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基于共模电压有效值的间接矩阵变换器调制策略对比分析

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控制与信息技术 2024年第3期 66-71页

作者：黄林峰白欢游帅文亮张程张燕磊株洲时代电子技术有限公司湖南株洲412007 中国铁路昆明局集团有限公司昆明工务机械段云南昆明650217

间接矩阵变换器(indirect matrix converter, IMC)是一种无中间直流环节的AC-AC变换器,具有正弦输入输出特性,且功率密度大、运行效率高,在风力发电、交流传动等领域应用前景广阔;但IMC在调制运行过程中不可避免会产生共模电压,对电机... 详细信息

间接矩阵变换器(indirect matrix converter, IMC)是一种无中间直流环节的AC-AC变换器,具有正弦输入输出特性,且功率密度大、运行效率高,在风力发电、交流传动等领域应用前景广阔;但IMC在调制运行过程中不可避免会产生共模电压,对电机造成损坏,影响系统的可靠运行。为了提升IMC运行可靠性,抑制其输出共模电压,文章以逆变级相邻四有效电压矢量调制、逆变级相邻三有效电压矢量调制、整流级相邻三有效电流矢量调制、整流级120°两有效电流矢量加零电流矢量调制和整流级加权三有效电流矢量调制共5种经典抑制IMC共模电压峰值达42.3%的调制方法为研究对象,通过对其输出共模电压有效值进行建模,考虑电压传输比对共模电压有效值的影响,量化分析共模电压有效值的变化规律,比较不同调制方法对共模电压的抑制能力。从5种调制方法的共模电压有效值对比分析结果可知,采用逆变级相邻四有效电压矢量合成的空间矢量调制方法对IMC共模电压有效值的抑制效果最佳。仿真和实验结果验证了上述理论分析结果的正确性。

关键词：间接矩阵变换器空间矢量调制有效值建模共模电压电压传输比

间接矩阵变换器-异步电机调速系统边界圆限定模型预测控制方法

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电工电能新技术 2023年第8期42卷 1-9页

作者：梅杨魏铮刘璟琳北京市变频技术工程技术研究中心北方工业大学北京100144

本文提出了一种适用于间接矩阵变换器-异步电机调速系统的边界圆限定模型预测控制方法。该方法基于图形边界限定模型预测控制思想,综合考虑网侧电流和电机定子电流需求,通过构造圆形边界作为限定,以电流误差保持在边界圆内时间最长为原... 详细信息

本文提出了一种适用于间接矩阵变换器-异步电机调速系统的边界圆限定模型预测控制方法。该方法基于图形边界限定模型预测控制思想,综合考虑网侧电流和电机定子电流需求,通过构造圆形边界作为限定,以电流误差保持在边界圆内时间最长为原则,预测出间接矩阵变换器的开关状态作为控制信号,从而均衡优化网侧与电机定子电流性能。仿真和实验结果表明,采用边界圆限定模型预测控制方法,间接矩阵变换器输入输出电流均为正弦,网侧功率因数接近于1,电机具有良好的动静态性能。与传统模型预测方法相比,采用本文提出的方法,在各种工况下网侧电流与电机定子电流THD均下降,实验结果表明网侧电流的THD降低了19.6%,电机定子电流的THD降低了18.5%。

关键词：间接矩阵变换器模型预测控制异步电机边界圆

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抑制间接矩阵变换器共模电压的调制策略

电力系统保护与控制 2023年第18期51卷 1-10页

作者：马星河康志鹏赵军营潘玥河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454003 河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室河南焦作454003

间接矩阵变换器在运行过程中会产生较大的共模电压,对电机系统造成严重的电磁干扰,影响系统正常运行。针对这一问题,提出一种新的空间矢量调制策略降低共模电压大小,改善输出电压性能。首先,将整流级空间矢量重新划分区域,根据参考电流... 详细信息

间接矩阵变换器在运行过程中会产生较大的共模电压,对电机系统造成严重的电磁干扰,影响系统正常运行。针对这一问题,提出一种新的空间矢量调制策略降低共模电压大小,改善输出电压性能。首先,将整流级空间矢量重新划分区域,根据参考电流矢量所在区域选择3个相邻的有效电流矢量,将有效矢量下的平均直流母线电压维持在一个恒定值,保证整流级的最大输出电压。其次,逆变级采用无零矢量调制策略,通过使用3个有效电压矢量合成所需要的输出电压,将共模电压峰值抑制到输入相电压幅值的57.7%。与传统调制策略相比,提出的调制策略不仅可以减轻系统计算负担,还可以减少系统输入输出谐波,改善输入输出波形质量。最后,通过Matlab/Simulink和实验平台搭建相应模型,仿真和实验结果验证了所提出策略的有效性。

关键词：间接矩阵变换器共模电压空间矢量调制整流级参考电压

零电压矢量作用时间对间接矩阵变换器输出电压共模分量与谐波分量的影响分析

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中国电机工程学报 2022年第21期42卷 7943-7954页

作者：李珊瑚黄林峰王文圣刘旭韩旭省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津市北辰区300401 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学) 天津市北辰区300401

矩阵变换器(matrix converter,MC)现有调制方法难以兼顾输出谐波和共模这两者特性,同时也未量化调制参数对输出特性的影响。文中基于三重傅里叶变换原理,建立调制参数零电压矢量作用时间、电压传输比与输出电压共模分量和谐波分量的映... 详细信息

矩阵变换器(matrix converter,MC)现有调制方法难以兼顾输出谐波和共模这两者特性,同时也未量化调制参数对输出特性的影响。文中基于三重傅里叶变换原理,建立调制参数零电压矢量作用时间、电压传输比与输出电压共模分量和谐波分量的映射关系,量化分析零电压矢量作用时间对共模分量和谐波分量的影响规律,为考虑零矢量作用时间对输出特性的调制方法提供理论基础和理论依据。基于零电压矢量作用时间对间接矩阵变换器(indirect matrix converter,IMC)输出特性的分析,在不同电压传输比下获得最优零电压矢量作用时间,大大降低输出低频共模分量幅值来有效抑制输出漏电流,进一步提高IMC输出性能。最后通过实验验证理论分析的正确性。

关键词：间接矩阵变换器零电压矢量作用时间共模分量谐波分量三重傅里叶变换

一种将共模电压抑制50%的间接矩阵变换器新型空间矢量调制方法

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电机与控制学报 2022年第1期26卷 77-85页

作者：李珊瑚操孙鹏金昭阳韩旭河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130

针对现有间接矩阵变换器(IMC)共模电压峰值抑制只能达到43%的问题,提出一种可以将共模电压(CMV)峰值抑制50%的新型空间矢量调制方法。首先研究了IMC各矢量下的CMV特性,在此基础上,新型调制方法根据输入电压所在的扇区选择最小CMV的零矢... 详细信息

针对现有间接矩阵变换器(IMC)共模电压峰值抑制只能达到43%的问题,提出一种可以将共模电压(CMV)峰值抑制50%的新型空间矢量调制方法。首先研究了IMC各矢量下的CMV特性,在此基础上,新型调制方法根据输入电压所在的扇区选择最小CMV的零矢量和有效矢量,将有效矢量作用下的CMV峰值降低到0.29 V_(in),零矢量作用下的CMV峰值降低到0.5 V_(in),从而整体上抑制了CMV峰值。该新型调制方法利用IMC零电流矢量作用下的CMV与逆变级矢量无关的特性,解决了逆变级死区效应引起的共模尖峰问题,以及利用零电流矢量作用下的直流侧电压为0特性,逆变级实现了零电压开关(ZVS)。最后通过实验验证了新型调制方法的有效性。

关键词：间接矩阵变换器共模电压零电压开关零电流矢量空间矢量调制死区效应

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间接矩阵变换器的故障诊断与容错控制研究

间接矩阵变换器的故障诊断与容错控制研究

作者：申九阳东北电力大学

学位级别：硕士

间接矩阵变换器(Indirect Matrix Converter,IMC)由直接矩阵变换器(Direct Matrix Converter,DMC)衍化而来,具有电路结构紧凑、功率密度高、输入功率因数可调、换流策略安全可靠等一系列优良特性,凭借其优良的性能,在工业领域被广泛应... 详细信息

间接矩阵变换器(Indirect Matrix Converter,IMC)由直接矩阵变换器(Direct Matrix Converter,DMC)衍化而来,具有电路结构紧凑、功率密度高、输入功率因数可调、换流策略安全可靠等一系列优良特性,凭借其优良的性能,在工业领域被广泛应用。而工业领域的工作环境复杂,对IMC的稳定性与可靠性提出了严苛的要求。因此,研究IMC的故障诊断技术与容错控制策略,对提高系统的稳定性与可靠性具有重要意义。然而,目前有关IMC的故障诊断与容错控制策略的学术文献有限,仍有很大的研究空间。本文通过对目前已有文献资料的回顾与分析,以具有代表性的18开关IMC拓扑作为研究对象,主要针对IMC的功率开关故障诊断方法与容错控制策略问题展开深入研究。本文在详细阐述IMC的工作原理与调制策略的基础上,分析归纳SVPWM策略的特点,研究IMC整流级功率开关与整流级区间的对应关系。通过对IMC运行模式的分析工作与混杂系统理论的应用,建立了IMC的混合逻辑动态数学模型,在混合逻辑动态模型的基础上构建了以线线电流为状态变量的状态残差方程,分析功率开关故障时的状态残差特征与直流母线电压的变化趋势,在上述基础上建立逆变级功率开关与状态残差的对应关系。为描述功率开关故障后对直流母线电压的影响与实现整流级故障功率开关的检测与定位,定义趋势百分比函数。通过检测状态残差的变化与识别整流区间内直流母线电压的变化趋势实现故障开关的检测与定位,完成故障诊断体系的搭建。为解决IMC功率开关故障失效后,如何维持系统持续稳定运行的问题,本文提出一种基于冗余开关的IMC容错控制策略。该策略从冗余拓扑的角度出发,在相冗余容错拓扑的基础上改进与拓展,设计基于冗余开关的IMC容错拓扑结构。根据IMC功率开关不同类型故障的特征,结合该容错拓扑的特点,设计控制策略,系统将会在功率开关故障时有序控制双向晶闸管的导通与单刀双掷开关的动头位置,切换故障功率开关的开关信号至对应的冗余开关,实现故障容错重构的任务。该策略在不改变原有调制策略与不降低系统输出功率的前提下,可以实现单管开路故障、双管开路故障、单管短路故障与双管短路故障四大类故障的有效容错。最后,在Matlab/Simulink平台搭建IMC的仿真电路模型,利用M语言编程,搭建IMC的故障诊断系统与容错控制系统,进行仿真实验验证。仿真实验结果验证了所提出的故障诊断方法与容错控制策略的正确性与可行性。

关键词：间接矩阵变换器故障诊断容错控制混合逻辑动态模型

间接矩阵变换器共模电压频域分析与低频抑制策略研究

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间接矩阵变换器共模电压频域分析与低频抑制策略研究

作者：黄林峰河北工业大学

学位级别：硕士

间接矩阵变换器(Indirect Matrix Converter,IMC)因输入输出特性、功率密度、运行效率、过载能力等优势,在新能源发电系统和交流电机传动领域具有广泛的应用前景,但基于脉宽调制的IMC不可避免会产生共模电压。在电机驱动系统中,共模电... 详细信息

间接矩阵变换器(Indirect Matrix Converter,IMC)因输入输出特性、功率密度、运行效率、过载能力等优势,在新能源发电系统和交流电机传动领域具有广泛的应用前景,但基于脉宽调制的IMC不可避免会产生共模电压。在电机驱动系统中,共模电压在开关跳变时刻会产生较大du/dt,流入地线产生高频漏电流,给周围设备带来电磁干扰问题。此外高频高幅值共模分量作为激励源,会在电机转轴上感应出轴电压,在杂散电容作用下形成轴承电流,破坏绕组绝缘,导致轴承损坏,影响电机可靠运行。虽然现有多种抑制IMC共模电压峰值的调制方法被提出,但对于IMC共模电压频域特性的研究较少。本文从频域角度出发,对多种IMC调制方法的共模分量进行频域特性研究,完善共模电压频域理论,为进一步抑制IMC的输出共模电压提供理论参考依据。本文首先对IMC传统空间矢量调制方法的基本原理进行介绍,然后基于三重傅里叶级数对IMC的输出共模电压进行数学建模,获得共模电压频谱,量化分析调制参数零矢量占空比系数和电压传输比对共模分量的影响。根据分析结果,提出在不同电压传输比下的最优零矢量占空比系数ik(min))的调制策略,大幅度降低了共模分量3f幅值,有效抑制了IMC输出低频共模分量。为进一步完善IMC输出共模电压频域特性理论,本文以抑制42.3%共模电压峰值的5种调制方法为研究对象,利用三重傅里叶级数获得该5种调制方法对应的共模电压频谱,对比分析了5种调制方法输出共模分量在不同电压传输比下的变化规律,基于分析结果,评估了该5种调制方法对输出共模分量的抑制能力。为简化三重傅里叶建模的复杂性,提出共模电压有效值的建模方法,通过计算不同调制方法的输出共模电压有效值,根据有效值大小来评估5种调制策略对共模电压的抑制能力。通过分析传统空间矢量调制方法输出共模分量的频域特性可知,合理的选择零矢量占空比系数可以大大减小低频共模分量幅值,提高系统运行的可靠性。通过分析5种调制方法输出共模分量的频域特性可知:共模分量主要集中在开关频率处,且关于整数倍开关频率呈对称分布;距离开关频率越远的共模分量,其幅值越小;在较高频段的共模分量,其幅值呈减小变化趋势。从频域角度评估5种调制方法对共模电压的抑制能力可知,逆变级采用四有效电压矢量的调制方法对共模分量的抑制效果最好。最后通过实验验证了间接矩阵变换器输出共模电压频域特性的理论分析的正确性。

关键词：间接矩阵变换器三重傅里叶级数零矢量占空比系数电压传输比频域特性共模分量

间接矩阵变换器-异步电机调速系统模型预测控制权重系数自整定方法

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电工技术学报 2020年第18期35卷 3938-3948页

作者：梅杨易高北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心北京100144

权重系数是模型预测控制中至关重要的控制参数,直接影响着被控系统的运行性能。为了保证间接矩阵变换器驱动异步电机调速系统可以在不同工况下具有良好的运行特性,该文提出一种权重系数自整定方法。该方法基于模糊理论,将模型预测控制... 详细信息

权重系数是模型预测控制中至关重要的控制参数,直接影响着被控系统的运行性能。为了保证间接矩阵变换器驱动异步电机调速系统可以在不同工况下具有良好的运行特性,该文提出一种权重系数自整定方法。该方法基于模糊理论,将模型预测控制方法中的各个性能指标作为模糊输入变量,权重系数作为模糊输出变量,利用模糊控制算法实时调节权重系数,以适应负载工况和运行状态的变化。仿真和实验结果表明,在系统运行过程中权重系数实现了适应不同工况的自整定。采用基于自整定参数的模型预测控制方法,保证了良好的网侧电能质量和异步电机优越的动静态调速性能。与传统恒定权重系数的模型预测方法相比,网侧电流中谐波畸变率显著降低。

关键词：权重系数模型预测间接矩阵变换器模糊理论自整定

间接矩阵变换器-异步电机调速系统的优化模型预测控制

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电工技术学报 2019年第14期34卷 2884-2893页

作者：梅杨王梁黄伟超北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心

在间接矩阵变换器-异步电机调速系统采用模型预测控制(MPC)时,由于开关状态有限,且控制频率固定,使得每个采样周期内的变换器输出电压矢量幅值受限,因此在电机中低速区域运行时,有限个输出电压矢量均与目标参考差异较大,从而导致网侧电... 详细信息

在间接矩阵变换器-异步电机调速系统采用模型预测控制(MPC)时,由于开关状态有限,且控制频率固定,使得每个采样周期内的变换器输出电压矢量幅值受限,因此在电机中低速区域运行时,有限个输出电压矢量均与目标参考差异较大,从而导致网侧电流和电机定子电流波形有大量谐波,进而引起电机转矩和磁链波动。针对这一问题,提出一种优化模型预测控制方法,以网侧电流和电机磁链矢量为控制目标,在矩阵变换器的逆变级电路中插入变占空比的零矢量开关状态,通过理论分析和推导开关状态作用时间约束及品质优化函数的单调性,求取最优占空比及相应的开关状态组合,从而提高矩阵变换器在不同工况下的输入输出性能。同时,零矢量的插入可实现整流级电路中双向开关的零电流换相,以保证矩阵变换器的安全可靠运行。仿真和实验结果表明,该方法可实现矩阵变换器良好的网侧电能质量和电机优良的动静态性能,且比起传统的模型预测控制方法,该方法的网侧电流和电机电流谐波明显降低,尤其是在电机中低速运行工况下效果更好。

关键词：间接矩阵变换器模型预测控制零电流换相