基于矩陣變換器供電的感應(yīng)電機(jī)空間矢量控制系統(tǒng)仿真*

劉棟良，鄭謝輝，張 遙

（1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018； 2.臥龍電氣集團(tuán)有限公司，浙江上虞312300）

0 引言

矩陣變換器（MC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出至今已有30多年，但是在意大利學(xué)者M(jìn).Venturini提出矩陣式變換器存在的理論及控制策略［1］之后，它的研究才真正開始。

由于矩陣變換器具有四象限運(yùn)行能力，以及具有無中間直流環(huán)節(jié)、輸入功率因素可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，使它成為了電力電子研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，使用矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)較好的傳動(dòng)性能，另一方面也可以滿足日益嚴(yán)格的電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，應(yīng)用前景非常廣闊［2-9］。

在過去的20年間，對(duì)矩陣式變換器的研究主要集中于變換器自身的一系列問題，如雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)、調(diào)制算法、換流方式以及保護(hù)措施等，而將矩陣式變換器應(yīng)用于矢量控制異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究也相對(duì)較少。這主要有兩個(gè)原因：①矩陣式變換器中的雙向開關(guān)需要用分立的電力半導(dǎo)體器件組合而成，因而使雙向開關(guān)之間的換流控制比較困難；②矩陣式變換器自身的調(diào)制算法比較復(fù)雜，需要利用數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件等高速芯片來實(shí)現(xiàn)，如果將矩陣式變換器用于異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，那么就會(huì)增加系統(tǒng)控制電路實(shí)現(xiàn)的難度。

為此,文獻(xiàn)［10］深入分析了空間矢量調(diào)制策略，建立了矩陣變換器簡(jiǎn)單實(shí)用的仿真模型，但是輸出線電壓波形不是理想正弦波，調(diào)制策略中的開關(guān)順序模式尚待完善。文獻(xiàn)［11］運(yùn)用純數(shù)學(xué)方法，簡(jiǎn)化了矩陣變換器的調(diào)制算法，仿真速度快，各種電路參數(shù)也便于設(shè)定，但是其輸入諧波大，轉(zhuǎn)矩電流不易調(diào)節(jié)，影響變換器的工作效率。

本研究提出一種適用于矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)高性能調(diào)速系統(tǒng)的組合控制策略，詳細(xì)分析矩陣變換器開關(guān)狀態(tài)的確定方法,并利用該控制策略，建立矩陣變換器的仿真模型。

1 矩陣變換器的空間矢量調(diào)制

矩陣變換器的三相輸出和三相輸入通過9個(gè)雙向功率開關(guān)直接相連，簡(jiǎn)化的三相到三相矩陣變換器及其雙向開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相交-交矩陣變換器主電路

若將雙向開關(guān)元件的導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)用函數(shù)S jk表示，1表示關(guān)斷，0表示導(dǎo)通：

則該部分輸入不能短路，輸出不能開路的約束條件可表示為：

矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略是指在矩陣變換器交-交-直變換器中引入虛擬的直流環(huán)節(jié)，將其等效為交-直-交結(jié)構(gòu)，即分為電壓源整流空間矢量調(diào)制和電壓源逆變空間矢量調(diào)制，其等效結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 矩陣變換器交-直-交等效結(jié)構(gòu)圖

逆變部分的直-交變換電流如圖3所示。本研究設(shè)直流側(cè)電壓為Vpn，某一狀態(tài)為SAp、SBn、SCn閉合，則有VUV=Vpn、VVW=0、VWU=-Vpn，合成的線電壓Vj空間矢量和6只功率開關(guān)可組合的開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量如圖3所示，其中U1～U6是有效電壓矢量，矢量間的相位差為60°角（括號(hào)里的3個(gè)數(shù)字按順序表示U、V、W 三相與直流側(cè)的連接狀態(tài)，例如：M=101 表示SAp、SBn、SCp導(dǎo)通）。另外有2個(gè)輸出電壓為零的零矢量V7～V8。

圖3 直-交變換電路和輸出電壓六邊形矢量

直-交變換電路矢量合成如圖4所示。為了得到在空間以勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，研究者需采用脈寬調(diào)制法來進(jìn)行合成，圖4中Vj為要得到的某一瞬間的空間矢量，它落在六邊形矢量中的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，其相鄰兩矢量為VM和VN，Vj與VM的夾角為θj。按空間矢量調(diào)制法，矢量Vj可由VM和VN及零矢量V0合成，其表達(dá)式為：

圖4 直-交變換電路矢量合成

其中，VM占空比（作用時(shí)間）為：

式中：m u—調(diào)制系數(shù)。

VN占空比（作用時(shí)間）為：

V0占空比（作用時(shí)間）為：

整流部分的交-直變換電路如圖5所示，設(shè)某一瞬間開關(guān)Sap和Scn閉合，則電流從R 流入，從T 流出，即IR為正而IT為負(fù)。在三相RST坐標(biāo)中，IR與IT合成，得到空間電流矢量和6只功率開關(guān)組合的電流矢量I1～I(xiàn)6，如圖5所示（2 個(gè)字母表示RST 三相與直流側(cè)pn的連接狀態(tài)）。

圖5 交-直變換電路和輸出電流六邊形矢量

同逆變部分調(diào)整一樣，研究者利用相鄰兩電流矢量可以合成得到在空間任意位置的電流矢量Ik，如圖6所示。其占空比表達(dá)式為：

圖6 交-直變換電路的矢量合成

交-直-交結(jié)構(gòu)中的開關(guān)狀態(tài)可以由矩陣變換器交-交電路中的9 個(gè)開關(guān)狀態(tài)來等效，例如：假設(shè)在某一瞬間的輸入電流矢量為I4而輸出電壓矢量為V2，則在交-直-交線路中應(yīng)是Scp、San和SAp、SBp、SCn閉合，交-交線路則是ScA、ScB、SaC閉合，如圖7所示。由于輸入電流和輸出電壓各有6 條空間矢量（零矢量除外），則出現(xiàn)的組合狀態(tài)有36種，對(duì)應(yīng)18種交-交變換靜止矢量，如表1所示。

圖7 交-直-交電路結(jié)構(gòu)和交-交電路結(jié)構(gòu)的等效

設(shè)MC輸出電壓矢量所處區(qū)間的相鄰基本矢量為VM（簡(jiǎn)稱M矢量）、VN（簡(jiǎn)稱N矢量），輸入電流矢量所處區(qū)間的相鄰基本矢量為Iα（簡(jiǎn)稱α矢量）、Iβ（簡(jiǎn)稱β矢量），則兩個(gè)空間矢量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的方法來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)輸入相電流和輸出線電壓合成過程共有αM、αN、βN、βM矢量及零矢量I0U05 種組合，每一矢量組合的作用時(shí)間用占空比表示時(shí)是該組合內(nèi)各矢量占空比的乘積：

表1 36種組合對(duì)應(yīng)18靜止矢量

式中：m—調(diào)制系數(shù)。

若采用普通的雙邊空間矢量調(diào)制，則在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)矢量變換的順序?yàn)椋害罬-αN-βN-βM-零矢量-βM-βN-αN-αM。零矢量可根據(jù)βM矢量選擇3個(gè)零矢量之一，選擇原則是以降低MC的開關(guān)次數(shù)至最小為準(zhǔn)。按上述的算法和原則可以得到不同輸入/輸出區(qū)間內(nèi)的矢量狀態(tài)［12］。

2 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)上述調(diào)制策略，本研究利用Matlab 中的S 函數(shù)，建立了空間矢量調(diào)制的矩陣變換器的仿真模型，其仿真模型主要由2個(gè)S函數(shù)構(gòu)成，ustate負(fù)責(zé)接收三相輸入電壓，并計(jì)算5 個(gè)矢量的占空比時(shí)間和所在的扇區(qū)；GatesCalc根據(jù)ustate傳遞來的信息，計(jì)算任意電流-電壓扇區(qū)組合下，4 種電流-電壓矢量組合在單位開關(guān)周期T S內(nèi)作用的占空比d1、d2、d3、d4，然后以輸入相電流空間矢量所在扇區(qū)號(hào)、輸出線電壓空間矢量所在扇區(qū)號(hào)以及占空比d1、d2、d3、d4為輸入，輸出矩陣變換器9 個(gè)雙向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)。仿真算法為ode15，開關(guān)頻率為10 kHz。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

為了驗(yàn)證所建模型的有效性和正確性，本研究針對(duì)矩陣變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行，在Matlab7.0環(huán)境下進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為：輸入為三相對(duì)稱電源，其相電壓為220 V/50 Hz，功率因數(shù)控制為1；三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為3×420 W，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，額定電壓為220 V/50 Hz，定子電阻和漏感分別為0.485 Ω，4 mH，轉(zhuǎn)子電阻和漏感分別為0.842 Ω，2 mH，互感為66.75 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.078 kg·m2。

圖8 矩陣變換器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T L=6 N?m 和無負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，系統(tǒng)中異步電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和d軸電流分別如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10中可以得到：

（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)發(fā)生變化，該結(jié)果表明，在異步電機(jī)啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及變速時(shí)，該系統(tǒng)具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

（2）無論有無負(fù)載，在啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及變速時(shí)，id一直保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（±0.1 A），這保證了系統(tǒng)具有優(yōu)良的輸入/輸出特性，說明本研究所設(shè)計(jì)的基于矩陣變換器的感應(yīng)電機(jī)空間矢量控制系統(tǒng)是切實(shí)可行的。

圖9 T L=6 N?m 啟動(dòng)時(shí)波形

圖10 T L=0 N?m 變速時(shí)波形

本研究提出的空間矢量控制策略在變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上（實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示），結(jié)合1.3 kW的異步電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速250 r/min，采用Agilent（DSO6014A）示波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該策略控制下能夠獲得具有完整正弦性的輸出線電壓。輸出電壓波形如圖12所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 輸出線電壓波形

4 結(jié)束語

本研究針對(duì)矩陣變換器一次性功率交換的本質(zhì)，充分利用交-直-交變換技術(shù)中成熟的空間矢量調(diào)制技術(shù)，推導(dǎo)出基于空間矢量調(diào)制的矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)表，同時(shí)利用Matlab 軟件Simulink 中的S 函數(shù)建立了矩陣變換器仿真模型，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)了較快的仿真速度，節(jié)約了大量時(shí)間。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了空間矢量調(diào)制策略的有效性和正確性，表明矩陣變換器具有優(yōu)良的輸入/輸出特性。該仿真模型采用模塊化設(shè)計(jì)，方便搭接，具有開放性和工程實(shí)用價(jià)值，為將矩陣變換器應(yīng)用于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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