双级矩阵变换器驱动异步电动机的特性分析

粟 梅¹, 许新东², 李丹云¹, 张泰山¹

(1.中南大学 信息科学与工程学院,湖南 长沙,410083;

2.湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭,411105)

摘要: 分析了双级矩阵变换器的拓朴结构特点;推导出双级矩阵变换器整流级的脉宽调制算法和逆变级的空间矢量调制策略,并阐述了零电流换流的原理。在MATLAB/SIMULINK平台上建立了双级矩阵变换器的仿真模型,并针对其驱动异步电动机起动、运行的开环系统进行仿真。仿真结果验证了所提出的控制策略的可行性和正确性,表明双级矩阵变换器输入电压和电流为正弦脉冲,且基本同相位;输出线电压为正弦脉冲宽度调制且基波分量为绝对主要成分,具有优良的输入和输出特性。

关键词: 双级矩阵变换器; PWM整流; 零电流换流; 空间矢量调制; 异步电动机

中图分类号:TM311 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)04-0658-06

Performance analysis of two-stage matrix converter driven asynchronous motor

SU Mei¹, XU Xin-dong², LI Dan-yun¹, ZHANG Tai-shan¹

(1.School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2.School of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Abstract: The features of the two-stage matrix converter topology were analysed, and then the pulse-width modulation strategy for the rectifier side and the space vector pulse width modulation strategy for the inverter side were deduced. And the principle of zero current commutation was elaborated. The simulating model of the two-stage matrix converter was set up under MATLAB/SIMULINK. In order to investigate the starting-up and running process in AC frequency conversion for asynchronous motor, a lot of simulation researches were carried out. Simulation results demonstrate that the input current is sinusoidal input and in phase with the input voltage and the major component of output voltage is the fundamental component, which verify the correctness and availability of the proposed strategies and excellent performance of the two-stage matrix converter.

Key words: two-stage matrix converter; pulse width modulation rectification; zero current commutation; space vector modulation; asynchronous motor

   随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的高速发展,以及人们对电力变换装置性能要求的提高,矩阵变换器日益受到重视,成为电力变换器中的研究热点。 矩阵变换器是一种“绿色”的直接变换型交流—交流电力变换装置^[1],其优于传统脉宽调制(PWM)变频器的特性在于能量双向流通、电流正弦输入与输出、输入功率因数可控、体积小等。自20世纪80年代以来,随着功率器件的发展和各种调制理论的提出,虽然矩阵变换器的研究和开发取得了很大的进展^[2-5],但至今仍停留在理论研究和实验室样机阶段。其主要原因是传统单级矩阵变换器存在功率开关元件数量多(一般需要18个IGBT 和 18个二极管)、控制算法复杂及换流困难等问题。

 双级矩阵变换器的提出^[6,7]在一定程度上解决了以上传统矩阵变换器所面临的问题。双级矩阵变换器不仅能够实现传统矩阵变换器的所有功能,并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。在交流调速系统中,使用双级矩阵变换器驱动异步电动机,一方面能够实现较好的传动性能,另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求。

1 双级矩阵变换器拓朴结构分析

双级矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。双级矩阵变换器由整流级和逆变级2部分组成,需要15个IGBT 和 18二极管,与传统单级矩阵变换器相比,开关器件数目减少。为使开关器件在关断时不受大电压与大电流的冲击,一般需要设置相应的箝位电路。传统矩阵变换器的箝位电路需要一组复杂的二极管与电容器件^[8]。双级矩阵变换器的箝位电路见图1所示的D_c与C_c串联部分。

图 1   具有15个开关的双级矩阵变换器拓扑结构图

Fig. 1   15-switch topology of two-stage matrix coverter  

双级矩阵变换器的控制方式,类似于双PWM AC/DC/AC变频器,分为两级控制,其整流端采用PWM控制,逆变端采用SVPWM控制,调制策略比传统矩阵变换器简单得多。更重要的是可以通过控制逆变端的开关状态,使其在整流端换流时为零开关状态,将输出全部短路,迫使直流端输出开路,电流为零,从而整流端的开关可以在零电流条件下自由换流,几乎没有开关损耗^[9],并且由于整流部分的功率开关占所有功率开关数量的2/3,所以,开关导通损耗大幅度降低。

2 双级矩阵变换器调制策略

为了方便说明双级矩阵变换器调制原理,采用如图2所示的18个功率开关的双级拓扑结构。对于其他拓扑结构,其调制原理相同,只是选择开关状态不同。图2中S_ap,S_bp,S_cp, S_an,S_bn和S_cn为理想双向开关,S_up,S_vp,S_wp,S_un,S_vn和S_wn为IGBT功率器件。

图 2   带有箝位电路双级矩阵变换器拓扑结构图

Fig. 2   Two-stage matrix coverter with clamp circuit  

设双级矩阵变换器三相输入相电压为:

并且输出电流为:

其中:ω_i和ω_o分别为输入和输出角频率;φ_o为输出相电流的初相位角;V_m和I_o分别为输入相电压和输出相电流的幅值。

2.1 整流级PWM调制

整流级PWM调制的目的是在保持中间直流上正下负的同时,保证输入端单位功率因数整流。为了简化整流级分析,忽略图2所示的输入滤波器,即L_f=0,C_f=0 。

为了使V_pn>0,并且尽可能地充分利用三相输入线电压以合成较大的直流电压,本文作者采用一种新的PWM调制策略。由于输入端电压对称平衡,将三相正弦输入电压按每60°划分1个区间,1个工作周期被划分为6个区间,使每个区间内有两相的相电压值符号相同,而与第三相符号相反(见图3)。在图3所示的区间1中,V_sa为正,V_sb和V_sc为负。为保持中间直流上正下负,可以将V_sa一直导通,而将V_sb与V_sc轮流导通实现PWM高频整流。这样,每个开关周期分为2段:第1段整流级开关S_ap和S_bn导通,其他开关关断,直流端电压为V_pn=V_sa-V_sb;第2段中S_ap和S_cn导通,其他开关关断,直流端电压为V_pn=V_sa-V_sc。

图 3   整流分区

Fig. 3   Intervals of rectifier  

对其他5个区间采用同样的方法得到如表1所示的开关状态表。

表 1   PWM整流的开关状态

Table 1   Switching sequence of PWM rectifier

为实现整流级输入端的单位功率因数,应保证各相输入相电流与输入相电压同相位,即从各相输入端看进去,等效输入阻抗为纯电阻,各相的瞬时输入相电压和相电流满足:

由于PWM调制频率相对于被调制频率足够快,可以假定在1个PWM开关周期T_s内,整流级输出电流(即中间直流部分电流)为恒定值[AKi-],输出电压为恒定值[AKV-]。现以区间1的调制过程为例,推导占空比的计算公式。

如表1所示,在每个PWM开关周期中,开关S_ap一直接通,而S_bn和S_cn交替接通,电流从a相流入,分别从b相和c相流出。假定d_b和d_c分别为S_bn和S_cn在该PWM开关周期中的占空比,则

为了获得整流级输入端单位功率因数的调制策略,将式(5),(6),(7)和(1)代入式(3)得:

将公式(9)和(10)代入式(8)得:

式(11)表明,在区间1的整流输出电压[AKV-]是cosθ_a的函数,在1个PWM开关周期内是恒定不变的,但在整个区间内是一个上正下负的脉动电压,变化范围是1.5V_m~[KF(]3[KF)]V_m。其他区间占空比可用上述分析方法得到,从而可实现单位功率因数整流。

2.2 逆变级空间矢量调制

逆变级的结构与传统逆变器一样,故可采用性能优良的空间矢量调制策略。假设逆变级输出参考电压矢量为:

式中:V_oL=V_su+V_sv·e^2π/3+V_sw·e^-2π/3;φ_o为参考输出电压的初相角;m_v为调制系数。

逆变级开关8种有效组合映射到空间中的8个静止矢量的位置^[10]如图4所示,由6个互差60°的有效矢量和2个零电压矢量组成。根据空间矢量调制技术,在1个调制周期内,逆变级输入直流电压恒定不变,如式(12)所示,参考输出电压矢量V_oL可由2个相邻的空间状态矢量V_α,V_β及零状态矢量V₀合成得到。

由正弦定理可知,其开关占空比分别为:

式中:m_v为调制系数,且0≤m_v≤1;θ_sv为区间角;T_s为开关周期;T_α,T_β和T_0v为开关的导通时间;d_α,d_β和d₀为开关的占空比。

由于整流级每一个开关周期分为2段,为了协调整流级和逆变级,把逆变级每个开关周期也分为2段。通过式(13)计算得到图4中V₁,V₂和V_o的占空比之后,再将它们按照整流级占空比分配为2段进行调制。以整流级工作在区间1,逆变级参考电压空间矢量在扇区Ⅰ加以说明。

a. 在整流级区间1第1段时,逆变级V₁,V₂和[CM)] V_o的占空比根据下式求得:

图 4   逆变器空间矢量调制

Fig. 4   Voltage space vector and its composition diagram  

b. 在整流级区间第2段时,逆变级V₁,V₂和V_o的占空比根据下式求得:

为了使整流级每次换流时电路中电流都为零,采用如图5所示的PWM序列。整流级换流时逆变级都工作在零电压空间矢量状态,这样就保证了零电流换流,整个换流过程安全且简单,这是双级矩阵变换器最突出的优点。整流级和逆变级工作在其他区间的情况,都可以用上面的方法获得相应的开关顺序及占空比的计算公式。

图 5   整流级在区间1逆变级在扇区Ⅰ的PWM序列

Fig. 5   Inverter PWM sequence in section Ⅰwhlie rectifier in interval Ⅰ  

3 双级矩阵变换器驱动异步电动机仿真研究

根据上述双级矩阵变换器的调制策略,利用MATLAB/SIMULINK的电力系统工具箱提供各种功率器件、电源、滤波电路、保护电路、测量模块和电动机负载等,结合s函数强大的接口功能,建立双级矩阵变换器的通用仿真模型。该矩阵变换器模型主要由4部分组成:电源(包括非理想电源、输入滤波器和输入输出测量)、控制策略、矩阵开关(包括整流级和逆变级)和异步电动机负载部分。仿真算法为ode15,调制频率为10 kHz。

为了验证所建模型的有效性和正确性,对双级矩阵变换器驱动异步电动机的起动和运行,采用MATLAB6.5软件进行仿真。仿真参数如下:

a. 输入为三相对称电源,其相电压为220 V/50 Hz,内阻R_s=0.2 Ω;输入滤波器的L_f=1 mH,C_f=10 μF; 功率因数控制为1。

b. 三相绕线型异步电动机的额定功率为3×746 W;额定电压为220 V/60 Hz;定子电阻和漏感分别为0.435 Ω和2 mH;转子电阻和漏感分别为0.816 Ω和2 mH;激磁电感(互感)为69.31 mH;转动惯量为0.089 kg·m²,负载转矩M₁=11.9 N/m。

电机在起动、运行过程中相电流、转速和电磁转矩波形如图6所示。可见电机在经过一段较短的过渡时间后,运行平稳。稳态运行时典型的输入输出[CM(22*3] 电压、电流以及整流电压波形如图7所示。双级矩

图 6   电机在起动、运行过程的电流、转速波形和电磁转矩

Fig. 6   Simulation waveforms of output phase current, speed and electromagnetic torque of an induction motor in start-up process  

图 7   稳态时波形

Fig. 7   Simulation waveforms at stable state

阵变换器输入电压、电流波形与相位的波形基本相同,功率因数为1,整流电压在300~600 V脉动,输出电压电流波形均匀。由图8所示的输出电压、电流的FFT频谱分析可以看出,除了开关频率附近的高频谐波,其他低频的谐波分量很小。

仿真结果表明,双级矩阵变换器输入电压、电流呈正弦变化且基本同相;输出线电压正弦脉冲宽度调制、线电流呈正弦变化;输入电流和输出电压中基波分量为绝对主要成分,具有优良的输入和输出特性。

图 8   输出电压电流谐波分析

Fig. 8   Harmonic analysis of input/output voltage and current  

4 结 论

a. 根据双级矩阵变换器的拓朴结构特点,推导出双级矩阵变换器的整流级的PWM调制算法,确定逆变级的空间矢量调制策略。

b. 双级矩阵变换器不仅能够实现传统矩阵变换器的所有功能,而且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。

c. 双级矩阵变换器能够提供满足异步电动机调速要求的高质量的正弦输出电压和电流。

d. 双级矩阵变换器输入电压和电流(即电网电源电压和电流)为正弦函数,且基本同相位,表明使用双级矩阵变换器驱动异步电动机,一方面能够实现较好的传动性能,另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求。

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收稿日期:2005-05-16

基金项目:湖南省自然科学基金资助项目

作者简介:粟 梅(1967-),女,湖南汉寿人,博士研究生,副教授,从事电力系统自动化、电力电子及电力传动方面的研究

论文联系人: 粟 梅,女,副教授;电话:0731-8830584-105(O); E-mail: sumeicsu@yahoo.com.cn