基于双桥矩阵变换器的异步电动机控制系统

摘 要：双桥矩阵变换器作为电力变换器的新拓扑结构，具有诸多的优点。本文基于双桥矩阵变换器提出了一种新型的异步电动机控制系统。利用MATLAB/simulink建模和仿真，结果表明双桥矩阵变换器能够代替传统的交流-直流-交流电力变换器对异步电动机进行控制，而且结构更紧凑、响应速度快、换流稳定，验证了该系统的可行性。

关键词：双桥矩阵变换器；零矢量换流；异步电动机；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.010

1 引言

随着工业自动化水平的不断发展，对交流传动系统提出了更高的要求。交流传动系统的核心是以电机为基础的系统，电机输出的性能决定着交流传动系统的性能。目前为止，学者们对交流传动系统的研究从几个方面进行：

（1）从电机本身出发，研究者从电机的结构、制造材料、制造工艺等方面出发，致力于改进电机，使得能达到用户的要求。

（2）控制理论不断的创新，70年代初，由西德F.Blasschke等人将异步电动机和直流电机相比较，提出了矢量控制技术，为电机的控制开启了道路。80年代中期，德国的Depenbrock教授提出把电机转矩作为控制量的直接转矩控制理论，是继矢量控制后的又一高效变频控制技术[1]。近年来随着大功率电力电子器件的发展，结合计算机技术的发展，交流调速系统才正真使用到现代化的工业技术中。通过电力变换器来控制电机的交流传动系统，不但降低了调速系统的体积，更使得交流调速系统的动、静态性能更加优良。

2 双桥矩阵变换器

2.1 双桥矩阵变换器结构

AC-DC-AC（Alternating Current-Direct Current-Alternating Current，交流-直流-交流）电力变换器能达到对电机性能的控制，但大功率的开关器件产生的谐波对电网电能质量造成了污染，尤其是在AC-DC-AC变换器中间大电容的存在，降低了电网侧电压的利用率以及系统的响应速度，增加了交流传动系统的体积[2]。

2001年，有学者在传统电力变换器的拓扑结构上提出了一种新型的变换器结构，TBMC（Two-Bridge Matrix Converter，双桥矩阵变换器），如图1所示。这種变换器很大程度上弥补了传统电力变换器不足，而且具备诸多优点：整流侧双向开关零矢量换流，换流更加稳定可靠；减去了中间大电容、体积更小、结构更简单，响应速度更快[3]。TBMC由 18个大功率开关器件组成，12个双向开关构成整流侧，双向开关如图2所示；6个单向开关组成逆变侧。

2.2 双桥矩阵变换器工作原理

设TBMC的输入三相电压如式（1）所示：

其中，输入端相电压大小有效值用Ui表示；输入各相的相电压分别用ua、ub、uc 表示；ωi为输入端电压的角频率。

设TBMC的输出线电压为：

其中，输出各相线电压分别为UAB、UBC、UCA；输出电压幅值为Uo；输出角频率为ωo；输出电压初相角为φo。

TBMC结构上由整流侧和逆变侧两部分组成，故可将其分为两部分进行分析，假设存在一个三阶矩阵T，使得TBMC有如下关系：

其中，TBMC整流侧的双向开关用Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn表示；TBMC逆变侧的单向开关用SAp、SBp、SCp、SAn、SBn、SCn表示；m为TBMC的调制系数，且调制范围为。

TBMC结构上与传统的AC-DC-AC变换器相似，都包含整流和逆变电路，因此对于TBMC的控制可以使用非常成熟的PWM、SVPWM等控制策略，根据TBMC的工作原理，为了能使输出幅值为正的直流电，整流侧采用PWM控制调制策略；为了实现零电流换流，逆变侧采用采用SVPWM调制策略[4]。

3 基于双桥矩阵变换器的异步电动机控制系统

由于TBMC的诸多优点，本文提出一种基于TBMC的异步电动机矢量控制系统，其控制框图如图3所示。整流侧通过对输入三相电压的实时采集，计算得到输入电压的扇区，根据扇区确定出需要导通的开关器件，计算出占空比，最后得到整流侧双向开关的控制信号[4]

对三相异步电动机的定子电流进行Clarke和Park变换，转换成相应的励磁分量和转矩分量，通过励磁调节器和转矩调节器得到两个分量值[4]，将其与目标值相比较，经过电压补偿与控制器，通过Park、Clarke变换，得到输出电压所在扇区，将此扇区与整流侧扇区共同作用，作为逆变侧开关的控制信号，通过整流侧与逆变侧开关的导通时间及顺序，实现对三相异步电动机的控制[5-6]。

4 仿真分析

借助于MATLAB/Simulink仿真平台，建立基于TBMC的异步电动机控制系统，仿真模型如图4所示，通过分析该系统空载时的输出性能，带负载时的输出电压、电流、转矩、转速性能，验证系统的正确性及优越性。

仿真系统的参数： PN=40kW，极对数p=2，定子绕组的等效电阻Rs=0.4Ω，转子绕组的等效电阻=0.86Ω，定子绕组的等效电感Ls=2mH，转子绕组的等效电感=2mH，负载转矩Te=300Nm，转动惯量J=0.098kgm2，矩阵变化其开关器件开关频率为10kHz。额定频率fc=60Hz，TBMC的输入电压为ULN=380V。

4.1 TBMC仿真分析

对TBMC进行仿真分析，输出端线电压、相电流如图5所示，为稳定的正弦波。

4.2 系统仿真分析

4.2.1 当异步电动机空载时

当异步电动机空载时，分析系统从启动到稳定运行时定子A相相电流、电机转速和电磁转矩，其仿真波形图如图6所示。从图中可以看到在电机达到稳定运行时，电流为正弦电流，转速在0.5s后为1650r/min。转矩为0N·m。

4.2.2 当异步电动机带负载时

图7是电机启动2.5s后加入300Nm的负载，输出相电流、转速、转矩的波形图。从图可以看出，2.5s后，定子电流趋近于稳定，转速下降，转矩随着转速的下降增大，最后为恒定的300Nm。

5 结论

通过仿真分析可看出，双桥矩阵变换器完全可以代替传统的AC-DC-AC电力变换器控制异步电动机，该系统不但能使异步电动机输出电流为正弦波，与传统的控制系统相比，基于双桥矩阵变换器的异步电动机控制系统结构更小、响应速度快、换流简单，降低了异步电动机控制系统的复杂性，也验证了该系统的正确性和优越性。

参考文献：

[1]王琰.基于高性能DSP的交流传动系统研究[D].华中科技大学，2014.

[2]李孟，任杰，刘元度.矩阵变换器空间矢量调制谐波的分析及仿真[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（04）：95-99.

[3]Andreul J，Alegrial I，Kortabrrial I，et al.Swittching Frequencey Behavriour for a pr-actical Matrix Converter[C].in proceedingsof 32nd IEE IECON Annual Meeting，2006，paris ，France：1667-1672.

[4]王红红.基于双桥矩阵变换器异步电动机矢量控制的研究[D].兰州交通大学，2014.

[5]何必，乔鸣忠等.矩阵变换器占空比矢量理论及调制策略[J].电工技术学报2011（26）：56-64.

[6]佘宏武，林桦，王兴伟等.矩阵变换器阻尼输入滤波器的设计[J].电源学报，2011，33（01）：19-25.

作者简介：王红红（1988-），女，甘肃天水人，硕士，助教，主要研究方向：动车组牵引控制系统。