潘湘高， 李丹云， 申群太

(1.湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南常德 415000;2.中山大學(xué)數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510000;3.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410082)

0 引言

與傳統(tǒng)的交-直-交變頻器相比，矩陣變換器(MC)具有如下優(yōu)點:控制自由度多，輸出電壓和頻率可調(diào)，變頻范圍大;輸入功率因數(shù)可調(diào)，可超前、滯后或為1。輸入和輸出電流為正弦波，諧波很小，對電網(wǎng)無諧波污染;結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高。MC因“綠色環(huán)保”而成為電力變換器的研究熱點［1-3］。常規(guī)MC是AC-AC單級(直接式)電力變換器，需要采用復(fù)雜的四步換流法進行安全換流，控制復(fù)雜，電壓傳輸比小于0.5，雙級矩陣變換器(TSMC)可以克服常規(guī)MC的這些缺點，并且可以完成與MC相同的功能［3］。由TSMC和異步電動機組成變頻調(diào)速系統(tǒng)能獲得比傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)變頻調(diào)速系統(tǒng)更為優(yōu)越的特性。

1 TSMC異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及分析

有18個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的TSMC異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］，主要由輸入濾波器，三相 PWM 整流器、鉗位電路、三相SPWM逆變器和異步電動機組成。TSMC因無中間直流環(huán)節(jié)的濾波電感器和電容器而可以做得結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。整流器的六個橋臂各由兩個IGBT反向串聯(lián)的雙向開關(guān)組成，能實現(xiàn)能量的雙向傳遞，方便電動機實現(xiàn)四象限運行。為使開關(guān)器件關(guān)斷時不受高電壓和大電流的沖擊，一般需要設(shè)置鉗位電路，常規(guī)MC需要一組復(fù)雜的二極管和電容器，而TSMC的鉗位電路則很簡單，只由一個二極管和一個電容器串聯(lián)組成［5］。

圖1 雙級矩陣變換器異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路

TSMC的工作方式類似于AC-DC-AC雙PWM變頻器，分兩級控制:整流級為PWM控制方式，輸出PWM直流電壓;逆變級為SPWM控制方式，輸出SPWM交流電壓驅(qū)動異步電動機運行。

2 TSMC的雙空間矢量調(diào)制方式

系統(tǒng)采用整流級無零矢量雙空間矢量調(diào)制策略。為提高電壓利用率，整流級采用無零矢量PWM，而逆變級采用SPWM。

2.1 整流級采用無零矢量PWM

假設(shè)TSMC輸入對稱的三相正弦電壓為:

為使整流級輸出正極性的直流電壓并獲得最大的電壓利用率，把輸入三相電壓的一個周期分為六個區(qū)間，如圖2所示，各個區(qū)間的共同特點是:一相電壓絕對值最大，另外二相電壓極性與其相反。把一個PWM周期分為兩個時間段，并分別在兩段時間內(nèi)將相應(yīng)的兩個最大且極性為正的兩個線電壓輸出到直流側(cè)，每個線電壓的占空比等于構(gòu)成該線電壓的兩個相電壓瞬時值之比。例如在第1區(qū)間，輸出的兩個線電壓分別為uab和uac，它們對應(yīng)的占空比為:

圖2 輸入三相電壓六區(qū)間的劃分

當(dāng)輸入三相電壓對稱時有dab+dac=1，在每一個PWM周期內(nèi)整流級只產(chǎn)生兩個有效的空間矢量，不會出現(xiàn)零矢量。在第1區(qū)間，一個PWM周期內(nèi)輸出的直流電壓平均值為:

其他的各個區(qū)間情況可以依此類推。各PWM周期內(nèi)輸出的直流平均電壓為:

式中:|cos(θin)|=max(|cos(θa)|，|cos(θb)|，|cos(θc)|)。

2.2 逆變級空間矢量調(diào)制

TSMC逆變級的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法與常規(guī)的逆變器有所不同，TSMC直流側(cè)不是一個固定的直流電壓，而是PWM電壓，在一個PWM周期內(nèi)分別是兩個不等的直流電壓。以第1區(qū)間為例，它們分別是uab和uac，因為開關(guān)頻率遠高于輸入電壓頻率，故在一個PWM周期內(nèi)兩個線電壓可看成常數(shù)值，即逆變級在一個PWM周期內(nèi)的直流供電電壓有兩級不同的電壓。

逆變級六個開關(guān)以不同的通斷組合可以合成六個線電壓有效空間矢量(V1～V6)和兩個零矢量(V0、V7)，如圖 3 所示，V0(000)和 V7(111)在原點，沒有畫出。括號中的三位二進制代碼按順序依次表示A、B、C三相橋臂上下開關(guān)的通斷狀態(tài)，“1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，“0”則剛好相反。

圖3 逆變級SPWM

假設(shè)VJ為需要輸出的某一瞬間線電壓空間矢量，則:

式中Vn、Vm為所在區(qū)間相鄰的兩個有效空間矢量，V0為零矢量，可以為V0或V7，它們相應(yīng)的占空比為:

式中:mv為逆變級的調(diào)制系數(shù)。

2.3 TSMC兩級電壓矢量的配合控制

TSMC整流級和逆變級的矢量合成按圖4所示的順序進行配合控制，在此1個PWM周期Ts內(nèi)，整流級兩級線電壓矢量的作用時間按式(2)的占空比乘Ts得到，如圖4(a)、(b)所示，逆變級的兩個有效空間矢量和零矢量在兩段時間作用的占空比都按式(6)計算，如圖4(c)所示，再按圖4(d)所示調(diào)整零矢量的作用順序，將零矢量安排在整流級的換流時間，這樣就可以實現(xiàn)整流級的零電流換流，從而極大地減小整流級開關(guān)損耗，提高TSMC的效率。

圖4 雙空間矢量調(diào)制兩級開關(guān)矢量作用順序

逆變級的調(diào)制系數(shù)為:

mV為時變量，式中cos(θin)用來抵消波動量，以保證輸出電壓矢量的幅值恒定。將Ulm=Uom代入式(7)可得TSMC的電壓傳輸比，即輸出相電壓與輸入相電壓之比為最大可達到0.866。

設(shè)輸出電壓角頻率為ω0，初相角為φ0，則在第1扇區(qū)內(nèi)θV=ωot+φ0+60°，輸出線電壓為:

在對稱負載作三角形接法時，輸出的三相電流為:

式中:φL為負載功率因數(shù)角，Iom為輸出相電流幅值。輸入三相電流為［4］:

3 系統(tǒng)特性分析與仿真

TSMC異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和仿真模型如圖5所示，系統(tǒng)主要由三相電源、TSMC、異步電動機及控制模塊和檢測輸出顯示模塊等組成。系統(tǒng)采用了異步電動機二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(dq)模型的閉環(huán)反饋控制［6］。對轉(zhuǎn)速采用了轉(zhuǎn)速、電流(轉(zhuǎn)矩分量)雙閉環(huán)控制，對磁鏈采用了磁鏈、勵磁電流雙閉環(huán)控制。

圖5 雙級矩陣變換器異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

異步電動機參數(shù)如下:1 500 VA，380 V，定子電阻0.532 Ω，定子漏感2.1 mH，轉(zhuǎn)子電阻0.537 Ω，轉(zhuǎn)子漏感2.1 mH，主磁通電感77.3 mH。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6～8所示。圖6(a)、(b)分別為整流級輸出的直流電流和直流電壓，它們不同于普通的整流器輸出的電流和電壓，波形都是PWM波。在起動和帶負載運行時，電流為正，而在制動時，電流為負，電壓始終都為正，可見TSMC能實現(xiàn)能量的雙向傳遞和系統(tǒng)四象限運行。圖7(a)、(b)分別為A相輸出電壓和電流，電壓為PWM波，而電流在達到穩(wěn)態(tài)時基本為正弦波，符合異步電動機對電流的要求。圖8為電機三相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形，在起動之初，電流幅值由零開始逐步增大且頻率也隨之上升，轉(zhuǎn)矩很快上升，當(dāng)轉(zhuǎn)矩上升到超過負載阻轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)速就基本以最大加速度直線上升，在達到給定轉(zhuǎn)速后穩(wěn)定運行，此時電流幅值下降為穩(wěn)態(tài)值，為恒頻等幅正弦波，轉(zhuǎn)矩與負載阻轉(zhuǎn)矩平衡。在給定轉(zhuǎn)速階躍下降時，電流幅值和頻率按要求迅速作出反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩隨之變負，使電機快速制動而減速，達到新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后各個量又在各自新的穩(wěn)態(tài)值運行。

圖6 整流級輸出的PWM直流電流和電壓

圖7 雙級矩陣變換器輸出的相電壓和電流

圖8 雙級矩陣變換器異步電動機調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性

4 結(jié) 語

TSMC功能上類似于傳統(tǒng)的交-直-交變頻器，但因無需中間直流環(huán)節(jié)的濾波電感器和電容器而使其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，并且輸入電流為正弦波，對電網(wǎng)無諧波污染。雙空間矢量調(diào)制兩級協(xié)調(diào)控制能實現(xiàn)整流級零電流換流，極大地減少了開關(guān)損耗，提高了變換器的效率。仿真結(jié)果表明，TSMC異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性，電機起動和制動時，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化快速、平穩(wěn)。

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