基于矩陣式變換器的異步電機直接轉矩控制策略研究
張玉明1，鐘國基2，陶以彬3
（1蕪湖職業(yè)技術學院電氣工程系，蕪湖241000;2西門子歐司朗亞太研發(fā)中心廣州510640；3國網(wǎng)電力科學研究院，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控制策略，分析了異步電機的直接轉矩控制方法和矩陣式變換器的空間矢量調制，研究了直接轉矩控制方案中，矩陣式變換器矢量電壓的選擇。這一控制策略同時實現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調制和異步電機的直接轉矩控制。仿真和實驗結果表明：采用這一控制策略的調速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，并且保持了單位功率因素。
關鍵詞：矩陣式變換器；異步電動機；直接轉矩控制；空間矢量調制
中圖分類號：tm343 文獻標志碼：a 文章編號：lo01-6848（2010）04-0039-03
0 引 言
直接轉矩控制在很大程度上解決了矢量控制中計算量大、控制復雜、特性易受電機參數(shù)變化影響、實際性能難于達到理論分析結果等重大問題。以往的直接轉矩控制都是基于普通的交一直一交變頻器實現(xiàn)的，其中的直流環(huán)節(jié)不但增加了異步電機調速系統(tǒng)的維護工作量，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矩控制結合起來進行研究不僅具有重要的理論意義，還為“變頻器一電機”集成化發(fā)展方向提供一定的工程參考。本文將在對矩陣式變換器的實施空間矢量調制的基礎上，將矩陣式變換器應用于異步電機的直接轉矩控制中。
1矩陣式變換器的空間矢量調制
矩陣式交換器的空間矢量控制是目前比較成熟的一種調制策略，不僅能用于控制輸出正弦電壓，而且能使電動機獲得圓形磁場。其思想是將矩陣式變換器等效成一個整流器和一個逆變器的組合，兩者通過一個“虛擬直流”環(huán)節(jié)來連接，利用傳統(tǒng)交直交變換器的方法實施控制。
在整流部分中對輸入線電流進行空間矢量pwm調制，在逆變部分中對輸出線電壓進行空間矢量pwm調制，最后根據(jù)開關函數(shù)的對應關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、電壓矢量兩個空間矢量的綜合調制采用相互嵌套的辦法來實現(xiàn)。整個輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有五種組合。每一矢量組合的作用時間用占空比表示時是該組合內各矢量占空比的乘積。
2矩陣變換器的空間電壓選擇
直接轉矩控制事實上是將變頻器的控制模式和電機運行性能作為一個整體來考慮的，通過控制異步電動機的輸入電壓來實現(xiàn)對電動機的定子磁鏈控制，當對稱三相正弦波電壓加于對稱三相繞組時，在電動機的氣隙中將產(chǎn)生具有恒定幅值和恒定旋轉速度的磁通，這時電動機在理想的狀態(tài)下運行。當異步電動機是由一個三相變頻器供電時，則電動機的輸入電壓完全取決于變頻器的開關切換模式，而電動機磁通的波形又取決于輸電壓的模式，因此直接轉矩控制的目標之一就是建立磁鏈和逆變器開關模式之間的關系，通過控制變頻器開關正確的切換，使電動機氣隙獲得一個近似圓形的磁場”1。因此，對于矩陣式變換器一異步電機直接轉矩系統(tǒng)控制的關鍵是如何選定空間電壓矢量。直接轉矩控制的基本結構原理框圖如圖2歷示。
在電機實際運行中，任一時刻只能施加一個電壓矢量，所以必須同時考慮到磁鏈控制的需求和轉矩控制的需求才能正確的選擇空間電壓矢量。對于具體的控制系統(tǒng)，可根據(jù)定子磁鏈控制器、轉矩控制器的輸出以及磁鏈所處的扇區(qū)。根據(jù)單獨從磁鏈控制和轉矩控制的角度可以確定所應施加的空間電壓矢量，
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