梁　瑩　周　波　劉曉宇　秦顯慧　魏佳丹

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京　210016)

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TSMC-S/G系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的安全換流策略研究

梁瑩周波劉曉宇秦顯慧魏佳丹

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210016)

摘要將雙級(jí)矩陣變換器(TSMC)應(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)采用id=0的矢量控制策略，TSMC單向開關(guān)側(cè)工作于不可控整流狀態(tài)。針對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)工作時(shí)若電機(jī)功率因數(shù)角大于30°引起的換流問(wèn)題，分析了一個(gè)扇區(qū)中不同開關(guān)狀態(tài)下的電流流通路徑，提出了一種可行的安全換流調(diào)制策略。該調(diào)制策略選擇合適的作用矢量，并合理分配作用時(shí)間，可確保系統(tǒng)中電流始終存在流通回路。整個(gè)系統(tǒng)采用電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了系統(tǒng)起動(dòng)安全換流策略的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：雙級(jí)矩陣變換器起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)安全換流空間矢量控制起動(dòng)

Research on Safe Commutation Strategy in TSMC-S/G System at Starting

LiangYingZhouBoLiuXiaoyuQinXianhuiWeiJiadan

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing210016China)

AbstractThe two stage matrix converter (TSMC) is used in the starter/generator system to improve the reliability of the system.Theid=0 space vector control strategy is used at starting，and the unidirectional switch side of the TSMC is worked in the no controlled rectifier state.To solve the commutation problem caused by over 30° motor’s power factor angle，the current circulating paths with different switch states in a sector are analyzed.Then a feasible safe commutation modulation strategy is proposed，which selects appropriate vectors and allocates times reasonably，and thus ensures the existence of the current circulation loop in the system.In addition，the system uses the current closed-loop control to realize constant torque starting.The feasibility and effectiveness of the start strategy for safe commutation is validated by simulation and experimental results.

Keywords：Two stage matrix converter，starter/generator system，safe commutation，space vector control，start

0引言

起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)中傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)革除，減輕了重量、降低了系統(tǒng)成本、提高了系統(tǒng)可靠性，因此受到了人們的廣泛關(guān)注[1，2]。功率變換器是起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，大多采用交直交型變換器，其直流側(cè)含有儲(chǔ)能電容，體積大，且降低了系統(tǒng)的可靠性。而雙級(jí)矩陣變換器(Two Stage Matrix Converter，TSMC)無(wú)直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，且具有輸出性能好、可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)以及輸入功率因數(shù)高等[3-5]優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)可減小系統(tǒng)體積重量。

現(xiàn)有的研究中，大多將雙級(jí)矩陣變換器雙向開關(guān)側(cè)(簡(jiǎn)稱前級(jí))作為整流級(jí)，單向開關(guān)側(cè)(簡(jiǎn)稱后級(jí))作為逆變級(jí)。基于雙級(jí)矩陣變換器的起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱TSMC-S/G系統(tǒng))中，以考慮發(fā)電性能為主，因此一般情況下也將電機(jī)與TSMC的前級(jí)相連。目前國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者將TSMC應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)等[6-8]，TSMC在發(fā)電時(shí)具有較好的性能。同時(shí)，TSMC也可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速[9-11]，但此時(shí)電機(jī)與TSMC的后級(jí)相連，與TSMC-S/G系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的拓?fù)洳煌?/p>

目前鮮有研究將TSMC應(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]提出將矩陣整流器應(yīng)用于集成起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中，其采用可切換的輸入濾波器結(jié)構(gòu)，研究了系統(tǒng)的控制規(guī)律，分析了系統(tǒng)的輸入輸出特性。然而矩陣整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與雙級(jí)矩陣變換器相比，不具有逆變級(jí)，并不直接適用于交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[13]將TSMC應(yīng)用于交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)繼電器Si切換起動(dòng)、發(fā)電狀態(tài)下的濾波器結(jié)構(gòu)。起動(dòng)時(shí)，繼電器Si斷開，不接入濾波電容Ci，電源給起動(dòng)/發(fā)電機(jī)供電，后級(jí)工作于不可控整流狀態(tài)。其控制策略采用三相六拍控制方式起動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，不足之處是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。由于TSMC沒有自然的續(xù)流通道，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全換流，文獻(xiàn)[13]提出了兩種不同的TSMC調(diào)制策略。其中，調(diào)制策略一通過(guò)后級(jí)開關(guān)管配合導(dǎo)通構(gòu)造流通回路，后級(jí)死區(qū)時(shí)，前級(jí)采用零矢量配合，該方法適用性廣，采用空間矢量調(diào)制時(shí)可借鑒此方法，但采用零矢量配合會(huì)引起較大電流畸變及轉(zhuǎn)矩跌落。調(diào)制策略二僅通過(guò)控制前級(jí)開關(guān)管即可確保系統(tǒng)電流始終存在流通回路，該方法控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但適用范圍有局限性，不適用于空間矢量調(diào)制。

圖1　TSMC-S/G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Topology of TSMC-S/G system

本文主要針對(duì)圖1所示的TSMC-S/G系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的安全換流策略進(jìn)行研究。與文獻(xiàn)[13]不同，系統(tǒng)采用空間矢量控制，因此其安全換流策略也不同。若電機(jī)功率因數(shù)角大于30°，會(huì)引起安全換流問(wèn)題[4]，感性電流斷路會(huì)產(chǎn)生母線電壓尖峰，通過(guò)分析安全換流問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了一種TSMC的安全換流調(diào)制策略，其核心思路是選擇合適的作用矢量，并合理分配作用時(shí)間，以確保系統(tǒng)中電流始終存在流通回路；且與文獻(xiàn)[13]調(diào)制策略一中僅采用零矢量配合相比，能減小電流畸變和轉(zhuǎn)矩跌落。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)起動(dòng)安全換流策略的可行性與有效性。

1雙級(jí)矩陣變換器的基本調(diào)制策略

起動(dòng)時(shí)，雙級(jí)矩陣變換器的后級(jí)工作于整流狀態(tài)。由于系統(tǒng)沒有儲(chǔ)能的大電感，且后級(jí)由單向開關(guān)構(gòu)成，電源線電壓最大的兩相所對(duì)應(yīng)的二極管會(huì)自然導(dǎo)通。由于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的起動(dòng)工作時(shí)間較短，二極管不可控整流對(duì)系統(tǒng)的影響較小，考慮到控制的簡(jiǎn)單性，后級(jí)可采用二極管不可控整流方式。

起動(dòng)時(shí)，雙級(jí)矩陣變換器的前級(jí)工作于逆變狀態(tài)，采用空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)，與傳統(tǒng)的三相逆變器工作原理一致。

前級(jí)有8種開關(guān)狀態(tài)，由此可得8個(gè)基本電壓空間矢量(U0～U7)。圖2為各基本電壓矢量的分布圖，并由此劃分出扇區(qū)。括號(hào)中數(shù)字對(duì)應(yīng)表示a、b、c三相的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，其中“1”表示上橋臂導(dǎo)通，“0”表示下橋臂導(dǎo)通。

圖2　電壓空間矢量的扇區(qū)劃分Fig.2　The sectors of the voltage space vector

當(dāng)期望輸出電壓矢量Us落在某一扇區(qū)時(shí)，可由該扇區(qū)邊界的兩個(gè)非零矢量Uα和Uβ(U1～U6)與零矢量(U0，U7)合成得到，其表達(dá)式為[14]

Us=dαUα+dβUβ+d0U(0，7)

(1)

式中，dα、dβ分別為一個(gè)扇區(qū)中有效矢量Uα、Uβ對(duì)應(yīng)的開關(guān)占空比；d0為零矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)占空比。根據(jù)正弦定理，得到dα、dβ、d0的表達(dá)式分別為

(2)

式中，θo為輸出相電壓空間矢量Us與所在扇區(qū)起始邊的角度；mv為前級(jí)逆變狀態(tài)的調(diào)制系數(shù)。

(3)

式中，Uom為期望輸出相電壓幅值，V；Udc為直流母線電壓平均值，V。

雖然前級(jí)逆變狀態(tài)時(shí)工作原理與傳統(tǒng)逆變器相同，但前級(jí)為雙向開關(guān)管，可能會(huì)使換流策略復(fù)雜化。目前已有的多數(shù)研究中，TSMC前級(jí)工作于整流狀態(tài)，雙向開關(guān)在后級(jí)處于零矢量狀態(tài)時(shí)進(jìn)行換流，為零電流換流，只需要兩步即可完成換流，換流較簡(jiǎn)單。而在TSMC-S/G系統(tǒng)中，前級(jí)工作在逆變狀態(tài)，后級(jí)工作在不可控整流狀態(tài)，這時(shí)后級(jí)不存在配合前級(jí)換流的零矢量，因此前級(jí)的換流需要采用傳統(tǒng)矩陣變換器的四步換流策略，換流較復(fù)雜。

為了簡(jiǎn)化起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中起動(dòng)時(shí)TSMC的換流策略，可使雙向開關(guān)中同側(cè)的一個(gè)開關(guān)恒通，對(duì)于圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將開關(guān)Sapn、Sbpn、Scpn、Sann、Sbnn、Scnn恒通，前級(jí)等效成普通逆變橋，系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的等效電路如圖3所示。此時(shí)，可采用死區(qū)換流，以簡(jiǎn)化換流過(guò)程。

圖3　系統(tǒng)起動(dòng)等效電路Fig.3　Starting equivalent circuit of the system

2安全換流問(wèn)題的分析

2.1安全換流問(wèn)題的起因

在起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)功率因數(shù)角φ>30°時(shí)，會(huì)產(chǎn)生從前級(jí)流向后級(jí)的電流(idc<0)[4]，即反向電流，如果后級(jí)只采用二極管整流，由于二極管具有單向電流流動(dòng)特性，電流不能反向流通。電機(jī)的感性電流斷路會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，只能通過(guò)鉗位電路進(jìn)行保護(hù)，不僅增加鉗位電路的工作負(fù)擔(dān)，而且需要相對(duì)地增大鉗位電路中的電容值，從而削弱了TSMC的優(yōu)勢(shì)[15]。因此需對(duì)idc<0的情況進(jìn)行分析。以扇區(qū)Ⅰ為例，由圖2可知，這時(shí)前級(jí)的有效矢量為U1、U2。設(shè)電機(jī)功率因數(shù)角φ=30°+θ(θ=θ2-θ1，其中θ1為扇區(qū)Ⅰ起始處的角度，θ2為ic負(fù)向過(guò)零點(diǎn)的角度)，電壓和電流波形如圖4所示。圖中ia、ib、ic為電機(jī)的電流，電流為正表示電流流入電機(jī)，從圖中可知，若φ<30°，ic負(fù)向過(guò)零點(diǎn)在扇區(qū)Ⅵ，而當(dāng)φ>30°時(shí)，ic負(fù)向過(guò)零點(diǎn)移至扇區(qū)Ⅰ，這時(shí)過(guò)零點(diǎn)與扇區(qū)Ⅰ起始處相差θ。

圖4　各扇區(qū)電壓電流示意圖Fig.4　Schematic of voltage and current in each sector

對(duì)扇區(qū)Ⅰ中各矢量作用的電流狀態(tài)進(jìn)行分析，找出會(huì)產(chǎn)生反向電流的矢量。圖5為扇區(qū)Ⅰ中有效矢量對(duì)應(yīng)的電流狀態(tài)，電流參考方向如圖所示。U1(100)作用時(shí)，導(dǎo)通a相上橋臂和b、c相下橋臂，如圖5a所示，可得直流母線電流idc=ia=-ib-ic，根據(jù)圖4可看出ia在扇區(qū)Ⅰ中始終為正，即idc>0，因此U1作用不會(huì)產(chǎn)生反向電流；U2(110)作用時(shí)，導(dǎo)通a、b相上橋臂和c相下橋臂，如圖5b所示，直流母線電流idc=ia+ib=-ic，要使idc>0，則要有ic<0，根據(jù)圖4可看出ic在θ1～θ2角度內(nèi)為正，該區(qū)間內(nèi)-ic為負(fù)，即idc<0，此時(shí)出現(xiàn)反向電流；U0(000)作用時(shí)，a、b、c相下橋臂導(dǎo)通，直流母線電流idc=0，不會(huì)出現(xiàn)反向電流；U7(111)作用時(shí)，情況與U0類似，不會(huì)出現(xiàn)反向電流。

圖5　扇區(qū)Ⅰ中有效矢量對(duì)應(yīng)電流狀態(tài)Fig.5　Current state of effective vectors in sector Ⅰ

根據(jù)上述分析，當(dāng)電機(jī)功率因數(shù)角φ=30°+θ時(shí)，扇區(qū)Ⅰ中，在零矢量和U1作用下不會(huì)出現(xiàn)回饋至后級(jí)的反向電流，沒有換流問(wèn)題；而U2作用時(shí)，在扇區(qū)前端θ角度內(nèi)(θ1～θ2)將出現(xiàn)反向電流，由于二極管的電流單向流動(dòng)特性致使電流沒有回路，出現(xiàn)換流問(wèn)題。

依此可得當(dāng)φ>30°時(shí)各扇區(qū)中會(huì)引起換流問(wèn)題的矢量，分別為每個(gè)扇區(qū)中的Uβ，如表1所示。

表1　φ>30°時(shí)各扇區(qū)中會(huì)引起換流問(wèn)題的矢量

2.2參數(shù)對(duì)安全換流問(wèn)題的影響

本節(jié)具體分析在什么狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)電機(jī)功率因數(shù)角大于30°的情況。

基于雙級(jí)矩陣變換器的起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)在起動(dòng)時(shí)采用id=0的空間矢量控制，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器控制電流跟隨給定實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。

此時(shí)的轉(zhuǎn)矩可簡(jiǎn)化為

Te=1.5np(ψpm+Mfif)iq

(4)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；iq為定子交軸電流，A；if為勵(lì)磁繞組電流，A；ψpm為永磁體匝鏈的磁鏈，Wb；Mf為電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感，H。永磁電機(jī)中Mf為0，勵(lì)磁電機(jī)中ψpm為0。由此，可控制勵(lì)磁電流恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩正比于q軸電流，控制q軸電流幅值就能較好地控制轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)以上控制方法，電流方向?yàn)閝軸方向，功率因數(shù)角φ即為期望輸出矢量與q軸之間的夾角，可表示為

(5)

式中，Rs為定子電阻，Ω；ωe為電角速度，rad/s；p為微分算子。

假設(shè)在起動(dòng)過(guò)程中，勵(lì)磁電流if和q軸電流iq均控制為恒定值，則式(5)可簡(jiǎn)化為

(6)

隨著轉(zhuǎn)速n升高，φ變大，定子電阻上的電壓很小，可忽略不計(jì)，此時(shí)轉(zhuǎn)速變化對(duì)φ的影響不大，因此式(6)在高速時(shí)可簡(jiǎn)化為

(7)

根據(jù)式(7)可知，當(dāng)勵(lì)磁電流if增大時(shí)，功率因數(shù)角φ減小；當(dāng)給定q軸電流iq增大時(shí)，功率因數(shù)角φ增大。

一般系統(tǒng)采用2～3倍額定電流起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)采用額定勵(lì)磁電流。而起動(dòng)電流越大，iq越大，功率因數(shù)角越大，就越容易出現(xiàn)回饋至后級(jí)的反向電流，而增大勵(lì)磁電流對(duì)功率因數(shù)角的影響有限，因此需采用能實(shí)現(xiàn)安全換流的調(diào)制策略。

3雙級(jí)矩陣變換器的安全換流調(diào)制策略

3.1后級(jí)調(diào)制策略

為了給回饋至后級(jí)的反向電流構(gòu)建流通通路，可將后級(jí)導(dǎo)通二極管的反并聯(lián)開關(guān)管配合導(dǎo)通。

將輸入相電壓矢量劃分扇區(qū)，如圖6所示。以扇區(qū)3為例，此時(shí)uv>uu>uw，圖3中二極管VDvp、VDwn導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)Svp、Swn導(dǎo)通，依此可得后級(jí)各扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)，如表2所示。

圖6　雙級(jí)矩陣變換器后級(jí)電壓扇區(qū)劃分Fig.6　The voltage sectors of the last stage

扇區(qū)123456導(dǎo)通SupSupSvpSvpSwpSwp開關(guān)SvnSwnSwnSunSunSvn

需要注意的是，開關(guān)管必須與其反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)保持一致，不能提前導(dǎo)通或滯后關(guān)斷，否則會(huì)引起電源短路。因此，在換相時(shí)，開關(guān)管需要加入死區(qū)，死區(qū)可保證二極管換相點(diǎn)處沒有開關(guān)管誤導(dǎo)通，從而防止電源短路而產(chǎn)生過(guò)電流[13]。圖7為死區(qū)示意圖，死區(qū)時(shí)間為t1～t2，先關(guān)斷需要關(guān)斷的開關(guān)管，再導(dǎo)通需要開通的開關(guān)管，二極管自然換相需確保在死區(qū)內(nèi)完成。

圖7　后級(jí)第1扇區(qū)切換至第2扇區(qū)Fig.7　The last stage switching from first sector to second

3.2前級(jí)調(diào)制策略

在后級(jí)非死區(qū)期間，前級(jí)采用常規(guī)的SVPWM調(diào)制即可；而在后級(jí)死區(qū)期間，如果前級(jí)有回饋至后級(jí)的電流，后級(jí)就沒有了流通回路，此時(shí)需要前級(jí)能自行續(xù)流。最簡(jiǎn)單的方法就是導(dǎo)通前級(jí)全部上橋臂或下橋臂的開關(guān)管(即作用零矢量)[13]，此時(shí)idc=0，前級(jí)不會(huì)產(chǎn)生回饋至后級(jí)的電流。

由于數(shù)字控制檢測(cè)延時(shí)等原因，死區(qū)時(shí)間需要較大的裕量，零矢量的較長(zhǎng)時(shí)間插入會(huì)使電流跌落，從而引起轉(zhuǎn)矩跌落，影響起動(dòng)性能。根據(jù)2.1節(jié)分析可知，后級(jí)死區(qū)時(shí)，每個(gè)扇區(qū)只能作用Uα和零矢量，且需要合理地分配有效矢量Uα的作用時(shí)間。由于Uα與期望矢量Us存在一定夾角，若Uα作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使轉(zhuǎn)矩突增；若Uα作用時(shí)間過(guò)短，會(huì)使轉(zhuǎn)矩突降。因此，選擇合適的Uα作用時(shí)間可盡量減少轉(zhuǎn)矩的變化。

對(duì)應(yīng)式(2)中非死區(qū)時(shí)的各矢量占空比，死區(qū)時(shí)，Uβ不作用，Uα的長(zhǎng)度可選擇為期望矢量長(zhǎng)度乘以補(bǔ)償系數(shù)kd，則當(dāng)后級(jí)死區(qū)時(shí)，各矢量占空比為

(8)

由于后級(jí)死區(qū)期間前級(jí)作用的矢量發(fā)生變化，零矢量的排列和選擇也會(huì)有所改變。無(wú)死區(qū)時(shí)，采用的矢量分布方法為“五段式”分布，即在扇區(qū)Ⅰ中矢量作用順序?yàn)閁1→U2→U7→U2→U1。而死區(qū)時(shí)U2不作用，若不改變其他矢量排列，則矢量作用順序?yàn)閁1→U7→U1。由于開關(guān)變換時(shí)應(yīng)盡可能選擇開關(guān)切換次數(shù)少的零矢量以減少開關(guān)損耗，而U1(100)變換到U7(111)時(shí)需要切換2個(gè)開關(guān)，因此可將中間零矢量修改為U0(000)，即矢量作用順序變?yōu)閁1→U0→U1。依此可得其他各扇區(qū)在死區(qū)時(shí)的矢量作用情況，如表3所示。

表3　后級(jí)死區(qū)時(shí)各扇區(qū)作用矢量

因此，φ>30°時(shí)，前級(jí)需要在后級(jí)死區(qū)時(shí)采用本文所提策略配合，而當(dāng)起動(dòng)性能要求不高或?yàn)榱藴p小控制復(fù)雜度時(shí)，后級(jí)開關(guān)管可不導(dǎo)通。這時(shí)相當(dāng)于后級(jí)一直處于死區(qū)期間，而前級(jí)則全部采用后級(jí)死區(qū)時(shí)的策略，這種策略的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但由于前級(jí)一個(gè)扇區(qū)僅作用一個(gè)有效矢量，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)增大。

3.3小結(jié)

總結(jié)上述分析結(jié)果，起動(dòng)時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)角φ不同，可采取不同的調(diào)制策略：①若φ<30°，不存在前級(jí)流向后級(jí)的電流，后級(jí)開關(guān)管無(wú)需導(dǎo)通，前級(jí)采用常規(guī)的SVPWM調(diào)制，即第一節(jié)中的TSMC基本調(diào)制策略；②若φ>30°，后級(jí)開關(guān)管配合導(dǎo)通，后級(jí)死區(qū)時(shí)，前級(jí)采用本文所提策略配合，構(gòu)造流通回路，并減小轉(zhuǎn)矩跌落；③若φ>30°，且當(dāng)起動(dòng)性能要求不高或?yàn)榱藴p小控制復(fù)雜度時(shí)，后級(jí)開關(guān)管不導(dǎo)通，前級(jí)全部采用后級(jí)死區(qū)時(shí)的策略配合。

該安全換流策略也可為其他可能出現(xiàn)功率因數(shù)角超過(guò)30°以及能量回饋等情況提供解決思路。

4仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1仿真研究

為了驗(yàn)證上述分析的可行性，利用Matlab搭建仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行起動(dòng)仿真。仿真參數(shù)為：輸入電源相電壓有效值50 V，頻率50 Hz；開關(guān)頻率10 kHz；4對(duì)極的同步電機(jī)，電機(jī)相電感2.2 mH，電阻0.7 Ω；起動(dòng)時(shí)要達(dá)到轉(zhuǎn)速500 r/min；起動(dòng)電流幅值13 A，此時(shí)電機(jī)功率因數(shù)角未超過(guò)30°。

起動(dòng)過(guò)程并不需要轉(zhuǎn)速環(huán)控制，但為了限制轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，仿真和實(shí)驗(yàn)中均加入轉(zhuǎn)速環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的加入并不會(huì)對(duì)起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)速波形如圖8所示，可見系統(tǒng)能平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)所需轉(zhuǎn)速。

圖8　轉(zhuǎn)速波形Fig.8　Simulation waveform of speed

比較不同調(diào)制策略下的轉(zhuǎn)矩波形，如圖9所示，由式(4)可知轉(zhuǎn)矩正比于iq，因此同時(shí)給出iq波形，以說(shuō)明iq可反映轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)功率因數(shù)角φ<30°，后級(jí)開關(guān)管無(wú)需導(dǎo)通，前級(jí)直接采用SVPWM調(diào)制，系統(tǒng)有較好的起動(dòng)性能，如圖9a所示。雖然此時(shí)后級(jí)開關(guān)無(wú)需導(dǎo)通，但為了將本文所提策略的性能與其進(jìn)行對(duì)比，后級(jí)加入死區(qū)，圖9b、圖9c分別為后級(jí)死區(qū)時(shí)采用零矢量和采用本文所提策略配合的波形。將其與圖9a進(jìn)行對(duì)比，可見若后級(jí)死區(qū)時(shí)前級(jí)僅采用零矢量配合會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩跌落，而采用本文所提策略配合能減少轉(zhuǎn)矩跌落，且與圖9a相比，轉(zhuǎn)矩跌落并不大。

圖9　φ<30°不同調(diào)制下的轉(zhuǎn)矩和q軸電流波形Fig.9　Simulation waveforms of torque and q-axis current under different modulation strategies at φ<30°

為了驗(yàn)證電機(jī)功率因數(shù)角超過(guò)30°的情況，根據(jù)式(7)，增大電機(jī)電感和電流以提高φ，增大電機(jī)電感2 mH，起動(dòng)電流幅值提高到18 A。

若后級(jí)開關(guān)管不導(dǎo)通，隨著轉(zhuǎn)速上升，φ逐漸增大，φ>30°時(shí)，母線上會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰，如圖10a所示。電壓尖峰的產(chǎn)生是由于回饋至后級(jí)的電流從鉗位電路流過(guò)，而鉗位電路將電壓尖峰控制在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)后級(jí)開關(guān)管配合導(dǎo)通，但后級(jí)死區(qū)時(shí)前級(jí)不采用本文所提策略配合，那么在后級(jí)死區(qū)期間出現(xiàn)的反向電流就會(huì)產(chǎn)生直流母線電壓尖峰，如圖10b所示。而后級(jí)死區(qū)期間采用本文所提策略配合后，前級(jí)構(gòu)造出流通回路，電流母線電壓不會(huì)產(chǎn)生尖峰，如圖10c所示。

圖10　φ>30°的直流母線電壓波形Fig.10　Simulation waveforms of DC-bus voltage at φ>30°

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以TMS320LF2812為控制系統(tǒng)核心，以18個(gè)IGBT為主功率器件(雙向開關(guān)采用共射極方式相連)，以一臺(tái)2 kW、4對(duì)極同步電機(jī)為樣機(jī)，電機(jī)相電感2.2 mH，電阻0.7 Ω。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電源相電壓有效值50 V，頻率50 Hz；開關(guān)頻率10 kHz；電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速500 r/min；起動(dòng)電流幅值13 A。

圖11為給定500 r/min時(shí)整個(gè)起動(dòng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)波形，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，且負(fù)載較大，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升較慢，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

目前實(shí)驗(yàn)室的機(jī)組均為小功率電機(jī)，沒有功率因數(shù)角超過(guò)30°的情況，而在實(shí)際系統(tǒng)中起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的功率較大，更易出現(xiàn)該現(xiàn)象。因此根據(jù)現(xiàn)有樣機(jī)參數(shù)情況，不采用安全換流策略也不會(huì)存在換流問(wèn)題。圖12為不同調(diào)制策略在400 r/min下的q軸電流和電樞電流波形。當(dāng)后級(jí)開關(guān)管不導(dǎo)通，前級(jí)直接采用SVPWM調(diào)制時(shí)，波形如圖12a所示，通過(guò)觀測(cè)iq得到轉(zhuǎn)矩情況，由圖可見系統(tǒng)具有較好的起動(dòng)性能。雖然此時(shí)后級(jí)開關(guān)無(wú)需導(dǎo)通，但為了驗(yàn)證本文所提調(diào)制策略的性能，起動(dòng)時(shí)后級(jí)加入死區(qū)，并進(jìn)行對(duì)比。由圖12b可知，后級(jí)死區(qū)時(shí)，前級(jí)僅采用零矢量會(huì)有較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和明顯電流畸變，與圖12a沒有死區(qū)時(shí)相比，死區(qū)影響很大；而采用本文所提策略配合能大大減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流畸變，如圖12c所示，且與沒有死區(qū)時(shí)相比，死區(qū)帶來(lái)的影響并不大，體現(xiàn)了本文所提策略的優(yōu)勢(shì)。圖13為輸入三相電源電壓及對(duì)應(yīng)計(jì)算出的死區(qū)信號(hào)。

圖11　給定500 r/min時(shí)起動(dòng)波形Fig.11　Starting waveforms at 500 r/min

圖12　400 r/min下不同調(diào)制策略的q軸電流及電樞電流波形Fig.12　Waveforms of q-axis current and armature current under different modulation strategies at 400 r/min

圖13　輸入電源電壓與死區(qū)信號(hào)Fig.13　Input AC source voltage and dead-time signal

由于受機(jī)組條件限制，為了驗(yàn)證本文的分析以及所提策略的作用，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變電機(jī)參數(shù)(串聯(lián)了2 mH電感，并提高起動(dòng)電流幅值至18 A)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)角超過(guò)30°的情況。此時(shí)若不導(dǎo)通后級(jí)開關(guān)管，前級(jí)未采用配合策略而僅采用常規(guī)的SVPWM，直流母線電壓在扇區(qū)開始時(shí)會(huì)存在尖峰，如圖14a所示；由于在后級(jí)死區(qū)產(chǎn)生電壓尖峰的概率較小，難以捕捉，易知后級(jí)配合導(dǎo)通能構(gòu)造流通回路[4]，因此為了驗(yàn)證本文所提安全換流策略能構(gòu)造流通回路，前級(jí)全部采用后級(jí)死區(qū)時(shí)的配合策略進(jìn)行起動(dòng)，在同一轉(zhuǎn)速下，母線電壓始終沒有尖峰，如圖14b所示，此時(shí)由于前級(jí)一個(gè)扇區(qū)僅一個(gè)有效矢量作用，電流正弦度下降，起動(dòng)性能變差。

圖14　φ>30°時(shí)的起動(dòng)波形Fig.14　Starting waveforms when φ>30°

5結(jié)論

本文提出一種適用于TSMC-S/G系統(tǒng)起動(dòng)的安全換流策略，通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)分析了換流問(wèn)題產(chǎn)生的原因，且分析了影響功率因數(shù)角φ的相關(guān)電機(jī)參數(shù)。當(dāng)n、iq越大，φ越大，就越容易出現(xiàn)回饋至后級(jí)的電流，此時(shí)需要采用本文所提出的策略。

2)針對(duì)當(dāng)φ>30°，TSMC沒有自然續(xù)流通道的問(wèn)題，提出合適的調(diào)制策略，通過(guò)其前后級(jí)相互配合，構(gòu)造流通回路，以避免鉗位電路吸收電壓尖峰帶來(lái)的損耗及成本增大等問(wèn)題，同時(shí)盡可能減少轉(zhuǎn)矩跌落。

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E-mail：609971152@qq.com(通信作者)

周波男，1961生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)、航空電源系統(tǒng)、電機(jī)及其控制與功率變換技術(shù)。

E-mail：zhoubo@nuaa.edu.cn

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM46

收稿日期2015-01-09改稿日期2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177069)和江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目。