基于矩阵式变换器的异步电机直接转矩控制策略研究
张玉明1，钟国基2，陶以彬3
（1芜湖职业技术学院电气工程系，芜湖241000;2西门子欧司朗亚太研发中心广州510640；3国网电力科学研究院，南京210003）
摘要：文章研究了一种基于矩阵式变换器的异步电机控制策略，分析了异步电机的直接转矩控制方法和矩阵式变换器的空间矢量调制，研究了直接转矩控制方案中，矩阵式变换器矢量电压的选择。这一控制策略同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电机的直接转矩控制。仿真和实验结果表明：采用这一控制策略的调速系统具有良好的静、动态性能，并且保持了单位功率因素。
关键词：矩阵式变换器；异步电动机；直接转矩控制；空间矢量调制
中图分类号：tm343 文献标志码：a 文章编号：lo01-6848（2010）04-0039-03
0 引 言
直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算量大、控制复杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能难于达到理论分析结果等重大问题。以往的直接转矩控制都是基于普通的交一直一交变频器实现的，其中的直流环节不但增加了异步电机调速系统的维护工作量，而且使得系统的谐波增大，功率因数降低。矩阵式变换器是一种优良的“全硅”交一交变频装置，将矩阵式变换器和直接转矩控制结合起来进行研究不仅具有重要的理论意义，还为“变频器一电机”集成化发展方向提供一定的工程参考。本文将在对矩阵式变换器的实施空间矢量调制的基础上，将矩阵式变换器应用于异步电机的直接转矩控制中。
1矩阵式变换器的空间矢量调制
矩阵式交换器的空间矢量控制是目前比较成熟的一种调制策略，不仅能用于控制输出正弦电压，而且能使电动机获得圆形磁场。其思想是将矩阵式变换器等效成一个整流器和一个逆变器的组合，两者通过一个“虚拟直流”环节来连接，利用传统交直交变换器的方法实施控制。
在整流部分中对输入线电流进行空间矢量pwm调制，在逆变部分中对输出线电压进行空间矢量pwm调制，最后根据开关函数的对应关系综合出矩阵式变换器的交交直接变换控制方式。分别得到输出电压及输入电流的矢量图，如图1。
根据期望输出电压和输入电流即可确定其所在的扇区。以虚拟整流器、逆变器均工作在第1扇区为例，可以用于矢量合成的空间电流、电压矢量两个空间矢量的综合调制采用相互嵌套的办法来实现。整个输入相电流和输出线电压矢量合成过程共有五种组合。每一矢量组合的作用时间用占空比表示时是该组合内各矢量占空比的乘积。
2矩阵变换器的空间电压选择
直接转矩控制事实上是将变频器的控制模式和电机运行性能作为一个整体来考虑的，通过控制异步电动机的输入电压来实现对电动机的定子磁链控制，当对称三相正弦波电压加于对称三相绕组时，在电动机的气隙中将产生具有恒定幅值和恒定旋转速度的磁通，这时电动机在理想的状态下运行。当异步电动机是由一个三相变频器供电时，则电动机的输入电压完全取决于变频器的开关切换模式，而电动机磁通的波形又取决于输电压的模式，因此直接转矩控制的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过控制变频器开关正确的切换，使电动机气隙获得一个近似圆形的磁场”1。因此，对于矩阵式变换器一异步电机直接转矩系统控制的关键是如何选定空间电压矢量。直接转矩控制的基本结构原理框图如图2历示。
在电机实际运行中，任一时刻只能施加一个电压矢量，所以必须同时考虑到磁链控制的需求和转矩控制的需求才能正确的选择空间电压矢量。对于具体的控制系统，可根据定子磁链控制器、转矩控制器的输出以及磁链所处的扇区。根据单独从磁链控制和转矩控制的角度可以确定所应施加的空间电压矢量，
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