摘 要：矩陣變換器因其具有的眾多優(yōu)良特性而受到人們關(guān)注。然而其所需功率開關(guān)眾多，拓?fù)浜涂刂贫己軓?fù)雜，在一定程度上限制了它的發(fā)展。本文研究基于虛擬直流環(huán)節(jié)的間接空間矢量調(diào)制策略結(jié)合四步換流控制策略，在仿真中驗(yàn)證了該控制策略。仿真結(jié)果輸出了正弦的交流電壓和輸入電流，取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞：矩陣變換器;間接空間矢量調(diào)制（SVPWM）;四步換流策略 0 引言 　　矩陣變換器（Matrix converter—MC）作為直接實(shí)現(xiàn)交-交變換的新型器件，一直備受關(guān)注。它采用可控雙向開關(guān)陣列對輸入電壓進(jìn)行調(diào)制和變換，可產(chǎn)生任意頻率輸出電壓，沒有大的儲能元件，輸入、輸出電流可控且具有再生能力，因此較之傳統(tǒng)變換器有著明顯優(yōu)勢。 　　然而MC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)輸入條件和輸出要求，確定所需要的開關(guān)組合是很困難的事情。早期的直接調(diào)制法算法復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。近年來，隨著間接空間矢量調(diào)制概念的提出使得矩陣變換器的調(diào)制策略大大簡化，并在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。 　　矩陣變換器的另外一個(gè)特點(diǎn)是其開關(guān)器件的換流問題。矩陣變換器的自身特點(diǎn)決定了其輸入在任何時(shí)刻都不能短路;輸出在任何時(shí)刻都不能斷路。在以四步換流為基礎(chǔ)的新型換流策略提出之前，開關(guān)的可靠開通和關(guān)斷一直是一個(gè)難點(diǎn)。 　　本文在仿真中對直接MC帶感性負(fù)載進(jìn)行研究，采用間接空間矢量方法結(jié)合四步換流策略，實(shí)現(xiàn)對MC開關(guān)控制。仿真分別在開環(huán)和帶異步機(jī)閉環(huán)控制情況下進(jìn)行。 　　直接MC拓?fù)淙鐖D1所示。 [align=center] 圖1 直接MC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 　　利用matlab建立了開關(guān)矩陣模型，用M語言編寫相關(guān)開關(guān)發(fā)生程序，并在實(shí)現(xiàn)開環(huán)帶負(fù)載的基礎(chǔ)上做異步機(jī)雙閉環(huán)仿真。仿真結(jié)果顯示控制策略取得了很好的調(diào)制效果。 1 直接MC間接空間矢量調(diào)制原理 [align=center] 圖2 矩陣變換器的等效交-直-交結(jié)構(gòu)[/align] 　　如圖2所示，理論上九個(gè)雙向開關(guān)管按3＊3排列形成的直接MC可以等效為整流器和逆變器的虛擬連接。將空間矢量調(diào)制（SVPWM）技術(shù)分別應(yīng)用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”，對雙向開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，并將兩個(gè)過程進(jìn)行合成，可以實(shí)現(xiàn)正弦的輸入、輸出波形以及可控的輸入功率因數(shù)。 　　MC輸入側(cè)為三相電壓源，開關(guān)動作須保證輸入側(cè)不短路;輸出側(cè)一般為三相感性負(fù)載，可等效為三相電流源，由于MC沒有續(xù)流通道，因此開關(guān)動作須保證輸出側(cè)不斷路。這是MC開關(guān)選擇的兩個(gè)基本約束。 　　1.1 DC/AC空間矢量調(diào)制原理 　　對圖2“虛擬逆變器”部分進(jìn)行調(diào)制。輸入P、N之間加直流電壓 ，輸出為三相交流電壓。由輸出不可斷路的約束，三相輸出A、B、C分別與輸入P、N相連的兩個(gè)開關(guān)中必有一個(gè)開通，從而有八種開關(guān)組合，形成圖3的六扇區(qū)輸出線電壓矢量圖。 　　任意時(shí)刻輸出線電壓空間矢量U[sub]OL[/sub]可由兩個(gè)相鄰的非零矢量中選擇）和一個(gè)零矢量中選擇）合成得到。圖b中扇區(qū)角表示U[sub]OL[/sub]在當(dāng)前扇區(qū)中的位置。根據(jù)SVPWM調(diào)制原理，需要輸出的電壓U[sub]OL[/sub]由所在扇區(qū)的兩個(gè)開關(guān)矢量合成： 　　（1） 　　式中：為對應(yīng)開關(guān)矢量的作用時(shí)間，T[sub]S[/sub]為開關(guān)周期。相應(yīng)占空比可表示為： 　　（2） 　　式中：為輸出相電壓基波幅值，V[sub]dc[/sub]為直流側(cè)電壓均值。 [align=center] 圖3 虛擬逆變器輸出電壓空間矢量調(diào)制 圖4 虛擬整流器輸入相電流空間矢量調(diào)制[/align] 　　1.2 AC/DC空間矢量調(diào)制原理 　　根據(jù)檢測到的輸入相電壓空間矢量U[sub]iph[/sub]和設(shè)定的輸入相位差φ[sub]i[/sub]，可以確定希望得到的輸入相電流空間矢量I[sub]i[/sub]位置。 　　對圖2的 “虛擬整流器”部分輸入相電流進(jìn)行矢量調(diào)制。根據(jù)輸入相間不短路的約束，每一直流輸出端只與一相交流輸入端接通，從而有九種電流矢量開關(guān)組合狀態(tài),構(gòu)成圖4所示輸入相電流空間矢量圖。 　　可見，任意時(shí)刻I[sub]i[/sub]可由兩個(gè)相鄰的非零矢量開關(guān)矢量中選擇）和一個(gè)零開關(guān)矢量中選擇）合成得到。圖b中扇區(qū)角θ[sub]sc[/sub]表示I[sub]i[/sub]在當(dāng)前扇區(qū)中的位置。對于所需輸出的電壓I[sub]i[/sub]，利用所在扇區(qū)的兩個(gè)開關(guān)矢量合成，有： 　　（3） 　　式中：T[sub]u[/sub]、T[sub]y[/sub]、T[sub]0[/sub]為對應(yīng)開關(guān)矢量的作用時(shí)間， T[sub]S[/sub]為開關(guān)周期。相應(yīng)占空比可表示為： 　　（4） 　　式中：為輸入電流幅值，I[sub]dc[/sub]為輸出電流平均值。 　　1.3 三相矩陣變換器的交-交等效變換 　　將 “虛擬整流器”與“虛擬逆變器”之間的直流母線連接起來，則其作用等效于三相矩陣變換器實(shí)際電路，如圖5所示。 [align=center] 圖5 三相MC開關(guān)狀態(tài)合成[/align] 　　確定了電壓、電流矢量所在扇區(qū)和扇區(qū)角后，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將輸出線電壓矢量合成與輸入相電流矢量合成組合起來。圖5所示為組合，圖5（a）為對應(yīng)虛擬環(huán)節(jié)的開關(guān)連接狀態(tài)，圖5（b）為轉(zhuǎn)換到實(shí)際三相MC時(shí)的開關(guān)連接狀態(tài)。 　　合成后的矢量共有5個(gè)開關(guān)狀態(tài)分別由開關(guān)矢量，,以及零矢量 決定。這五個(gè)開關(guān)狀態(tài)在采用周期內(nèi)的作用時(shí)間可用式（2）和式（4）相乘得到： 　　（5） 　　式中m為MC空間矢量脈寬調(diào)制系數(shù)，且滿足為輸入相電壓幅值。按照上述方法可以得到任意扇區(qū)組合、任意矢量組合的開關(guān)狀態(tài)和占空比信息。 2 四步換流策略 　　圖1所示的矩陣變換器拓?fù)錄Q定了輸入不能短路，輸出不能斷路。一種比較可靠的、遵守這個(gè)原則的電流換向方法是采用四步換流策略對開關(guān)換流過程進(jìn)行控制，有效保證輸入輸出電路的安全。 [align=center] 圖6 兩相變單相的矩陣變換器[/align] 　　圖6所示為一個(gè)兩相變單相矩陣變換器的略圖。變換器前兩個(gè)開關(guān)器件如圖1所示。在穩(wěn)態(tài)情況下雙向開關(guān)單元中的一對器件被觸發(fā)導(dǎo)通，允許電流雙向流過。以下的解釋假設(shè)，負(fù)載電流依圖上所示方向，上面的雙向開關(guān)（S[sub]Aa[/sub]）關(guān)閉。當(dāng)需要換相到S[sub]Ab[/sub]時(shí)，電流方向用來決定開關(guān)中哪一個(gè)器件不再導(dǎo)流，該器件隨之關(guān)斷。在本例電流方向假設(shè)前提下，器件S[sub]Aa2[/sub]關(guān)斷。投入開關(guān)中即將導(dǎo)通電流的器件隨后被觸發(fā)，本例中既是S[sub]Ab1[/sub]。要么就在這一點(diǎn)上或者當(dāng)切出器件（S[sub]Aa1[/sub]）關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到投入器件中來。投入開關(guān)中的另一個(gè)器件S[sub]Ab2[/sub]導(dǎo)通且允許電流反向。這個(gè)過程如圖7中時(shí)序圖所示。每次開關(guān)轉(zhuǎn)換之間的延遲由器件特性決定。 [align=center] 圖7 四步換流時(shí)序圖[/align] 3 仿真驗(yàn)證 　　基于以上分析和控制器設(shè)計(jì)，在matlab中分別進(jìn)行了開環(huán)和帶異步機(jī)的仿真。 　　3.1開環(huán)仿真 　　為了初步驗(yàn)證SVPWM控制策略，利用理想開關(guān)搭建了MC模型，其輸入采用LC濾波，而輸出帶阻感負(fù)載。其主要仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖8-10所示。 　　表1 仿真主要參數(shù) [align=center] 圖8 輸入三相相電流 圖9 輸出三相線電壓 圖10 輸出三相相電流[/align] 　　圖8所示為網(wǎng)側(cè)三相輸入相電流，圖9為輸出線電壓U[sub]AB[/sub]和經(jīng)濾波后的三相輸出線電壓波形，圖10為三相輸出相電流。從圖中可看出，所采用的理想仿真模型調(diào)制出的輸出電流、電壓和輸入電流有著很好的正弦性，驗(yàn)證了控制策略的正確性。 　　3.2閉環(huán)帶異步機(jī)調(diào)速 　　在初步驗(yàn)證了調(diào)制策略的基礎(chǔ)上，利用矩陣變換器拖動異步機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖11所示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的空間矢量脈寬調(diào)制和異步電動機(jī)的矢量控制。 　　控制策略采用基于電流模型磁鏈觀測器的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制法。在以轉(zhuǎn)子磁鏈方向?yàn)門軸的M-T同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將異步機(jī)控制系統(tǒng)分解為轉(zhuǎn)速環(huán)和磁鏈環(huán)兩個(gè)子系統(tǒng)，分別對電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié);通過坐標(biāo)變換，將電機(jī)定子電流分解為M軸和T軸分量;在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)設(shè)置T軸電流環(huán)，以調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，而在磁鏈給定的情況下計(jì)算所需要的M軸定子電流，與反饋M軸電流比較形成磁鏈環(huán)控制磁鏈穩(wěn)定，另外還加入了定子電壓解耦，提高系統(tǒng)性能。按照上述的轉(zhuǎn)子磁鏈定向可以得到所需的輸出電壓矢量，而電流矢量測算是檢測輸入電壓相位，根據(jù)所需要控制的輸入功率因數(shù)得到輸入相電流矢量的相位。從而與開環(huán)仿真一樣可以計(jì)算任意時(shí)刻的開關(guān)組合，控制MC輸出所需頻率電壓，達(dá)到控制電機(jī)的目標(biāo)。仿真磁鏈給定為0.96，轉(zhuǎn)速給定為30rad/s，為了檢測系統(tǒng)的抗干擾性能，對負(fù)載轉(zhuǎn)矩做了階躍給定，初始值為10N.m，而后在0.4s突增到90N.m，又在1.0s恢復(fù)到10N.m。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=35，Ki=100，輸出轉(zhuǎn)矩指令限幅300N.m;轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=0.008，Ki=0.13;磁鏈調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=0.021，Ki=0.045.而對最終輸出的限幅最大值為1。根據(jù)轉(zhuǎn)速換計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩給定計(jì)算出的T軸給定電流在啟動時(shí)由于磁鏈很小會很大，為此做了400A的限幅。電機(jī)采用額定功率50＊746VA，額定線電壓460V，額定頻率60Hz的matlab自帶電機(jī)模型。仿真結(jié)果如圖12-13所示。 [align=center] 圖11 電機(jī)矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖[/align] [align=center] 圖12 輸出相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖 圖13 輸入相電流[/align] 　　從仿真中可以看到磁鏈逐步趨于0.96;而電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩啟動時(shí)刻迅速上升到最大的300N.m限制，以此最大恒轉(zhuǎn)矩啟動，轉(zhuǎn)速迅速上升，在0.175s時(shí)刻首次達(dá)到給定30rad/s的轉(zhuǎn)速，之后電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降，轉(zhuǎn)速經(jīng)過一段超調(diào)（最高轉(zhuǎn)速達(dá)到36rad/s）后逐步趨于給定轉(zhuǎn)速。對于0.4s和1.0s的負(fù)載擾動，轉(zhuǎn)速沒有明顯的波動，說明控制環(huán)抗擾性能良好。 4 結(jié)論 　　本文在分析了基于虛擬直流環(huán)節(jié)的間接空間調(diào)制策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合四步換流控制策略，分別在開環(huán)和閉環(huán)拖電機(jī)的仿真模型中對MC展開了研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的正確性。