基于IMC5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制研究

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（北方工業(yè)大學(xué) 變頻技術(shù)北京市工程技術(shù)研究中心，北京 100144）

1 引言

在很多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，單臺(tái)電機(jī)已不能滿足實(shí)際工業(yè)的需求，一般需要多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，例如：造紙、紡織、石油開采、航空航天等[1]。很多學(xué)者基于傳統(tǒng)的交直交變頻器研究多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。這種多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)只需要一個(gè)整流級(jí)電路，就可以連接多個(gè)逆變級(jí)，從而減小系統(tǒng)的體積和重量，降低系統(tǒng)成本[2]。但是，傳統(tǒng)交直交變頻器直流母線上的電容器組體積龐大，使傳統(tǒng)多機(jī)傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)難以滿足一些集成度要求高、重量輕、體積小的應(yīng)用場(chǎng)合[3]。間接矩陣變換器（IMC）因其特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以和交直交變換器一樣，直流母線可連接多個(gè)逆變級(jí)。基于IMC的多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)交直交變頻器多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且沒有中間儲(chǔ)能電感或電容，使得電路結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度更高。另外，可以利用5橋臂逆變器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)異步電機(jī)，這樣，開關(guān)器件進(jìn)一步減少，節(jié)約成本，減少了變頻器的體積。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)5橋臂逆變器雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。文獻(xiàn)[4]提出了5橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[5]給出了一種適用于5橋臂逆變器的調(diào)制策略，并對(duì)其進(jìn)行了深入地分析；而對(duì)于基于IMC的5橋臂逆變器系統(tǒng)和其驅(qū)動(dòng)性能的相關(guān)研究，尚未見諸文獻(xiàn)。

本文首先給出了一種新型的基于IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后提出了一種適用于本系統(tǒng)的調(diào)制策略，建立了基于IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型。最后通過Matlab仿真驗(yàn)證了理論的正確性，本系統(tǒng)也可以作為傳統(tǒng)IMC雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)橋臂故障情況下的容錯(cuò)運(yùn)行模式。

2 IMC 5橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

間接矩陣變換器在結(jié)構(gòu)上分為整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路。整流級(jí)電路由6個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成三相橋式電路，是一個(gè)三相到兩相的矩陣變換器。5橋臂逆變電路由10個(gè)IGBT和反向恢復(fù)二極管構(gòu)成，用來驅(qū)動(dòng)2臺(tái)異步電機(jī)，其中2臺(tái)異步電機(jī)共用1個(gè)橋臂 （如圖1所示的SC1p，SC1n橋臂）。為了簡(jiǎn)化逆變級(jí)電路及其控制策略，整流級(jí)電路PWM調(diào)制需要保證中間直流電壓為正。中間直流環(huán)節(jié)由二極管、電阻和小容量電解電容構(gòu)成鉗位電路，用來吸收因開關(guān)高頻動(dòng)作而產(chǎn)生的電壓尖峰；電感和電容構(gòu)成三相LC輸入濾波器，吸收輸入電流中由開關(guān)動(dòng)作引起的高頻諧波。IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)傳動(dòng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IMC 5橋臂逆變器多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.1 Multi-drive system of indirect matrix converter with five-leg inverter stage

2.2 調(diào)制策略

傳統(tǒng)間接矩陣變換器的調(diào)制策略采用雙空間矢量調(diào)制技術(shù)[6]：整流級(jí)采用電流空間矢量調(diào)制，可獲得對(duì)稱正弦的輸入電流和可調(diào)的功率因數(shù)；將電壓空間矢量應(yīng)用于逆變級(jí)，可獲得頻率和幅值可調(diào)的正弦輸出電壓。逆變級(jí)SVM與常規(guī)逆變器不同：在每個(gè)PWM周期內(nèi)整流級(jí)輸出不等的3級(jí)直流電壓，逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制需要在2級(jí)非零電壓下分別進(jìn)行。1個(gè)PWM周期內(nèi)每級(jí)電壓下采用相同的2個(gè)有效空間矢量，同一個(gè)有效矢量在不同直流電壓下的占空比相同。

在IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的2個(gè)逆變級(jí)共有5個(gè)橋臂，如圖1所示。其中有1個(gè)橋臂連接著2臺(tái)異步電機(jī)的C相，也就是說2臺(tái)異步電機(jī)共用1個(gè)橋臂。在這種情況下，逆變級(jí) 1 包括 SA1p，SA1n，SB1p，SB1n，SC1p，SC1n； 逆變級(jí) 2 包括 SA2p，SA2n，SB2p，SB2n，SC1p，SC1n。

為了使2個(gè)逆變級(jí)分別得到理想的輸出電壓，顯然不能采用傳統(tǒng)的雙空間矢量調(diào)制技術(shù)。因此為了區(qū)分使用共用的橋臂，把每個(gè)采樣周期都平均分成2部分。在前半部分只有逆變電路1根據(jù)電壓空間矢量進(jìn)行調(diào)制，而逆變電路2保持在零矢量狀態(tài)，（即A2，B2橋臂始終保持與共用橋臂C1相同的開關(guān)狀態(tài)）；與此相反，在后半部分逆變電路2進(jìn)行電壓空間矢量調(diào)制，而逆變電路1保持在零矢量狀態(tài) （即A1，B1橋臂始終保持與共用橋臂C1相同的開關(guān)狀態(tài)）。圖2示出了IMC 5橋臂逆變器系統(tǒng)的PWM分布方式。

圖2 IMC 5橋臂逆變器PWM分布方式Fig.2 PWM sequence for the indirect matrix converter with five-leg inverterstage

在IMC 5橋臂逆變器系統(tǒng)中，間接矩陣變換器有直流環(huán)節(jié)，在對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，先分配整流級(jí)電路開關(guān)狀態(tài)矢量的作用時(shí)間，然后將逆變級(jí)的開關(guān)狀態(tài)矢量的作用時(shí)間配合整流級(jí)進(jìn)行控制。首先計(jì)算出整流級(jí)電路和2個(gè)逆變級(jí)電路的每個(gè)開關(guān)矢量的作用時(shí)間，然后結(jié)合計(jì)算結(jié)果就可以確定整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路的PWM模式和分布。如果把逆變級(jí)電路SVPWM調(diào)制中的零電壓矢量分配在整流級(jí)電路換流的時(shí)刻，這時(shí)逆變級(jí)電路的三相輸出連接到直流環(huán)節(jié)的同一極上，直流環(huán)節(jié)電流為零，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整流級(jí)電路的零電流換流，大大降低變換器的開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)換流的安全性和可靠性。但要實(shí)現(xiàn)這種零電流換流方式需要逆變級(jí)電路的PWM模式配合整流級(jí)電路的PWM模式。因此，為了使逆變級(jí)的PWM模式盡量簡(jiǎn)單，在半個(gè)采樣周期內(nèi)，整流級(jí)電路的PWM模式采用最簡(jiǎn)單的不對(duì)稱3段式。逆變級(jí)電路的PWM模式成半對(duì)稱分布于整流級(jí)的2個(gè)非零矢量部分。如圖2所示，在1個(gè)采樣周期內(nèi)，整流級(jí)電路的PWM模式為6段式，每個(gè)逆變級(jí)電路的PWM模式均為半對(duì)稱9段式PWM。由于IMC 5橋臂逆變器的開關(guān)狀態(tài)矢量作用時(shí)間不完全對(duì)稱，因此整流級(jí)電路需要5路獨(dú)立的PWM，5橋臂逆變電路需要12路獨(dú)立的PWM。

為了進(jìn)一步說明所提出的調(diào)制策略，以電壓矢量（001）為例，“0”代表該相上橋臂的功率開關(guān)管關(guān)斷，并且對(duì)應(yīng)相的下橋臂開關(guān)管開通；“1”表示該相上橋臂的功率開關(guān)管開通，且對(duì)應(yīng)相的下橋臂開關(guān)管關(guān)斷。在1個(gè)采樣周期內(nèi)，若逆變級(jí)1的開關(guān)矢量為（001），則 A1，B1，C1，A2，B2橋臂的開關(guān)狀態(tài)為（00111）；若逆變級(jí)2的開關(guān)矢量為（001），相應(yīng)的逆變級(jí)1的開關(guān)矢量為零矢量，則A1，B1，C1，A2，B25 個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)為（11100）。電壓矢量與調(diào)制逆變級(jí)的關(guān)系如表1所示。

表1 電壓矢量與調(diào)制逆變級(jí)的關(guān)系Tab.1 Relation of votage vector and inverter stage

3 IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

間接矩陣變換器不具有作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的大電感或大電容，使得輸入側(cè)與輸出側(cè)之間相互直接影響。在IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，變換器的輸出側(cè)電壓電流關(guān)系到異步電機(jī)的傳動(dòng)性能，而輸入側(cè)電流關(guān)系到電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此，必須將IMC 5橋臂逆變器的SVPWM調(diào)制策略與異步電機(jī)的矢量控制結(jié)合起來一并實(shí)現(xiàn)。

3.1 異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)

異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方法基本框架：在以轉(zhuǎn)子磁鏈方向?yàn)閐軸的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將異步電動(dòng)機(jī)的控制分解為轉(zhuǎn)速環(huán)和磁鏈環(huán)來分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈的調(diào)節(jié)。通過坐標(biāo)變換，將電動(dòng)機(jī)定子電流分解為d軸分量和q軸分量；在轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)。之所以要設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)是因?yàn)榇沛湆?duì)控制對(duì)象的影響相當(dāng)于一種擾動(dòng)作用，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)可以抑制這個(gè)擾動(dòng)，從而改造了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。定子電流的d，q軸分量分別稱為磁鏈電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。

3.2 基于IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在IMC 5橋臂逆變器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，將基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方法分別應(yīng)用于每臺(tái)異步電機(jī)，即可分別實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速。異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變化可以得到類似直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，從矢量控制轉(zhuǎn)矩方程Te=(pnLm/Lr)isqΨrd和磁鏈方程 Ψrd=[Lm/(Trp+1)]isd不難發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子磁鏈對(duì)定子電流勵(lì)磁分量isd的響應(yīng)是一階慣性環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩對(duì)定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq的響應(yīng)是即時(shí)的。既要實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速，又要實(shí)現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，應(yīng)該要求isq能夠從一個(gè)穩(wěn)態(tài)迅速進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)態(tài)而isd保持恒定。也就是說異步電機(jī)的定子電流是影響調(diào)速更直接的原因。本文采用PI控制器對(duì)間接矩陣變換器的輸出電流直接進(jìn)行控制作為整個(gè)系統(tǒng)的控制方案。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制部分采用了上述結(jié)構(gòu)。首先，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的要求分別設(shè)定磁鏈參考值)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子角頻率）參考值其中下標(biāo) 1，2 分別代表第1，2臺(tái)電機(jī)的矢量控制參數(shù)。轉(zhuǎn)矩參考值由及轉(zhuǎn)速誤差量經(jīng)過P I調(diào)節(jié)器得到，而電動(dòng)機(jī)定子電壓參考值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量則分別由磁鏈電流誤差和轉(zhuǎn)矩電流誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到，通過旋轉(zhuǎn)/靜止坐標(biāo)變換可以得到定子電壓參考值在兩相靜止坐標(biāo)系下的α軸分量)和 β 軸分量矢量控制技術(shù)和電壓空間矢量脈寬調(diào)制之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。IMC 5橋臂逆變器的PWM調(diào)制算法中所需的輸出線電壓空間矢量參考值可以由矢量控制提供的電動(dòng)機(jī)定子電壓參考值直接合成得到，同時(shí)得到的空間位置角用來計(jì)算逆變側(cè)的輸出扇區(qū)號(hào)。將IMC的整流側(cè)和5橋臂逆變側(cè)的調(diào)制結(jié)合起來就實(shí)現(xiàn)了2臺(tái)異步電機(jī)的獨(dú)立控制，調(diào)速性能在控制策略上不存在相互干擾。但是2臺(tái)異步電機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生相互干擾，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)另一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩就會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這也增加了調(diào)速系統(tǒng)的難度。因此，選擇合理的PI控制參數(shù)非常重要。

圖3 IMC 5橋臂逆變器多機(jī)傳動(dòng)矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Vector control for multi-drive system fed by indirect matrix converter with five-leg inverter

4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)IMC五橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入相電壓幅值Um=400 V，輸入濾波器L=1 mH，C=20 μF。負(fù)載1和2采用相同的三相異步電機(jī)，其模型參數(shù)如下：PN=4 kW，UN=400 V，fN=50 Hz。輸出額定轉(zhuǎn)速為 n=1 430 r/min。調(diào)制頻率為5 kHz。第1臺(tái)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速在t=1 s時(shí)從1 500 r/min突變?yōu)?00 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=2 s時(shí)從零突變?yōu)? N·m；第2臺(tái)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速在t=1.5 s時(shí)從1 430 r/min突變?yōu)?00 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=3 s時(shí)從零突變?yōu)? N·m。

圖4、圖5所示為IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速仿真波形。從仿真圖可以看出，2臺(tái)異步電機(jī)能夠準(zhǔn)確快速跟蹤轉(zhuǎn)速變化，且其中一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)另外的電機(jī)產(chǎn)生干擾，使其發(fā)生輕微波動(dòng)，但很快會(huì)恢復(fù)。轉(zhuǎn)矩的突變也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，但是選擇合適的PI參數(shù)后影響極小。圖6、圖7為2臺(tái)電機(jī)的電流波形，從圖中可以看出電機(jī)的三相電流正弦且諧波很小。經(jīng)過IMC 5橋臂逆變器后，可以得到幅值和頻率可調(diào)的正弦信號(hào)，直接用來為異步電機(jī)供電。圖8為IMC 5橋臂逆變器的輸入電流波形，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輸入電流的總諧波畸變率THD=5.23%，滿足電網(wǎng)的要求。

圖4 第1臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形Fig.4 Motor speed curves of the first motor

圖5 第2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形Fig.5 Motor speed curves of the second motor

圖6 第1臺(tái)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的相電流波形Fig.6 Output phase current waveforms of the first motor

圖7 第2臺(tái)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的相電流波形Fig.7 Output phase current waveforms of the second motor

圖8 輸入相電流波形Fig.8 Input phase current waveforms

5 結(jié)論

本文提出了一種新穎的基于IMC 5橋臂逆變器多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。把IMC 5橋臂逆變器的優(yōu)點(diǎn)與異步電機(jī)矢量控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出了一種組合控制策略，建立了基于IMC 5橋臂逆變器雙電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型。本系統(tǒng)不僅減少了開關(guān)器件的數(shù)量，降低了成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)2臺(tái)電機(jī)獨(dú)立控制并分別獲得較好的動(dòng)靜態(tài)性能，增加了系統(tǒng)的靈活性?？刂破鞑捎肞I控制器，能夠有效減少2臺(tái)異步電機(jī)之間的干擾。仿真驗(yàn)證了理論的正確性，本系統(tǒng)也可以作為傳統(tǒng)IMC雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)橋臂故障情況下的容錯(cuò)運(yùn)行模式。

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