矩阵变换器—永磁同步电机调速系统稳定性研究

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矩阵变换器无需大的储能元件即可实现交-交直接功率变换,具有对电网谐波污染小、能量双向流动、结构紧凑、功率密度高等特点,是一类极具发展潜力的功率变换器。矩阵变换器在输出功率超过一定限值时运行会变得不稳定,输入侧电压、电流出现高频振荡,导致向电网注入谐波并危害功率器件,因此开展对矩阵变换器稳定性问题的研究具有实际意义。本文结合非线性动力学理论研究了矩阵变换器的稳定性问题。针对矩阵变换器-阻感负载系统在不稳定运行时的高频振荡现象,从非线性动力学角度研究了其本质原因,分析了系统在功率限值附近的特性。建立了矩阵变换器-阻感负载系统在dq旋转坐标系下的基波模型,对其在平衡点处做线性化处理,并通过数值方法获得近似线性化矩阵的特征值变化轨迹。根据特征值轨迹的变化规律验证了Hopf分岔定理的条件,据此判定矩阵变换器不稳定振荡的本质是非线性系统在临界点处的Hopf分岔现象。对系统在功率限值附近的特性做了仿真和实验研究,结果验证了矩阵变换器基波模型在低频范围内的有效性。针对矩阵变换器-阻感负载系统数学模型体现出的强非线性,研究了其混沌动力学特性。建立了系统的无量纲数学模型,比较模型相轨线和典型混沌系统相轨线之间的异同,指出无量纲系统具有混沌系统的典型特征——轨线对初值的极端敏感性及自相似性。对仿真结果做频谱分析并计算非线性系统的Lyapunov指数,分别从定性和定量角度证明:系统基波模型在输出功率大于稳定功率限值时具有混沌特性。对矩阵变换器不稳定振荡时的非线性特性做了实验分析,根据实验数据获得电压、电流变量的相轨迹并做频谱分析,结果在一定程度上与仿真结果相近,说明矩阵变换器在不稳定振荡时可能存在混沌特性。将稳定性问题研究扩展至矩阵变换器-永磁同步电机系统,分析了其稳定运行边界随系统参数的变化规律。用“占空比矢量法”描述矩阵变换器的输入输出关系,建立了包括电源、变换器、永磁同步电机和矢量控制器在内的系统微分方程模型,推导了系统在平衡点附近的小信号模型。根据Lyapunov稳定判据,通过数值方法得到系统的稳定运行边界。分析了稳定边界的功率特性及系统参数对稳定运行区域的影响。理论分析及数值计算表明,矩阵变换器输出功率限值与电机稳态工作点的选取有关;参数对系统稳定性的影响表现出一定的规律性。仿真结果验证了文中的建模和分析正确、有效,相关结论和实验研究对矩阵变换器-永磁同步电机系统参数设计和性能分析具有指导意义。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 绪论第8-24页
    1.1 课题研究背景及意义第8-10页
    1.2 矩阵变换器技术研究综述第10-20页
        1.2.1 矩阵变换器技术研究概况第11-19页
        1.2.2 矩阵变换器技术应用前景及发展趋势第19-20页
    1.3 矩阵变换器稳定性研究概况第20-22页
    1.4 论文主要研究内容第22-24页
第二章 矩阵变换器间接空间矢量调制研究第24-40页
    2.1 矩阵变换器拓扑结构第24-26页
    2.2 矩阵变换器调制运行数学基础第26-30页
    2.3 矩阵变换器间接空间矢量调制第30-37页
        2.3.1 矩阵变换器低频传递矩阵第30-32页
        2.3.2 矩阵变换器等效交-直-交变换及空间矢量调制第32-37页
    2.4 矩阵变换器样机系统与实验结果第37-39页
    2.5 本章小结第39-40页
第三章 矩阵变换器稳定性分析及Hopf 分岔判定第40-57页
    3.1 矩阵变换器运行稳定性小信号分析第40-45页
        3.1.1 矩阵变换器旋转坐标系数学模型第40-43页
        3.1.2 矩阵变换器小信号模型第43-44页
        3.1.3 矩阵变换器稳定性分析第44-45页
    3.2 矩阵变换器Hopf 分岔分析第45-49页
        3.2.1 矩阵变换器无量纲数学模型第45-46页
        3.2.2 矩阵变换器Hopf 分岔判定第46-49页
    3.3 矩阵变换器稳定性仿真及实验研究第49-56页
        3.3.1 矩阵变换器在平衡点附近的近似线性解第49-52页
        3.3.2 矩阵变换器稳定性分析仿真研究第52-54页
        3.3.3 矩阵变换器稳定性分析实验研究第54-56页
    3.4 本章小结第56-57页
第四章 矩阵变换器混沌动力学特性分析第57-73页
    4.1 矩阵变换器无量纲模型混沌特性第57-64页
        4.1.1 混沌动力系统典型特性第57-61页
        4.1.2 无量纲模型相轨线对初值的极端敏感性第61-62页
        4.1.3 无量纲模型相轨线的自相似性第62-64页
    4.2 矩阵变换器混沌特性判定第64-68页
        4.2.1 频谱分析法第64-65页
        4.2.2 Lyapunov 指数法第65-68页
    4.3 矩阵变换器混沌特性实验分析第68-72页
        4.3.1 频谱分析第68-70页
        4.3.2 相轨迹分析第70-72页
    4.4 本章小结第72-73页
第五章 矩阵变换器-永磁同步电机调速系统稳定性分析第73-99页
    5.1 永磁同步电机模型及矢量控制第73-81页
        5.1.1 永磁同步电机数学模型第73-78页
        5.1.2 永磁同步电机矢量控制策略第78-79页
        5.1.3 永磁同步电机矢量控制实验研究第79-81页
    5.2 矩阵变换器-永磁同步电机调速系统稳定性分析第81-93页
        5.2.1 状态方程数学模型第81-88页
        5.2.2 小信号数学模型第88-89页
        5.2.3 稳定运行区域及边界分析第89-91页
        5.2.4 系统参数对稳定运行区域的影响分析第91-93页
    5.3 矩阵变换器-永磁同步电机调速系统稳定性仿真研究第93-96页
        5.3.1 稳定运行区域第93-95页
        5.3.2 参数对稳定性的影响第95-96页
    5.4 矩阵变换器-永磁同步电机调速系统稳定性实验研究第96-97页
    5.5 本章小结第97-99页
第六章 总结与展望第99-101页
参考文献第101-113页
发表论文和参加科研情况说明第113-114页
致谢第114页
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