一種五相Boost矩陣變換器研究①

岳 舟

(湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院 婁底 417001)

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一種五相Boost矩陣變換器研究①

岳 舟②

(湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院 婁底 417001)

研究了矩陣變換器的控制方法，針對(duì)傳統(tǒng)矩陣變換器“虛擬逆變部分”拓?fù)浯蠖嗍峭仆焓?、半橋式和全橋式結(jié)構(gòu)，因而電壓傳輸比較低的情況，提出了一種五相Boost矩陣變換器的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)整流側(cè)采用傳統(tǒng)的矩陣整流電路，其控制策略采用無(wú)零空間矢量調(diào)制，虛擬逆變部分則采用Boost逆變電路，該逆變電路具有升壓特性，能提高矩陣變換器的電壓傳輸比，其電壓傳輸比可以達(dá)到1.0甚至更高。對(duì)該矩陣變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略進(jìn)行了研究，而且通過(guò)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其理論的正確性，為矩陣變換器的工業(yè)應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

Boost逆變電路, 五相矩陣變換器, 滑模變結(jié)構(gòu)控制, 電壓傳輸比

0 引 言

在不提高定子單相繞組電壓和電流的情況下，多相異步電機(jī)一般通過(guò)增加定子繞組的相數(shù)來(lái)提高電機(jī)單機(jī)的功率容量。多相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如可用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速、具有多相冗余結(jié)構(gòu)使調(diào)速系統(tǒng)的可靠性得以改善、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等，已逐漸在國(guó)防軍工及可靠性要求高的大功率領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用[1]。而其功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的多相矩陣變換器(matrix converter, MC)是目前先進(jìn)的AC-AC變換技術(shù)之一，該多相MC的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，輸入電流和輸出電壓正弦性好，能夠?qū)崿F(xiàn)交流輸入以及交流輸出，并可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，因此，多相MC成為現(xiàn)代電力電子行業(yè)研究的熱點(diǎn)[2]。

對(duì)多相MC的研究在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，而國(guó)外則已經(jīng)開(kāi)始致力于六相MC的研究。五相MC作為多相變換器中具有代表性的一種，其理論研究的成果為多相MC的理論研究以及研制能夠提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)[3,4]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)MC的研究主要集中在三相MC的調(diào)制策略以及它的輔助電路上，因此，對(duì)多相MC的研究可以作為一個(gè)全新的方向[5]。

傳統(tǒng)矩陣變換器作為電能轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能量可雙向流通，能產(chǎn)生正弦輸入電流和輸出電壓，其輸入功率可調(diào)[6,7]。然而，傳統(tǒng)矩陣變換器的電壓傳輸比較低，理論上最大值為0.866。本研究提出了一種五相Boost矩陣變換器(MC)，其逆變側(cè)采用Boost逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，可以提高電壓傳輸比。本文詳細(xì)介紹了五相Boost MC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了逆變側(cè)采用的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，最后利用Matlab/Simulink工具對(duì)五相Boost MC控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，同時(shí)采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片(TMS320F2812) 作為核心控制芯片，制作了一臺(tái)1KW的原理樣機(jī)。從仿真研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果可以看出，在一定的范圍內(nèi)，本文提出的五相 Boost MC在改變電壓傳輸比時(shí)，可以任意調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，得到Boost逆變電路的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用兩組對(duì)稱的Boost變換電路，在兩組雙向Boost變換器的輸出端連接負(fù)載，每組Boost變換器都跟蹤和放大一個(gè)擁有直流偏置但相位相差180°的正弦波參考信號(hào)，使輸出的電容電壓V1和V2跟隨參考電壓變化，從而調(diào)節(jié)Boost逆變器的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)DC-AC的變換。輸出電壓V1受主開(kāi)關(guān)管VM2占空比的控制，對(duì)VM3和VM4采用相同的控制方法。因此對(duì)VM2和VM4占空比的控制，可以使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓而變化，從而使兩組Boost變換器輸出為帶直流偏置且相位互差180°的正弦波[8,9]。V1和V2用下式表示：

圖1 單相Boost逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

V1=Vmsinωt+Vdc

(1)

V2=-Vmsinωt+Vdc

(2)

那么負(fù)載上的輸出電壓表達(dá)式為

Vo=V1-V2=2Vmsinωt

(3)

由于Boost逆變器采用的兩組對(duì)稱Boost變換器都是獨(dú)立工作的，所以這里可以將一組Boost變換器看作理想的電壓源，通過(guò)它向另一組Boost變換器提供具有直流偏置的正弦波電壓。因此得到Boost逆變器的等效電路如圖2所示[10]。

圖2 Boost逆變器等效電路

五相 Boost MC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在研究普通三相Boost MC的基礎(chǔ)上得到的，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。五相Boost MC采用AC-DC-AC雙級(jí)變換的結(jié)構(gòu)形式，中間直流環(huán)節(jié)無(wú)儲(chǔ)能元件。整流側(cè)采用傳統(tǒng)的矩陣整流電路，逆變側(cè)則采用五相Boost逆變器，通過(guò)改變占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)交流輸出電壓的幅值和頻率。

圖3 五相Boost MC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 控制方法研究

五相Boost MC的整流側(cè)采用傳統(tǒng)的矩陣整流電路，其控制策略采用無(wú)零矢量的空間矢量調(diào)制。為了獲得最大的整流輸出電壓，整流級(jí)在一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)周期內(nèi)不出現(xiàn)零矢量，而只產(chǎn)生兩個(gè)有效的空間矢量。五相Boost MC的逆變側(cè)采用Boost逆變電路，采用的控制策略是滑模變結(jié)構(gòu)控制。

2.1 整流側(cè)的無(wú)零矢量空間矢量調(diào)制策略

五相Boost MC的整流級(jí)由10個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，根據(jù)雙極MC的調(diào)制策略可以得到五相Boost MC整流側(cè)的無(wú)零空間矢量調(diào)制策略[11,12]。

假設(shè)三相輸入電源電壓為

(4)

式中，ω1為輸入角頻率，Um為輸入電壓幅值。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，在單位輸入功率因數(shù)條件下，一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期內(nèi)整流輸出電壓的局部平均值為

(5)

其中，cos(θi)=max(|cos(θa)|, |cos(θb)|, |cos(θc)|)。

2.2 逆變側(cè)的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略

通過(guò)對(duì)五相Boost MC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，其逆變級(jí)電路是對(duì)稱的，所以為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里僅對(duì)其中一相Boost變換器進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，得到Boost變換器的狀態(tài)方程為

(6)

選擇滑模切換面[15]：

S(x,t)=GX+φ=0

(7)

其中，G為1×N型正定矩陣?？傻没？刂埔?guī)律為

(8)

滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件為

(9)

由式(6)和式(7)得

(10)

其中，ueq是等效控制。將求得的等效控制與三角波比較產(chǎn)生PWM脈沖，控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷。

假定

(11)

式中Vref為x2的參考值，G=[k1,k2]，則滑模面函數(shù)為

S(x,t)=k1x1+k2x2+(x2-Vref)dt

(12)

對(duì)式(10)進(jìn)行時(shí)間變量求導(dǎo)，得

(13)

將式(6)代入式(13)可得

(14)

將G、φ、A(x,t)、B(x,t)代入式(10)得等效控制為

ueq=-[k1(E-x2)+k2x1L+k2(V2-x2)L/R +LC(x2-Vref)]/(k1x2C-k2x1L)

(15)

因此，滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件式(9)可改成：

(16)

(17)

由式(14)和(15)可以得到方程(6)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為

(18)

將方程(6)的穩(wěn)定工作點(diǎn)代入式(16)和(17)，可以計(jì)算k1和k2的取值范圍。

3 系統(tǒng)仿真研究

在理論研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab/Simulink仿真工具對(duì)五相Boost MC系統(tǒng)構(gòu)建了仿真模型。其中任意一相Boost變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真模型如圖4所示。根據(jù)上述理論分析和仿真研究，最終確定滑模系數(shù)k1為0.1，k2為0.26。圖4中的正弦波發(fā)生器作為參考輸出電壓與Ua(其中的一相實(shí)際輸出電壓)相減，所得結(jié)果乘以滑模參數(shù)k1，ia(其中一相輸出電流)經(jīng)濾波后乘以滑模參數(shù)k2，把兩項(xiàng)結(jié)果相加即得滑?？刂屏??；？刂屏拷?jīng)限幅模塊限幅之后，利用S函數(shù)判斷從而得到開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，控制圖2中VM1和VM2的通斷。

圖4 一相滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真模型

參考輸出相電壓峰值設(shè)為311V，即電壓傳輸比為1.0時(shí)，參考電壓頻率分別設(shè)為50Hz和80Hz；參考輸出相電壓峰值設(shè)為500V，即電壓傳輸比為1.6時(shí)，參考電壓頻率分別設(shè)為50Hz和80Hz；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在上述設(shè)定情況下分別對(duì)五相Boost MC系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。圖5是參考電壓為311V/50Hz時(shí)的中間直流電壓仿真波形，圖6是參考電壓為311V/50Hz時(shí)的輸出電流仿真波形，圖7是各種參考電壓設(shè)定情況下的輸出相電壓仿真波形和頻譜分析。

圖5 中間直流電壓仿真波形

圖6 輸出電流仿真波形

從仿真結(jié)果可以看出：滑模變結(jié)構(gòu)控制的啟動(dòng)性能較差，在沒(méi)有進(jìn)入滑模面之前，系統(tǒng)存在超調(diào)，并且其快速性不夠；五相Boost MC能實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值和頻率的任意調(diào)節(jié)；輸出電壓為五相對(duì)稱正弦波，總諧波畸變率(THD)全部在5%以下。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提五相Boost MC基本原理的正確性以及控制方法的有效性，采用TI公司的DSP芯片(TMS320F2812) 作為核心控制芯片，完成了一臺(tái)1kW的原理樣機(jī)。

(a) 參考電壓為311V/50Hz

(b) 參考電壓為311V/80Hz

(c) 參考電壓為500V/50Hz

(d) 參考電壓為500V/80Hz

圖8為中間直流電壓實(shí)驗(yàn)波形。圖9是在參考電壓設(shè)為100V/50Hz的情況下，五相輸出線電壓的其中一相線電壓(UAB)實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：輸出線電壓為正弦波，電壓峰值達(dá)到100V左右，輸出波形質(zhì)量較好。實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形基本吻合，從而驗(yàn)證了所提控制方法應(yīng)用于五相Boost MC的正確性和有效性。

圖8 中間直流電壓仿真波形

圖9 一相線電壓實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 論

仿真研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，輸出的電壓和電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，總諧波畸變率較低，電壓傳輸比達(dá)到甚至超過(guò)1.0，有效地解決了傳統(tǒng)MC電壓傳輸比低這一固有缺陷。仿真和實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了五相Boost MC能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓幅值和頻率的任意調(diào)節(jié)，從而為MC在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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Research of a five-phase boost matrix converter

Yue Zhou

(Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hunan University of Humanities and Science and Technology， Loudi 417001

The control of matrix converters was studied, and a five-phase Boost matrix converter was presented to deal with the problem that traditional matrix converters have the lower voltage transfer ratio because their inverter’s to pologic structures are mostly of push-pull, half bridge and full bridge. The converter adopts the traditional matrix rectifier circuit, and its control strategy uses the zero space vector modulation. The virtual inverter section uses the Boost inverter circuit, and the inverter circuit has the voltage boosting performance to improve the voltage transfer ratio of matrix converter to 1 or even higher. The stratege for sliding mode variable structure control for the matrix converter was studied, and the theory correctness of the converter was verified by simulation and experiment for providing the theoretical basis for the industrial application of matrix converters.

boost inverter circuit, five-phase matrix converter, sliding mode variable structure control, voltage transfer ratio

①湖南省科技計(jì)劃(2014GK2004)資助項(xiàng)目。

②男，1982年生，碩士，副教授；研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)；聯(lián)系人，E-mail: yuezhou2000@163.com (

2016-05-23)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.010