双级矩阵变换器变频调速系统特性研究与仿真*

潘湘高， 李丹云， 申群太

(1.湖南文理学院电气与信息工程学院，湖南常德 415000;2.中山大学数学与计算科学学院，广东广州 510000;3.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410082)

0 引言

与传统的交-直-交变频器相比，矩阵变换器(MC)具有如下优点:控制自由度多，输出电压和频率可调，变频范围大;输入功率因数可调，可超前、滞后或为1。输入和输出电流为正弦波，谐波很小，对电网无谐波污染;结构紧凑，体积小，效率高。MC因“绿色环保”而成为电力变换器的研究热点［1-3］。常规MC是AC-AC单级(直接式)电力变换器，需要采用复杂的四步换流法进行安全换流，控制复杂，电压传输比小于0.5，双级矩阵变换器(TSMC)可以克服常规MC的这些缺点，并且可以完成与MC相同的功能［3］。由TSMC和异步电动机组成变频调速系统能获得比传统脉宽调制(PWM)变频调速系统更为优越的特性。

1 TSMC异步电动机变频调速系统电路结构及分析

有18个绝缘栅双极晶体管(IGBT)的TSMC异步电动机变频调速系统主电路结构如图1所示［4］，主要由输入滤波器，三相 PWM 整流器、钳位电路、三相SPWM逆变器和异步电动机组成。TSMC因无中间直流环节的滤波电感器和电容器而可以做得结构紧凑、重量轻、体积小。整流器的六个桥臂各由两个IGBT反向串联的双向开关组成，能实现能量的双向传递，方便电动机实现四象限运行。为使开关器件关断时不受高电压和大电流的冲击，一般需要设置钳位电路，常规MC需要一组复杂的二极管和电容器，而TSMC的钳位电路则很简单，只由一个二极管和一个电容器串联组成［5］。

图1 双级矩阵变换器异步电动机调速系统主电路

TSMC的工作方式类似于AC-DC-AC双PWM变频器，分两级控制:整流级为PWM控制方式，输出PWM直流电压;逆变级为SPWM控制方式，输出SPWM交流电压驱动异步电动机运行。

2 TSMC的双空间矢量调制方式

系统采用整流级无零矢量双空间矢量调制策略。为提高电压利用率，整流级采用无零矢量PWM，而逆变级采用SPWM。

2.1 整流级采用无零矢量PWM

假设TSMC输入对称的三相正弦电压为:

为使整流级输出正极性的直流电压并获得最大的电压利用率，把输入三相电压的一个周期分为六个区间，如图2所示，各个区间的共同特点是:一相电压绝对值最大，另外二相电压极性与其相反。把一个PWM周期分为两个时间段，并分别在两段时间内将相应的两个最大且极性为正的两个线电压输出到直流侧，每个线电压的占空比等于构成该线电压的两个相电压瞬时值之比。例如在第1区间，输出的两个线电压分别为uab和uac，它们对应的占空比为:

图2 输入三相电压六区间的划分

当输入三相电压对称时有dab+dac=1，在每一个PWM周期内整流级只产生两个有效的空间矢量，不会出现零矢量。在第1区间，一个PWM周期内输出的直流电压平均值为:

其他的各个区间情况可以依此类推。各PWM周期内输出的直流平均电压为:

式中:|cos(θin)|=max(|cos(θa)|，|cos(θb)|，|cos(θc)|)。

2.2 逆变级空间矢量调制

TSMC逆变级的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法与常规的逆变器有所不同，TSMC直流侧不是一个固定的直流电压，而是PWM电压，在一个PWM周期内分别是两个不等的直流电压。以第1区间为例，它们分别是uab和uac，因为开关频率远高于输入电压频率，故在一个PWM周期内两个线电压可看成常数值，即逆变级在一个PWM周期内的直流供电电压有两级不同的电压。

逆变级六个开关以不同的通断组合可以合成六个线电压有效空间矢量(V1～V6)和两个零矢量(V0、V7)，如图 3 所示，V0(000)和 V7(111)在原点，没有画出。括号中的三位二进制代码按顺序依次表示A、B、C三相桥臂上下开关的通断状态，“1”表示上桥臂导通，下桥臂关断，“0”则刚好相反。

图3 逆变级SPWM

假设VJ为需要输出的某一瞬间线电压空间矢量，则:

式中Vn、Vm为所在区间相邻的两个有效空间矢量，V0为零矢量，可以为V0或V7，它们相应的占空比为:

式中:mv为逆变级的调制系数。

2.3 TSMC两级电压矢量的配合控制

TSMC整流级和逆变级的矢量合成按图4所示的顺序进行配合控制，在此1个PWM周期Ts内，整流级两级线电压矢量的作用时间按式(2)的占空比乘Ts得到，如图4(a)、(b)所示，逆变级的两个有效空间矢量和零矢量在两段时间作用的占空比都按式(6)计算，如图4(c)所示，再按图4(d)所示调整零矢量的作用顺序，将零矢量安排在整流级的换流时间，这样就可以实现整流级的零电流换流，从而极大地减小整流级开关损耗，提高TSMC的效率。

图4 双空间矢量调制两级开关矢量作用顺序

逆变级的调制系数为:

mV为时变量，式中cos(θin)用来抵消波动量，以保证输出电压矢量的幅值恒定。将Ulm=Uom代入式(7)可得TSMC的电压传输比，即输出相电压与输入相电压之比为最大可达到0.866。

设输出电压角频率为ω0，初相角为φ0，则在第1扇区内θV=ωot+φ0+60°，输出线电压为:

在对称负载作三角形接法时，输出的三相电流为:

式中:φL为负载功率因数角，Iom为输出相电流幅值。输入三相电流为［4］:

3 系统特性分析与仿真

TSMC异步电动机变频调速系统的组成和仿真模型如图5所示，系统主要由三相电源、TSMC、异步电动机及控制模块和检测输出显示模块等组成。系统采用了异步电动机二相同步旋转坐标(dq)模型的闭环反馈控制［6］。对转速采用了转速、电流(转矩分量)双闭环控制，对磁链采用了磁链、励磁电流双闭环控制。

图5 双级矩阵变换器异步电动机调速系统仿真模型

异步电动机参数如下:1 500 VA，380 V，定子电阻0.532 Ω，定子漏感2.1 mH，转子电阻0.537 Ω，转子漏感2.1 mH，主磁通电感77.3 mH。系统仿真结果如图6～8所示。图6(a)、(b)分别为整流级输出的直流电流和直流电压，它们不同于普通的整流器输出的电流和电压，波形都是PWM波。在起动和带负载运行时，电流为正，而在制动时，电流为负，电压始终都为正，可见TSMC能实现能量的双向传递和系统四象限运行。图7(a)、(b)分别为A相输出电压和电流，电压为PWM波，而电流在达到稳态时基本为正弦波，符合异步电动机对电流的要求。图8为电机三相电流、转速和电磁转矩波形，在起动之初，电流幅值由零开始逐步增大且频率也随之上升，转矩很快上升，当转矩上升到超过负载阻转矩后，转速就基本以最大加速度直线上升，在达到给定转速后稳定运行，此时电流幅值下降为稳态值，为恒频等幅正弦波，转矩与负载阻转矩平衡。在给定转速阶跃下降时，电流幅值和频率按要求迅速作出反应，转矩随之变负，使电机快速制动而减速，达到新的稳态转速后各个量又在各自新的稳态值运行。

图6 整流级输出的PWM直流电流和电压

图7 双级矩阵变换器输出的相电压和电流

图8 双级矩阵变换器异步电动机调速系统动态特性

4 结 语

TSMC功能上类似于传统的交-直-交变频器，但因无需中间直流环节的滤波电感器和电容器而使其结构紧凑、体积小、重量轻，并且输入电流为正弦波，对电网无谐波污染。双空间矢量调制两级协调控制能实现整流级零电流换流，极大地减少了开关损耗，提高了变换器的效率。仿真结果表明，TSMC异步电动机变频调速系统具有良好的动静态特性，电机起动和制动时，转矩和转速变化快速、平稳。

［1］Klumpner C，Blaabjerg F.A new cost-effective multidrive solution based on a two-stage direct power electronic conversion topology［C］∥Proc of IAS’02，2002:444-452.

［2］Klumpner C.Control of a two-stage direct power converter with a single voltage sensor mounted in the intermediary circuit［C］∥2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference，2004:2386-2392.

［3］邓文浪.双级矩阵变换器及其控制策略研究［D］.长沙:中南大学，2007.

［4］邓文浪，杨欣荣，朱建林，等.18开关双级矩阵变换器的空间矢量调调制策反及其仿真研究［J］.中国电机工程学报，2005，25(15):86-90.

［5］粟梅，许新东，李丹云，等.双级矩阵变换器驱动异步电动机的特性分析［J］.中南大学学报(自然科学版)，2008，36(4):659-662.

［6］邓文浪，杨欣荣，朱建林，等.基于dq坐标双级矩阵变换器的闭环控制研究［J］.电气传动，2007，37(2):20-24.

［7］C Klumpner，P Wheeler，F Blaabjerg.Control of a two-stage direct power converter with a single voltage sensor mounted in the intermediary circuit control of a two-stage direct power converter with a single voltage sensor mounted in the intermediary circuit［C］∥Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference，2004(35):2386-2392.