基于雙橋矩陣變換器的異步電動機控制系統

摘 要：雙橋矩陣變換器作為電力變換器的新拓撲結構，具有諸多的優點。本文基于雙橋矩陣變換器提出了一種新型的異步電動機控制系統。利用MATLAB/simulink建模和仿真，結果表明雙橋矩陣變換器能夠代替傳統的交流-直流-交流電力變換器對異步電動機進行控制，而且結構更緊湊、響應速度快、換流穩定，驗證了該系統的可行性。

關鍵詞：雙橋矩陣變換器；零矢量換流；異步電動機；控制系統

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

1 引言

隨著工業自動化水平的不斷發展，對交流傳動系統提出了更高的要求。交流傳動系統的核心是以電機為基礎的系統，電機輸出的性能決定著交流傳動系統的性能。目前為止，學者們對交流傳動系統的研究從幾個方面進行：

（1）從電機本身出發，研究者從電機的結構、制造材料、制造工藝等方面出發，致力于改進電機，使得能達到用戶的要求。

（2）控制理論不斷的創新，70年代初，由西德F.Blasschke等人將異步電動機和直流電機相比較，提出了矢量控制技術，為電機的控制開啟了道路。80年代中期，德國的Depenbrock教授提出把電機轉矩作為控制量的直接轉矩控制理論，是繼矢量控制后的又一高效變頻控制技術[1]。近年來隨著大功率電力電子器件的發展，結合計算機技術的發展，交流調速系統才正真使用到現代化的工業技術中。通過電力變換器來控制電機的交流傳動系統，不但降低了調速系統的體積，更使得交流調速系統的動、靜態性能更加優良。

2 雙橋矩陣變換器

2.1 雙橋矩陣變換器結構

AC-DC-AC（Alternating Current-Direct Current-Alternating Current，交流-直流-交流）電力變換器能達到對電機性能的控制，但大功率的開關器件產生的諧波對電網電能質量造成了污染，尤其是在AC-DC-AC變換器中間大電容的存在，降低了電網側電壓的利用率以及系統的響應速度，增加了交流傳動系統的體積[2]。

2001年，有學者在傳統電力變換器的拓撲結構上提出了一種新型的變換器結構，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了傳統電力變換器不足，而且具備諸多優點：整流側雙向開關零矢量換流，換流更加穩定可靠；減去了中間大電容、體積更小、結構更簡單，響應速度更快[3]。TBMC由 18個大功率開關器件組成，12個雙向開關構成整流側，雙向開關如圖2所示；6個單向開關組成逆變側。

2.2 雙橋矩陣變換器工作原理

設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結構上由整流側和逆變側兩部分組成，故可將其分為兩部分進行分析，假設存在一個三階矩陣T，使得TBMC有如下關系：

其中，TBMC整流側的雙向開關用Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn表示；TBMC逆變側的單向開關用SAp、SBp、SCp、SAn、SBn、SCn表示；m為TBMC的調制系數，且調制范圍為。

TBMC結構上與傳統的AC-DC-AC變換器相似，都包含整流和逆變電路，因此對于TBMC的控制可以使用非常成熟的PWM、SVPWM等控制策略，根據TBMC的工作原理，為了能使輸出幅值為正的直流電，整流側采用PWM控制調制策略；為了實現零電流換流，逆變側采用采用SVPWM調制策略[4]。

3 基于雙橋矩陣變換器的異步電動機控制系統

由于TBMC的諸多優點，本文提出一種基于TBMC的異步電動機矢量控制系統，其控制框圖如圖3所示。整流側通過對輸入三相電壓的實時采集，計算得到輸入電壓的扇區，根據扇區確定出需要導通的開關器件，計算出占空比，最后得到整流側雙向開關的控制信號[4]

對三相異步電動機的定子電流進行Clarke和Park變換，轉換成相應的勵磁分量和轉矩分量，通過勵磁調節器和轉矩調節器得到兩個分量值[4]，將其與目標值相比較，經過電壓補償與控制器，通過Park、Clarke變換，得到輸出電壓所在扇區，將此扇區與整流側扇區共同作用，作為逆變側開關的控制信號，通過整流側與逆變側開關的導通時間及順序，實現對三相異步電動機的控制[5-6]。

4 仿真分析

借助于MATLAB/Simulink仿真平臺，建立基于TBMC的異步電動機控制系統，仿真模型如圖4所示，通過分析該系統空載時的輸出性能，帶負載時的輸出電壓、電流、轉矩、轉速性能，驗證系統的正確性及優越性。

仿真系統的參數： PN=40kW，極對數p=2，定子繞組的等效電阻Rs=0.4Ω，轉子繞組的等效電阻=0.86Ω，定子繞組的等效電感Ls=2mH，轉子繞組的等效電感=2mH，負載轉矩Te=300Nm，轉動慣量J=0.098kgm2，矩陣變化其開關器件開關頻率為10kHz。額定頻率fc=60Hz，TBMC的輸入電壓為ULN=380V。

4.1 TBMC仿真分析

對TBMC進行仿真分析，輸出端線電壓、相電流如圖5所示，為穩定的正弦波。

4.2 系統仿真分析

4.2.1 當異步電動機空載時

當異步電動機空載時，分析系統從啟動到穩定運行時定子A相相電流、電機轉速和電磁轉矩，其仿真波形圖如圖6所示。從圖中可以看到在電機達到穩定運行時，電流為正弦電流，轉速在0.5s后為1650r/min。轉矩為0N·m。

4.2.2 當異步電動機帶負載時

圖7是電機啟動2.5s后加入300Nm的負載，輸出相電流、轉速、轉矩的波形圖。從圖可以看出，2.5s后，定子電流趨近于穩定，轉速下降，轉矩隨著轉速的下降增大，最后為恒定的300Nm。

5 結論

通過仿真分析可看出，雙橋矩陣變換器完全可以代替傳統的AC-DC-AC電力變換器控制異步電動機，該系統不但能使異步電動機輸出電流為正弦波，與傳統的控制系統相比，基于雙橋矩陣變換器的異步電動機控制系統結構更小、響應速度快、換流簡單，降低了異步電動機控制系統的復雜性，也驗證了該系統的正確性和優越性。

參考文獻：

[1]王琰.基于高性能DSP的交流傳動系統研究[D].華中科技大學，2014.

[2]李孟，任杰，劉元度.矩陣變換器空間矢量調制諧波的分析及仿真[J].電力系統及其自動化學報，2011，23（04）：95-99.

[3]Andreul J，Alegrial I，Kortabrrial I，et al.Swittching Frequencey Behavriour for a pr-actical Matrix Converter[C].in proceedingsof 32nd IEE IECON Annual Meeting，2006，paris ，France：1667-1672.

[4]王紅紅.基于雙橋矩陣變換器異步電動機矢量控制的研究[D].蘭州交通大學，2014.

[5]何必，喬鳴忠等.矩陣變換器占空比矢量理論及調制策略[J].電工技術學報2011（26）：56-64.

[6]佘宏武，林樺，王興偉等.矩陣變換器阻尼輸入濾波器的設計[J].電源學報，2011，33（01）：19-25.

作者簡介：王紅紅（1988-），女，甘肅天水人，碩士，助教，主要研究方向：動車組牽引控制系統。