矩阵变换器交流调速系统组合控制策略的研究

刘红兵

(湖南铁道职业技术学院电气工程系，湖南 株洲 412001)

1 引言

矩阵变换器是一种新型的交－交电力变换器，与传统的变换器相比，它具有如下优点:不需要中间直流储能环节;能量双向流通，可实现四象限运行;具有优良的输入电流波形和输出电压波形;可自由控制的功率因数。因此矩阵变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，有着广泛的应用前景，特别是在交流变频调速领域［1］。

2 矩阵变换器的数学模型［1，2］

普通三相－三相交流矩阵式变换器拓扑结构如图1 所示，其中，a、b、c 三相为输入相，A、B、C 三相为输出相。

理论上可以将其等效为一个整流器和逆变器的虚拟连接，这样可以分别对“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”进行控制，再将2个过程进行合成，从而实现正弦的输入、输出波形以及可控的输入功率因数。式(1)和(2)分别为输入侧虚拟整流器函数矩阵TVSR和输出侧虚拟逆变器函数矩阵TVSI。

图1 矩阵变换器拓扑结构

式中，ωi为输入电压频率;ωo为输出电压频率;φi为输入相电压与相电流之间的相位差;φo为输出电压相对输入电压的相移角。

3 组合控制策略

在以转子磁链的方向为d轴的同步旋转坐标系(dq轴坐标系)下，将异步电动机控制系统分解为转速环和磁链环两个子系统，分别对电动机转速和转子磁链进行调节;通过坐标变换，将电动机定子电流分解为d轴分量和q轴分量;在转速环之内设置q轴电流环，以调节电磁转矩，而在磁链环之内设置d轴电流环，以调节转子磁链，从而实现对异步电动机转矩和磁链的解耦控制［3－5］。

图2中，可以通过三相/两相坐标变换得到两相静止坐标系(α－β坐标系)下的输入电压分量Uiα和Uiβ，即:

式中，θf为转子磁链在空间中的位置角。

图2 矩阵变换器交流调速系统组合控制策略

4 矩阵变换器交流调速系统仿真

三相、四极鼠笼型异步电机模型参数:PN=2.5kW;UN=380V;定子电阻R1=0.356Ω，定子漏感L1σ=1mH;转子电阻R2=0.736Ω;转子漏感L2σ=1mH;激磁电感(互感)Lm=65.12mH;转动惯量J=0.083kg·m2。

电动机启动时电流、转速和转矩波形如图3所示，图4给出了矩阵变换器的能量回馈波形。

图3 电动机启动时电流、转速和转矩波形

图4 矩阵变换器的能量回馈波形

从以上仿真波形中，可以看出矩阵变换器交流变频调速系统，在组合控制策略的调节下，电动机的启动电流、转速和电磁转矩都能够快速收敛，矩阵变换器的输出线电压并没有因为能量的回馈有较大的变化，说明矩阵变换器可以实现能量的双向流通。

5 结论

本文将矩阵变换器的空间矢量脉宽调制和电动机转子磁场定向矢量控制相结合，提出了一种新型的组合控制策略，通过仿真得到了电动机启动时电流、转速和转矩波形与矩阵变换器的能量回馈波形。仿真结果表明，采用组合控制策略的矩阵变换器交流变频调速系统获得了良好性能，同时保证了输入侧具有较高的电能质量。

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