多相PWM变换器控制技术研究
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摘 要
矩阵变换器作为“绿色”变频器，具有输入和输出电流都是正弦波特性；输
入功率因数的可控性；能量传输的可逆性以及体积小等优良品质，自 1980 年提出
矩阵变换器理论以来受到了很多研究者的重视。然而矩阵式变换器与交-直-交电
压型变频器相比较，电压的利用率较低，其最大值只有 86.6%。使用“注入谐波”
法虽然提高了电压利用率，但是输出波形的质量和输出侧的电能质量都不佳。
为了克服上述缺陷，本文提出了采用 Cuk 电路作为矩阵变换器的逆变电路的
方案，以发挥其升压特性，使矩阵变换器的电压传输比达到或超过 1.0。本文主要
围绕矩阵式变换器的电路拓扑结构，开展深入的研究，提出基于 Cuk 逆变器的五
相矩阵变换器，并对该矩阵变换器的滑模控制策略进行研究。
本文首先介绍了矩阵变换器的发展和研究现况。针对矩阵变换器的电压利用
率较低的问题，概述了矩阵式变换器电压传输特性的研究现状，并给出了本课题
研究的背景和意义。
其次在 Cuk 直流变换器分析的基础上，构建了 Cuk 逆变器的结构，并且对理
想状态下的 Cuk 逆变器进行了建模分析，总结了该逆变器的优点。提出了基于
Cuk 变换器的三相矩阵式变换器，通过分析该拓扑结构，将三相 Cuk 矩阵式变换
器拓展到五相 Cuk 矩阵式变换器，以满足多相电力推动的要求。
为了研究 Cuk 型五相矩阵变换器逆变侧的滑模控制策略，在第三章概述了滑
模控制的基本原理、滑模控制系统中的基本问题以及该控制系统存在的问题，并
总结了滑模控制结构的优点和局限性。
在第四章分析了五相 Cuk 型矩阵式变换器的控制策略，即整流级采用无零矢
量的空间矢量调制，逆变侧采用时变滑模控制策略，并且分析了采用时变滑模控
制策略时系统的稳定性。
最后使用 MATLAB/SIMULINK 对五相 Cuk 型矩阵变换器控制系统的仿真，
结果表明 Cuk 型矩阵式变换器输出电压为标准的正弦波，谐波含量很低，有效弥
补了矩阵式变换器电压传输比低的缺陷。
关键词：Cuk 变换器 电压传输比 矩阵变换器 滑模变结构控制
ABSTRACT
Mactrix Converter is known as a “green” inverter with many good qualities, such
as the sinusoidal current of input and output, the controllable input power factor, the
reversible energy trasfer as well as smaller size and so on. Since the theory of matrix
converter was proposed in 1980, Matrix Converter has attracted the attention of a lot of
researchers. However, compared to the AC-DC-AC voltage-type inverter, the Matrix
converter has lower utilization of voltage and its maximum is only 86.6%. Though
"Harmonic injection" method can increase the voltage utilization, the quality of the
output waveform and the power quality on output side are still both poor.
In order to overcome the above deficiencies, this paper presents a program which
uses the Cuk circuit as matrix inverter circuit, so as to play its step-up feature, and
make matrix converter voltage transfer ratio reach or more. In this paper, we conduct
in-depth study of Matrix converter circuit topology, and submit a five-phase matrix
converter bassing on Cuk inverter and research the sliding model control strategy for
this matrix converter.
At first, this paper introduces the development of the matrix converter and
research status. For the low voltage utilization issue of the matrix converter, we give an
overview of the research status about the voltage transfer characteristics of matrix
converter, as well as the background and significance of this study.
Second, on the analysis of the Cuk DC-DC converter, we construct an inverter
structure which bases on Cuk circuit, analyze the Cuk inverter under the ideal state,
and summarize the advantages of this inverter. Then a three-phase matrix converter
basing on Cuk converter is proposed, by analyzing the topological structure,
three-phase basing on Cuk inverter matrix converter is extended to five-phase , in order
to meet the requirements of multi-phase power driving.
To study the sliding mode control strategy on the inverter side of five-phase
Cuk-type matrix converter, the third chapter outlines the basic principles of sliding
mode control, the basic issues of the sliding mode control system, the problems in this
control system, and summarizes the advantages and limitations of the sliding model
control structure.
In the fourth chapter, we analyze the control strategy of the five-phase Cuk-type
matrix converter, namely, the converter side uses the zero-vector space vector
modulation, and the inverter side uses the time-varying sliding mode control strategy.
And then we analyze the stability of the system whose inverter side uses the
time-varying sliding mode control strategy.
Finally, according to the MATLAB/SIMULINK software, the simulation results
of the five-phase Cuk-type matrix converter control system show that the output
voltage of Cuk-type matrix converter is a standard sine wave and its harmonic content
is low. The Cuk-type matrix converter effectively offsets the defects of low voltage
transfer ratio.
Key Words: Cuk Converter ，Voltage Transfer Ratio ，Matrix
Converter，Sliding Mode Variable Structure Control
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 前言 ..................................................................................................................1
§1.2 矩阵变换器发展历程 ......................................................................................1
§1.3 矩阵变换器存在的问题与研究热点 ..............................................................2
§1.4 矩阵变换器电压传输特性的研究现状 ..........................................................3
§1.5 本课题的主要研究内容 .................................................................................4
第二章 Cuk 型MC 拓扑结构 .........................................................................................6
§2.1 矩阵变换器概述 ..............................................................................................6
§2.2 Cuk 型DC-AC 逆变器 ................................................................................... 7
§2.2.1Cuk 型DC-DC 变换器电路分析 ......................................................... 7
§2.2.2Cuk 型DC-AC 逆变器拓扑及工作原理 .............................................. 9
§2.2.3 理想 Cuk 型DC-AC 逆变器分析 ...................................................... 10
§2.2.4 Cuk 型DC-AC 逆变器优点 ................................................................11
§2.3 三相 CMC 拓扑结构 .....................................................................................11
§2.4 五相 CMC 拓扑结构 .....................................................................................13
§2.5 本章小结 ..........................................................................................................14
第三章 滑模变结构控制 ...............................................................................................15
§3.1 滑模变结构控制理论概述 ...........................................................................15
§3.2 滑模变结构控制基本原理 ...........................................................................15
§3.2.1 滑动模态定义及数学表达 ..................................................................16
§3.2.2 滑动变结构控制的定义 ......................................................................17
§3.3 滑模控制系统的基本问题 ...........................................................................17
§3.3.1 滑动模态存在性 ..................................................................................17
§3.3.2 滑动模态可达性 ..................................................................................18
§3.3.3 滑动模态稳定性 ..................................................................................19
§3.4 滑模控制系统存在的问题 ...........................................................................20
§3.4.1 滑模系统的抖振问题 ..........................................................................20
§3.4.2 滑模变结构控制的优点及局限性 ......................................................21
§3.5 本章小结 .......................................................................................................21
第四章 Cuk 型MC 控制策略的研究 ...........................................................................22
§4.1 三相 Cuk 型MC 控制策略 ..........................................................................22
§4.1.1 整流侧无零矢量的空间矢量调制 .......................................................22
§4.1.2 逆变侧的调制 .......................................................................................27
§4.2 五相 Cuk 型MC 控制策略 ..........................................................................28
§4.2.1 Cuk 型MC 逆变侧的系统模型 ............................................................28
§4.2.2 Cuk 型MC 逆变侧的时变滑模控制 ....................................................34
§4.2.3 Cuk 型MC 逆变侧时变滑模控制下的稳定性分析 ............................37
§4.3 逆变侧滑模控制的仿真 ................................................................................44
§4.3.1 不同输出频率的仿真 ............................................................................45
§4.3.2 不同电压传输比的仿真 .......................................................................48
§4.3.3 输出电压超调量分析 ...........................................................................49
§4.3.4 电路参数对系统的影响 .......................................................................50
§4.4 本章小结 .......................................................................................................54
第五章 系统仿真 ...........................................................................................................55
§5.1 系统仿真原理图及结构模块 .........................................................................55
§5.2 系统仿真结果和分析 ...................................................................................58
§5.2.1 负载为感性负载 ...................................................................................58
§5.2.2 负载为五相异步电机 ...........................................................................60
§5.3 本章小结 .......................................................................................................62
第六章 总结与展望 .......................................................................................................63
§6.1 总结 ................................................................................................................63
§6.2 展望 ................................................................................................................64
参考文献 .........................................................................................................................65
附录 A：系统电路图 .....................................................................................................70
附录 B：整流侧的空间矢量控制模块 .........................................................................71
在读期间公开发表的论文 .............................................................................................72
致 谢 ...............................................................................................................................73
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 前言
随着经济的发展，人们为了追求更好、更便捷的生活，越来越依赖于电器设
备，这使得电能变得越来越短缺，而且还导致了使用煤炭发电所带来的环境污染
问题。如今能源短缺和环境污染成为了世界性的两大难题，所以学者们越来越多
的关注电气节能技术。虽然目前我国的电能生产量和消费状况名列世界前列，但
是还远远满足不了现今我国工业生产和人民生活的需要。在我国大力发展电气节
能技术的背景下，对交流变频技术的研究成为了研究的热点。
现阶段，在交流变频调速的应用中，基于传统 PWM 技术的交-直-交电压型
变频器，因为其技术发展比较成熟因而被使用的最多，但随着工业生产过程中对
节能要求的不断提高，以及电力器件向小体积、低成本发展的要求，矩阵式变换
器技术肯定会取代传统 PWM 技术，成为变频调速领域中使用最多的变频装置。
从20 世纪 80 年代开始，在欧美和日本很多大型公司就开始对矩阵式变换器
展开了研究，而在 05 年相继推出了使用矩阵变换器技术的产品，但是目前国内的
变频器生产厂商在这方面的研究还是空白。所以当该技术的大规模实用化、市场
化阶段到来的时侯，我国市场上将见不到具有我国知识产权的产品，而都是外国
公司的成熟产品。因此，对矩阵式变换器技术的研究是刻不容缓，而且研制出具
有我国自主知识产权的产品也是非常必要的。
§1.2 矩阵变换器发展历程
矩阵式变换器的概念[1]最早是由 L.Gyugi 和B.Pelly 提出的，他们使用晶闸管
和外部强制换流电路，首次实现双向开关的功能。
随后由晶体管构成双向开关的矩阵式变换器也被学者们提出来，并首次使用
数学方法系统的分析了矩阵式变换器低频特性，同时提出了基于“直接传递函数”
的矩阵式变换器的一种调制算法，而且这些学者做出了该矩阵式变换器的实验样
机[2,3]。在 1983 年，一名学者提出了基于“虚拟直流环节”概念的矩阵式变换器
的控制方法，该方法将矩阵式变换器等效为中间环节没有储能元器件的整流器和
逆变器的虚拟连接，并分别在等效的“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”上使用传
统的脉宽调制（PWM）技术[6,7]，有效的解决了能量的传输和反馈的问题。双电
压控制调制方法[13-15] 在1989 年由日本学者提出，这个方法最大的特点是指定幅
值和频率的输出电压是由三相输入电压的加权平均来得到的，而且在加权系数（各
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
