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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)中矩陣變換器的設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 將矩陣變換器用作雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的勵(lì)磁變換器，以間接空間矢量調(diào)制和四步換流法作為理論依據(jù)，并對(duì)扇區(qū)的劃分方法、及小占空比算法處理上進(jìn)行改進(jìn)，采用DSP與CPLD相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的數(shù)字化。
- 詳細(xì)介紹：
- 該作品對(duì)風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)交-交變頻器、交-直-交變頻器等性能進(jìn)行比較分析得出了矩陣變換器的優(yōu)越性能，比較深入的研究了矩陣變換器的調(diào)制算法、換流策略，并在此基礎(chǔ)上對(duì)算法中的扇區(qū)計(jì)算、小占空比信號(hào)進(jìn)行了改進(jìn)和處理。采用DSP與CPLD相結(jié)合的方法完成矩陣式變換器的制作，在試驗(yàn)中選取電機(jī)作為負(fù)載，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，經(jīng)過測(cè)速計(jì)測(cè)速的結(jié)果表明設(shè)計(jì)的矩陣變換器成功實(shí)現(xiàn)了變頻，調(diào)壓，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。經(jīng)過多方面的試驗(yàn)驗(yàn)證表明該設(shè)計(jì)具有以下特性：（1）輸入側(cè)電流諧波含量少，功率因數(shù)高，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響?。唬?）功率因數(shù)、輸出電壓等可以自由調(diào)節(jié)，操作方便。（3）能量具有雙向流動(dòng)，完全能夠符合電機(jī)的四象限運(yùn)行；（4）控制算法簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。 綜上所述，該作品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)有：（1）對(duì)扇區(qū)分界點(diǎn)的優(yōu)化處理。尤其是電壓矢量角處于330度和360度時(shí)，目前已有的處理是采用忽略等方法，這樣會(huì)造成三相電壓的缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。因此本設(shè)計(jì)在DSP程序中對(duì)算法進(jìn)行修正，對(duì)扇區(qū)的分界采用角度先與30度相減后再對(duì)60度求模。而不是直接對(duì)60度求模法，經(jīng)過示波器觀測(cè)波形得出系統(tǒng)輸出的正弦度有了較大的改善。（2）由于占空比信息是經(jīng)過對(duì)三相電壓的幅值進(jìn)行算法處理后得出，因此，系統(tǒng)會(huì)存在一些占空比比較小的信號(hào)，這種小占空比信號(hào)的存在，降低了系統(tǒng)通用性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓，目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)該占空比信號(hào)都采取忽略的措施，并未有定量的分析。為改善系統(tǒng)的通用性，在CPLD的 Verilog HDL程序設(shè)計(jì)中采用鎖存器，將小占空比進(jìn)行鎖存，并對(duì)其小占空比設(shè)置了一個(gè)裕量，即在小于該裕量時(shí)，采用常規(guī)的忽略方式，大于該裕量時(shí)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，在換流結(jié)束后，系統(tǒng)再接收其他換流策略碼信息。經(jīng)過實(shí)際電路檢測(cè)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 交流勵(lì)磁系統(tǒng)是交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，目前常采用交直交變換器作為勵(lì)磁系統(tǒng)的主要部件，該變換器中間有直流濾波電容環(huán)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大，安裝不方便，其電解液易揮發(fā)，壽命有限，維護(hù)起來(lái)困難，并且這種變換器功率因數(shù)低，其使用會(huì)帶來(lái)諧波污染問題。因此，一種新型的變換器-矩陣變換器得到了世界各國(guó)專家學(xué)者的關(guān)注。該矩陣變換器是一種從交流到交流的自然變換器，諧波污染少。目前矩陣變換器理論調(diào)制算法并未成熟，常常導(dǎo)致輸出波形有缺失，正弦度不夠好，不能滿足工業(yè)需求。本作品對(duì)間接空間矢量調(diào)制法進(jìn)行改進(jìn)，使得算法易于實(shí)現(xiàn)，輸出波形正弦度更接近實(shí)際。因此，搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了矩陣變換器數(shù)字化。本設(shè)計(jì)不僅功率因數(shù)高，諧波污染少，能夠滿足工業(yè)的需求，而且進(jìn)一步的推動(dòng)了矩陣變換器的實(shí)用化和產(chǎn)品化。 作品設(shè)計(jì)的基本思路：本設(shè)計(jì)首先對(duì)已有的控制算法進(jìn)行改進(jìn)，然后基于此設(shè)計(jì)了矩陣變換器?，F(xiàn)有間接空間矢量調(diào)制法中對(duì)小占空比信號(hào)輸出和扇區(qū)臨界點(diǎn)控制上都采用忽略不計(jì)，這樣實(shí)際波形輸出與理論計(jì)算波形差別較大。本設(shè)計(jì)對(duì)扇區(qū)臨界點(diǎn)處理提出了矢量角減30度然后對(duì)60度求模的算法，避免了臨界點(diǎn)的出現(xiàn)。在對(duì)于占空比信號(hào)問題上提出了閾值方法，根據(jù)所有小占空比情況設(shè)定閾值，當(dāng)占空比大于閾值時(shí)執(zhí)行，否則忽略，這樣就最大限度了減少了系統(tǒng)誤差。矩陣變換器電路設(shè)計(jì)包括主電路和弱電控制兩部分。主電路由開關(guān)電路、濾波電路、九個(gè)雙向開關(guān)、鉗位電路等構(gòu)成。弱電控制部分由采樣電路、整形電路、控制器電路、驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前常用的矩陣變換器調(diào)制策略有直接傳遞函數(shù)法、間接空間矢量調(diào)制算法、直接空間矢量調(diào)制算法、雙電壓控制法等。其中，間接空間矢量調(diào)制法因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。將該策略控制的矩陣變換器應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)中已經(jīng)取得了理論性的突破，但其實(shí)際的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)及工業(yè)應(yīng)用還存在諸多問題。本設(shè)計(jì)基于間接控制矢量調(diào)制算法改進(jìn)了扇區(qū)臨界點(diǎn)和小占空比算法，使得算法易于實(shí)現(xiàn)，波形輸出正弦度更接近實(shí)際。本設(shè)計(jì)不僅功率因數(shù)高，諧波污染少，能夠滿足工業(yè)的需求，而且進(jìn)一步的推動(dòng)了矩陣變換器的實(shí)用化和產(chǎn)品化。 作品采用電機(jī)作為負(fù)載，經(jīng)過電機(jī)的實(shí)際調(diào)速試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該作品成功實(shí)現(xiàn)了變頻、調(diào)壓等變換器的基本功能，并且，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，輸出電壓、電流夾角接近于零，功率因數(shù)高。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作品為九個(gè)雙向開關(guān)的矩陣變換器，在電路設(shè)計(jì)中，將驅(qū)動(dòng)模塊與電路集成到一個(gè)電路系統(tǒng)。在使用時(shí)與三相負(fù)載直接連接，即可投入使用。 該作品的應(yīng)用范圍廣泛，可以應(yīng)用于通用交流變頻傳動(dòng)、車輛牽引、風(fēng)力發(fā)電、以及航空等領(lǐng)域。由于作品是一種“綠色”變換器，能解決因諧波污染帶來(lái)的電力系統(tǒng)環(huán)保問題，可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟(jì)效益。因此該設(shè)計(jì)能促進(jìn)全球工業(yè)的發(fā)展，能產(chǎn)生重大的節(jié)能效益。
同類課題研究水平概述
- 近幾年來(lái)，由于電力電子器件技術(shù)的迅速發(fā)展，矩陣變換器的實(shí)用化受到了世界各國(guó)專家學(xué)者的關(guān)注。國(guó)外學(xué)者研究成果中比較著名的有歐洲的EUEPC公司在2001年開發(fā)了專用于矩陣變換器的開關(guān)矩陣模塊；德國(guó)西門子公司在2001年提出了一整套適用于工業(yè)傳動(dòng)控制領(lǐng)域的矩陣變換器解決方案；丹麥Aalborg大學(xué)電力電子研究中心在2002年研制了適用于工業(yè)生產(chǎn)的矩陣變換器樣機(jī)；日本富士電機(jī)公司在2003年開發(fā)出了適用于矩陣變換器的RB-IGBT模塊；日本安川電機(jī)公司在2004年推出了矩陣變換器產(chǎn)品；英國(guó)Nottinghan大學(xué)的研究人員在2004年成功地開發(fā)了一臺(tái)150kVA矩陣變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于矩陣變換器的研究還處于理論研究和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)研究。主要代表有：福州大學(xué)湯寧平、方旭陽(yáng)、邱培基分析和推導(dǎo)了三相矩陣式變換器在電流滯環(huán)跟蹤控制方式下的開關(guān)函數(shù)；浙江大學(xué)黃科元建立了矩陣變換器供電的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向的矢量變換控制系統(tǒng)模型，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該方案的正確有效性；清華大學(xué)黃立培教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開始針對(duì)矩陣式變換器在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。 目前國(guó)內(nèi)尚未有矩陣變換器的產(chǎn)品問世，本作品為矩陣變換器的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，基于理論與計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，采用DSP和CPLD等控制器進(jìn)行矩陣變換器工業(yè)樣機(jī)的研制。因此該項(xiàng)目的研究對(duì)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的矩陣變換器技術(shù)發(fā)展有著重大意義，同時(shí)將推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力事業(yè)的發(fā)展。
