基于Z源逆變器的異步電機調(diào)速系統(tǒng)研究

金愛娟，文 強，游珊妮，王瑞奇，董鈺瑩，劉安康

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于Z源逆變器的異步電機調(diào)速系統(tǒng)研究

金愛娟，文 強，游珊妮，王瑞奇，董鈺瑩，劉安康

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

在電力拖動系統(tǒng)中，需要采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實現(xiàn)異步電動機調(diào)速。針對電機拖動系統(tǒng)中傳統(tǒng)電壓型逆變器上下橋臂開關(guān)管不能短路、電流型逆變器負載不能開路的問題，采用Z源逆變器，改善電機調(diào)速系統(tǒng)性能。文中將Z源逆變器最大升壓控制和異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量控制技術(shù)結(jié)合起來，提出了Z源升壓FOC控制算法。更進一步地，在采用Z源逆變器的電機調(diào)速系統(tǒng)中，對Z源升壓FOC控制算法進行建模與仿真，結(jié)果表明，Z源升壓FOC控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的調(diào)速性能。

Z源逆變器；磁鏈定向控制；異步電機調(diào)速

傳統(tǒng)電壓型逆變器在工作過程中，橋臂不能處于直通狀態(tài)，電流型逆變器負載不能處于開路狀態(tài)[1]。Z源逆變器可工作在短路和開路狀態(tài)，能靈活升降壓，并可消除開關(guān)死區(qū)帶來的紋波，降低波形畸變率，提高系統(tǒng)安全性。Z源逆變器克服傳統(tǒng)逆變器不足，可廣泛的應用于光伏發(fā)電、電機調(diào)速和開關(guān)電源等[2]。

在離網(wǎng)電能拖動系統(tǒng)中，通常采用太陽能或者風能作為電機的驅(qū)動電源。由于太陽能、風能轉(zhuǎn)換的電能存在波動較大的特點，采用Z源逆變器作為拖動系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換裝置具有一定的優(yōu)勢[3]。通過對Z源逆變器電容電壓進行閉環(huán)控制，確保直流鏈電壓恒定，能夠提升Z源逆變器輸出電壓品質(zhì)。

異步電機廣泛應用于電力拖動系統(tǒng)中，在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制(Flux Orientation Control, FOC) ，通過坐標矢量變換將異步電機等效為直流電動機模型，控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，從而對電機進行調(diào)速控制[4]。

Z源逆變器通過控制逆變器的直通狀態(tài)實現(xiàn)升降壓控制[5]。本文分析Z源逆變器升降壓控制的基本原理，將Z源逆變升壓控制與異步電動機轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制技術(shù)結(jié)合，提出Z源升壓FOC控制算法[6]，對異步電機進行調(diào)速控制，分析負載變化時電機輸出的特性。

1 Z源逆變器工作原理

Z源逆變器由Z源網(wǎng)絡和逆變器兩部分組成(見圖1)，可工作在直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，通過直通狀態(tài)實現(xiàn)升壓降壓功能[7]。Z源網(wǎng)絡等效電路中逆變器部分可用受控電流源代替。

圖1 Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

在一個開關(guān)周期TS中Z源逆變器有兩種工作狀態(tài)，直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，如圖2和圖3所示。對于Z源網(wǎng)絡，電感和電容阻值相等結(jié)構(gòu)對稱[8]，即

L1=L2,C1=C2

(1)

當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，有

UL1=UL2=UL,UC1=UC2=UC

(2)

系統(tǒng)處于直通狀態(tài)，輸入二級管導通。開關(guān)周期為TS，直通狀態(tài)時間為T1，Z源逆變器的工作狀態(tài)如圖3所示

UPV=Ud=UC16UL2+UC2+UL1=UC+UL

(3)

Uin=UC1-UL1=UC2-UL2=UC-UL

(4)

由式(3)和式(4)得

Uin=UC2=UC=UL2=UL

(5)

圖2 Z源逆變器直通狀態(tài)等效電路圖

圖3 源逆變器非直通狀態(tài)等效電路圖

非直通狀態(tài)時，二極管VD受反壓截止。開關(guān)一個周期TS中，非直通狀態(tài)時間為T0，直通狀態(tài)時間為T1，則T0=TS-T1[9]，此時Z源逆變器工作狀態(tài)如圖3所示，由圖可知

UC1=UC2=UC=UL1=UL2=UL

(6)

穩(wěn)態(tài)時，Z源逆變器中電感在開關(guān)周期TS內(nèi)的平均儲能為零，即

(UPV-UC)T1+UCT0=0

(7)

則Z源電容電壓

(8)

其中，d0—直通占空比，d0=T0/Ts。

非直通狀態(tài)，直流側(cè)電壓Uin為

(9)

其中，B為升壓因子B=1/1-2d0。

電壓型Z源逆變器具備對輸入電壓升降壓的功能，不需要額外的中間級電路，具有較大的電壓輸出范圍[10]。

通過改變逆變器升壓因子B，可自由控制逆變器升壓和降壓。由式(9)建立Z源逆變器等效狀態(tài)空間平均模型，如下所示

(11)

式中，A=d0A1+d1A2，B=d0B1+d1B2。

其中，iload為等效負載電流；d0為動態(tài)占空比；Vin為Z源逆變器等效輸入電壓；Vd0為等效負載電壓。

2 Z源逆變器最大升壓控制原理及仿真

圖4 Z源逆變器最大升壓控制

最大升壓控制將SPWM控制方式中所有零矢量狀態(tài)變成直通狀態(tài)，而有效矢量狀態(tài)不變。由圖4可知，當三角波比三相調(diào)制波都大或者都小時，Z源逆變器處于直通狀態(tài)，文中可計算出直通時間占空比、電壓增益[11]。假定開關(guān)頻率遠高于調(diào)制波頻率，每個開關(guān)周期直通時間為

(12)

直通占空比平均值為

(13)

則最大升壓調(diào)制下，B滿足以下條件

(14)

在最大升壓控制算法控制下，Z源逆變器在帶RL負載時，對系統(tǒng)進行建模與仿真，系統(tǒng)輸出波形如圖5所示。

圖5 Z源逆變器輸出波形

Z源逆變器直流側(cè)電壓經(jīng)過Z源網(wǎng)絡升壓，圍繞600 V上下波動，電容電壓UC圍繞400 V上下波動。非直通狀態(tài)時，電容充電電壓UC上升，直流側(cè)電壓Uin隨之上升；直通狀態(tài)時，電容放電電壓UC下降，直流側(cè)電壓Uin隨之下降。

3 Z源升壓FOC控制原理

根據(jù)Z源逆變器升壓控制和異步電機FOC控制技術(shù)，設計出Z源升壓FOC控制算法。根據(jù)Z源逆變器電感電流和電容電壓，計算出直通鏈占空比D，通過FOC控制器反饋控制逆變器的占空比，實現(xiàn)升壓功能；對于電機采用FOC控制，包括速度控制器和FOC控制器模塊，使用速度傳感器采集電機轉(zhuǎn)速，可閉環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速，使其跟隨給定值。其中，F(xiàn)OC控制器根據(jù)定子電流計算出磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)OC控制器根據(jù)Z源升壓控制器輸出的占空比，控制輸出PWM波，實現(xiàn)升壓和電機控制[12]。

圖6 Z源升壓FOC控制原理圖

4 Z源升壓FOC控制算法建模與仿真

根據(jù)Z源升壓FOC控制原理，建立基于Z源逆變器的異步電機調(diào)速系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真模型，如圖7所示。仿真模型主要包括FOC控制器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(Speed Control)，F(xiàn)OC控制器包括轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)和電流轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATCR)[14]。Z源升壓FOC控制器主要作用是在轉(zhuǎn)子磁鏈受干擾發(fā)生變化時，通過ATR和ATCR維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，提升異步電機抗干擾能力[15]。Z源升壓FOC控制器主要包括ABC-DQ模塊、DQ-ABC模塊、Teta模塊、Flux模塊、iqs Calculation和id Calculation模塊。

圖7 基于Z源逆變器異步電機調(diào)速系統(tǒng)建模

圖8 異步電機輸出波形

如圖8所示，光伏水泵系統(tǒng)采用磁場定向矢量控制，系統(tǒng)仿真時間為2 s。0～0.08 s，異步電機處于啟動狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)矩為0，異步電機啟動電流較大，電機建立圓形旋轉(zhuǎn)磁場；0.08～0.5 s，轉(zhuǎn)速給定值為400 rad/s，轉(zhuǎn)矩給定值為0，此時電機轉(zhuǎn)速均勻上升，定子電流逐漸降低，直流側(cè)電壓也逐漸降低；0.5～0.6 s，突加負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩給定為450 N·m，電機受磁鏈矢量控制定子電流增大，同時電機輸出轉(zhuǎn)矩約為700 N·m；0.6～1.0 s，轉(zhuǎn)速達到400 rad/s，電機受磁鏈矢量控制，電機輸出轉(zhuǎn)矩下降為450 N·m，同時轉(zhuǎn)速維持400 rad/s；1.0～1.45 s，轉(zhuǎn)速逐漸降為0，輸出轉(zhuǎn)矩恒定為100 N·m；1.5～2 s，輸出轉(zhuǎn)矩增大到450 N·m；1.5～2 s，給定轉(zhuǎn)矩降到-450 N·m，輸出轉(zhuǎn)矩能夠跟隨給定達到-450 N·m，同時電機轉(zhuǎn)速保持為0，定子電流略有上升。

5 結(jié)束語

本文主要研究了Z源逆變器在電機調(diào)速系統(tǒng)中的應用，分析Z源逆變器升壓工作原理，對Z源逆變器在最大升壓控制下建模與仿真，表明了Z源逆變器可自由升降壓的特性。將Z源升壓與電機FOC控制算法結(jié)合，提出了Z源升壓FOC控制算法。通過建模與仿真，對Z源升壓FOC控制算法進行檢驗，結(jié)果表明Z源升壓FOC具有較好的調(diào)速效果和升壓能力。

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Research on Speed Control System of Induction Motor Based on Z-source Inverter

JIN Aijuan,WEN Qiang,YOU Shanni,WANG Ruiqi,DONG Yuying,LIU Ankang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In the motor drive system, need to use the inverter to convert DC to AC for motor. For the traditional voltage inverter, upper and lower bridge arm cannot be in short-circuit, and for current inverter load can’t be open. Use Z-source inverter, can improve the performance of motor speed control system. In this paper, combine maximum boost control for Z-source inverter and FOC for asynchronous motor, and the Z-source boost FOC control algorithm is proposed. Further. In the motor control system using Z-source inverter, the Z source boost FOC control algorithm is modeled and simulated. The results show that the Z- source boost FOC control algorithm can achieve better performance.

Z-source inverter; flux orientation control; speed control system of induction motor

2016- 03- 27

金愛娟(1972-)，女，博士，副教授。研究方向：電力電子非線性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.049

TN941.7;TM46

A

1007-7820(2017)03-178-04