雙電機(jī)控制傳統(tǒng)五橋臂逆變器拓?fù)涞母倪M(jìn)研究

季高， 付光晶， 張峰， 張士文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

近年來(lái)，在很多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，例如：石油開(kāi)采、電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車和航空航天等，常常需要對(duì)二臺(tái)電機(jī)進(jìn)行高性能的獨(dú)立控制[1]。為了降低系統(tǒng)成本和減小系統(tǒng)的體積，很多學(xué)者做了相關(guān)研究。目前共有三種典型的拓?fù)?，采取的方式都是?duì)傳統(tǒng)的幾種逆變器拓?fù)?如三相六開(kāi)關(guān)逆變器或是三相四開(kāi)關(guān)逆變器)做相應(yīng)的變化，然后再提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)后的SPWM或SVPWM算法。

文獻(xiàn)[2-3]提出了一種四橋臂的拓?fù)洌鳂虿捎脗鹘y(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂上有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，采用的是兩個(gè)傳統(tǒng)四開(kāi)關(guān)逆變器共用直流母線電容的方式，兩個(gè)四開(kāi)關(guān)逆變器都使用SVPWM控制，四開(kāi)關(guān)逆變器的直流電壓利用率只有50%，且兩臺(tái)電機(jī)共用直流母線電容會(huì)造成電容中點(diǎn)電壓波動(dòng)，所以兩臺(tái)電機(jī)的受控效果(如電機(jī)的額定狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行效果和動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果)會(huì)受到影響。文獻(xiàn)[4-5]提出了一種九開(kāi)關(guān)拓?fù)?，整流橋采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋采用三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂上有三個(gè)開(kāi)關(guān)管，兩臺(tái)電機(jī)共用中間三個(gè)開(kāi)關(guān)管，電機(jī)1使用上面三個(gè)開(kāi)關(guān)管加中間三個(gè)開(kāi)關(guān)管共六個(gè)開(kāi)關(guān)管，電機(jī)2使用下面三個(gè)開(kāi)關(guān)管加中間三個(gè)開(kāi)關(guān)管共六個(gè)開(kāi)關(guān)管。采用的控制方式是當(dāng)電機(jī)1正常工作時(shí)，下面三個(gè)開(kāi)關(guān)管全部導(dǎo)通，電機(jī)2用零矢量控制；當(dāng)電機(jī)2正常工作時(shí)，上面三個(gè)開(kāi)關(guān)管全部開(kāi)通，電機(jī)1用零矢量控制。顯然這種控制方式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立控制。文獻(xiàn)[6]提出了一種五橋臂拓?fù)?，整流橋采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋有五個(gè)橋臂，其中一個(gè)橋臂是兩臺(tái)電機(jī)的公用橋臂與兩臺(tái)電機(jī)的c相相連，另外四個(gè)橋臂分別與兩臺(tái)電機(jī)的a相和b相相連。同時(shí)還提出了一種SPWM的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式下的五橋臂拓?fù)洳淮嬖谒臉虮弁負(fù)潆娙葜悬c(diǎn)電壓波動(dòng)的問(wèn)題，也不存在九開(kāi)關(guān)拓?fù)浜茈y獨(dú)立控制的問(wèn)題，但是其直流電壓利用率只有50%。

本文首先解釋了傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)渲心孀儤蛩捎玫恼{(diào)制方式，然后引出了新型的五橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，緊接著介紹了該拓?fù)渌褂玫目刂撇呗?，最后在MATLAB/Simulink 中建立含雙電機(jī)負(fù)載的仿真模型，對(duì)所述改進(jìn)的拓?fù)涞膬?yōu)越性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)浼捌淠孀兤鱾?cè)調(diào)制方式

傳統(tǒng)的五橋臂拓?fù)淙鐖D1所示，整流器拓?fù)鋫?cè)采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，由四個(gè)二極管D1～D4組成，逆變器拓?fù)鋫?cè)使用10個(gè)開(kāi)關(guān)管。通過(guò)S1～S6構(gòu)成電機(jī)M1的三相六開(kāi)關(guān)逆變器，通過(guò)S1，S2， S7～S10構(gòu)成電機(jī)M2的三相六開(kāi)關(guān)逆變器，其中 S1，S2是公用的開(kāi)關(guān)管。

對(duì)于傳統(tǒng)的三相六開(kāi)關(guān)逆變器的SPWM算法，若給定頻率為f，可設(shè)三相給定電壓為:

Va*=Vm·sin(2πft)

(1)

Vb*=Vm·sin(2πft-2π/3)

(2)

Vc*=Vm·sin(2πft+2π/3)

(3)

把三相給定電壓Va*、Vb*、Vc*減去同一個(gè)偏置電壓同樣可以作為各相的調(diào)制波，例如，如圖2把三相給定電壓同時(shí)減去Vc*，則三相的調(diào)制波分別為：

VLc*=0

(4)

VLa*=Va*-Vc*

(5)

VLb*=Vb*-Vc*

(6)

圖1 傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)?/p>

圖2 傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)淠孀兤魍負(fù)鋫?cè)的三相調(diào)制波

在這種調(diào)制方式下，傳統(tǒng)五橋臂的直流電壓利用率每臺(tái)電機(jī)都只能達(dá)到50%，當(dāng)對(duì)電機(jī)負(fù)載要求較高時(shí)，直流電壓可能會(huì)不夠用，為此本文提出了一種新型的五橋臂拓?fù)洹?/p>

2 新型五橋臂拓?fù)?/h2>

新型五橋臂拓?fù)淙鐖D3所示，逆變器拓?fù)鋫?cè)采用和傳統(tǒng)五橋臂一樣的構(gòu)造和連接形式，整流器拓?fù)鋫?cè)由二個(gè)二極管D1和D2以及逆變器側(cè)的公用開(kāi)關(guān)管S1和S2組成。

圖3 新型五橋臂拓?fù)?/p>

逆變器拓?fù)鋫?cè)采用的調(diào)制方式與傳統(tǒng)五橋臂一樣，所以其直流電壓利用率只能達(dá)到50%，整流器拓?fù)鋫?cè)是一種倍壓整流電路，其等效電路如圖4所示，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓極性和網(wǎng)側(cè)電流流向，S1和S2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)共有四種工作模式，如圖5所示。在這種整流側(cè)拓?fù)湎?，直流?cè)母線電壓可以達(dá)到倍壓的效果，從而解決了傳統(tǒng)五橋臂直流電壓利用率低和直流母線電壓不夠用的問(wèn)題。

圖4 新型五橋臂拓?fù)湔鱾?cè)等效電路

圖5 新型五橋臂拓?fù)湔鱾?cè)四種工作模式

3 控制策略

基于改進(jìn)的雙電機(jī)逆變器拓?fù)涞膯闻_(tái)電機(jī)的矢量控制策略的框圖如圖6 所示，其與傳統(tǒng)矢量控制策略[7]相似，圖中id電流給定根據(jù)弱磁控制id電流軌跡方程計(jì)算得到，iq電流給定由轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過(guò)一個(gè)PI 控制器后得到，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。因?yàn)閮膳_(tái)電機(jī)使用的矢量控制策略類似，所以圖6僅表示單臺(tái)電機(jī)的矢量控制策略。

圖中的id電流軌跡方程由電壓極限圓方程[8]推得，推導(dǎo)過(guò)程如下：

(7)

式中：Vom為電機(jī)M1/電機(jī)M2可以達(dá)到的相電壓基波幅值；ω為電機(jī)1/電機(jī)2的電角速度，rad/s；Ra和Ia分別為A相的相電阻和相電流；Ud和Uq分別為各相電壓的直流分量和交流分量；φd和φq分別為直流磁通分量和交流磁通分量，Wb/m2。

忽略電阻壓降，近似可得：

(8)

進(jìn)而可得id軌跡方程為：

(9)

圖6 基于新型五橋臂拓?fù)涞腜MSM矢量控制框圖

4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

按照?qǐng)D3搭建基于改進(jìn)的雙電機(jī)逆變器的PMSM矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。電機(jī)Motor1的參數(shù)如表1所示，電機(jī)Motor2的參數(shù)如表2所示。按第1節(jié)所述調(diào)制方式和第3節(jié)的控制策略建立對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)。

采用的網(wǎng)側(cè)電壓為幅值為311 V工頻正弦波，各硬件參數(shù)分別如下：輸入電感L為1 mH，電容組選用兩個(gè)470 μF進(jìn)行串聯(lián)，開(kāi)關(guān)器件為600 V，25 A的IGBT，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz。

表1 電機(jī)Motor1參數(shù)

表2 電機(jī)Motor2參數(shù)

電機(jī)Motor1的轉(zhuǎn)速給定為斜坡增加至額定轉(zhuǎn)速5 400 r/min，2 s后跳變至2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始為1 N·m，5 s后跳變至額定轉(zhuǎn)矩2.38 N·m；電機(jī)Motor2的轉(zhuǎn)速給定為斜坡增加至額定轉(zhuǎn)速850 r/min，3 s后跳變至500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始為4 N·m，4 s后跳變至額定轉(zhuǎn)矩6.3 N·m。相應(yīng)的波形如圖7～圖13所示。

由圖7可知，直流母線電壓可以達(dá)到600 V左右，比傳統(tǒng)五橋臂理想狀態(tài)下的311 V多了近一倍。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓Uin波形

由圖8～圖13可知，在改進(jìn)的雙電機(jī)逆變器的控制下，電機(jī)能夠很好地跟隨給定轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)矩，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)Motor1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩及id、iq的波動(dòng)只發(fā)生在2 s和5 s時(shí)，所以電機(jī)Motor2的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變不會(huì)影響電機(jī)Motor1的運(yùn)行，相應(yīng)地，電機(jī)Motor1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變不會(huì)影響電機(jī)Motor2的運(yùn)行，可見(jiàn)這兩臺(tái)電機(jī)是被獨(dú)立控制的。

圖8 電機(jī)Motor1的轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖9 電機(jī)Motor1的轉(zhuǎn)矩跟蹤波形

圖10 電機(jī)Motor1的id、iq跟蹤波形

圖11 電機(jī)Motor2的轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖12 電機(jī)Motor2的轉(zhuǎn)矩跟蹤波形

圖13 電機(jī)Motor2的id、iq跟蹤波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文指出了傳統(tǒng)雙電機(jī)逆變器拓?fù)浯嬖诘膯?wèn)題，在此基礎(chǔ)上針對(duì)傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)涮岢鲆环N改進(jìn)的雙電機(jī)逆變器拓?fù)?。通過(guò)保持逆變橋拓?fù)洳蛔?，改變整流橋拓?fù)鋪?lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)渲兄绷麟妷豪寐实偷膯?wèn)題。最后在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了改進(jìn)的雙電機(jī)逆變器拓?fù)涞目尚行院蛢?yōu)越性。仿真結(jié)果表明,所提逆變器拓?fù)鋼碛辛己玫膭?dòng)態(tài)性能，且解決了傳統(tǒng)五橋臂拓?fù)潆妷豪寐瘦^低的問(wèn)題。