基于雙橋矩陣變換器的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

摘 要：雙橋矩陣變換器作為電力變換器的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)。本文基于雙橋矩陣變換器提出了一種新型的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。利用MATLAB/simulink建模和仿真，結(jié)果表明雙橋矩陣變換器能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流-直流-交流電力變換器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，而且結(jié)構(gòu)更緊湊、響應(yīng)速度快、換流穩(wěn)定，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：雙橋矩陣變換器；零矢量換流；異步電動(dòng)機(jī)；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.010

1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求。交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心是以電機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，電機(jī)輸出的性能決定著交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。目前為止，學(xué)者們對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研究從幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1）從電機(jī)本身出發(fā)，研究者從電機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造材料、制造工藝等方面出發(fā)，致力于改進(jìn)電機(jī)，使得能達(dá)到用戶的要求。

（2）控制理論不斷的創(chuàng)新，70年代初，由西德F.Blasschke等人將異步電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)相比較，提出了矢量控制技術(shù)，為電機(jī)的控制開(kāi)啟了道路。80年代中期，德國(guó)的Depenbrock教授提出把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為控制量的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，是繼矢量控制后的又一高效變頻控制技術(shù)[1]。近年來(lái)隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才正真使用到現(xiàn)代化的工業(yè)技術(shù)中。通過(guò)電力變換器來(lái)控制電機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，不但降低了調(diào)速系統(tǒng)的體積，更使得交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能更加優(yōu)良。

2 雙橋矩陣變換器

2.1 雙橋矩陣變換器結(jié)構(gòu)

AC-DC-AC（Alternating Current-Direct Current-Alternating Current，交流-直流-交流）電力變換器能達(dá)到對(duì)電機(jī)性能的控制，但大功率的開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了污染，尤其是在AC-DC-AC變換器中間大電容的存在，降低了電網(wǎng)側(cè)電壓的利用率以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加了交流傳動(dòng)系統(tǒng)的體積[2]。

2001年，有學(xué)者在傳統(tǒng)電力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上提出了一種新型的變換器結(jié)構(gòu)，TBMC（Two-Bridge Matrix Converter，雙橋矩陣變換器），如圖1所示。這種變換器很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電力變換器不足，而且具備諸多優(yōu)點(diǎn)：整流側(cè)雙向開(kāi)關(guān)零矢量換流，換流更加穩(wěn)定可靠；減去了中間大電容、體積更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度更快[3]。TBMC由 18個(gè)大功率開(kāi)關(guān)器件組成，12個(gè)雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成整流側(cè)，雙向開(kāi)關(guān)如圖2所示；6個(gè)單向開(kāi)關(guān)組成逆變側(cè)。

2.2 雙橋矩陣變換器工作原理

設(shè)TBMC的輸入三相電壓如式（1）所示：

其中，輸入端相電壓大小有效值用Ui表示；輸入各相的相電壓分別用ua、ub、uc 表示；ωi為輸入端電壓的角頻率。

設(shè)TBMC的輸出線電壓為：

其中，輸出各相線電壓分別為UAB、UBC、UCA；輸出電壓幅值為Uo；輸出角頻率為ωo；輸出電壓初相角為φo。

TBMC結(jié)構(gòu)上由整流側(cè)和逆變側(cè)兩部分組成，故可將其分為兩部分進(jìn)行分析，假設(shè)存在一個(gè)三階矩陣T，使得TBMC有如下關(guān)系：

其中，TBMC整流側(cè)的雙向開(kāi)關(guān)用Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn表示；TBMC逆變側(cè)的單向開(kāi)關(guān)用SAp、SBp、SCp、SAn、SBn、SCn表示；m為T(mén)BMC的調(diào)制系數(shù)，且調(diào)制范圍為。

TBMC結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的AC-DC-AC變換器相似，都包含整流和逆變電路，因此對(duì)于TBMC的控制可以使用非常成熟的PWM、SVPWM等控制策略，根據(jù)TBMC的工作原理，為了能使輸出幅值為正的直流電，整流側(cè)采用PWM控制調(diào)制策略；為了實(shí)現(xiàn)零電流換流，逆變側(cè)采用采用SVPWM調(diào)制策略[4]。

3 基于雙橋矩陣變換器的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

由于TBMC的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種基于TBMC的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖3所示。整流側(cè)通過(guò)對(duì)輸入三相電壓的實(shí)時(shí)采集，計(jì)算得到輸入電壓的扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)確定出需要導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)器件，計(jì)算出占空比，最后得到整流側(cè)雙向開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)[4]

對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電流進(jìn)行Clarke和Park變換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到兩個(gè)分量值[4]，將其與目標(biāo)值相比較，經(jīng)過(guò)電壓補(bǔ)償與控制器，通過(guò)Park、Clarke變換，得到輸出電壓所在扇區(qū)，將此扇區(qū)與整流側(cè)扇區(qū)共同作用，作為逆變側(cè)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，通過(guò)整流側(cè)與逆變側(cè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間及順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制[5-6]。

4 仿真分析

借助于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，建立基于TBMC的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，仿真模型如圖4所示，通過(guò)分析該系統(tǒng)空載時(shí)的輸出性能，帶負(fù)載時(shí)的輸出電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速性能，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性及優(yōu)越性。

仿真系統(tǒng)的參數(shù)： PN=40kW，極對(duì)數(shù)p=2，定子繞組的等效電阻Rs=0.4Ω，轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻=0.86Ω，定子繞組的等效電感Ls=2mH，轉(zhuǎn)子繞組的等效電感=2mH，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Te=300Nm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.098kgm2，矩陣變化其開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。額定頻率fc=60Hz，TBMC的輸入電壓為ULN=380V。

4.1 TBMC仿真分析

對(duì)TBMC進(jìn)行仿真分析，輸出端線電壓、相電流如圖5所示，為穩(wěn)定的正弦波。

4.2 系統(tǒng)仿真分析

4.2.1 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，分析系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子A相相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩，其仿真波形圖如圖6所示。從圖中可以看到在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流為正弦電流，轉(zhuǎn)速在0.5s后為1650r/min。轉(zhuǎn)矩為0N·m。

4.2.2 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)

圖7是電機(jī)啟動(dòng)2.5s后加入300Nm的負(fù)載，輸出相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的波形圖。從圖可以看出，2.5s后，定子電流趨近于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的下降增大，最后為恒定的300Nm。

5 結(jié)論

通過(guò)仿真分析可看出，雙橋矩陣變換器完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的AC-DC-AC電力變換器控制異步電動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)不但能使異步電動(dòng)機(jī)輸出電流為正弦波，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，基于雙橋矩陣變換器的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更小、響應(yīng)速度快、換流簡(jiǎn)單，降低了異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，也驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和優(yōu)越性。

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作者簡(jiǎn)介：王紅紅（1988-），女，甘肅天水人，碩士，助教，主要研究方向：動(dòng)車(chē)組牽引控制系統(tǒng)。