基于Z源逆变器的异步电机调速系统研究

金爱娟，文 强，游珊妮，王瑞奇，董钰莹，刘安康

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于Z源逆变器的异步电机调速系统研究

金爱娟，文 强，游珊妮，王瑞奇，董钰莹，刘安康

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

在电力拖动系统中，需要采用逆变器将直流电转换为交流电，实现异步电动机调速。针对电机拖动系统中传统电压型逆变器上下桥臂开关管不能短路、电流型逆变器负载不能开路的问题，采用Z源逆变器，改善电机调速系统性能。文中将Z源逆变器最大升压控制和异步电机转子磁链空间矢量控制技术结合起来，提出了Z源升压FOC控制算法。更进一步地，在采用Z源逆变器的电机调速系统中，对Z源升压FOC控制算法进行建模与仿真，结果表明，Z源升压FOC控制算法能够实现较好的调速性能。

Z源逆变器；磁链定向控制；异步电机调速

传统电压型逆变器在工作过程中，桥臂不能处于直通状态，电流型逆变器负载不能处于开路状态[1]。Z源逆变器可工作在短路和开路状态，能灵活升降压，并可消除开关死区带来的纹波，降低波形畸变率，提高系统安全性。Z源逆变器克服传统逆变器不足，可广泛的应用于光伏发电、电机调速和开关电源等[2]。

在离网电能拖动系统中，通常采用太阳能或者风能作为电机的驱动电源。由于太阳能、风能转换的电能存在波动较大的特点，采用Z源逆变器作为拖动系统中的电能转换装置具有一定的优势[3]。通过对Z源逆变器电容电压进行闭环控制，确保直流链电压恒定，能够提升Z源逆变器输出电压品质。

异步电机广泛应用于电力拖动系统中，在异步电机调速系统中，采用转子磁链定向控制(Flux Orientation Control, FOC) ，通过坐标矢量变换将异步电机等效为直流电动机模型，控制磁链和电磁转矩，从而对电机进行调速控制[4]。

Z源逆变器通过控制逆变器的直通状态实现升降压控制[5]。本文分析Z源逆变器升降压控制的基本原理，将Z源逆变升压控制与异步电动机转子磁链定向控制技术结合，提出Z源升压FOC控制算法[6]，对异步电机进行调速控制，分析负载变化时电机输出的特性。

1 Z源逆变器工作原理

Z源逆变器由Z源网络和逆变器两部分组成(见图1)，可工作在直通状态和非直通状态，通过直通状态实现升压降压功能[7]。Z源网络等效电路中逆变器部分可用受控电流源代替。

图1 Z源逆变器拓扑结构

在一个开关周期TS中Z源逆变器有两种工作状态，直通状态和非直通状态，如图2和图3所示。对于Z源网络，电感和电容阻值相等结构对称[8]，即

L1=L2,C1=C2

(1)

当系统处于稳态时，有

UL1=UL2=UL,UC1=UC2=UC

(2)

系统处于直通状态，输入二级管导通。开关周期为TS，直通状态时间为T1，Z源逆变器的工作状态如图3所示

UPV=Ud=UC16UL2+UC2+UL1=UC+UL

(3)

Uin=UC1-UL1=UC2-UL2=UC-UL

(4)

由式(3)和式(4)得

Uin=UC2=UC=UL2=UL

(5)

图2 Z源逆变器直通状态等效电路图

图3 源逆变器非直通状态等效电路图

非直通状态时，二极管VD受反压截止。开关一个周期TS中，非直通状态时间为T0，直通状态时间为T1，则T0=TS-T1[9]，此时Z源逆变器工作状态如图3所示，由图可知

UC1=UC2=UC=UL1=UL2=UL

(6)

稳态时，Z源逆变器中电感在开关周期TS内的平均储能为零，即

(UPV-UC)T1+UCT0=0

(7)

则Z源电容电压

(8)

其中，d0—直通占空比，d0=T0/Ts。

非直通状态，直流侧电压Uin为

(9)

其中，B为升压因子B=1/1-2d0。

电压型Z源逆变器具备对输入电压升降压的功能，不需要额外的中间级电路，具有较大的电压输出范围[10]。

通过改变逆变器升压因子B，可自由控制逆变器升压和降压。由式(9)建立Z源逆变器等效状态空间平均模型，如下所示

(11)

式中，A=d0A1+d1A2，B=d0B1+d1B2。

其中，iload为等效负载电流；d0为动态占空比；Vin为Z源逆变器等效输入电压；Vd0为等效负载电压。

2 Z源逆变器最大升压控制原理及仿真

图4 Z源逆变器最大升压控制

最大升压控制将SPWM控制方式中所有零矢量状态变成直通状态，而有效矢量状态不变。由图4可知，当三角波比三相调制波都大或者都小时，Z源逆变器处于直通状态，文中可计算出直通时间占空比、电压增益[11]。假定开关频率远高于调制波频率，每个开关周期直通时间为

(12)

直通占空比平均值为

(13)

则最大升压调制下，B满足以下条件

(14)

在最大升压控制算法控制下，Z源逆变器在带RL负载时，对系统进行建模与仿真，系统输出波形如图5所示。

图5 Z源逆变器输出波形

Z源逆变器直流侧电压经过Z源网络升压，围绕600 V上下波动，电容电压UC围绕400 V上下波动。非直通状态时，电容充电电压UC上升，直流侧电压Uin随之上升；直通状态时，电容放电电压UC下降，直流侧电压Uin随之下降。

3 Z源升压FOC控制原理

根据Z源逆变器升压控制和异步电机FOC控制技术，设计出Z源升压FOC控制算法。根据Z源逆变器电感电流和电容电压，计算出直通链占空比D，通过FOC控制器反馈控制逆变器的占空比，实现升压功能；对于电机采用FOC控制，包括速度控制器和FOC控制器模块，使用速度传感器采集电机转速，可闭环控制电机转速，使其跟随给定值。其中，FOC控制器根据定子电流计算出磁链和电磁转矩，FOC控制器根据Z源升压控制器输出的占空比，控制输出PWM波，实现升压和电机控制[12]。

图6 Z源升压FOC控制原理图

4 Z源升压FOC控制算法建模与仿真

根据Z源升压FOC控制原理，建立基于Z源逆变器的异步电机调速系统Matlab/Simulink仿真模型，如图7所示。仿真模型主要包括FOC控制器和转速调节器(Speed Control)，FOC控制器包括转矩调节器(ATR)和电流转矩调节器(ATCR)[14]。Z源升压FOC控制器主要作用是在转子磁链受干扰发生变化时，通过ATR和ATCR维持转子磁链恒定，提升异步电机抗干扰能力[15]。Z源升压FOC控制器主要包括ABC-DQ模块、DQ-ABC模块、Teta模块、Flux模块、iqs Calculation和id Calculation模块。

图7 基于Z源逆变器异步电机调速系统建模

图8 异步电机输出波形

如图8所示，光伏水泵系统采用磁场定向矢量控制，系统仿真时间为2 s。0～0.08 s，异步电机处于启动状态，电机转速为0，转矩为0，异步电机启动电流较大，电机建立圆形旋转磁场；0.08～0.5 s，转速给定值为400 rad/s，转矩给定值为0，此时电机转速均匀上升，定子电流逐渐降低，直流侧电压也逐渐降低；0.5～0.6 s，突加负载转矩，转矩给定为450 N·m，电机受磁链矢量控制定子电流增大，同时电机输出转矩约为700 N·m；0.6～1.0 s，转速达到400 rad/s，电机受磁链矢量控制，电机输出转矩下降为450 N·m，同时转速维持400 rad/s；1.0～1.45 s，转速逐渐降为0，输出转矩恒定为100 N·m；1.5～2 s，输出转矩增大到450 N·m；1.5～2 s，给定转矩降到-450 N·m，输出转矩能够跟随给定达到-450 N·m，同时电机转速保持为0，定子电流略有上升。

5 结束语

本文主要研究了Z源逆变器在电机调速系统中的应用，分析Z源逆变器升压工作原理，对Z源逆变器在最大升压控制下建模与仿真，表明了Z源逆变器可自由升降压的特性。将Z源升压与电机FOC控制算法结合，提出了Z源升压FOC控制算法。通过建模与仿真，对Z源升压FOC控制算法进行检验，结果表明Z源升压FOC具有较好的调速效果和升压能力。

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Research on Speed Control System of Induction Motor Based on Z-source Inverter

JIN Aijuan,WEN Qiang,YOU Shanni,WANG Ruiqi,DONG Yuying,LIU Ankang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In the motor drive system, need to use the inverter to convert DC to AC for motor. For the traditional voltage inverter, upper and lower bridge arm cannot be in short-circuit, and for current inverter load can’t be open. Use Z-source inverter, can improve the performance of motor speed control system. In this paper, combine maximum boost control for Z-source inverter and FOC for asynchronous motor, and the Z-source boost FOC control algorithm is proposed. Further. In the motor control system using Z-source inverter, the Z source boost FOC control algorithm is modeled and simulated. The results show that the Z- source boost FOC control algorithm can achieve better performance.

Z-source inverter; flux orientation control; speed control system of induction motor

2016- 03- 27

金爱娟(1972-)，女，博士，副教授。研究方向：电力电子非线性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.049

TN941.7;TM46

A

1007-7820(2017)03-178-04