CN102594242A - 基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法，属于电力电子变换器和电气传动控制领域。本发明通过对间接式矩阵变换器逆变级电路的并联扩展，利用一台间接式矩阵变换器驱动多台异步电机调速运行。多机传动系统正常工作时整流级电路和逆变级电路均采用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)，系统各逆变级电路均采用一种半对称式的9段PWM脉宽分布方式，从而提高输出波形质量和系统调速性能，同时保证开关器件换流的安全简便。异步电机采用矢量控制方法实现高性能调速。本发明实现了采用一台矩阵变换器驱动多台电机运行，增加了传动系统的冗余，提高了矩阵变换器驱动异步电机调速系统的功率密度。

Description

基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器的控制方法，尤其涉及一种间接式矩阵变换器驱动多台电机的拓扑结构和矢量控制方法。

背景技术

简单的电力拖动系统主要由一台逆变器驱动一台电机带负载调速运行，然而在纺织、造纸、采油、汽车、航天等许多工业应用领域中，大多需要多台电机同时带载运转，出于性能指标、系统冗余、经济实效等需求，往往会采用多机传动系统。所谓多机传动系统即通过一台或多台电力变换器驱动多台电机带负载调速运行。传统的多机传动系统主要存在三类拓扑结构：一台PWM整流器生成中间直流母线电压带多台PWM逆变器，每台逆变器分别驱动一台电机；多台PWM整流器分别各带一台PWM逆变器驱动一台电机；利用二极管整流器生成中间直流母线电压带多台PWM逆变器，每台逆变器分别驱动一台电机。这三种结构实际上都是采用AC-DC-AC的间接电力变换器来驱动电机，由于该结构的中间直流环节大多由大容量的电解电容构成，因此不可避免地会给系统带来体积大、重量重、寿命短、成本高等一系列无法克服的弱点，从而限制了多机传动系统的应用前景。

发明内容

本发明针对背景技术中传统多机传动系统中存在的缺陷，提出一种拓扑简单、结构紧凑、易于实现且功率密度大的基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法。

本发明的技术解决方案如下：

所述的多机传动系统由三相交流电源(1)、输入LC滤波器(2)、三相桥式整流级电路(3)、箝位电路(4)、k个三相桥式逆变级电路(5)、k台异步电机(6)和两条直流母线组成，其中k为大于等于2的整数；三相桥式整流级电路(3)由6个双向开关Sap-Scn组成；三相交流电源(1)连接于三相桥式整流级电路(3)中各桥臂的中点，三相桥式整流级电路(3)、箝位电路(4)、k个三相桥式逆变级电路(5)依次并联于两条直流母线之间，k台三相异步电机的各相(6)分别连接于k个三相桥式逆变级电路(6)的各桥臂中点，异步电机拖动负载做电动机运行。

三相桥式整流级电路和k个三相桥式逆变级电路均采用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)，各逆变级电路均采用半对称式9段PWM脉宽分布方式，而整流级电路(3)的PWM模式采用不对称式3段PWM脉宽分布方式。三相桥式逆变级电路的PWM模式成半对称分布于三相桥式整流级电路的两个非零矢量部分。三相桥式整流级电路需要2路独立的PWM输出，每个三相桥式逆变级电路需要6路独立的PWM输出。

将间接矩阵变换器多机系统的空间矢量控制方法和异步电机的矢量控制结合起来，通过合理调节PI控制器的参数就可以实现多台电机的独立控制且达到较好的调速性能。

本发明具有如下有益效果：

1)采用间接式矩阵变换器驱动多台异步电机，无需中间直流储能环节，减小了系统的体积和重量，节约了系统的成本，并提高了系统的功率密度和冗余性。

2)间接式矩阵变换器整流级和逆变级电路均采用空间矢量脉宽调制，各逆变级电路均采用半对称式9段PWM脉宽分布方式，可有效保证各台电机的电流质量和调速性能。

3)基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法可以实现整流级电路的零电流换流，大大降低变换器的开关损耗，提高系统换流的安全性和可靠性。

4)基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法可以使多台电机分别达到较好的调速性能，且相互之间无干扰。

附图说明

图1是本发明基于间接式矩阵变换器的多机传动系统的主电路结构框图。

图2是整流级电路电流空间矢量图。

图3是逆变级电路电流空间矢量图。

图4是以两台异步电机为例(k＝2)时的三相桥式整流级电路和三相桥式逆变级电路的半对称式9段PWM脉宽分布示意图。

图5是以两台异步电机为例(k＝2)，在输入扇区为1(Sci＝1)、输出扇区分别为1(Svo1＝1)、2(Svo2＝2)情况下的开关管开关状态分布示意图。

图6是间接式矩阵变换器多电机矢量控制系统框图(k＝2)。

具体实施方式

1.基于间接式矩阵变换器的多机传动系统拓扑

本发明基于间接式矩阵变换器的多机传动系统的主电路结构如图1所示，包括输入三相交流电源(1)、输入LC滤波器(2)、三相桥式整流级电路(3)、箝位电路(4)、k个三相桥式逆变级电路(k为大于等于2的整数)(5)、k台异步电机(6)和两条直流母线。其中6个双向开关Sap-Scn (每个双向开关均由两个功率开关管和两个反并联二极管反向串联而成)组成的三相桥式整流级电路3、用于抑制电压尖峰的箝位电路4和k个由单相开关(SAp-SCn)与续流二极管组成的三相桥式逆变级电路5依次连接于直流母线的两端，每个三相桥式逆变级电路驱动一台异步电机调速运行。

该电路的基本工作原理是将双向开关组成的三相桥式整流级电路3工作在PWM整流模式下得到等效的中间直流电压，利用由二极管、电容和电阻组成的箝位电路4吸收因开关高频动作而产生的电压尖峰，k个三相桥式逆变级电路5在PWM逆变模式下输出三相平衡的正弦电压分别驱动k台异步电机6做调速运行，同时三相桥式整流级电路3的输入电流通过输入LC滤波器滤除由于开关动作产生的高频谐波连接至输入三相交流电源1。

2.正常工况下的控制策略

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于上述电路的矢量控制方法，以得到较理想的输出电压和网侧电流，驱动负载电机稳定可靠运行。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：三相桥式整流级电路3和三相桥式逆变级电路5均采用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)，并将这两者结合在一起，控制各逆变级电路均采用半对称式9段PWM脉宽分布方式。异步电机采用矢量控制方法可以达到高性能调速的目的。

整流级电路的调制目的是产生三相平衡正弦的输入电流并实现输入功率因数可调，通常设定输入功率因数为1，即输入电流与输入电压(这里指输入三相交流电源电压)同相位。因此通过实时检测电源电压可以确定参考输入电流空间位置角θ_i，设定I_ref是参考电流空间矢量。根据传统的SVPWM，根据θ_i可计算出当前参考电流空间矢量的扇区代码Sci和扇区相位角θ，然后利用该扇区内的两个非零矢量和零矢量来合成I_ref，如图2整流级电路电流空间矢量图所示，可以得到在一个PWM周期内每个矢量的作用时间，

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{\μ}}=m{T}_s\sin (\frac{1}{3}\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})/\sin \left(\frac{1}{3}\mathrm{\π}\right)\\ t_v=m{T}_s\sin \left(\mathrm{\θ}\right)/\sin \left(\frac{1}{3}\mathrm{\π}\right)\\ t_{0\mathrm{rec}}=T_s-t_{\mathrm{\μ}}-t_v\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，m为调制比(0＜m≤0.866)，T_s为采样周期，

图2中各矢量所对应的整流级电路的开关状态如表1所示，其中Sap-Scn中的“0”代表对应桥臂的双向开关关断，“1”表示对应的开关开通。如表1，非零矢量I₁～I₆分别对应一种开关状态，而零矢量I₀对应有三种状态，分别是a相的上下桥臂都开通，其它两相上下桥臂都关断；b相的上下桥臂都开通，其它两相上下桥臂都关断；c相的上下桥臂都开通，其它两相上下桥臂都关断。实际应用中根据开关次数最少来进行选择对应的零矢量状态。以扇区I为例，I_μ为I₆(100100)，I_v为I₁(100001)，则I₀选择(110000)，这样可以保证每次换流只出现两个桥臂动作。

表1整流级电路开关状态

同样的，逆变级电路也采用类似的SVPWM，可计算得到如图3逆变级电路电压空间矢量图所示的每个矢量的作用时间分别为，

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{\α}}=\frac{m{T}_s\·\sin (\frac{1}{3}\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_0)}{\sin \left(\frac{1}{3}\mathrm{\π}\right)}\\ t_{\mathrm{\β}}=\frac{m{T}_s\·\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \left(\frac{1}{3}\mathrm{\π}\right)}\\ t_{0\mathrm{inv}}=T_s-t_{\mathrm{\α}}-t_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，m为调制比，0＜m≤0.866，θ₀为输出电压矢量的扇区相位角。

由于三相桥式逆变级电路，每一相电路的上下桥臂均处于互补状态，即上桥臂关断时则下桥臂开通或上桥臂开通时下桥臂关断，因此只需根据每相电路的上桥臂状态即可定义逆变级电路的开关状态，如表2所示。其中SAp、SBp、SCp中的“0”代表该桥臂的功率开关管关断，并且对应相的下桥臂开关管开通；“1”表示该桥臂的功率开关管开通，且对应相的下桥臂开关管关断。

如表1，非零矢量V₁～V₆分别对应一种开关状态，而零矢量V₀对应有两种状态，分别是A、B、C三相的上桥臂都开通和A、B、C三相的下桥臂都开通。实际应用中同样根据开关次数最少来进行选择对应的零矢量状态。

表2逆变级电路开关状态

由式(1)和(2)可以计算出整流级电路和逆变级电路的每个开关矢量的作用时间，然后结合这两部分计算结果就可以确定整流级电路和逆变级电路的PWM模式和分布。如果把逆变级电路SVPWM调制中的零电压矢量分配在整流级电路换流的时刻，这时逆变级电路的三相输入连接到直流环节的同一极上，直流环节电流为零，这样就可以实现整流级电路的零电流换流，大大降低变换器的开关损耗，提高系统换流的安全性和可靠性。但要实现这种零电流换流方式需要逆变级电路的PWM模式配合整流级电路的PWM模式。因此，为了使逆变级的PWM模式尽量简单，整流级电路的PWM模式采用最简单的不对称3段式。逆变级电路的PWM模式成半对称分布于整流级电路的两个非零矢量部分。图4出示了两个逆变级电路情况下，每个逆变级电路的PWM模式均为半对称9段式PWM。由于间接式矩阵变换器的开关状态矢量作用时间不完全对称，因此整流级电路需要2路独立的PWM输出PWM1和PWM2，每个逆变级电路需要6路独立的PWM输出PWM11-PWM16和PWM21-PWM26(分别对应第1个和第2个逆变级电路)。

图中上方的I_μ、I₀和I_v为整流级电流的开关状态，它们在一个采样周期中的作用时间分别为t_μ、t_0rec和t_v，可根据式(1)计算得到；中间的V₀₁、V_α1和V_β1为逆变级1的电压开关状态矢量，其在一个采样周期中的作用时间分别为t_α1、t₀₁和t_β1，可根据式(2)计算得到；下方的V₀₂、V_α2和V_β2为逆变级2的电压开关状态矢量，作用时间分别为t_α2、t₀₂和t_β2，同样可以根据式( 2)计算；x₁、x₂和x₀是整流级电路开关状态矢量的作用时间占整个采样周期T_s的占空比，d₁、d₂和d₀是逆变级1电路开关状态矢量的作用时间占整个采样周期T_s的占空比，e₁、e₂和e₀是逆变级2电路开关状态矢量的作用时间占整个采样周期T_s的占空比。图中各段PWM的作用时间分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=t_{\mathrm{\μ}}\\ t_2=t_{\mathrm{\μ}}+t_{0\mathrm{rec}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{11}=t_{\mathrm{\μ}}\·t_{01}/\left(2T_s\right)\\ t_{12}=t_{11}+t_{\mathrm{\μ}}\·t_{\mathrm{\α}1}/T_s\\ t_{13}=t_{12}+t_{\mathrm{\μ}}\·t_{\mathrm{\β}1}/T_s\\ t_{14}=t_2+t_v\·t_{01}/\left(2T_s\right)\\ t_{15}=t_{14}+t_v\·t_{\mathrm{\β}1}/T_s\\ t_{16}=t_{15}+t_v\·t_{\mathrm{\α}1}/T_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{21}=t_{\mathrm{\μ}}\·t_{02}/\left(2T_s\right)\\ t_{22}=t_{21}+t_{\mathrm{\μ}}\·t_{\mathrm{\α}2}/T_s\\ t_{23}=t_{22}+t_{\mathrm{\μ}}\·t_{\mathrm{\β}2}/T_s\\ t_{24}=t_2+t_v\·t_{02}/\left(2T_s\right)\\ t_{25}=t_{24}+t_v\·t_{\mathrm{\β}2}/T_s\\ t_{26}=t_{25}+t_v\·t_{\mathrm{\α}2}/T_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

将PWM分布结合输入电流扇区和输出电压扇区就可以确定整流级电路和逆变级电路的各个开关管的开关状态，这里以输入扇区为1(Sci＝1)、输出扇区分别为1(Svo1＝1)、2(Svo2＝2)情况为例，详细介绍各个开关管的开关状态。如图5所示，当参考输入电流处于输入第1扇区内时，相应的整流级电路中I_μ为I₆(100100)，I_v为I₁(100001)，I₀为(110000)，即在整个采样周期中，t₁时刻内S_ap＝1，S_an＝0，S_bp＝0，S_bn＝1，S_cp＝0，S_cn＝0，t₁至t₂内S_ap＝1，S_an＝1，S_bp＝0，S_bn＝0，S_cp＝0，S_cn＝0，在t₂时刻后S_an＝1，S_an＝0，S_bp＝0，S_bn＝0，S_cp＝0，S_cn＝1。同样的根据各逆变级电路参考输出电压的扇区代码，可以确定当逆变级电路1的参考输出电压处于第1扇区时，相应的逆变级电路中V_α为V₆(100110)，V_β为V₁(100101)，V₀应在(101010)和(010101)中根据最小开关动作原则选定，逆变级电路2的开关管动作选定与此类似，因此可以的到图5所示的结果。

在间接式矩阵变换器多逆变级驱动异步电机的调速系统中，将基于转子磁链定向的矢量控制方法分别应用于每台异步电机，即可分别实现高性能调速。异步电机的定子电流是影响调速的直接原因，要想获得较高的动静态调速性能，就要对异步电机的定子电流进行快速跟踪控制。本发明采用PI控制器对间接矩阵变换器的输出电流直接进行控制作为整个系统的控制方案。

系统结构如图6所示，根据调速系统的要求分别设定磁链参考值和电动机转速(转子角频率)参考值

其中下标1代表第二台电机的矢量控制参数。转矩参考值由

由转速误差经过PI调节器得到，而电动机定子电压参考值在同步旋转坐标系下的d轴分量

和q轴分量

则分别由磁链电流误差和转矩电流误差经过PI控制器得到。经过旋转/静止坐标变换可以得到定子电压参考值在两相静止坐标系下的α轴分量

和β轴分量

矢量控制技术和间接式矩阵变换器的空间矢量脉宽调制之间存在着内在的联系。间接式矩阵变换器的空间矢量调制方法中所需的输出线电压空间矢量参考值可以由矢量控制提供的电动机定子电压参考值

直接合成得到，同时得到的空间位置角用来计算逆变侧的输出扇区号。间接式矩阵变换器的逆变侧是和异步电机的矢量控制直接联系的，通过合理设置PI调节器的参数就可以实现多机传动系统中每台异步电机的独立控制，调速性能在控制策略上不存在相互干扰。

Claims (5)

1.一种基于间接式矩阵变换器多机传动系统的矢量控制方法，所述多机传动系统由三相交流电源(1)、输入LC滤波器(2)、三相桥式整流级电路(3)、箝位电路(4)、k个三相桥式逆变级电路(5)、k台异步电机(6)和两条直流母线组成，其中k为大于等于2的整数；三相桥式整流级电路(3)由6个双向开关Sap-Scn组成；三相交流电源(1)连接于三相桥式整流级电路(3)中各桥臂的中点，三相桥式整流级电路(3)、箝位电路(4)、k个三相桥式逆变级电路(5)依次并联于两条直流母线之间，k台三相异步电机的各相(6)分别连接于k个三相桥式逆变级电路(6)的各桥臂中点，异步电机拖动负载做电动机运行；其特征在于：三相桥式整流级电路(3)和k个三相桥式逆变级电路(5)均采用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)，各逆变级电路均采用半对称式9段PWM脉宽分布方式。

2.根据权利要求1所述的多机传动系统的矢量控制方法，其特征在于：三相桥式整流级电路(3)的PWM模式采用不对称式3段PWM脉宽分布方式。

3.根据权利要求2所述的多机传动系统的矢量控制方法，其特征在于：三相桥式逆变级电路的PWM模式成半对称分布于三相桥式整流级电路的两个非零矢量部分。

4.根据权利要求3所述的多机传动系统的矢量控制方法，其特征在于：三相桥式整流级电路需要2路独立的PWM输出，每个三相桥式逆变级电路需要6路独立的PWM输出。

5.根据权利要求1所述的多机传动系统的矢量控制方法，其特征在于：每台异步电机分别采用矢量控制技术，与间接式矩阵变换器的空间矢量调制方法结合起来一并实现。

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