWM波形高频合成，可得矩阵整流器的一种单位输入功率因数的开关函数的解，桥臂中点的开关函数为M)—皿=〃丄COS（矽+%）J12（'）—（'）=2^3丁〃上cos(qf+©-a)2^3"T~mcos@f+q)L+a)(7)(8)cos(©+池)m