矩陣變換器在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用

嚴(yán)肅,王倩營(yíng),何登,陳亞東

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

矩陣變換器在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用

嚴(yán)肅,王倩營(yíng),何登,陳亞東

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，采用矩陣變換器供電既能實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的效果，并且還具有矩陣變換器的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了將矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制與異步電機(jī)基于定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相結(jié)合。該控制方式將矩陣式變換器的良好性能和直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)較好的調(diào)控性能,提高了交流調(diào)速性能并滿足節(jié)能要求。仿真結(jié)果表明:使用該控制策略的調(diào)速系統(tǒng)在加減速運(yùn)行和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等場(chǎng)合均具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，為實(shí)際研究和設(shè)計(jì)提供了方便。

矩陣變換器；異步電機(jī)；空間矢量調(diào)制；直接轉(zhuǎn)矩控制

1 引言

隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力變換裝置陸續(xù)得到面世，矩陣變換器作為一種基于雙向開關(guān)的新型交—交變頻器得到了各國(guó)學(xué)者越來越多的關(guān)注，并分別對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)自1985年由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授提出后[1]，迅速發(fā)展成為的一種主流的交流調(diào)控技術(shù)。使用矩陣變換器供電的異步電動(dòng)機(jī),采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法，一方面能夠較好的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的傳動(dòng)性能,另一方面也可以滿足日益嚴(yán)格的電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求[2],降低諧波污染。但是，在過去的一段時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外對(duì)矩陣變換器的研究主要集中在矩陣變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等一系列問題上，而將矩陣變換器應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究則相對(duì)較少[3]。

本文實(shí)現(xiàn)了一種采用矩陣變換器供電的異步電動(dòng)機(jī)高性能調(diào)速系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。利用該控制策略,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的空間矢量調(diào)制算法和異步電動(dòng)機(jī)基于定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制[4]。通過Matlab/ Simulink 仿真結(jié)果證明，采用上述組合控制策略的交流調(diào)速系統(tǒng)，既具有矩陣變換器的良好特性，又具有直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

2 矩陣變換器控制策略

作為一種含有個(gè)雙向開關(guān)的單級(jí)電力變換器，矩陣變換器可以通過雙向開關(guān)將輸入側(cè)相電源直接連接至輸出側(cè)相負(fù)載，是一種直接的AC/AC變換器。矩陣變換器的原理圖如圖1所示，它的主回路由9個(gè)雙向開關(guān)組成。每個(gè)雙向開關(guān)都具有雙向?qū)ê碗p向關(guān)斷的能力,可由兩個(gè)IGBT器件和兩個(gè)快速恢復(fù)二極管構(gòu)成。

圖1 矩陣變換器拓?fù)浜碗p向開關(guān)構(gòu)成

三相-三相矩陣變換器在理論上可以等效為1個(gè)電壓源整流器(VSR) 和1個(gè)電壓源逆變器(VSI)的虛擬連接，如圖2所示。在整流部分使用空間矢量調(diào)制得到正弦輸入電流和可調(diào)的輸入功率因數(shù)；在逆變部分使用空間矢量調(diào)制得到幅值和頻率可調(diào)的正弦輸出電壓,然后將兩者合二為一從而實(shí)現(xiàn)矩陣式變換器的調(diào)制[5]。

圖2 矩陣變換器等效模型

由于矩陣變換器的輸入端不能短路，輸出端不能短路，所以連至每一輸出相的3個(gè)開關(guān)任意時(shí)刻只能有一個(gè)閉合，故對(duì)于三相-三相矩陣變換器來說，可能的開關(guān)狀態(tài)組合有3×3×3=27種。

對(duì)任一開關(guān)狀態(tài)，定義輸出線電壓、線電流的空間矢量為：

(1)

(2)

同樣，定義輸入線電壓、線電流的空間矢量為：

(3)

(4)

根據(jù)相電壓與線電壓之間的關(guān)系，定義輸出相電壓的空間矢量為：

(5)

以此類推，可得出所有27種開關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸出相電壓、線電壓和輸入線電流的空間矢量?？梢钥闯觯好總€(gè)輸出電壓都與輸入電壓呈函數(shù)關(guān)系，每個(gè)輸入電流都與輸出電流呈函數(shù)關(guān)系。

這27種開關(guān)狀態(tài)可分為三類：第一類6種開關(guān)狀態(tài)的特點(diǎn)是：輸入相連接的每個(gè)輸出相都是不同的；第二類開關(guān)狀態(tài)的開管特點(diǎn)是：在三個(gè)輸出相中，其中有兩個(gè)連接的輸入相相同，而另一個(gè)則連至不同的輸入相；第三類的開關(guān)狀態(tài)的特點(diǎn)是：所有輸出相都連接到同一輸出相。第一組開關(guān)各輸出電壓和輸入電流的空間矢量角分別受其輸入輸出量的影響。所以，對(duì)于空間矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)來說，這一組的開關(guān)狀態(tài)是沒有意義的。第二組開關(guān)的輸出電壓空間矢量和輸入空間電流都具有固定的空間電壓矢量角。第三組開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生零輸出電壓空間矢量和零輸入電流空間矢量，稱為“零矢量”。因此，第二組和第三組的開態(tài)關(guān)狀態(tài)可以用于SVM調(diào)制算法，如圖3所示。

3 DTC控制原理

根據(jù)電機(jī)模型方程,定子磁鏈?zhǔn)噶勘硎緸椋?/p>

ψs=∫(Vs-is×Rs)dt

(6)

式中：ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶?；Vs為定子電壓矢量；is為定子電流矢量；Rs為定子電阻。

在忽略定子電阻壓降的情況下,式(6)可以改寫為

Δψs=VsΔt

(7)

由式(7)可以看出,在一個(gè)極短的時(shí)間段內(nèi),作用某一電壓矢量后所產(chǎn)生的定子磁鏈?zhǔn)噶康母淖兞颗c該電壓矢量具有相同的方向。

在靜止的d-q坐標(biāo)系中,異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

圖3 第二組開關(guān)狀態(tài)確定的輸出線電壓空間矢量和輸入電流空間矢量

(8)

式中：np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；ψds、ψqs分別為ψs在d，q軸的分量；ids、iqs在d、q軸的分量。另一個(gè)有用的電磁轉(zhuǎn)矩公式為

(9)

式中：Ls，Lr分別為定子、轉(zhuǎn)子電感；Lm為互感；σ為漏感系數(shù)；ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈系數(shù)；θ為轉(zhuǎn)矩角，即轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶扛ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康膴A角。

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制是基于電壓空間矢量進(jìn)行分析的。分別畫出矩陣變換器的輸出電壓空間矢量圖(圖中的中心點(diǎn)是三個(gè)“零矢量”)及磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制原理圖。用于分析矩陣變換器產(chǎn)生的相電壓空間矢量和DTC所需的空間矢量之間的關(guān)系。這種控制方式的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)就是輸入的功率因數(shù)很高，甚至能達(dá)到單位功率因數(shù)[6]。

圖4 輸出相電壓空間矢量及磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制原理圖

采用矩陣變換器供電最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：只要控制矩陣變換器的輸入電壓空間矢量和輸入電流空間矢量的位置，即控制它們的角度差在一定的范圍內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入功率因數(shù)的控制。

定義Δθi為矩陣變換器輸入相電壓空間矢量角與輸入電流空間矢量角之差：

Δθi=χi-βi

(10)

基于以上分析，本控制算法理論上可以實(shí)現(xiàn)任意功率因數(shù)控制。只要將Δθi與所需功率因數(shù)角之差送入滯環(huán)控制器，即可將矩陣變換器輸入側(cè)功率因數(shù)控制為任意值。同理，如果系統(tǒng)要求輸入側(cè)為單位功率因數(shù)，而實(shí)際輸入功率因數(shù)角有偏差時(shí)，可用此方法實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的“微調(diào)”。綜上所述，采用矩陣變換器供電的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，不僅滿足磁通和轉(zhuǎn)矩控制性能的要求，還能同時(shí)滿足調(diào)節(jié)功率因數(shù)的要求，而這正體現(xiàn)了該新型調(diào)速系統(tǒng)的重要優(yōu)點(diǎn)。最后將DTC算法所需的電壓空間矢量和對(duì)應(yīng)矩陣變換器的最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系序列如表1所示。

圖的滯環(huán)比較器

表1 DTC的電壓矢量與MC開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)仿真分析

為了驗(yàn)證采用組合控制策略的調(diào)速系統(tǒng)的性能,本文在1 臺(tái)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)上使用MATLAB 軟件進(jìn)行了仿真研究。電機(jī)參數(shù)為:Rs=0.435Ω,Rr= 0.816Ω,Ls= 0.002H,Lr=0. 022H,Lm=0.693H,電機(jī)極對(duì)數(shù)p= 2。磁鏈參考值為Ψ=0. 56Wb。整個(gè)仿真模型及相關(guān)波形如下所示。

圖9是電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的波形圖,可以看出,矩陣變換器供電的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)由給定轉(zhuǎn)速(200r/min)變成(-200r/min),電流穩(wěn)定正弦,且轉(zhuǎn)矩在變速過程中短時(shí)間內(nèi)回復(fù)到恒值，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

圖10是電機(jī)轉(zhuǎn)矩變動(dòng)時(shí)運(yùn)行時(shí)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的波形圖,可以看出,矩陣變換器供電的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)由給定轉(zhuǎn)矩(5N/m)變成(-5N/m),電流穩(wěn)定正弦,且轉(zhuǎn)速在變轉(zhuǎn)矩過程中短時(shí)間內(nèi)回復(fù)到恒值。

圖6 基于矩陣變換器的異步電機(jī)仿真模型

圖7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)磁鏈軌跡圖

圖8 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖

圖9 系統(tǒng)速度由(200r/min)跳變?yōu)?-200r/min)運(yùn)行時(shí)波形圖

圖10 轉(zhuǎn)矩由(5N.m)突變?yōu)?-5N.m)時(shí)仿真波形圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)矩陣變換器供電的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理,實(shí)現(xiàn)了基于矩陣變換器異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的組合控制策略。該控制策略同時(shí)實(shí)現(xiàn)了矩陣變換器的空間矢量調(diào)制和異步電機(jī)基于定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制。仿真結(jié)果表明,在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,變速運(yùn)行變化以及負(fù)載突變的條件下,都具有快速、穩(wěn)定等良好靜動(dòng)態(tài)特性,能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)；且矩陣變換器的輸入電流和電壓具有同相位,保持單位功率因數(shù),降低諧波污染,有利于改善電網(wǎng)質(zhì)量。

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Application of Matrix Converters in the Direct Torque Control of Induction Motors

YANSu,WANGQian-ying,HEDeng,CHENYa-dong

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031,China)

Using matrix converter fed induction motor direct torque control system can realize direct torque control effect and has the advantages of matrix converter. Realized the space vector modulation of matrix converter and asynchronous motor stator magnetic field orientation of the combination of direct torque control. The good performance of matrix converter and the advantages of direct torque control are combined,so get the higher performance control of induction motor and better ac speed regulation performance,and meet the requirements of energy saving. Simulation results show that using the control strategy of speed control system in running,deceleration and load torque changes,etc all has a good dynamic performance,convenience for the actual research and design.

matrix converter;induction motor;space vector modulation;direct torque control

1004-289X(2015)02-0076-05

TN624

B

2014-03-10