矩陣變換器交流調(diào)速系統(tǒng)組合控制策略的研究

劉紅兵

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 株洲 412001)

1 引言

矩陣變換器是一種新型的交－交電力變換器，與傳統(tǒng)的變換器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn):不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié);能量雙向流通，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行;具有優(yōu)良的輸入電流波形和輸出電壓波形;可自由控制的功率因數(shù)。因此矩陣變換器已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在交流變頻調(diào)速領(lǐng)域［1］。

2 矩陣變換器的數(shù)學(xué)模型［1，2］

普通三相－三相交流矩陣式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，a、b、c 三相為輸入相，A、B、C 三相為輸出相。

理論上可以將其等效為一個(gè)整流器和逆變器的虛擬連接，這樣可以分別對“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”進(jìn)行控制，再將2個(gè)過程進(jìn)行合成，從而實(shí)現(xiàn)正弦的輸入、輸出波形以及可控的輸入功率因數(shù)。式(1)和(2)分別為輸入側(cè)虛擬整流器函數(shù)矩陣TVSR和輸出側(cè)虛擬逆變器函數(shù)矩陣TVSI。

圖1 矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中，ωi為輸入電壓頻率;ωo為輸出電壓頻率;φi為輸入相電壓與相電流之間的相位差;φo為輸出電壓相對輸入電壓的相移角。

3 組合控制策略

在以轉(zhuǎn)子磁鏈的方向?yàn)閐軸的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq軸坐標(biāo)系)下，將異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)分解為轉(zhuǎn)速環(huán)和磁鏈環(huán)兩個(gè)子系統(tǒng)，分別對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié);通過坐標(biāo)變換，將電動(dòng)機(jī)定子電流分解為d軸分量和q軸分量;在轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)設(shè)置q軸電流環(huán)，以調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，而在磁鏈環(huán)之內(nèi)設(shè)置d軸電流環(huán)，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈，從而實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制［3－5］。

圖2中，可以通過三相/兩相坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系(α－β坐標(biāo)系)下的輸入電壓分量Uiα和Uiβ，即:

式中，θf為轉(zhuǎn)子磁鏈在空間中的位置角。

圖2 矩陣變換器交流調(diào)速系統(tǒng)組合控制策略

4 矩陣變換器交流調(diào)速系統(tǒng)仿真

三相、四極鼠籠型異步電機(jī)模型參數(shù):PN=2.5kW;UN=380V;定子電阻R1=0.356Ω，定子漏感L1σ=1mH;轉(zhuǎn)子電阻R2=0.736Ω;轉(zhuǎn)子漏感L2σ=1mH;激磁電感(互感)Lm=65.12mH;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.083kg·m2。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖3所示，圖4給出了矩陣變換器的能量回饋波形。

圖3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形

圖4 矩陣變換器的能量回饋波形

從以上仿真波形中，可以看出矩陣變換器交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，在組合控制策略的調(diào)節(jié)下，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩都能夠快速收斂，矩陣變換器的輸出線電壓并沒有因?yàn)槟芰康幕仞佊休^大的變化，說明矩陣變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。

5 結(jié)論

本文將矩陣變換器的空間矢量脈寬調(diào)制和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制相結(jié)合，提出了一種新型的組合控制策略，通過仿真得到了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形與矩陣變換器的能量回饋波形。仿真結(jié)果表明，采用組合控制策略的矩陣變換器交流變頻調(diào)速系統(tǒng)獲得了良好性能，同時(shí)保證了輸入側(cè)具有較高的電能質(zhì)量。

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