三相異步電機(jī)的Z-SOURCE驅(qū)動性能分析

韓礎(chǔ)

(青島理工大學(xué)，山東 青島 266520)

傳統(tǒng)的電壓源逆變器和電流源逆變器拓?fù)湓诟鞣N場合得到了廣泛的應(yīng)用，且控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是擺脫不了其自身所固有的缺點，從而使得在一些復(fù)雜的應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的電壓源或電流源逆變器受到了挑戰(zhàn)[1-3]。Z-SOURCE逆變器為系統(tǒng)的運行提供了一種低成本、高效率、良好操作性的結(jié)構(gòu)。阻抗網(wǎng)絡(luò)的引進(jìn)，將主變換器電路與電源或負(fù)載耦合，使Z-SOURCE逆變器既不是電壓源逆變器，也不是電流源逆變器，從而實現(xiàn)升/降壓很寬的調(diào)壓范圍，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。同時，Z-SOURCE逆變器的抗電磁噪聲干擾的能力也是它的優(yōu)勢所在[3-4]。

1 Z-SOURCE逆變器

1.1 Z-SOURCE的結(jié)構(gòu)

Z-SOURCE是一種基于Z-SOURCE儲能網(wǎng)絡(luò)的變換拓?fù)洌苑Q之為Z(阻抗)型逆變器，主要是其直流緩沖和儲能電路結(jié)合了VSI和CSI的特點，由獨特的阻抗網(wǎng)絡(luò)組成，這樣使得Z-SOURCE逆變器在直流儲能中具有二階特性，滿足了端口可開路可短路的條件。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路由輸入電源、二極管、兩個等值的電容、兩個等值的電感組成。其中，電容和電感連接成“X”形結(jié)構(gòu)。二極管主要是防止反向電流，電容作為輸入到輸出的主要能量轉(zhuǎn)換元件。

圖1 Z-SOURCE電路結(jié)構(gòu)

1.2 Z-SOURCE逆變器工作原理

當(dāng) C1=C2，L1=L2，低壓脈動 VC1和 VC2的脈沖周期為 T，則：

其中，VC是電容電壓的平均值，VL是電感的瞬時電壓。考慮到等效和對稱原理，將電路中的器件視為理想元件，且開關(guān)頻率足夠高，則有：

其中Vf為輸入電壓。

在非直通狀態(tài)下：

假設(shè)一個脈沖周期T=TZ+TN，穩(wěn)態(tài)時電感平均電壓VL=0，即：

因此，逆變橋的平均輸入電壓為：

當(dāng)D<0.5，將式(3)~式(5)整理得直流側(cè)母線電壓與輸入電壓增益B：

當(dāng)正弦脈寬調(diào)制等振幅時，輸出的交流電壓基波幅值為：

其中K為增益因子。

由式(7)可知，通過控制直流零矢量占空比D和調(diào)制因子M就可得到任意大小的交流輸出電壓。這同傳統(tǒng)的逆變器相比，系統(tǒng)的調(diào)壓范圍明顯得到增加。

2 PWM控制技術(shù)

PWM逆變器可分為單相、三相等。這些變頻器能產(chǎn)生交流電壓的變量級以及變頻。PWM逆變器常用于交流電機(jī)變頻變壓反饋調(diào)速驅(qū)動。為了得到很寬的調(diào)速范圍，交流電壓需要改變頻率與占空比[5-6]。Carrier-based PWM方法經(jīng)常應(yīng)用在逆變器中，因為它們都很簡單，易于實現(xiàn)，如圖2所示。開關(guān)信號生成PWM波形如圖3所示。這里生成的PWM波形實際上是由方波和三角波疊加而成，也稱SPWM法。

圖2 PWM生成電路

圖3 開關(guān)信號和Carrier-based PWM

3 仿真實驗

圖4顯示了Z-SOURCE系統(tǒng)驅(qū)動異步電機(jī)的主電路配置，即傳統(tǒng)的ASD系統(tǒng)。Z-SOURCE的ASD系統(tǒng)的主電路由三部分組成：二極管整流電路、直流環(huán)節(jié)和逆變橋電路。

圖4 Z-SOURCE系統(tǒng)PWM IM驅(qū)動的SIMULINK模型

3.1 異步電機(jī)滿負(fù)荷響應(yīng)(Tfl=11.9 Nm)

圖5所示為Z-SOURCE驅(qū)動異步電動機(jī)的電壓波形。由于Z-SOURCE阻抗網(wǎng)絡(luò)，在這里直流側(cè)電壓升高到309 V，相當(dāng)于直流環(huán)節(jié)電壓220 V的1.38倍。定子、轉(zhuǎn)子的線圈繞組電流在短時間內(nèi)瞬變，如圖6~圖8。

啟動電流很大，但1.16 s范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。定子電流穩(wěn)態(tài)值等于13.4 A。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子電流值等于13.10 A。觀察到速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值在1.09 s，轉(zhuǎn)速為1 718 r/min時電機(jī)負(fù)荷為11.9 Nm。所以當(dāng)電機(jī)收到Z-SOURCE逆變器網(wǎng)絡(luò)的反饋信號，隨時間的增加速度遞增，這是由于電壓經(jīng)過Z-SOURCE變頻器后達(dá)到218 V。異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。

圖5 直流側(cè)電壓波形

圖6 轉(zhuǎn)子電流(滿負(fù)荷下的單相電流Ir=19.06A)

圖7 定子電流(滿負(fù)荷下的一相電流Is=17.09A)

圖8 滿負(fù)荷下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(ns=1714，ts=0.89)

圖9 滿載狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩

3.2 異步電機(jī)空載響應(yīng)(Tfa=0 Nm)

可以觀察到電機(jī)空載且在0.736 s時轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)值是1 799.4轉(zhuǎn)。所以當(dāng)電機(jī)經(jīng)過Z-SOURCE逆變器后速度遞增得越來越緩慢。

圖10~圖13所示為轉(zhuǎn)子空載電流、定子空載電流、空載下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及空載下電磁轉(zhuǎn)矩的波形。

圖10 轉(zhuǎn)子空載電流

圖11 定子空載電流

圖12 空載下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖13 空載下的電磁轉(zhuǎn)矩

本文對三相異步電機(jī)Z-SOURCE逆變器進(jìn)行了分析，并用SIMULINK/MATLAB工具箱進(jìn)行了模擬。研究了不同工況下三相異步電動機(jī)性能參數(shù)如轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)子速度和電磁轉(zhuǎn)矩。最后得出結(jié)論，通過PWM技術(shù)驅(qū)動三相異步電動機(jī)Z-SOURCE逆變器會達(dá)到一個滿意開環(huán)控制結(jié)果。

[1]STEFANOVIC V，MILLER J M.Toroidally wound Induction motor-generator with selectable number of poles and vector control：US,6，876，176 B2[P].2005-04-05.

[2]JIUHE W，HONGREN Y，JINLONG Z，et al.Study on powerdecoupling controlofthree phase voltage source PWM rectifiers[C].Power Electronics and Motion Control Conference，2006.

[3]PANA T，STOICUTA O.Controllers tuning for the speed vectorcontrolofinduction motordrive systems[C].in Proceeding Int.Conference IEEE AQTR –Cluj-Napoca，2010：1-6.

[4]SHEN M， WANG J， JOSEPH A， et al.Maximum constant boost control of the Z-source inverter[C].IEEE Industry Applications Soc.Annu.Meeting，2004.

[5]崔建鋒，李永奇，王義琴，等.基于 DSP的開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)位置傳感器誤差補(bǔ)償[J].沿海企業(yè)與科技，2007，87(8)：53-55.

[6]蘇寶平，全力.基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2004，12(9)：846-848.

[7]許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：25-81.