矩阵变换器在异步电机直接转矩控制中的应用

严肃,王倩营,何登,陈亚东

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

矩阵变换器在异步电机直接转矩控制中的应用

严肃,王倩营,何登,陈亚东

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

在异步电机直接转矩控制系统中，采用矩阵变换器供电既能实现直接转矩控制的效果，并且还具有矩阵变换器的优点。实现了将矩阵式变换器的空间矢量调制与异步电机基于定子磁场定向的直接转矩控制技术相结合。该控制方式将矩阵式变换器的良好性能和直接转矩控制的优点结合在一起，实现了异步电动机较好的调控性能,提高了交流调速性能并满足节能要求。仿真结果表明:使用该控制策略的调速系统在加减速运行和负载转矩变化等场合均具有良好的动静态性能，为实际研究和设计提供了方便。

矩阵变换器；异步电机；空间矢量调制；直接转矩控制

1 引言

随着微电子技术和电力电子技术的发展，各种电力变换装置陆续得到面世，矩阵变换器作为一种基于双向开关的新型交—交变频器得到了各国学者越来越多的关注，并分别对其进行了大量的研究。

直接转矩控制技术自1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授提出后[1]，迅速发展成为的一种主流的交流调控技术。使用矩阵变换器供电的异步电动机,采用直接转矩控制方法，一方面能够较好的实现电机的传动性能,另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求[2],降低谐波污染。但是，在过去的一段时间里，国内外对矩阵变换器的研究主要集中在矩阵变换器自身拓扑结构等一系列问题上，而将矩阵变换器应用于电机调速系统的研究则相对较少[3]。

本文实现了一种采用矩阵变换器供电的异步电动机高性能调速系统的直接转矩控制策略。利用该控制策略,可以同时实现矩阵变换器的空间矢量调制算法和异步电动机基于定子磁场定向的直接转矩控制[4]。通过Matlab/ Simulink 仿真结果证明，采用上述组合控制策略的交流调速系统，既具有矩阵变换器的良好特性，又具有直接转矩控制技术良好的动静态性能。

2 矩阵变换器控制策略

作为一种含有个双向开关的单级电力变换器，矩阵变换器可以通过双向开关将输入侧相电源直接连接至输出侧相负载，是一种直接的AC/AC变换器。矩阵变换器的原理图如图1所示，它的主回路由9个双向开关组成。每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力,可由两个IGBT器件和两个快速恢复二极管构成。

图1 矩阵变换器拓扑和双向开关构成

三相-三相矩阵变换器在理论上可以等效为1个电压源整流器(VSR) 和1个电压源逆变器(VSI)的虚拟连接，如图2所示。在整流部分使用空间矢量调制得到正弦输入电流和可调的输入功率因数；在逆变部分使用空间矢量调制得到幅值和频率可调的正弦输出电压,然后将两者合二为一从而实现矩阵式变换器的调制[5]。

图2 矩阵变换器等效模型

由于矩阵变换器的输入端不能短路，输出端不能短路，所以连至每一输出相的3个开关任意时刻只能有一个闭合，故对于三相-三相矩阵变换器来说，可能的开关状态组合有3×3×3=27种。

对任一开关状态，定义输出线电压、线电流的空间矢量为：

(1)

(2)

同样，定义输入线电压、线电流的空间矢量为：

(3)

(4)

根据相电压与线电压之间的关系，定义输出相电压的空间矢量为：

(5)

以此类推，可得出所有27种开关状态所对应的输出相电压、线电压和输入线电流的空间矢量。可以看出：每个输出电压都与输入电压呈函数关系，每个输入电流都与输出电流呈函数关系。

这27种开关状态可分为三类：第一类6种开关状态的特点是：输入相连接的每个输出相都是不同的；第二类开关状态的开管特点是：在三个输出相中，其中有两个连接的输入相相同，而另一个则连至不同的输入相；第三类的开关状态的特点是：所有输出相都连接到同一输出相。第一组开关各输出电压和输入电流的空间矢量角分别受其输入输出量的影响。所以，对于空间矢量调制(SVM)技术来说，这一组的开关状态是没有意义的。第二组开关的输出电压空间矢量和输入空间电流都具有固定的空间电压矢量角。第三组开关状态产生零输出电压空间矢量和零输入电流空间矢量，称为“零矢量”。因此，第二组和第三组的开态关状态可以用于SVM调制算法，如图3所示。

3 DTC控制原理

根据电机模型方程,定子磁链矢量表示为：

ψs=∫(Vs-is×Rs)dt

(6)

式中：ψs为定子磁链矢量；Vs为定子电压矢量；is为定子电流矢量；Rs为定子电阻。

在忽略定子电阻压降的情况下,式(6)可以改写为

Δψs=VsΔt

(7)

由式(7)可以看出,在一个极短的时间段内,作用某一电压矢量后所产生的定子磁链矢量的改变量与该电压矢量具有相同的方向。

在静止的d-q坐标系中,异步电机的电磁转矩方程为

图3 第二组开关状态确定的输出线电压空间矢量和输入电流空间矢量

(8)

式中：np为电机的极对数；ψds、ψqs分别为ψs在d，q轴的分量；ids、iqs在d、q轴的分量。另一个有用的电磁转矩公式为

(9)

式中：Ls，Lr分别为定子、转子电感；Lm为互感；σ为漏感系数；ψr为转子磁链系数；θ为转矩角，即转子磁链矢量跟定子磁链矢量的夹角。

异步电机直接转矩控制是基于电压空间矢量进行分析的。分别画出矩阵变换器的输出电压空间矢量图(图中的中心点是三个“零矢量”)及磁链和转矩控制原理图。用于分析矩阵变换器产生的相电压空间矢量和DTC所需的空间矢量之间的关系。这种控制方式的一个很大优点就是输入的功率因数很高，甚至能达到单位功率因数[6]。

图4 输出相电压空间矢量及磁链、转矩控制原理图

采用矩阵变换器供电最大的一个优点就是：只要控制矩阵变换器的输入电压空间矢量和输入电流空间矢量的位置，即控制它们的角度差在一定的范围内，就可以实现对系统输入功率因数的控制。

定义Δθi为矩阵变换器输入相电压空间矢量角与输入电流空间矢量角之差：

Δθi=χi-βi

(10)

基于以上分析，本控制算法理论上可以实现任意功率因数控制。只要将Δθi与所需功率因数角之差送入滞环控制器，即可将矩阵变换器输入侧功率因数控制为任意值。同理，如果系统要求输入侧为单位功率因数，而实际输入功率因数角有偏差时，可用此方法实现功率因数的“微调”。综上所述，采用矩阵变换器供电的直接转矩控制系统，不仅满足磁通和转矩控制性能的要求，还能同时满足调节功率因数的要求，而这正体现了该新型调速系统的重要优点。最后将DTC算法所需的电压空间矢量和对应矩阵变换器的最优开关状态的关系序列如表1所示。

图的滞环比较器

表1 DTC的电压矢量与MC开关状态的对应关系

4 实验仿真分析

为了验证采用组合控制策略的调速系统的性能,本文在1 台鼠笼式异步电动机上使用MATLAB 软件进行了仿真研究。电机参数为:Rs=0.435Ω,Rr= 0.816Ω,Ls= 0.002H,Lr=0. 022H,Lm=0.693H,电机极对数p= 2。磁链参考值为Ψ=0. 56Wb。整个仿真模型及相关波形如下所示。

图9是电机变速运行时电流、转速、转矩响应的波形图,可以看出,矩阵变换器供电的永磁同步电机直接转矩控制系统在短时间内由给定转速(200r/min)变成(-200r/min),电流稳定正弦,且转矩在变速过程中短时间内回复到恒值，且转矩脉动小。

图10是电机转矩变动时运行时电流、转速、转矩响应的波形图,可以看出,矩阵变换器供电的永磁同步电机直接转矩控制系统在短时间内由给定转矩(5N/m)变成(-5N/m),电流稳定正弦,且转速在变转矩过程中短时间内回复到恒值。

图6 基于矩阵变换器的异步电机仿真模型

图7 稳态运行时磁链轨迹图

图8 稳态运行时网侧电压电流波形图

图9 系统速度由(200r/min)跳变为(-200r/min)运行时波形图

图10 转矩由(5N.m)突变为(-5N.m)时仿真波形图

5 结论

本文根据矩阵变换器供电的异步电动机直接转矩控制的基本原理,实现了基于矩阵变换器异步电机直接转矩控制的组合控制策略。该控制策略同时实现了矩阵变换器的空间矢量调制和异步电机基于定子磁场定向的直接转矩控制。仿真结果表明,在电机稳定运行,变速运行变化以及负载突变的条件下,都具有快速、稳定等良好静动态特性,能够实现能量双向流动；且矩阵变换器的输入电流和电压具有同相位,保持单位功率因数,降低谐波污染,有利于改善电网质量。

[1] Venturini M. A New Sine Wave in Sine Wave Out Conversion Technique which Eliminates Reactive Elements[A].Proceeding s Powercon7[C].USA:IEEE,1980:E3-1-E3-15.

[2]Alesina A,Venturini M .Intrinsic Amplitude Limits And Optimum Design of 9-switches Direct PWM AC-AC Converters[A].IEEE Proc.of PESC[C].Kyoto,Japan:IEEE,1988:1 284-1 291

[3]丁伟,朱建林,李志勇.空间矢量调制的矩阵式变换器的仿真模型[J].湘潭大学自然科学报,2002,24( 3):100-103.

[4]李夙.异步电机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001.

[5]孙凯,黄立培,松濑贡规.基于矩阵变换器的异步电机控制[J].清华大学学报,2004,44( 7):909-912.

[6]唐广笛,梅柏杉,朱建林.一种新型直接转矩控制方法的仿真研究[J].湘潭大学自然科学学报,2003,25( 2):95-98.

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