Математический анализ и моделирование преобразователя частоты матричного типа с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции

Abstract

Матричные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах переменного тока являются одним из перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода переменного тока. Возможность рекуперативного торможения позволяет расширить сферу применения частотных преобразователей и улучшить их эксплуатационные характеристики. В работе использованы общие положения теории цепей, методы математического и численного моделирования, линейная алгебра, теория нелинейных и дискретных систем управления и теория цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования в данной работе является метод математического моделирования. При обработке результатов исследований широко применялось современное программное обеспечение. Произведен полный математический анализ силовой схемы матричного преобразователя частоты вместе с вычислением коммутационных циклов (алгоритма коммутации) как для низкого коэффициента передачи напряжения (0,5), так и для максимального коэффициента передачи напряжения (0,866). Рассмотрена работа преобразователя частоты матричного типа, представляющего собой комбинацию виртуального активного выпрямителя и виртуального автономного инвертора напряжения с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции. Разработаны имитационные модели такой системы и представлены результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink. Представленные результаты исследований показывают, что высокие качественные показатели электропривода с матричным преобразователем частоты, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Данный вид преобразователей может с успехом найти применение в машинах двойного питания для ветрогенераторов, на производственных линиях в стальном производстве, на погрузочно-разгрузочных устройствах, лифтах, подъемниках, в стендах обкатки двигателей внутреннего сгорания, а из-за меньших массогабаритных показателей матричный преобразователь частоты может найти применение в тех областях промышленности, где размер и вес преобразователя имеют жизненное значение, а ограничение величины выходного тока некритично, как например в аэро- и космической промышленности. Однако несмотря на все свои преимущества над схемами обычных преобразователей частоты, схемы матричных преобразователей пока не нашли широкого применения ввиду большого количества полупроводниковых приборов и сложных алгоритмов управления. The matrix frequency converter on controllable AC switches is considered to be a promising solution in the field of energy saving and AC drive development. The potential regenerative braking enlarges the application field of frequency converters and improves their performance. We used the circuit theory fundamentals, methods of mathematical and numerical modeling, linear algebra, the theory of nonlinear discrete control systems and the theory of digital signal processing. The method of mathematical modeling is the main research method. Up-to-date software was used for processing the study results. The study presents a comprehensive mathematical analysis of the power circuit matrix converter as well as a calculation of the operating cycles (switching algorithm) both for low voltage transfer ratio (0.5) and maximum voltage transfer ratio (0.866). The study considers the operation of matrix frequency convertor which is a combination of virtual active rectifier and virtual autonomous voltage inverter with direct control by the method of space vector modulation. The system simulation models are developed by using MATLAB/Simulink, and the simulation results are presented. The study results show a high-performance of the electric drive with matrix converter frequency. Consequently, the device seems to have broad industrial and engineering prospects. Particularly, the converter can successfully be used in doubly fed machines for wind turbines, steel production lines, loading and unloading devices, elevators, lifts, running stands of internal combustion engines. Smaller matrix frequency converter dimensions and weight make it useful in the industries where size and weight of the converter are of vital importance, and the output current limit is not critical, e.g. aircraft and aerospace industry. However, despite their advantages over conventional frequency inverter circuits, circuit matrix converters has not been widely applied due to a large number of semiconductor devices and sophisticated control algorithms.