基于双级矩阵变换器的异步电动机转子磁场定向矢量控制

输入电源：相电压U1?155V，f?50HZ，

Rs?0.05?，Cf?3uF，Lf?0.8mH。

三相异步电动机：PN?500W，UN?127V，

IN?2.9A，TN?3N.m， rs?4.495?，

Ls?0.165H，rr?5.365?，Lr?0.162H，Lm?0.149H，P?2， J?0.0095kg.m2。

励磁和转矩PI调节器：Ki?0.0625，Kp?1，

Kcor?0.0265（积分校正系数），饱和上限值=1.0。 速度PI调节器： Ki?0.129，Kcor?0.0265，

Kp?4.51，饱和上限值=1.5，饱和下限值=-1.5。

为了在电机起动时产生足够的电磁转矩，每次带负载运行前，电机先励磁0.06秒，给定励磁电流

i?sd?0.6pu（标幺值）

。 仿真实验分三组，以下是部分实验结果： （1）??r?0.8pu，

负载转矩为2N.m、3N.m、1N.m。 Wr/pu10.5000.10.20.3(a)0.40.50.6t/s

定子d-q2轴电流i/pu1isqisd000.10.20.30.40.50.6(b)t/s

定子三10相电流i/A0-1000.10.20.3(c)0.40.50.6t/s

输入电500u sa80xi压U/va0输入电流i/A-50000.10.20.3(d)0.40.50.6t/s

图5 电动运行负载变化时的曲线 Fig.5 Curve for change load as motor

（2）负载转矩为3N.m，??r分别为0.4、0.8、0.2pu。

电机1转速Wr/pu0.5000.10.20.3(a)0.40.50.60.70.8t/s

(a)定子d-q2轴电流i/pu0 sqiisd-200.10.20.30.40.50.60.70.8(b)t/s

定子三10相电流i/A0-1000.10.20.30.40.50.60.70.8t/s(c)

输入电500压U/vu sa80x ia0输入电流i/A-50000.10.20.30.40.50.60.70.8t/s(d)

图6 电动运行转速变化时的曲线 Fig.6 Curve for change speed as motor

（3）位能性负载转矩-3N.m，??r为0.5、0.8、0.1pu。

1电机转速Wr/pu0.5000.10.20.3(a)0.40.50.60.7t/s

定子d-q2轴电流i/pu0isqisd-200.10.20.3(b)0.40.50.60.7t/s

定子三10相电流i/A0-1000.10.20.30.40.50.60.7(c)t/s

输入电500压U/vu sa200x ia0输入电流i/A-50000.10.20.3(d)0.40.50.60.7t/s

图7 发电运行转速变化时的曲线 Fig.7 Curve for change speed as generator

图5（a）- 7（a）可见， 电机在加减速过程中

转速无超调；在负载变化时，电机转速能迅速恢复稳定。

图5（b）- 7（b）可见， 定子d、q轴电流实

现了解耦，励磁电流isd基本保持不变，转矩电流isq的变化反映加、减速过程和负载转矩的变化。

图5（c）- 7（c）可见， 定子三相电流的幅值与转矩电流isq的变化一致，反映加、减速过程和负载转矩的变化；定子三相电流的频率变化反映了电机转速的变化。

图5（d）- 6（d）中，网侧输入电流是80倍实际输入电流，电机电动状态额定负载时，输入电流

略超前于输入电压，网侧输入功率因数接近于正的单位功率因数，幅值的变化反映了输出机械功率的

变化。 图7（d）网侧输入电流是200倍实际输入电流，电机为发电状态，负载转矩为-3N.m，?r?0.5pu时，网侧输入功率因数角小于-90度，网侧输入功率因数为负，说明轴上机械功率除了满足电机自身的功率损耗外，还有小部分回馈电网；负载转矩为-3N.m，?r?0.1pu，轴上机械功率小，不足以满足在定、转子铜耗，网侧输入功率因数为正；负载为-3N.m、?r?0.8pu时，网侧输入功率因数接近负的单位功率因数。 图8是电机负载3N.m，??r为0.8pu时的网侧输入电流谐波分析，输入电流总的谐波畸变率THD=2.58%，表明输入电流的波形质量较好。 基波幅值= 1.807 , THD= 2.58%)波基2/ %(1值幅001002003004005006007008009001000频率 (Hz)

图8 输入电流谐波分析

Fig.8 Harmonic analysis of input current

5 结论

（1）运用了传统的PI 调节器和转子磁通观测器，基于双级矩阵变换器的异步电动机转子磁场定向的矢量控制可实现电机的四象限运行，动静态性能好；

（2）TSMC输入侧小容量的LC滤波电路，使网侧输入电流为正弦波，且波形质量好。电动状态额定

负载运行时，网侧输入功率因数接近1；发电状态额定负载运行时，网侧输入功率因数接近-1。

参考文献

[1] 王庆龙，张崇巍，张 兴.交流电机无速度传感器矢量控制系统变结

构模型参考自适应转速辨识[J]. 中国电机工程学报，2007，27(15)：70-74.

[2] 粟梅，覃恒思，孙尧，等. 矩阵变换器系统的稳定性分析[J ] . 中

国电机工程学报， 2005， 25 (8) ：62-69.

[3] 邓文浪，杨欣荣，朱建林，等．18 开关双级矩阵变换器的空间矢

量调制策略及其仿真研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(15)：84-90．

[4] 邓文浪，杨欣荣，朱建林．基于dq坐标双级矩阵变换器的闭环控制

研究[J].电气传动，2007，37(2)：20-24.

[5] 朱建林，陈才学，易灵芝，等.基于矩阵式变换器的异步电机直接

转矩控制[J].电气传动，2007，37(8)：21-24.

[6] 粟梅，许新东，李丹云，等．双级矩阵变换器驱动异步电动机的特

性分析[J]．中南大学学报，2005，36(8)：658-663．

[7] 刘魏宏，朱建林，邓文浪，等. 基于交-直-交型矩阵变换器的多驱

动系统的控制策略[J].中国电机工程学报， 2006，26 (6) ：111- 115. [8] 粟梅，覃恒思，余岳.基于双级矩阵变换器的直接转矩控制系统[J].

电力电子技术，2008，42(3)：49-51.

[9] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统（第2版）[M].机械工业出版

社，2000：253-254.

[10] 邓文浪，杨欣荣，朱建林．基于dq稳态模型的双级矩阵变换器功率

特性研究[J]．系统仿真学报，2008，20(11)：2864-2850． [11] 李志勇，朱建林，易灵芝，等．空间矢量调制的矩阵式变换器仿真

模型研究[J]．中国电机工程学报，2003，23(3)：80-84．