矩陣變換器在異步電機直接轉矩控制中的應用

嚴肅,王倩營,何登,陳亞東

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

矩陣變換器在異步電機直接轉矩控制中的應用

嚴肅,王倩營,何登,陳亞東

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

在異步電機直接轉矩控制系統中，采用矩陣變換器供電既能實現直接轉矩控制的效果，并且還具有矩陣變換器的優點。實現了將矩陣式變換器的空間矢量調制與異步電機基于定子磁場定向的直接轉矩控制技術相結合。該控制方式將矩陣式變換器的良好性能和直接轉矩控制的優點結合在一起，實現了異步電動機較好的調控性能,提高了交流調速性能并滿足節能要求。仿真結果表明:使用該控制策略的調速系統在加減速運行和負載轉矩變化等場合均具有良好的動靜態性能，為實際研究和設計提供了方便。

矩陣變換器；異步電機；空間矢量調制；直接轉矩控制

1 引言

隨著微電子技術和電力電子技術的發展，各種電力變換裝置陸續得到面世，矩陣變換器作為一種基于雙向開關的新型交—交變頻器得到了各國學者越來越多的關注，并分別對其進行了大量的研究。

直接轉矩控制技術自1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授提出后[1]，迅速發展成為的一種主流的交流調控技術。使用矩陣變換器供電的異步電動機,采用直接轉矩控制方法，一方面能夠較好的實現電機的傳動性能,另一方面也可以滿足日益嚴格的電網電能質量的要求[2],降低諧波污染。但是，在過去的一段時間里，國內外對矩陣變換器的研究主要集中在矩陣變換器自身拓撲結構等一系列問題上，而將矩陣變換器應用于電機調速系統的研究則相對較少[3]。

本文實現了一種采用矩陣變換器供電的異步電動機高性能調速系統的直接轉矩控制策略。利用該控制策略,可以同時實現矩陣變換器的空間矢量調制算法和異步電動機基于定子磁場定向的直接轉矩控制[4]。通過Matlab/ Simulink 仿真結果證明，采用上述組合控制策略的交流調速系統，既具有矩陣變換器的良好特性，又具有直接轉矩控制技術良好的動靜態性能。

2 矩陣變換器控制策略

作為一種含有個雙向開關的單級電力變換器，矩陣變換器可以通過雙向開關將輸入側相電源直接連接至輸出側相負載，是一種直接的AC/AC變換器。矩陣變換器的原理圖如圖1所示，它的主回路由9個雙向開關組成。每個雙向開關都具有雙向導通和雙向關斷的能力,可由兩個IGBT器件和兩個快速恢復二極管構成。

圖1 矩陣變換器拓撲和雙向開關構成

三相-三相矩陣變換器在理論上可以等效為1個電壓源整流器(VSR) 和1個電壓源逆變器(VSI)的虛擬連接，如圖2所示。在整流部分使用空間矢量調制得到正弦輸入電流和可調的輸入功率因數；在逆變部分使用空間矢量調制得到幅值和頻率可調的正弦輸出電壓,然后將兩者合二為一從而實現矩陣式變換器的調制[5]。

圖2 矩陣變換器等效模型

由于矩陣變換器的輸入端不能短路，輸出端不能短路，所以連至每一輸出相的3個開關任意時刻只能有一個閉合，故對于三相-三相矩陣變換器來說，可能的開關狀態組合有3×3×3=27種。

對任一開關狀態，定義輸出線電壓、線電流的空間矢量為：

(1)

(2)

同樣，定義輸入線電壓、線電流的空間矢量為：

(3)

(4)

根據相電壓與線電壓之間的關系，定義輸出相電壓的空間矢量為：

(5)

以此類推，可得出所有27種開關狀態所對應的輸出相電壓、線電壓和輸入線電流的空間矢量。可以看出：每個輸出電壓都與輸入電壓呈函數關系，每個輸入電流都與輸出電流呈函數關系。

這27種開關狀態可分為三類：第一類6種開關狀態的特點是：輸入相連接的每個輸出相都是不同的；第二類開關狀態的開管特點是：在三個輸出相中，其中有兩個連接的輸入相相同，而另一個則連至不同的輸入相；第三類的開關狀態的特點是：所有輸出相都連接到同一輸出相。第一組開關各輸出電壓和輸入電流的空間矢量角分別受其輸入輸出量的影響。所以，對于空間矢量調制(SVM)技術來說，這一組的開關狀態是沒有意義的。第二組開關的輸出電壓空間矢量和輸入空間電流都具有固定的空間電壓矢量角。第三組開關狀態產生零輸出電壓空間矢量和零輸入電流空間矢量，稱為“零矢量”。因此，第二組和第三組的開態關狀態可以用于SVM調制算法，如圖3所示。

3 DTC控制原理

根據電機模型方程,定子磁鏈矢量表示為：

ψs=∫(Vs-is×Rs)dt

(6)

式中：ψs為定子磁鏈矢量；Vs為定子電壓矢量；is為定子電流矢量；Rs為定子電阻。

在忽略定子電阻壓降的情況下,式(6)可以改寫為

Δψs=VsΔt

(7)

由式(7)可以看出,在一個極短的時間段內,作用某一電壓矢量后所產生的定子磁鏈矢量的改變量與該電壓矢量具有相同的方向。

在靜止的d-q坐標系中,異步電機的電磁轉矩方程為

圖3 第二組開關狀態確定的輸出線電壓空間矢量和輸入電流空間矢量

(8)

式中：np為電機的極對數；ψds、ψqs分別為ψs在d，q軸的分量；ids、iqs在d、q軸的分量。另一個有用的電磁轉矩公式為

(9)

式中：Ls，Lr分別為定子、轉子電感；Lm為互感；σ為漏感系數；ψr為轉子磁鏈系數；θ為轉矩角，即轉子磁鏈矢量跟定子磁鏈矢量的夾角。

異步電機直接轉矩控制是基于電壓空間矢量進行分析的。分別畫出矩陣變換器的輸出電壓空間矢量圖(圖中的中心點是三個“零矢量”)及磁鏈和轉矩控制原理圖。用于分析矩陣變換器產生的相電壓空間矢量和DTC所需的空間矢量之間的關系。這種控制方式的一個很大優點就是輸入的功率因數很高，甚至能達到單位功率因數[6]。

圖4 輸出相電壓空間矢量及磁鏈、轉矩控制原理圖

采用矩陣變換器供電最大的一個優點就是：只要控制矩陣變換器的輸入電壓空間矢量和輸入電流空間矢量的位置，即控制它們的角度差在一定的范圍內，就可以實現對系統輸入功率因數的控制。

定義Δθi為矩陣變換器輸入相電壓空間矢量角與輸入電流空間矢量角之差：

Δθi=χi-βi

(10)

基于以上分析，本控制算法理論上可以實現任意功率因數控制。只要將Δθi與所需功率因數角之差送入滯環控制器，即可將矩陣變換器輸入側功率因數控制為任意值。同理，如果系統要求輸入側為單位功率因數，而實際輸入功率因數角有偏差時，可用此方法實現功率因數的“微調”。綜上所述，采用矩陣變換器供電的直接轉矩控制系統，不僅滿足磁通和轉矩控制性能的要求，還能同時滿足調節功率因數的要求，而這正體現了該新型調速系統的重要優點。最后將DTC算法所需的電壓空間矢量和對應矩陣變換器的最優開關狀態的關系序列如表1所示。

圖的滯環比較器

表1 DTC的電壓矢量與MC開關狀態的對應關系

4 實驗仿真分析

為了驗證采用組合控制策略的調速系統的性能,本文在1 臺鼠籠式異步電動機上使用MATLAB 軟件進行了仿真研究。電機參數為:Rs=0.435Ω,Rr= 0.816Ω,Ls= 0.002H,Lr=0. 022H,Lm=0.693H,電機極對數p= 2。磁鏈參考值為Ψ=0. 56Wb。整個仿真模型及相關波形如下所示。

圖9是電機變速運行時電流、轉速、轉矩響應的波形圖,可以看出,矩陣變換器供電的永磁同步電機直接轉矩控制系統在短時間內由給定轉速(200r/min)變成(-200r/min),電流穩定正弦,且轉矩在變速過程中短時間內回復到恒值，且轉矩脈動小。

圖10是電機轉矩變動時運行時電流、轉速、轉矩響應的波形圖,可以看出,矩陣變換器供電的永磁同步電機直接轉矩控制系統在短時間內由給定轉矩(5N/m)變成(-5N/m),電流穩定正弦,且轉速在變轉矩過程中短時間內回復到恒值。

圖6 基于矩陣變換器的異步電機仿真模型

圖7 穩態運行時磁鏈軌跡圖

圖8 穩態運行時網側電壓電流波形圖

圖9 系統速度由(200r/min)跳變為(-200r/min)運行時波形圖

圖10 轉矩由(5N.m)突變為(-5N.m)時仿真波形圖

5 結論

本文根據矩陣變換器供電的異步電動機直接轉矩控制的基本原理,實現了基于矩陣變換器異步電機直接轉矩控制的組合控制策略。該控制策略同時實現了矩陣變換器的空間矢量調制和異步電機基于定子磁場定向的直接轉矩控制。仿真結果表明,在電機穩定運行,變速運行變化以及負載突變的條件下,都具有快速、穩定等良好靜動態特性,能夠實現能量雙向流動；且矩陣變換器的輸入電流和電壓具有同相位,保持單位功率因數,降低諧波污染,有利于改善電網質量。

[1] Venturini M. A New Sine Wave in Sine Wave Out Conversion Technique which Eliminates Reactive Elements[A].Proceeding s Powercon7[C].USA:IEEE,1980:E3-1-E3-15.

[2]Alesina A,Venturini M .Intrinsic Amplitude Limits And Optimum Design of 9-switches Direct PWM AC-AC Converters[A].IEEE Proc.of PESC[C].Kyoto,Japan:IEEE,1988:1 284-1 291

[3]丁偉,朱建林,李志勇.空間矢量調制的矩陣式變換器的仿真模型[J].湘潭大學自然科學報,2002,24( 3):100-103.

[4]李夙.異步電機直接轉矩控制[M].北京:機械工業出版社,2001.

[5]孫凱,黃立培,松瀨貢規.基于矩陣變換器的異步電機控制[J].清華大學學報,2004,44( 7):909-912.

[6]唐廣笛,梅柏杉,朱建林.一種新型直接轉矩控制方法的仿真研究[J].湘潭大學自然科學學報,2003,25( 2):95-98.

Application of Matrix Converters in the Direct Torque Control of Induction Motors

YANSu,WANGQian-ying,HEDeng,CHENYa-dong

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031,China)

Using matrix converter fed induction motor direct torque control system can realize direct torque control effect and has the advantages of matrix converter. Realized the space vector modulation of matrix converter and asynchronous motor stator magnetic field orientation of the combination of direct torque control. The good performance of matrix converter and the advantages of direct torque control are combined,so get the higher performance control of induction motor and better ac speed regulation performance,and meet the requirements of energy saving. Simulation results show that using the control strategy of speed control system in running,deceleration and load torque changes,etc all has a good dynamic performance,convenience for the actual research and design.

matrix converter;induction motor;space vector modulation;direct torque control

1004-289X(2015)02-0076-05

TN624

B

2014-03-10