基于矩陣式變換器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究
張玉明1，鐘國(guó)基2，陶以彬3
（1蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，蕪湖241000;2西門(mén)子歐司朗亞太研發(fā)中心廣州510640；3國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京210003）
摘要：文章研究了一種基于矩陣式變換器的異步電機(jī)控制策略，分析了異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法和矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制，研究了直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，矩陣式變換器矢量電壓的選擇。這一控制策略同時(shí)實(shí)現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制和異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用這一控制策略的調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，并且保持了單位功率因素。
關(guān)鍵詞：矩陣式變換器；異步電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制
中圖分類(lèi)號(hào)：tm343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：lo01-6848（2010）04-0039-03
0 引 言
直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算量大、控制復(fù)雜、特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響、實(shí)際性能難于達(dá)到理論分析結(jié)果等重大問(wèn)題。以往的直接轉(zhuǎn)矩控制都是基于普通的交一直一交變頻器實(shí)現(xiàn)的，其中的直流環(huán)節(jié)不但增加了異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)工作量，而且使得系統(tǒng)的諧波增大，功率因數(shù)降低。矩陣式變換器是一種優(yōu)良的“全硅”交一交變頻裝置，將矩陣式變換器和直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究不僅具有重要的理論意義，還為“變頻器一電機(jī)”集成化發(fā)展方向提供一定的工程參考。本文將在對(duì)矩陣式變換器的實(shí)施空間矢量調(diào)制的基礎(chǔ)上，將矩陣式變換器應(yīng)用于異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中。
1矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制
矩陣式交換器的空間矢量控制是目前比較成熟的一種調(diào)制策略，不僅能用于控制輸出正弦電壓，而且能使電動(dòng)機(jī)獲得圓形磁場(chǎng)。其思想是將矩陣式變換器等效成一個(gè)整流器和一個(gè)逆變器的組合，兩者通過(guò)一個(gè)“虛擬直流”環(huán)節(jié)來(lái)連接，利用傳統(tǒng)交直交變換器的方法實(shí)施控制。
在整流部分中對(duì)輸入線電流進(jìn)行空間矢量pwm調(diào)制，在逆變部分中對(duì)輸出線電壓進(jìn)行空間矢量pwm調(diào)制，最后根據(jù)開(kāi)關(guān)函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系綜合出矩陣式變換器的交交直接變換控制方式。分別得到輸出電壓及輸入電流的矢量圖，如圖1。
根據(jù)期望輸出電壓和輸入電流即可確定其所在的扇區(qū)。以虛擬整流器、逆變器均工作在第1扇區(qū)為例，可以用于矢量合成的空間電流、電壓矢量?jī)蓚�(gè)空間矢量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過(guò)程共有五種組合。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。
2矩陣變換器的空間電壓選擇
直接轉(zhuǎn)矩控制事實(shí)上是將變頻器的控制模式和電機(jī)運(yùn)行性能作為一個(gè)整體來(lái)考慮的，通過(guò)控制異步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈控制，當(dāng)對(duì)稱三相正弦波電壓加于對(duì)稱三相繞組時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的氣隙中將產(chǎn)生具有恒定幅值和恒定旋轉(zhuǎn)速度的磁通，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在理想的狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)是由一個(gè)三相變頻器供電時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的輸入電壓完全取決于變頻器的開(kāi)關(guān)切換模式，而電動(dòng)機(jī)磁通的波形又取決于輸電壓的模式，因此直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)之一就是建立磁鏈和逆變器開(kāi)關(guān)模式之間的關(guān)系，通過(guò)控制變頻器開(kāi)關(guān)正確的切換，使電動(dòng)機(jī)氣隙獲得一個(gè)近似圓形的磁場(chǎng)”1。因此，對(duì)于矩陣式變換器一異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是如何選定空間電壓矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2歷示。
在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，任一時(shí)刻只能施加一個(gè)電壓矢量，所以必須同時(shí)考慮到磁鏈控制的需求和轉(zhuǎn)矩控制的需求才能正確的選擇空間電壓矢量。對(duì)于具體的控制系統(tǒng)，可根據(jù)定子磁鏈控制器、轉(zhuǎn)矩控制器的輸出以及磁鏈所處的扇區(qū)。根據(jù)單獨(dú)從磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的角度可以確定所應(yīng)施加的空間電壓矢量，
若滯環(huán)控制器輸出cψ |
