雙級矩陣變換器變頻調(diào)速系統(tǒng)特性研究與仿真*

潘湘高， 李丹云， 申群太

(1.湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南常德 415000;2.中山大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510000;3.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410082)

0 引言

與傳統(tǒng)的交-直-交變頻器相比，矩陣變換器(MC)具有如下優(yōu)點(diǎn):控制自由度多，輸出電壓和頻率可調(diào)，變頻范圍大;輸入功率因數(shù)可調(diào)，可超前、滯后或?yàn)?。輸入和輸出電流為正弦波，諧波很小，對電網(wǎng)無諧波污染;結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高。MC因“綠色環(huán)?！倍蔀殡娏ψ儞Q器的研究熱點(diǎn)［1-3］。常規(guī)MC是AC-AC單級(直接式)電力變換器，需要采用復(fù)雜的四步換流法進(jìn)行安全換流，控制復(fù)雜，電壓傳輸比小于0.5，雙級矩陣變換器(TSMC)可以克服常規(guī)MC的這些缺點(diǎn)，并且可以完成與MC相同的功能［3］。由TSMC和異步電動機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)能獲得比傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)變頻調(diào)速系統(tǒng)更為優(yōu)越的特性。

1 TSMC異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及分析

有18個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的TSMC異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］，主要由輸入濾波器，三相 PWM 整流器、鉗位電路、三相SPWM逆變器和異步電動機(jī)組成。TSMC因無中間直流環(huán)節(jié)的濾波電感器和電容器而可以做得結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。整流器的六個(gè)橋臂各由兩個(gè)IGBT反向串聯(lián)的雙向開關(guān)組成，能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，方便電動機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。為使開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)不受高電壓和大電流的沖擊，一般需要設(shè)置鉗位電路，常規(guī)MC需要一組復(fù)雜的二極管和電容器，而TSMC的鉗位電路則很簡單，只由一個(gè)二極管和一個(gè)電容器串聯(lián)組成［5］。

圖1 雙級矩陣變換器異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路

TSMC的工作方式類似于AC-DC-AC雙PWM變頻器，分兩級控制:整流級為PWM控制方式，輸出PWM直流電壓;逆變級為SPWM控制方式，輸出SPWM交流電壓驅(qū)動異步電動機(jī)運(yùn)行。

2 TSMC的雙空間矢量調(diào)制方式

系統(tǒng)采用整流級無零矢量雙空間矢量調(diào)制策略。為提高電壓利用率，整流級采用無零矢量PWM，而逆變級采用SPWM。

2.1 整流級采用無零矢量PWM

假設(shè)TSMC輸入對稱的三相正弦電壓為:

為使整流級輸出正極性的直流電壓并獲得最大的電壓利用率，把輸入三相電壓的一個(gè)周期分為六個(gè)區(qū)間，如圖2所示，各個(gè)區(qū)間的共同特點(diǎn)是:一相電壓絕對值最大，另外二相電壓極性與其相反。把一個(gè)PWM周期分為兩個(gè)時(shí)間段，并分別在兩段時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)的兩個(gè)最大且極性為正的兩個(gè)線電壓輸出到直流側(cè)，每個(gè)線電壓的占空比等于構(gòu)成該線電壓的兩個(gè)相電壓瞬時(shí)值之比。例如在第1區(qū)間，輸出的兩個(gè)線電壓分別為uab和uac，它們對應(yīng)的占空比為:

圖2 輸入三相電壓六區(qū)間的劃分

當(dāng)輸入三相電壓對稱時(shí)有dab+dac=1，在每一個(gè)PWM周期內(nèi)整流級只產(chǎn)生兩個(gè)有效的空間矢量，不會出現(xiàn)零矢量。在第1區(qū)間，一個(gè)PWM周期內(nèi)輸出的直流電壓平均值為:

其他的各個(gè)區(qū)間情況可以依此類推。各PWM周期內(nèi)輸出的直流平均電壓為:

式中:|cos(θin)|=max(|cos(θa)|，|cos(θb)|，|cos(θc)|)。

2.2 逆變級空間矢量調(diào)制

TSMC逆變級的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法與常規(guī)的逆變器有所不同，TSMC直流側(cè)不是一個(gè)固定的直流電壓，而是PWM電壓，在一個(gè)PWM周期內(nèi)分別是兩個(gè)不等的直流電壓。以第1區(qū)間為例，它們分別是uab和uac，因?yàn)殚_關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率，故在一個(gè)PWM周期內(nèi)兩個(gè)線電壓可看成常數(shù)值，即逆變級在一個(gè)PWM周期內(nèi)的直流供電電壓有兩級不同的電壓。

逆變級六個(gè)開關(guān)以不同的通斷組合可以合成六個(gè)線電壓有效空間矢量(V1～V6)和兩個(gè)零矢量(V0、V7)，如圖 3 所示，V0(000)和 V7(111)在原點(diǎn)，沒有畫出。括號中的三位二進(jìn)制代碼按順序依次表示A、B、C三相橋臂上下開關(guān)的通斷狀態(tài)，“1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，“0”則剛好相反。

圖3 逆變級SPWM

假設(shè)VJ為需要輸出的某一瞬間線電壓空間矢量，則:

式中Vn、Vm為所在區(qū)間相鄰的兩個(gè)有效空間矢量，V0為零矢量，可以為V0或V7，它們相應(yīng)的占空比為:

式中:mv為逆變級的調(diào)制系數(shù)。

2.3 TSMC兩級電壓矢量的配合控制

TSMC整流級和逆變級的矢量合成按圖4所示的順序進(jìn)行配合控制，在此1個(gè)PWM周期Ts內(nèi)，整流級兩級線電壓矢量的作用時(shí)間按式(2)的占空比乘Ts得到，如圖4(a)、(b)所示，逆變級的兩個(gè)有效空間矢量和零矢量在兩段時(shí)間作用的占空比都按式(6)計(jì)算，如圖4(c)所示，再按圖4(d)所示調(diào)整零矢量的作用順序，將零矢量安排在整流級的換流時(shí)間，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整流級的零電流換流，從而極大地減小整流級開關(guān)損耗，提高TSMC的效率。

圖4 雙空間矢量調(diào)制兩級開關(guān)矢量作用順序

逆變級的調(diào)制系數(shù)為:

mV為時(shí)變量，式中cos(θin)用來抵消波動量，以保證輸出電壓矢量的幅值恒定。將Ulm=Uom代入式(7)可得TSMC的電壓傳輸比，即輸出相電壓與輸入相電壓之比為最大可達(dá)到0.866。

設(shè)輸出電壓角頻率為ω0，初相角為φ0，則在第1扇區(qū)內(nèi)θV=ωot+φ0+60°，輸出線電壓為:

在對稱負(fù)載作三角形接法時(shí)，輸出的三相電流為:

式中:φL為負(fù)載功率因數(shù)角，Iom為輸出相電流幅值。輸入三相電流為［4］:

3 系統(tǒng)特性分析與仿真

TSMC異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和仿真模型如圖5所示，系統(tǒng)主要由三相電源、TSMC、異步電動機(jī)及控制模塊和檢測輸出顯示模塊等組成。系統(tǒng)采用了異步電動機(jī)二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(dq)模型的閉環(huán)反饋控制［6］。對轉(zhuǎn)速采用了轉(zhuǎn)速、電流(轉(zhuǎn)矩分量)雙閉環(huán)控制，對磁鏈采用了磁鏈、勵(lì)磁電流雙閉環(huán)控制。

圖5 雙級矩陣變換器異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

異步電動機(jī)參數(shù)如下:1 500 VA，380 V，定子電阻0.532 Ω，定子漏感2.1 mH，轉(zhuǎn)子電阻0.537 Ω，轉(zhuǎn)子漏感2.1 mH，主磁通電感77.3 mH。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6～8所示。圖6(a)、(b)分別為整流級輸出的直流電流和直流電壓，它們不同于普通的整流器輸出的電流和電壓，波形都是PWM波。在起動和帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流為正，而在制動時(shí)，電流為負(fù)，電壓始終都為正，可見TSMC能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞和系統(tǒng)四象限運(yùn)行。圖7(a)、(b)分別為A相輸出電壓和電流，電壓為PWM波，而電流在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)基本為正弦波，符合異步電動機(jī)對電流的要求。圖8為電機(jī)三相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形，在起動之初，電流幅值由零開始逐步增大且頻率也隨之上升，轉(zhuǎn)矩很快上升，當(dāng)轉(zhuǎn)矩上升到超過負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)速就基本以最大加速度直線上升，在達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電流幅值下降為穩(wěn)態(tài)值，為恒頻等幅正弦波，轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩平衡。在給定轉(zhuǎn)速階躍下降時(shí)，電流幅值和頻率按要求迅速作出反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩隨之變負(fù)，使電機(jī)快速制動而減速，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后各個(gè)量又在各自新的穩(wěn)態(tài)值運(yùn)行。

圖6 整流級輸出的PWM直流電流和電壓

圖7 雙級矩陣變換器輸出的相電壓和電流

圖8 雙級矩陣變換器異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性

4 結(jié) 語

TSMC功能上類似于傳統(tǒng)的交-直-交變頻器，但因無需中間直流環(huán)節(jié)的濾波電感器和電容器而使其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，并且輸入電流為正弦波，對電網(wǎng)無諧波污染。雙空間矢量調(diào)制兩級協(xié)調(diào)控制能實(shí)現(xiàn)整流級零電流換流，極大地減少了開關(guān)損耗，提高了變換器的效率。仿真結(jié)果表明，TSMC異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性，電機(jī)起動和制動時(shí)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化快速、平穩(wěn)。

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