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计算机在电力电子系统中的应用

Mahendran Nagalingam¹, Dr.G.Gurusamy²

1-研究学者bannari安曼技术学院，sathyamangalam，泰米尔纳德邦，印度

2教授/主任，bannari安曼技术学院，sathyamangalam，泰米尔纳德邦，印度

摘要：计算机在电力系统中的应用扮演着一个重要的角色，用来验证系统的性能和实时监控系统。大多数的电气系统采用LabVIEW等软件实时监控电气转变。在本文中，我们专注于电力电子变换系统。电力电子系统利用MATLAB软件能够很方便地模拟。在这里，我们给出的矩阵变换器的简单仿真和结果。在电气工程中，电力电子系统的清洁能源发展是一个新兴的研究领域。大多数的电力电子系统介绍了电力系统谐波。消除谐波是一个繁琐的过程。不同控制策略的发展，用来减少谐波。在整流逆变电源系统，由于直流滤波器的影响，带来了许多缺点。矩阵变换器避免了直流环节滤波输出的方法输入。在本文中，我们模拟了单相矩阵变换器。利用计算机上MATLAB软件仿真并使用pic89c51验证其独创性。最后，我们比较谐波的不同值。

关键字：矩阵变换器；清洁能源；整流逆变电源；谐波；直流滤波；PIC89C51；计算机应用

1、引言

总谐波失真（THD）是最常见的电能质量指标，用来描述电力电子变换器的质量。一般来说，所有的电力电子变换器的输出电压并不是纯粹的正弦。对于变频器的应用，THD代表如何接近纯正弦波形的交流输出波形。一个高质量的矩阵变换器系统应具有低THD。各种针对电机谐波损耗的研究，表明存在在绕组铜损上会有谐波电流增加^{[ 1 ]}。这与在非正弦电源定子铜耗的总电流有效值的平方成正比^{[ 2 ]}。在机器的损耗增加的电源电压和电流谐波的存在。谐波损耗的大小显然取决于电机的电压和电流的谐波含量。在低谐波频率下，大的谐波电压显著提高造成机器损耗和效率下降^{[ 3 ]}。许多理论已经对矩阵变换器有了充分的研究，却发现很少有实际应用在电力电子技术上。总所周知，矩阵变换器已经为AC-AC变换提供了一个“全硅”的解决方案，消除组件的无功能量存储，以满足常规整流逆变系统的需要。其拓扑结构在1976年，由久吉首次提出^{[ 1 ]}。电路被设计安排，其变换器的输出线可以连接到任何输入线。显然，已发表的研究主要涉及三相电路的拓扑结构。本文的主要目的是描述已经被证实的SPMC的成功应用，利用总所周知的SPWM技术设计并实现其输出结果。在该过程中，微控制器被用来产生正弦脉宽调制（SPWM），作为SPMC功率开关器件。在硬件实现之前，用于进行模拟预测。一种试验装置的SPWM室内模型试验台被构建去进行这项研究^{[ 3 ]，[ 4 ]}。然而，由于一些实际问题，如共模电压的影响、输入功率的高敏感性扰动和低电压传输比，使得矩阵变换器的工业应用仍然是非常有限的^[5]。为了扩展在多个分布式电源应用中的矩阵变换器的水平，这一研究工作致力于模拟实际的矩阵变换器。本研究提出一个已被R报道过的减少THD的PWM策略。这些结果给出了各种操作频率的比较。单相矩阵变换器被开发并使用MATLAB仿真软件模拟，验证实时系统这一结果。

2、直接AC/AC变换器

AC/AC转换器通常归类于间接转换器（利用两个交流系统和提供直接转换的直流转换器建立一个直流链接）。间接变换器由两转换阶段和储能元件组成，它将交流输入转换成直流，然后再转换回直流侧去输出频率、幅值可变的交流[9]。只要平均能流是平等的，那么这些转换阶段的操作通过储能元件以及独立的控制的方法被一瞬间解耦。图1展示了单相矩阵变换器的布置电路图。

图1、单相矩阵变换器：其中S1A是双向开关

图2、单相矩阵变换器：其中S1A和S4A导通（正半周）

图3、单相矩阵变换器：其中s1b和S4b导通（负半周）

图4、单相矩阵变换器：其中S2a和S3a导通（正半周）

图5、单相矩阵变换器：其中S2a和S3a导通（负半周）

矩阵变换器需要一个能够在两个方向上阻断电压与导通电流的双向开关。不幸的是，没有离散的组件能够满足这些需求。为了克服这一问题，通常在IGBT的共发射极反并联二极管对^{[ 6 ]}。二极管用来提供反向阻断能力去开关模块。

图6、产生正弦脉宽调制电路图

图2至图5显示矩阵变换器的4中操作模式。图6显示了利用MATLAB生成正弦的脉冲宽度调制图。用C语言实现。在本研究中我们使用的是专用集成电路，其内置产生正弦PWM的功能。

3、不同的调制方案

具有幅度和角频率的正弦交流电压源连接到矩阵变换器的输入端。这是应用正弦电压转化为振幅和角频率的输出电压，并将其应用于负荷。输出的频率变化范围的上限比输入频率略低^{[ 7 ]}。

控制原理（S(t)）：

在Venturini算法中最大电压传输比50%是可能的。通过增加共模电压的输出目标将可实现的电压比提高到（87%）可能的。基于以下的理论分析我们可以研究这些电压变换比。从Venturini发明中可的悼念不同的调制技术（1980）^{[ 9 ]}。对ventrini算法的实现是很难的计算。我们期待着简单的算法和改进的电压变换比^{[ 10 ]}。下面的转换方程解释了输出电压的关系，也是对开关技术的回顾。方程1，2和3，展示了基本调制过程。

3.1 Venturini调制方法（Venturini第一方式）

其中 k=A, B, C and j=a, b, c

从方程（4）的第二项q = 1 / 2可得到电压变换比为50%。

3.2Venturini最优法（Venturini第二方式）

采用共模加法和最大转化率是87％。这也被称为位移因数控制[11]。位移因数控制可以通过将测量的输入电压和插入电压（千伏）之间的相移被引入。方程5表示调制指数和最大电压之间的转换这种关系。

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其中 k=A, B, C and j=a, b, c beta; k =0,2Pi;/3

3.3标量调制方法

驱动信号被直接从输入电压的测量中计算出来的。电压变比为87％。

这种方法产生几乎相同的开关时序优化Venturini方法[ 12 ]。最大输出电压（Q =）是相同的。唯一的方法之间的区别是在Venturini方法中最右边的术语加成随着Q按比例进行。公式6表明关系的调制指数和最大电压之间的转换。

3.4 SPVM

空间矢量脉宽调制应用于输出电压和输入电流控制。这种方法是因为在不平衡的条件下为输入电流和输出电压控制选择切换矢量时可以产生有用的增加灵活性而显示出优点。

3.5 直接调制方法

这种方法旨在增加上述的其他方法86.6％上限的最大电压比

电压比q=3KaKb/2.显然 A和B的调制步骤是不连续时刻，如上所示。

电压输出是大于先前的方法。如果Qgt;0.866，平均输出电压不再等于目标输出电压在每个开关间隔。与其它方法相比在qlt;0.866的情况下这不可避免地导致低频失真的输出电压.如果qlt;0.866，间接方法产生非常相似的结果的直接方法的输入电流。方程式7到10示出调制指数和最大电压变换[13]，[14]之间的关系。我们使用正弦脉宽调制来控制开关装置。

4、使用Matlab和PIC控制器的实时环境

图7显示了在实时环境电源和控制电路的实现。

图7 采用MATLAB的单相矩阵变换器仿真

一个简单的电路在实验室中利用现有的组件开发的。该控制电路由二极管桥，计数器电路和放大电路。当12V AC电源给出的桥式整流转换成12V直流。整流桥在于4007二极管。正串联稳压器（7805）下台桥式整流至5V的输出。此5V电压被给定为供给到计数器电路，它给出矩形脉冲作为输出。计数器电路由同步计数器（IC）构成。对于输入电压的每半个周期的计数器产生的方波脉冲以相应地触发晶闸管。该输出被提供给放大器电路。放大器电路包括四个达林顿对放大器，放大电流以触发相应的SCRs。达林顿对包括晶体管（SL 100）。每个达林顿对的输出被提供给脉冲变压器（1：1：1）。在变压器的初级上的电压感应在次级将触发可控硅上面提到的序列中。上述电路布置示于图8。

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已用于此研究的微控制器是PIC系列。PIC微控制器是第一款RISC微控制器制造，使用单独的总线进行指令和数据的CMOS。 CMOS的额外优势有噪音
免疫力比其他制造技术较少。各种微控制器提供不同种类的回忆。 EEPROM，EPROM，FLASH等，记忆FLASH是最近开发的。技术是，用于在PIC16F877A是FLASH技术，所以即使当电源关闭该数据将被保留。易于编程和擦除的PIC16F877A的其他功能。一种简单的方法来开发正弦脉宽调制见附录A.上述程序正在使用内置的PWM指令开发。

5、结果和分析

首先是对于电阻负载的单相矩阵变换器仿真。这一结果与Matlab仿真结果进行了比较。实时测量是继计算机模拟之后进行的。这证明，矩阵转换器是用于转换直接交流到交流的转换的技术。这种分析可从图9和图10.下一组分析是高压变比。这间接证明了前一说法。如果总谐波被降低，然后高电压将被变换到输出侧。以下部分证实了上述说法。为了分析，我们只拿输出电压为例。

图9 实际输出电压为25Hz（使用测科学DSO）

结果是模拟的25Hz的输出频率。在的情况下为25Hz输出电压是类似于图9（实施测量值）和图10（Matlab仿真）的。但有，在输出的形状没有变化。但是，输出电压和输出电流的有效值都存在不同。这可以减少电压变换率转换器的。但是，我们的目标是满足的。

图10 输出电压为25Hz（基于Matlab的电脑仿真测量）

图11 输出电流25Hz

表1展示出矩阵变流器的开环模拟具有不同的负载条件。总谐波畸变率是在开环空间矢量控制方法下测量的。通过改变所述逆变器的开关行为，可听噪声也可以被影响，因此被最小化。相比同类逆变器与传统的脉冲宽度调制，空间矢量调制提供良好的输出特性，达到最佳效率和高可靠性。

表1 无输出滤波器下的三种不同负载的总谐波畸变率比较（开环仿真）

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6、总结

本文提出了一种单相MC。通过采用正弦脉宽调制实现电压控制。对于各种频率值的输出结果，本文做出了测量。仿真结果验证了有关的硬件实现。安全换流原理也得以实现。这一原则可以实现三相矩阵变换器。进一步的仿真可以扩展到感性负载并且通过采用空间矢量脉宽调制可以实现更好的效果。如果我们很好的控制矩阵变换器，相位矢量控制也可以实现。需要注意的是，单位识别是珍格格乏味过程中很重要的一点。当然，如果这个算法是利用数字信号处理器做开发，那么则会变得简单。

7、参考文献

[1] V. Ramanarayanan, Matrix converter, “Proceedings of national workshop on power electronics NWPE2006”, NAMPET, IIT Kanpur.

[2] P.D.Ziogas, S.I.Khan and M.H. Rashid, “Analysis and design of forced commutated cycloconmverter structures with improved transfer characteristics”, IEEE transactions on Industrial Electronics, vol.IE-33, August 1986, 271-280.

[3] Patrick W. Wheeler, Jose Rodriguez, Jon C .Clare , Lee Empreingham and Alejandro Weinstein,”Matrix Converters: A Technology Review”, IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol.49,No.2,April 2002,282-285

[4] C. L. Weft and C. D. Schauder, “Theory and design of 30HP matrix converter”, IEEE Transactions on Industria

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