晶閘管和IGBT混合的三相電機兩相變頻控制策略

謝仕宏，梁榮茂，梁力

（陜西科技大學 電氣與控制工程學院，西安 710021）

隨著變頻技術的發展，三相異步電動機有了優越的調速性能，被廣泛應用于工業生產和交通運輸中.在有著較高的調速性能的同時，現在也在追求更低成本、更小能耗、更小體積的變頻裝置.傳統的電壓源型交直交三相六開關變頻器已經廣泛應用在三相異步電動機的調速過程中，利用IGBT的特點傳統拓撲結構能夠滿足大部分情況下的調速要求.基于此經典拓撲結構，進一步衍生出了減少IGBT的使用數量的三相四開關拓撲結構.在文獻［1］中分析了三相四開關的可行性，驗證了兩相變頻對于三相異步電動機具有可行性.但三相四開關拓撲結構仍需要四個IGBT 進行兩相逆變.改進的DTC 控制策略在一定程度上減少了電機的轉矩脈動以及降低了逆變器輸出的電流諧波［2-4］.在文獻［5］和文獻［6］中提出了一種變頻器和感應電機能量回饋的思路，基于傳統交直交三相六開關變頻拓撲結構進行了仿真和實驗驗證.在文獻［7］中提出了一種基于疊加原理合成所需矢量的PWM 過調制策略，使得三相四開關逆變器輸出平衡的三相電壓.在文獻［8］中提出了一種基于晶閘管和IGBT的三相整流和逆變的拓撲結構，驗證了該結構的可行性.

在文獻［9］中提出了一種通過并聯逆變器提高電能質量的新方法，實現了在弱電網環境下對電能質量的治理.直接轉矩控制策略應用于多相電機有了更多思路，結合新的開關表、虛擬電壓矢量和預測控制策略，使得轉矩脈動有效的減少［10-12］.在文獻［13-15］中依次提到了，三相四開關新的應用方向即用戶側的容錯應用、無速度傳感器的DTC 控制和DTC 結合智能控制算法的策略.在文獻［16］中在傳統三相四開關拓撲上提出了一種新的FCS-MPC 控制策略，為四開關在容錯領域應用提供了一種新的思路.在原有拓撲電路上進行控制算法的改進，可以使傳統控制策略得到優化，進而提升電機的工作性能［17-20］.

本文提出一種新的交直交電壓型變頻電路拓撲結構.采用4 個晶閘管、2 個IGBT 及8 個二極管構成的逆變結構代替由4 個IGBT 的構成的逆變結構.對該新式的交直交變頻電路拓撲的原理、拓撲結構、帶負載時的能量回饋、IGBT 和晶閘管的開關時序等進行了研究分析，建立了基于八電壓矢量的直接轉矩仿真模型.仿真結果表明，該新拓撲結構實現了傳統四開關逆變電路的功能，也驗證了八電壓矢量在新拓撲的可行性.

1 三相電機兩相變頻電路結構及工作原理

基于晶閘管及IGBT 混合的三相電機兩相變頻控制拓撲結構如圖1 所示.圖1 所示的三相電機兩相交直交變頻電路結構由晶閘管（VT1～VT4）、絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT1和IGBT2）和二極管（D1～D8）組成.電機U、V 相與逆變橋臂連接，電機W 相繞組與電容中性點相連.當VT1、IGBT1和D4導通時，電流由直流母線正極流入電機U 相，D2、D4為其續流回路.當D3、IGBT1和VT2導通時，電流由電機U 相流出，流入直流母線負極，D1、D3為其續流回路.電機V相繞組導通原理與電機U繞組導通原理相同.

圖1 基于晶閘管及IGBT混合的三相電機兩相變頻控制拓撲結構Fig.1 Topology of two-phase frequency conversion control of threephase motor based on thyristor and IGBT mixture

1.1 新拓撲逆變部分能量傳輸模式

晶閘管和IGBT 混合的四開關交直交變頻電路經過不控整流之后，經過逆變部分實現輸出兩相互差60°的交流電壓.通過兩個晶閘管共用一個IGBT實現開關器件完全可控即晶閘管開通時對應IGBT一定開通.圖2 所示為三相電機兩相變頻電路在不同開關組合下的能量傳輸模式.

圖2 新四開關拓撲逆變部分的能量傳輸模式Fig. 2 Energy transfer mode of the inverting part of the new four-switch topology

（1）圖1 所示電路的晶閘管VT1開通，此時能量傳輸方向為：電容C1正端—VT1—IGBT1—D4—異步電機U 相，電容C1負端—D6—D8—異步電機V 相，或者異步電機V 相—D8—D6—電容C1負端，異步電機W相—兩電容中點.能量傳輸如圖2（a）所示.

（2）圖1 所示電路的晶閘管VT1、VT3開通，此時能量傳輸方向為：電容C1正端—VT1—IGBT1—D4—異步電機U 相，電容C1正端—VT3—IGBT2—D8—異步電機V 相，異步電機W 相—兩電容中點.能量傳輸如圖2（b）所示.

（3）圖1 所示電路的晶閘管VT1、VT4開通，此時能量傳輸方向為：電容C1正端—VT1—IGBT1—D4—異步電機U 相，異步電機V 相—D7—IGBT2—VT4—電容C2負端，兩電容中點—異步電機W 相.能量傳輸如圖2（c）所示.

（4）圖1 所示電路的晶閘管VT3開通，此時能量傳輸方向為：UDC+—VT3—IGBT2—D8—異步電機V相，電容C2正端—D2—D4—異步電機U 相，異步電機W相—兩電容中點.能量傳輸如圖2（d）所示.

（5）圖1 所示電路的晶閘管VT2開通，此時能量傳輸方向為：異步電機U 相—D3—IGBT1—VT2—電容C2負端，異步電機V相—D7—D5—電容C1正端，兩電容中點—異步電機W相.能量傳輸如圖2（e）所示.

（6）圖1 所示電路的晶閘管VT4開通，此時能量傳輸方向為：異步電機U 相—D3—D1—UDC+，異步電機V 相—D7—IGBT2—VT4—電容C2負端，兩電容中點—異步電機W相.能量傳輸如圖2（f）所示.

（7）圖1 所示電路的晶閘管VT2、VT4開通，此時能量傳輸方向為：異步電機U相—D3—IGBT1—VT2—電容C2負端，異步電機V 相—D7—IGBT2—VT4—電容C2負端，兩電容中點—異步電機W 相.能量傳輸如圖2（g）所示.

（8）圖1 所示電路的晶閘管VT2、VT3開通，此時能量傳輸方向為：異步電機U相—D3—IGBT1—VT2—電容C2負端，UDC+—VT3—IGBT2—D8—異步電機V相，兩電容中點—異步電機W 相.能量傳輸如圖2（h）所示.

1.2 新拓撲逆變部分開關狀態

通過分析圖2的能量傳輸狀態，可以推導出表1所示三相電機兩相變頻電路的開關時序和開關狀態表.圖3 為晶閘管VT1～VT4及IGBT1和IGBT2的開關時序圖.規定四個晶閘管VT1～VT4導通時為1，關斷時為0.建立表1所示的新型交直交變頻器逆變部分的開關狀態表.其中有八個有效電壓矢量分別為（1000）、（1010）、（0010）、（0110）、（0100）、（0101）、（0001）和（1001），根據這八個電壓矢量畫出矢量圖如圖4 所示.在晶閘管導通的半個周期內，對應IGBT采用PWM調整，以減小輸出電壓諧波分量.

表1 新型交直交變頻器逆變部分的開關狀態表Tab. 1 Switch state of the inverter part of the new AC-DC-AC converter

圖3 新拓撲逆變部分的開關時序Fig. 3 Switching sequence of the inverting part of the new topology

圖4 八電壓矢量圖Fig. 4 Eight-voltage vector diagram

2 基于八電壓矢量的直接轉矩控制策略

四開關兩相直接轉矩控制是將一相從直流母線兩電容中點引出、將電壓和電流進行坐標變換和分析得到八電壓矢量表.根據文獻［21］中的方法結合拓撲結構得出雖然同樣需要6 個驅動信號，但其中兩個信號來源于同橋信號變換，即有4個有效驅動信號即可.在晶閘管和IGBT配合時要前者先于后者關斷且需要考慮晶閘管的關斷時間.拓撲電路在IGBT旁并聯一電容，在電容的充放電時輔助晶閘管的關斷.

三相電機四開關八矢量兩相直接轉矩控制原理框圖如圖5所示.

圖5 四開關八矢量兩相直接轉矩控制原理框圖Fig. 5 Block diagram of four-switch eight-vector two-phase direct torque control

2.1 扇區劃分

根據以上論述可知，此拓撲的電壓空間矢量為8 個，且對應的幅值不同，同時也是關于V4V8向量對稱的.這種模式下8 個固有電壓矢量對復平面進行劃分而形成8 個扇區，各扇區占據的角度存在差異性且可以分為兩類60°扇區和120°扇區.根據此結果可推斷出該四開關逆變器的矢量控制模式下，扇區劃分不均勻且矢量幅值不一致，導致選擇過程變得很繁瑣.在直接轉矩控制下可能會導致轉矩脈動加劇，則應在矢量選擇時考慮盡量不要選擇使轉矩幅值劇烈變化的電壓矢量.八矢量扇區分布如圖4所示.

2.2 電壓矢量選擇

電壓矢量選擇單元通過滯環調節單元得到的磁鏈調節指令ψQ和轉矩調節指令TQ，及當前磁鏈所在扇區θ（k），設置電壓矢量選擇表，在此基礎上選擇適宜的開關信號對逆變器進行控制.由于使用八電壓矢量會存在可以選擇多個電壓矢量的情況，且由于存在120°的扇區會存在位于某個中間角度時為矢量選擇的分界線，使前后選擇的矢量不盡相同.此時應該列出可能的矢量，在接下來的仿真中進一步選擇最合適的電壓矢量［22-23］.在具體選擇時應該避免選擇使磁鏈和轉矩變換過大的電壓矢量.

在此研究過程中以θ（1）扇區為例，并假設磁鏈逆時針旋轉，則：

當ψQ=1，TQ=1，需增加定子磁鏈，增加電磁轉矩，選用電壓矢量V1；

當ψQ=1，TQ=0，需增加定子磁鏈，減小電磁轉矩，選用電壓矢量V8；

當ψQ=0，TQ=1，需減小定子磁鏈，增加電磁轉矩，選用電壓矢量V4；

當ψQ=0，TQ=0，需減小定子磁鏈，減小電磁轉矩，選用電壓矢量V6；

其他扇區同理，則可得出三相電機兩相直接轉矩控制的電壓矢量選擇表如表2所示.

表2 扇區的電壓矢量選擇表Tab. 2 Voltage vector selection table of sector

2.3 八電壓矢量基本原理

由圖4 八矢量磁鏈扇區分布圖為例，可知八矢量可以分成8個扇區.以第一扇區和第三扇區為例，假設參考電壓矢量Vr 的相角分別為θ1和θ2.因為有開路零電壓矢量（即開關管全部關斷時的電壓矢量），則根據伏秒平衡原理則有下面的等式.

第一扇區V1和V8為例，矢量合成圖6所示.

圖6 V1和V8期望輸出電壓矢量合成圖Fig. 6 Resultant of expected output voltage vectors for V1 and V8

其中電壓矢量設為：

代入后聯立可得：

第三扇區V2和V3為例，矢量合成圖7所示.

圖7 V2和V3期望輸出電壓矢量合成圖Fig. 7 Synthesis of expected output voltage vectors for V2 and V3

同理可得：

3 仿真研究

基于上述分析和對傳統三相四開關逆變器的理論研究，建立交直交電壓型變頻器的逆變器-異步電機驅動系統仿真模型.仿真模型中異步電機參數（取自MATLAB 電機模塊庫4kW 電機預設值）：轉子類型：鼠籠式，PN=4 kW，UN=400 V，fN=50 Hz，Rs=1.405 Ω，ls=0.005839 h，Rr=1.395 Ω，lr=0.005839 h，Lm=0.1722 h；根據三相四開關直流側電壓利用率為0.5，取直流母線電壓VDC=800 V；電機初始轉速設定值700 r/min，在0.5 秒時增大至1000 r/min，初始負載轉矩為空載，在0.3 秒增大至26.7 N·m.異步電機轉速響應如圖8所示.

圖8 異步電機輸出轉速波形圖Fig. 8 Output speed waveform of asynchronous motor

在圖8 和圖9 的異步電機轉速和轉矩圖可以看出，在新拓撲結構下，應用八電壓矢量直接轉矩控制策略可以正常啟動成功，基本達到了給定轉速和預期轉矩.在圖10 三相電流圖中通過MATLAB 示波器模塊的測量單元測得：0.1-0.3 s 電流頻率約為25 Hz，0.3-0.5 s 電流頻率約為30 Hz，0.6-0.8 s 電流頻率約為50 Hz.通過仿真進一步驗證了新拓撲應用DTC 策略的可行性，亦驗證了新拓撲在異步電機調頻領域的可行性.

圖9 異步電機輸出轉矩圖Fig. 9 Output torque diagram of asynchronous motor

圖10 變頻電路逆變部分輸出電流波形圖Fig.10 Output current waveform of inverter part of inverter circuit

通過觀察分析可知輸出驅動脈沖與開關時序分析時一致.異步電機轉矩波形如圖9 所示，在0～0.05 s 時間段內電機轉矩迅速上升，啟動轉矩波動較大，從0.1 s 開始電動機逐漸完成啟動過程并趨于平穩運行，此后轉矩在一定范圍內有著周期性波動.根據圖11 和圖12 異步電動機磁鏈幅值和軌跡圖可以看到幅值基本平穩和磁鏈軌跡基本為圓形磁鏈.通過對圖13 和14 觀察分析可知輸出驅動脈沖與開關時序分析時一致，達到了預期開關時序目標.

圖11 定子磁鏈幅值波形圖Fig. 11 Waveform of stator flux amplitude

圖12 定子磁鏈軌跡圖Fig. 12 Stator flux locus

圖13 VT1、VT2和IGBT1驅動脈沖圖（電機轉速1000 n/min）Fig. 13 VT1、VT2 and IGBT1 drive pulse （motor speed 1000 n/min）

圖14 VT1、VT2和IGBT1驅動脈沖圖（電機轉速700 n/min）Fig. 14 VT1、VT2 and IGBT1 drive pulse diagram（motor speed 700 n/min）

總的來說，在晶閘管和IGBT混合的三相四開關的拓撲電路上應用新的基于八電壓矢量的DTC 策略，具有較高的轉矩響應速度和較低的轉矩脈動.

4 結論

本文采用4 個晶閘管、2 個IGBT 和8 個二極管，提出一種新的交直交變頻器拓撲結構和八電壓矢量的控制策略，對比分析了傳統四開關逆變器四電壓矢量控制方法和采用新型拓撲結構的逆變器八電壓矢量控制方法，研究了新的交直交變頻器拓撲結構的能量傳輸模式、開關狀態、電壓矢量的作用時間及八電壓矢量的直接轉矩控制原理.在此基礎上，搭建仿真模型進行仿真分析，仿真結果驗證了本文所提新型拓撲結構和控制策略的可行性，從而有效降低了設備成本.