（电机与电器专业论文）基于矩阵变换器的异步电动机直接转矩控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 关键字：矩阵变换器，直接转矩控制，异步电动机，空间矢量 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sak i n do fd i r e c ta c a cp o w e re l e c t r i cc o n v e r t e r i t sa d v a n t a g e sa r eb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w ，n e a r l ys i n u s o i d a li n p u t o u t w a v e f o r m sa n dac o n t r o l l e di n p u tp o w e rf a c t o r m a t r i xc o n v e r t e ri sa g o o dc h o i c et of e da cm o t o rd r i v es y s t e m s u n d e rt h ee l e c t r i cd r i v e f i e l d ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h e o r yh a st h en o v e l t yc o n t r o li d e a ， d i r e c tc o n t r o lm e a s u r ea n dt h es i m p l ec o n t r o lm e t h o d ，i th a sa t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lf o u n d a t i o n ，p r i n c i p l ea n de v i d e n t v i r t u eo fm a t r i xc o n v e r t e ri se x p l o r e d d e e p l ya n a l y s i sh a v eb e e nt ot h e r e s e a r c ho ft h eb a s i ct o p o l o g y ，m a t h e m a t i cp r i n c i p l e sa n de x i t i n g m o d u l a t i o na l g o r i t h mo ft h em c ；s u c ha st h ev e n t u r i n ic o n t r o lm e t h o d s ， i n s t a n t a n e o u sv a l u em e t h o da n ds p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o d b a s e do n m a n ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r ec o m p a r e d ， w ed e c i e d e dt ou s et h e d i r e c ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h ec o m m u t a t i o na n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fb i d i r e c t i o n a ls w i t c h ， w ec h o o s e dt h ef o u r - s t e pc o m m u t a t i o nw h i c hi sa c h i e v es e c u r i t y t h e p r i n c i p l eo f d t ca n dt h er e a l i z a t i o no fi ta r ei n t r o d u c e d t h ec o n c e p to f m a t r i xc o n v e r t e r v o l t a g es p a c e v e c t o ri s p r e s e n t e d t h r o u g h t h e c o m b i n a t i o n s t r a t e g y ， m c d t cs w i t c ht a b l ew a sg i v e ni nt h e p a p e r b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mw a sg i v e ni nt h ee n do ff o u r t hc h a p t e r i i i 江苏大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o nm o d e lo fm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to f m c d t cs y s t e mi sc o n s t r u c t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k ，a n dal o t o fs i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t t h er e s u l t so fs i m u l i a t i o n si n d i c a t et h a t p r o p o s e dm o d u l a t i o nm e t h o di se f f e c t i v e t h ep e r f o r m a n c e so fm c d t c s y s t e mh a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s f i n a ll y ， a e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t o fc o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c ea n dr e s u l t sw e r eg o ta n dt e s t i f i e d ，a n d c o n t r i b u t e dt ot h em a t r i xc o n v e r t e r si n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a s y n c h r o n o u s m o t o r ， s p a c ev e c t o r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保 密 - - 1 ，在年解密后适用本授权书。，在年解密后适用本授权书。 不保密圈 学位论文作者虢竹蒜致 指删嗽： 2 0 0 9 年舌月j 旧 2 0 0 9 嘲，2 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一繇、文薷擎 日期：2 0 0 9 年g 月i 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交流调速概述与发展方向 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器 的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都 受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的异步电动机， 但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人们 就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领 域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。6 0 年代以后，特别是7 0 年代 以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速 相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。现代电力电子变换装置 中，p w m 变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的p w m 控制技术有： ( 1 ) 基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制；( 2 ) 基于消除指定次数谐波 的h e pw m 控制；( 3 ) 基于电流环跟踪的c h p w m 控制；( 4 ) 电压空间矢量控 制的s v p w m 控制。 交流调速技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制 和模糊控制等各种新的控制策略的不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一 步推动交流凋速技术的蓬勃发展。 1 2 矩阵变换器的研究与应用 多年来，电气传动专家一直都在讨论关于“矩阵变换”技术的变频器是否会 成为下一代变频器。由于矩阵式交一交变频器省去了中间直流环节，不仅能吸收 任何电流杂波，也能提供一个清洁的输出电压，也就是说“可以有效地进行输入， 稳压器电流控制与输出电压控制”。它能实现功率因数为l ，输入电流为正弦且能 四象限运行，系统的功率密度大，并能实现轻量化。另外一个吸引点就是矩阵变 频器去掉了直流电容，矩阵变频器就能长时间可靠工作。几个主要的传动供应商 1 江苏大学硕士学位论文 包括安j i i 、富士、罗克韦尔、西门子等都积极地研究了该项技术。然而舆论却认 为：尽管矩阵变换器具有非常诱人的前景，但是由于成本太高而无法在目前进行 商业化应用。 1 早期的矩阵变换器研究 矩阵变换器的电路拓扑形式在1 9 7 6 年由l - g y l l g l l i 提出【l 】1 9 7 9 年意大利学 者m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 首先提出了由9 个功率开关组成的矩阵式交一交变换 器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现 这种变换器存在固有极限，最大电压增益为o 8 6 6 ，并且与控制算法无关。他们 首次系统地给出了矩阵式变换器低频特性的数学分析，并且提出了“低频调制矩 阵 的概念。同时，他们提出了一种矩阵式变换器的调制算法，被称为“直接传 递函数 方法【2 1 。 1 9 8 3 年j r o g r i g u e z 将矩阵式变换器在理论上等效为一个整流器和逆变器的 虚拟连接，并将传统的脉宽调制( p w m ) 技术分别应用于“虚拟整流器”和“虚 拟逆变器”上，对双向开关进行调制，从而实现能量的传输和回馈，这种方法也 被称为间接传递函数方法【3 1 。 矩阵变换器要求大容量和高速开关频率并具有双向关断能力的功率器件，同 时还要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的工艺和技 术水平所难以达到的。因此，早期的矩阵变换器的研究大都处于理论研究阶段， 很少有面向工业实际的研究。 2 矩阵变换器方案改进 随着电力电子技术和微机控制技术的不断发展，矩阵变换器的研究工作越来 越被人们所重视，为了解决m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 控制方案中的不足【4 1 ，先后 有不少学者对矩阵变换器进行了一系列的研究工作，并从不同的角度提出了不同 的控制方案。如p d z i o g a s 等提出了一种间接p w m 控制方法【5 j ，其总体思路是 首先将输入电压“整流 ，产生一个虚拟的直流回路，然后按需要的频率逆变， 从而得到一个类似于典型的p w m 逆变器的输出电压波形。这些研究基本克服了 m v e n t u r i n i 控制方案的缺点，输出电压比、功率因数和输入电流品质方面都取 得了很好的改进，但也存在一些不足之处，如p d z i o g a s 的方案输出频率限制在 2 江苏大学硕士学位论文 3 0 0 h z 以下、某些方案的效率不够高等缺点。 3 矩阵变换器技术成熟 8 0 年代末、9 0 年代初，南斯拉夫学者l h u b e r 和美国d b o r o i e v i c 教授、日 本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 教授、以及韩国学者w h k w o n 和g h c h a 等人 的研究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。 l h u b e r 和d b o r o i e v i c 提出了一种基于空间矢量调制技术的p w m 技术【6 1 ， 首先根据矩阵变换器的p w m 的开关状态，定义出六边形开关状态矢量图，然后 按输出矢量在任意时刻由其相邻的开关状态矢量合成，得到每一采样周期的开关 占空比。连续合成一定角速度旋转的输出电压矢量，就获得所需要的频率和正弦 输出电压。通过实验样机带三相感应电机作为负载运行，证明了采用空间矢量调 制法的矩阵变换器与理论分析相一致。即具有输入功率因数逼近于1 ，输入电流 波形好等优点。m b r a u n 和j r o d r i g u e z 分别于1 9 8 3 年和1 9 8 5 年提出了将空间矢 量脉宽调制( s v p w m ) 应用于矩阵式变换器控制的方法【7 - 8 】，在这些研究的基础 上，l h u b e r 和d b o r o j e v i c 于1 9 8 9 年至1 9 9 5 年剐9 躬】，发表了一系列矩阵式变 换器的研究结果。 a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出了双线电压瞬时值法【1 4 1 。其实质即任一时刻输 出电压为两个输入线电压合成，而两输入线电压在每一周期的占空比由输出电压 的瞬时值及输入电压的状态决定。该种技术在改善对变换器开关频率的限制，提 高输出输入电压比等方面有其独到之处。当输入不对称或含有谐波时，其控制函 数可以自动修正，而不需要额外的计算，有利于实时控制。但该种控制方案使得 输入功率因数不可随意控制，但能固定在基本恒定值上。同时这种开关状态的转 换过程和输入电流的合成规律较为复杂，在软件实现上较为复杂。 韩国学者w h k w o n 和g h c h a 对假设m c 由非理想电流源和电压源组成， 利用d q 电路变换技术对实用升压九开关m c 的动、静态特性进行了分析，为 m c 的分析提供了有效的方法【i5 1 。通过理论分析和仿真，他们证明了升压式矩阵 变换器不能像其它的理想变换器那样通过选择参数独立控制，功率因数并不总保 持1 ，但可以控制。 1 9 8 9 年，n b u r a n y 提出了一种四步换流策略【l6 】，可实现半软开关换流，将 两个双向开关之间的换流过程根据电压相对大小或电流方向信号分为四步进行， 江苏大学硕士学位论文 有效地避免了换流过程中的短路和断路故障，实现了真正意义上的安全换流。此 后，m z i e g l e r 和w h o f f m a n n 于1 9 9 8 年提出了矩阵式变换器“两步换流”方式 【1 7 1 ，进一步缩短了双向开关的换流时间。同时，j c l a r e 、e w h e e l e r 和l e m p r i n g h a n l 也于1 9 9 8 年将可编程逻辑器件( p l d ) 技术用于双向开关的换流控制，提出了 矩阵式变换器的“智能换流 方式【煳，根据检测到的电流方向信号和开关通断 状态利用时序逻辑确定换流步骤。j m a h l e i n 在2 0 0 2 年提出了改进的多步换流控 制策略，省去了专门的输入电压或输出电流方向检测电路【1 9 1 。l i x i a n g w e i 和 t l i p o 也在2 0 0 3 年提出了专用于矩阵式变换器的电压换流方式【2 0 1 。这些换流策 略的应用，基本上实现了双向开关的安全运行，为矩阵式变换器应用到实际工业 生产中扫清了障碍。 4 矩阵变换器交流传动领域中的产业探索 矩阵变换器从1 9 7 6 年提出到现在3 0 年的时间了，国外已有不少文献提出矩 阵变换器的实验样机，但是还没有真正进入实用的报道。 1 9 9 2 年，我国教授庄心复作为访问学者在美国弗吉尼亚电力电子中心采用 空间矢量调制法分析直一交和交直变换器，合成后求得交。交变换器的调制方法 【2 l 】，并以一台3 2 位数字信号处理器t m s 3 2 0 1 4 作为控制器，设计并制作了一台 实验样机。 1 9 9 4 年弗吉尼亚电力电子中心年会上展出了输入端具有功率因数校正 ( p f c ) 的三相三相矩阵变换器，该变换器采用数字信号处理器( d s p ) 实现空 间矢量调制，最大输出2 k w ，开关频率2 0 k h z ，用m o s f e t 器件，负载为2 k w 的感应电动机，输入端功率因数为0 9 9 ，输出电压、输入电流均为正弦。1 9 9 5 - - , 1 9 9 6 年，p e t e r n i l s e n 在他的论文2 2 1 中，以s i e m e n s c l 6 6 为控制器做出了试验 装置，对矩阵式变换器的外围电路进行了一系列研究。1 9 9 8 - - 1 9 9 9 年、1 9 9 9 2 0 0 0 年，c h r i s t a n 两次作为访问学者在美国也研究出了一套装置，并对输入电压 不平衡时，人工负载下矩阵式变换器的控制策略进行了研究。 最近1 0 年，由于功率半导体器件技术的发展，矩阵式变换器的实用化进入 了一个崭新的阶段。2 0 0 1 年，欧洲的e u p e c 公司研制成功了专用的矩阵式变换 器开关矩阵模块，采用了3 5 a 的i g b t 和快速恢复二极管，大大地减小了电路的 体积，提高了抗干扰能力，并降低了换流控制的难度。德国西门子公司在2 0 0 1 4 江苏大学硕士学位论文 年提出了一整套适用于工业传动控制领域的矩阵式变换器解决方案。丹麦 a a l b o r g 大学电力电子研究中心多年来一直致力于矩阵式变换器的研究与开发， 在2 0 0 2 年研制了适用于工业生产的矩阵式变换器样机。日本富士电机公司也在 2 0 0 3 年开发出了适用于矩阵式变换器的逆阻式i g b t 模块，并于2 0 0 4 年利用该 模块试制成功了2 2 k w 矩阵式变换器样机。日本安川电机公司在2 0 0 4 年4 月在 汉诺威国际展览会上展示了即将生产的矩阵变频器的原型，在安川矩阵变频器中 有9 个开关，每一个都有2 个i g b t 双向开关组成，能允许正向电压和负相电压 通到电机上，其容量覆盖5 5 k w 2 2 k w ，最终计划达到7 5 k w 。英国n o t t i n g h a m 大学的研究人员在2 0 0 4 年成功地开发了一台1 5 0 k v a 矩阵式变换器驱动异步电 机传动系统。 5 我国矩阵变换器研究 我国在矩阵变换器方面的研究开始的较晚，基本上从9 0 年代开始，南京航 空航天大学、西安交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学先后开展了这方面的研 究工作，取得了令人瞩目的成绩，达到了一定的水平。 1 9 9 4 年，南京航空航天大学庄心复教授把矩阵变换器介绍给国内同行后， 陆续有高校开展矩阵变换器的研究。 1 9 9 7 年，南京航空航天大学庄心复、穆新华在国内刊物上介绍了一般意义 上的n m 型矩阵式变换器的拓扑形式及双向开关的构成1 2 3 1 ，分析了基于瞬时电 压调制技术的三相a c a c 矩阵式变换器的开关状态和控制规律。 1 9 9 8 年，上海大学的陈伯时、陆海慧等通过把矩阵变换器等效为交直交变 换器利用逆变器中广泛采用的空间矢量p w m 调制技术【2 4 1 ，并利用8 0 c 1 9 6 k c 作 为控制器，i g b t 作为双向开关，采用四步换流的方法，成功的制作出了三相交 交矩阵变换器的实验装置。 1 9 9 9 一- - 2 0 0 0 年，福州大学汤宁平、方旭阳、邱培基分析和推导了三相矩阵 式变换器在电流滞环跟踪控制方式下的开关函数，并提出了变换器控制系统的实 现方案，取得了三相感性负载条件下的电流波形和频谱分析等实验结果，并试制 成功了一台恒频采样电流跟踪控制型矩阵式变换器样机，作为交流励磁感应发电 机的励磁器【2 5 堋。 2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学的陈希有、陈学允将p a r k 变换技术应用到基于空 5 江苏大学硕士学位论文 间矢量调制的矩阵变换器中，建立了矩阵变换器的线性定常等效电路模型【2 8 】， 得到了输入电流、功率因素、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。并 用此模型分析了带有输入滤波的矩阵变换器的暂态响应特性。同时推导了响应的 伴随网络模型，用伴随网络法分析了电压增益的灵敏度【2 9 1 。 2 0 0 1 年，清华大学黄立培教授领导的课题组开始针对矩阵式变换器及其在 高性能交流调速系统中的应用进行研究。分别采用i g b t 单管模块、逆阻式i g b t 、 智能功率模块( i p m ) 设计开发了3 台三相三相矩阵式变换器实验样机，并研 制了1 台采用逆阻式i g b t 的三相单相矩阵式变换器样机3 0 。3 1 。 2 0 0 2 年，王毅、陈希有、徐殿国提出了一种基于双电压合成的矩阵式变换 器闭环控制方法，根据矩阵式变换器的实际输出电压与期望输出电压的偏差，计 算电压的实际占空比与理想占空比的偏差，并将此偏差作为负反馈加到下一采样 周期的占空比中，从而实现系统的闭环控制【3 4 】。 此外，2 0 0 1 年，华中科技大学也提出了一种新型的三相三相的矩阵式变换 器。2 0 0 2 年，浙江大学的贺益康等提出了矩阵变换器在风力发电方面【3 5 】的应用。 2 0 0 3 年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵变换器电压传输l l - , t 3 6 j 。西安交通 大学的王汝文等，通过数学推导得出矩阵变换器调制函数的通解形式，从而可以 从不同的角度反映变换器的传输性能，可以按实际系统所需要的变换和传输要 求，对开关调制规律进行优化，通断时间算法也比原有的简单1 3 7 1 。2 0 0 7 年9 月 机械工业出版社出版的清华大学学者孙凯、周大宁、杨梅等编著的矩阵变换器 技术及其应用一书，是国内第一本专门讲解矩阵变换器技术的书目，汇总了自 矩阵变换器概念提出至今的绝大多数成果。 目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面：( 1 ) 在理论研究方面，继续探 讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有关理论，如模糊 控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研究；( 2 ) 在实际 应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实 现与封装以及输入滤波器的设计等。 总的来看，矩阵式变换器是随着电路电子技术的发展而不断的发展，但目前 国内矩阵式变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段，尚未形成实用化 的成熟产品。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 异步电动机直接转矩控制概述 直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期提出的又一转矩控制方法，是继矢量控制 技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学 的m d e p e n b r o c k 教授首次提出，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范卧3 8 】。不同 于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控 制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结 果的一些重大问题。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量 分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开 关状态，实现直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制 的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制技术一诞生，就 以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静动态性能受到广泛的关 注和得到迅速的发展。 1 3 1 原始直接转矩控制存在的问题 首先，由于采用砰砰控制，实际转矩在上下限内脉动，而不是完全恒定的； 其次由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电 阻的变化都会影响磁链计算的准确度。这两个问题的影响在低速时十分明显，因 而使得d t c 的调速范围受到限制。 1 3 2 直接转矩控制的发展方向 抑制转矩脉动和提高低速性能是改进的主要方向。 改进的方案有： 1 磁链和转矩的砰砰控制以及由其输出信号直接选择逆变器的电压空间矢 量这一基本框架不变，着重改进的具体控制方法有：( 1 ) 对磁链偏差实行细化， 使磁链轨迹接近圆形【3 9 】；( 2 ) 对转矩偏差实行细化，直接减少转矩脉动【4 0 】；( 3 ) 对电压空间矢量实行无差拍调制或预测控制h 1 】；( 4 ) 对电压空间矢量实行智能 控制【4 2 】。 2 改砰砰控制为连续控制：( 1 ) 间接自控制系统，简称i s r l 4 3 】；( 2 ) 按 7 江苏大学硕士学位论文 定子磁链定向的控制系统4 4 1 。 1 3 3直接转矩控制( d t c ) 与矢量控制( v c ) 系统的比较 d t c 系统和v c 系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采 用转矩和磁链分别控制，都是基于异步电动机动态数学模型设计的，两者都能获 得较高的静、动态性能，这是两种系统的基本性质。两者控制性能各具特色m 5 1 ， 具体如表1 1 中的对比： 表1 1直接转矩控制系统和矢量控制系统的特点与性能对比 性能与特点 d t cv c 调速范围低速范围受限 范围宽 转子参数影响无( i 一，? 磁链计算模型除外)有 磁链控制定子磁链转子磁链 转矩控制砰砰控制，有转矩脉动连续控制，转矩较平滑 坐标变换静止坐标变换旋转坐标变换 如果d t c 系统和v c 系统之| 、日j 实现优势互补，构成新的控制系统，那么交 流调速领域将会取得令人振奋的成果。 1 4 本课题的研究意义和主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 随着电力电子技术的发展，变频调速己经在交流凋速中占据了主导地位，成 为工业自动化的关键传动技术，更是节能的重要手段。电机控制理论特别是矢量 控制和直接转矩控制理论的发展和完善，使得交流变频传动的效果和直流调速相 媲美，特别是直接转矩控制系统在转矩响应快速性方面更胜一筹。再加上交流电 机所固有的优点，使得交流调速在整个调速领域占据了8 0 以上。 交流异步电机直接转矩控制就是顺应了这些需求而产生的全新的电机控制 理论。它采用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转 矩，采用定子磁场定向，通过p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控 制，以获得转矩的高动态性能，该控制系统转矩响应迅速，限制在一拍以内，且 8 江苏大学硕士学位论文 无超调，是一种高动态性能的交流调速方法。因此，本文将异步电机直接转矩控 制作为研究对象具有重要的现实意义。 矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的新型交一交直接电源变换器。 它允许频率单极变换，无需大容量的储能元件如大电容，可使输入电流正弦，输 入功率因数达到o 9 9 以上并可以自由调节，且与负载的功率因数无关。输出电 压正弦，输出频率、电压可调，输出频率可高于、低于输入频率。特别是其功率 可双向流动，具有四象限运行能力；加之体积小、效率高，符合模块化的发展方 向。矩阵变换器在交流调速系统中的应用可产生节能的重大经济效益，又避免了 因谐波污染带来的电力系统环保问题。由矩阵变换器和直接转矩控制系统构架的 交流调速系统是一种无负面效应的、高精度的可持续发展的“绿色 调速系统， 因而研究意义深远。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 分析了矩阵变换器的结构和运行特点，深入了解矩阵变换器的原理、双 向开关组成，重点解析并比较矩阵变换器的多种调制策略，提出了换流问题的解 决办法。 2 解决了在系统建立过程中遇到的关键技术问题，提出了矩阵变换器供电 的异步电动机电机直接转矩控制的组合策略，在m a t l a b 7 0 中搭建模型，设计 控制器，进行仿真研究，验证理论分析的正确性。 3 设计了由i g b t 构成双向开关的实验样机，用d s p 和c p l d 构成数字控 制系统，设计实验平台，完成软件的编写。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器的调制与换流策略 2 1 矩阵变换器的拓扑 矩阵变换器最初提出时指的是从m 相输入变换到n 相输出的一般化结构， 因此曾被称为通用变换器。可以根据m 、n 的取值和输入输出端的电源性质对矩 阵变换器进行分类。通常人们研究的最多的主要是三相输入、三相输出的矩阵变 换器，其主要包含有【4 6 】： 1 双向9 开关矩阵变换器，它的输入和输出之间采用双向开关互相连接。 按照输入输出端电源性质的不同可以再将之分为降压型矩阵变换器和升压型矩 阵变换器。前者以电压源作为输入端，以电流源作为输出端；后者以电流源作为 输入端，以电压源作为输出端。这种变换器结构简单，却存在着双向开关的实现、 同步与保护等问题，其难点在于开关换相时，即不能存在死区，又不能有交叠， 否则会产生过流或过压的状况。 2 电压源型或电流源型矩阵变换器，它由三组电压源型或电流源型三相桥 式p w m 变换器并联组成。这两种变换器的结构虽然比双向9 开关矩阵变换器复 杂，但避免了复杂的换流问题，性能也更好。 本文也主要研究双向9 开关矩阵变换器，以三相交交矩阵变换器为主要研 究对象。其主电路拓扑结构如图2 1 所示。它主要由九个有双向阻断能力和白关 断能力的功率器件组成，每一相负载分别与三相电源相连。 图2 1 三相三相矩阵变换器拓扑结构示意图 由于输入为电压源输出带感性负载，典型的是连接电动机，因此为了保证双 l o 江苏大学硕士学位论文 向开关的安全换流，要求满足以下两个约束条件： 1 在任意时刻与同一输出相相连的三个开关必须只能有一个开关元件导 通，否则将造成输入两相短路，如图2 2 ( a ) 所示。 2 在任意时刻与同一相负载相连的三个开关也不能同时关断，以免造成感 性负载开路而感应高电压，如图2 2 ( b ) 所示。 ( a ) 避免输入侧短路( b ) 避免输出侧断路 图2 2 两个安全法则 根据上面所述的矩阵式变换器安全运行的两个基本原则，在运行过程中的某 一时刻，连接到同一相输出的三个双向开关中，有且只有一个开关可以导通，而 另外两个开关必须关断，用开关函数式( 2 1 ) 表示： s 扩= 三霎：羹磊 z 彳，b ，c 抄缸，6 ，c ) c 2 - ) 由于对双向开关的状态存在这样的限制，矩阵式变换器一共允许存在2 7 种 开关状态。在实际运行中，根据控制目标的需要，采用一定的调制策略来选择相 应的开关状态。 矩阵变换器在实际运行过程中通常需要实现的控制目标是： 1 输入电流控制为与电源电压同频同相位的正弦波形，以尽可能提高输入 侧功率因数，或根据需要，使输入电流波形相对于电源电压超前或滞后一个可控 的角度； 2 对输出电压、电流进行有效控制，使之达到负载的要求。同时，应尽可 能提高矩阵式变换器的电压利用率。 2 2 矩阵变换器的数学模型 由于矩阵变换器的两个输入相不能同时与同一输出相连接以避免输入短路， 江苏大学硕士学位论文 到约束条件：+ + = 1 ，其中，臼，b ，c ) 。则矩阵变换器输出相电压与 u 椭= 三三 = 篓篆篓 囊 = 肋u 肭 c 2 2 ， i 材他if 一一如一如| hi u 以= 甜昭i = is 船一s 酊s 施一s 6 cs 胡一| i i = 瓦忱u 肭( 2 3 ) l “c _ j【s 口c s 鲥 s b c s 鲋s c c s d je l l 。j f - s 鲥 s 鲥 s “1s 卅一s 胡 s 鲥一s 船 s d s 啦 砌= is 。8s 6 口s 拈l ，乃砒= is 胡一s 以s 船一s 6 cs 胡一s c ci p 口c s b cs c clp 口c s 以s b c s b as c c s 诅 巧栅为输入相电压至输出相电压变换矩阵；是输入相电压到输出线电压 厶肋= 芝 = z 互肋 爹 = 7 三肋l 搠，z 肋= 芝 = z 彘 篓 = 7 盘此c 2 4 ， u o 。，。：互2 和输入输出有功功率相等，这里不进行推导。 2 3 调制策略 矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在矩阵变换器的 实际应用中，采用适当的调制策略，并将其加以实现，保证系统稳定可靠地运行， 是至关重要的一个环节。到目前为止，已经提出实现了直接传递函数法、空问矢 量调制法、双电压控制法等多种调制方法，取得了较理想的控制效果。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 直接传递函数法 1 a v 方法f 2 】 1 9 8 0 年m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 首次系统地给出了矩阵式变换器低频特性 的数学分析，并且提出了一种矩阵式变换器的调制算法，被称为“直接传递函数 法 。该方法直接利用矩阵变换器的数学模型，通过复杂的数学方法计算求解， 以实现理想的输入输出波形。因此目标明确，概念清晰，极易推广到三相三相 外的其它矩阵式变换器拓扑中，即使输入电压出现一定程度的不平衡或畸变，仍 然能够通过实时地计算调整，维持较理想的三相输出电压和电流，但其计算量较 大，且对处理器的计算性能要求较高。 2 改进的a v 方法【4 】 1 9 8 3 年m j m a y t u m 和d c o l m a n 成功地输出相电压参考值中引入输入电压 和输出电压的3 次谐波，从而将矩阵变换器的最大电压传输率提高到了8 6 6 。 1 9 8 9 年，m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 系统总结了这一系列成果，提出了优化a v 方 法。 基于矩阵变换器的固有限制条件： ( 1 ) 感性负载条件下，开关矩阵输入电流中除含有与输入电压源同频率的 成分外，只含采样频率和采样频率倍数次高频谐波成分，而不含其他任何低频谐 波成分，并且输出电压中除含有与输出电流源同频率的成分外，也只含有采样频 率和采样频率倍数次高谐波成分，而不含其他任何低频谐波成分。 ( 2 ) 矩阵式变换器输入电源的频率和相位与输出的频率和相位无任何关联。 对于三相三相矩阵变换器为例，将输出线电压作为被控目标，在三相输入 电压中叠加共模电压u ，( f ) ，即三相输出电压如式( 2 5 ) 表示为： iu 月= u o mc o s ( w o t ) + u 。( ，) = u 。c o s ( w o t + 2 n - 3 ) + u ，( ，) ( 2 5 ) 【u c = u o mc o s ( w o t + 4 n 3 ) + u ，( ，) 选择适当的u ，( f ) ，使得输出电压幅值最大化，但必须满足式( 2 6 ) ： u 玑b ( t ) u 以b ( ，) u 。o ) u 。l j f ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，u 正b ( ，) 表示输入电压下限；u 以b ( f ) 表示输出电压下限；u 。u b ( t ) 江苏大学硕士学位论文 表示输出电压上限；u j u b ( t ) 表示输入电压上限。因此，最大输出电压只能在式 ( 2 7 ) 条件下得到： 。s m m r s 2 i n 。( u o ) 一u 衄o ) ) = 。；m a 垃x 。( u 。( ，) 一u o l b ( 7 ) ) ( 2 7 ) 结合实际的三相平衡电压波形，可以推导出式( 2 8 ) ： _ 2 3v 砌= 痂明，即虬一= 譬_ o 8 6 6 ( 2 8 ) 从而论证了矩阵变换器的最大电压利用率可以达到8 6 6 这一固有特性，并 将结论推广到式( 2 9 ) 所示的n 相输入、m 相输出系统中： ( c o s 拿) 2 玑一2 号 ( 2 9 ) 2 聊 这种方法不仅将最大电压利用率提高至8 6 6 ，而且实现了输入功率因数的 任意调节，但它与a 、，方法一样，仍然是一种直接计算的方法，因此该方法同样 存在计算量较大、软件复杂、对处理器的计算性能要求较高等问题。 2 3 2 空间矢量调制算法 1 9 8 3 年，j r o d r i g u e z 提出了一种基于“虚拟直流环节”概念的控制方法【4 7 1 ， 将矩阵变换器在理论上等效为一个整流器和逆变器的虚拟连接，并将传统的脉宽 调制技术分别应用于“虚拟整流器”和“虚拟逆变器”上，对双向开关进行调制， 从而实现能量的传输和回馈。这种方法被称为“间接传递函数”方法，如图2 3 所示。有很多学者对此进行了研究，将上述“间接传递函数 方法和空间矢量脉 宽调制的概念用于矩阵式变换器的控制，分别对“虚拟整流器 和“虚拟逆变器” 进行脉宽调制，并将两个过程进行合成，从而实现正弦的输入、输出波形以及可 控的输入功率因数，同时在自行开发研制的样机上进行试验研究，取得了较为满 意的性能。 1 4 江苏大学硕士学位论文 ，m u u k (db () k () 9 b ca bc s 鼬。， 一 一 s , os “ s 。 一 一 s ms f 一 一一 s h。 i 虚拟整流器j；虚璎孽霉赞j 图2 3 间接空间矢量方法 1 9 9 3 年意大利学者d c a s a d e i 提出了一种直接空间矢量算澍4 8 1 ，这种算法 的基本思想是基于实际运行中可能存在的2 7 种开关状态进行分析，根据不同开 关状态对应着不同空间矢量，在进行空间矢量合成时，选取适当的矢量直接计算 各个开关的占空比统一表达式。这种方法解决了一系列m c 的实用化问题。本文 在分析直接转矩控制基本原理的基础上，认为该算法是比较简便适合的调制策 略，将于下一节重点分析。 2 3 3 瞬时电压控制法 瞬时线电压控制法【4 9 1 是利用输入线电压瞬时值来合成输出线电压的一种变 换器控制方法。这一方法由于具有良好的控制性能而成为理想的控制策略之一。 该控制法属直接控制法，也属于标量控制法范畴。 瞬时线电压合成法最基本的思想是：在每一个开关周期内，输出线电压总由 输入线电压的瞬时值来合成，而参与合成的输入线电压的时间与占空比和它们的 电压幅值成正比。以下着重分析三电压合成法和双电压合成法的原理。 1 三线电压合成法 不妨设变换器输入为标准三相正弦电压甜。，甜，u 。，期望输出为三相正弦电压 u a , ，i , i 。在输入输出电压的一个周期内，可以按一定的原则各自划分为6 个相 区，如图2 4 所示。 输入电压划分原则为：任一相区内必有一个相电压的极性与其他两相的极性 相反；输出电压划分原则为：任一相区内必有一个相电压极性为正，一个为负， 剩下的一个极性由正向负或由负向正发生变化。按照不同的输入输出电压相区， 可以获得输出电压的合成规律。 1 5 江苏大学硕士学位论文 ， u i ubuc 。 ， ! | | 图2 4输入输出电压相扇区划分示意图 我们以第二扇区，即当输入电压1 , l 。相达到波峰时为例分析，在一个开关周 期内，输出相电压1 , 1 。为正与其他两相异号，可以用输入线电压“。，甜，”。来合成输 出线电压；期望的输出线电压落在第2 扇区时，相屯压甜。始终为正，故输出线 电压为 1 a b 甜，“缸在开关周期内，输出线电压的局部平均值可以通过式组( 2 1 0 ) 计算得到： g l a b = p o u ”+ p l z f f ，+ p 2 甜w + p 3 “w 1 4 a c = q o u “+ 9 1 甜w + 9 2 “l ，+ 9 3 甜w c2 甜w 一”曲 ( 2 1 0 ) 其中甜。为零矢量，p 、q 两组参数分别为合成该输出线电压时输入线电压对 应的开关占空比。引入零矢量的目的是避免开关周期内输出端开路。 解得式组( 2 1 1 ) 开关占空比表达式： p 。：t 警警p ：望与p ，：望j 甜二+ “二+ 甜0甜二+ “二+ “0z l u v + 甜二+ 甜0 甜1 1 q l 2 万再u c 再- - u v 瓦 1 l a c - - a c 。”- - i x w 9 22 虿石孓瓦 “二+ “二+ “0 1 4 a c 。甜w 9 32 r f 三_ r z l u v + “二+ “0 ( 2 1 1 ) 下面我们对三电压法的电压传输比简略进行分析。 由于 a + p 2 + 见l ，型磐半芒掣：芝警l ( 2 1 2 ) “二十“二+ ”0l l u v + 甜二+ “0 根据线电压的性质可以得到式( 2 1 3 ) 的一些约束条件： 1 6 江苏大学硕士学位论文 从而推得： 丝0 7 5 珥 ( 2 1 5 ) 由此式( 2 1 5 ) 可见，三线电压合成输出线电压的电压传输比在理论上可能 达到的最大值为o 7 5 。电压传输比不高势必影响传输效率。所以我们希望进一步 找到一种方法，提高电压传输比。 2 双