矩陣變換器交流調速系統組合控制策略的研究

劉紅兵

(湖南鐵道職業(yè)技術學院電氣工程系，湖南 株洲 412001)

1 引言

矩陣變換器是一種新型的交－交電力變換器，與傳統的變換器相比，它具有如下優(yōu)點:不需要中間直流儲能環(huán)節(jié);能量雙向流通，可實現四象限運行;具有優(yōu)良的輸入電流波形和輸出電壓波形;可自由控制的功率因數。因此矩陣變換器已成為電力電子技術研究的熱點之一，有著廣泛的應用前景，特別是在交流變頻調速領域［1］。

2 矩陣變換器的數學模型［1，2］

普通三相－三相交流矩陣式變換器拓撲結構如圖1 所示，其中，a、b、c 三相為輸入相，A、B、C 三相為輸出相。

理論上可以將其等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接，這樣可以分別對“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”進行控制，再將2個過程進行合成，從而實現正弦的輸入、輸出波形以及可控的輸入功率因數。式(1)和(2)分別為輸入側虛擬整流器函數矩陣TVSR和輸出側虛擬逆變器函數矩陣TVSI。

圖1 矩陣變換器拓撲結構

式中，ωi為輸入電壓頻率;ωo為輸出電壓頻率;φi為輸入相電壓與相電流之間的相位差;φo為輸出電壓相對輸入電壓的相移角。

3 組合控制策略

在以轉子磁鏈的方向為d軸的同步旋轉坐標系(dq軸坐標系)下，將異步電動機控制系統分解為轉速環(huán)和磁鏈環(huán)兩個子系統，分別對電動機轉速和轉子磁鏈進行調節(jié);通過坐標變換，將電動機定子電流分解為d軸分量和q軸分量;在轉速環(huán)之內設置q軸電流環(huán)，以調節(jié)電磁轉矩，而在磁鏈環(huán)之內設置d軸電流環(huán)，以調節(jié)轉子磁鏈，從而實現對異步電動機轉矩和磁鏈的解耦控制［3－5］。

圖2中，可以通過三相/兩相坐標變換得到兩相靜止坐標系(α－β坐標系)下的輸入電壓分量Uiα和Uiβ，即:

式中，θf為轉子磁鏈在空間中的位置角。

圖2 矩陣變換器交流調速系統組合控制策略

4 矩陣變換器交流調速系統仿真

三相、四極鼠籠型異步電機模型參數:PN=2.5kW;UN=380V;定子電阻R1=0.356Ω，定子漏感L1σ=1mH;轉子電阻R2=0.736Ω;轉子漏感L2σ=1mH;激磁電感(互感)Lm=65.12mH;轉動慣量J=0.083kg·m2。

電動機啟動時電流、轉速和轉矩波形如圖3所示，圖4給出了矩陣變換器的能量回饋波形。

圖3 電動機啟動時電流、轉速和轉矩波形

圖4 矩陣變換器的能量回饋波形

從以上仿真波形中，可以看出矩陣變換器交流變頻調速系統，在組合控制策略的調節(jié)下，電動機的啟動電流、轉速和電磁轉矩都能夠快速收斂，矩陣變換器的輸出線電壓并沒有因為能量的回饋有較大的變化，說明矩陣變換器可以實現能量的雙向流通。

5 結論

本文將矩陣變換器的空間矢量脈寬調制和電動機轉子磁場定向矢量控制相結合，提出了一種新型的組合控制策略，通過仿真得到了電動機啟動時電流、轉速和轉矩波形與矩陣變換器的能量回饋波形。仿真結果表明，采用組合控制策略的矩陣變換器交流變頻調速系統獲得了良好性能，同時保證了輸入側具有較高的電能質量。

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