[发明专利]异步电动机直接转矩控制装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及电动机系统及其控制方法，特别涉及一种异步电动机直接转矩控制装置及其 方法。

背景技术

高压大功率电机广泛用于石油化工、水泥制造、采矿、冶金、运输、电力、造纸和轧钢 等领域。变频器是提升电机系统能效的重要设备，但目前工业领域针对高压大功率电机的节 能或高性能变频调速仍处在起步阶段，这主要与高压变频器的发展水平密切相关。

最早高压变频调速采用降压和升压变压器实现高-低-高的变换方式，其本质仍是低压变 频器。后来出现了高-高直接式高压变频器，根据有无中间直流环节，可以分为交-直-交和交- 交两类变频器。现阶段，应用比较成熟的高压变频器是交-直-交型多电平变频器。对于交-直- 交变频器，根据直流环节滤波元件的不同，可以划分为电流源型变频器和电压源型变频器， 其中以直流环节采用大电容滤波的电压源型应用最为普遍。高压电压型变频器主要采用多电 平变换技术，其主流拓扑结构为钳位型和级联型、模块化三大类。多电平变换技术可避免功 率开关器件的直接串联，具有谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件应力小、开关损耗 小等优点。但也存在一些问题需要解决：网侧谐波污染；不能方便的实现四象限运行；较低 的输入功率因数，传输效率降低，设备容量增大，电压稳定性变差。

近年来，AC-AC矩阵式变换器以AC-DC-AC无法比拟的一系列优点越来越受到国内外学 者的广泛关注，如：无中间直流环节、结构紧凑、便于模块化设计，可实现四象限运行，控 制自由度大、输出电压的幅值和频率范围连续可调，输入功率因数可控，动态响应快等。矩 阵式变换器是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置。按拓扑 结构可分为直接矩阵变换器和间接矩阵变换器。公开号为CN102545644的专利提出一种矩阵 交-交高压变频器拓扑结构，如图1所示，采用如图2所示的H桥功率单元取代直接变换器的双 向开关，形成多电平矩阵变频器。这类高压矩阵变频器具有成本低，体积小，寿命长，可实 现四象限工作等优点，但因为功率模块本身特性的限制，使得变频器出现结构复杂，电压传 输比低，换流复杂，可靠性低等缺点。

针对上述问题，公开号为CN101013856的专利提出级联多重化矩阵变换器拓扑结构，如 图3所示，其功率单元采用如图4所示的双极矩阵变换器的整流级。公开号为CN103178720的 专利提出高压矩阵变频器拓扑结构，如图5所示，设计了两种功率模块类型，其中一种为如图 6所示的为三相-单相双极矩阵变换器模块。上述公开号CN101013856和公开号CN103178720 两种高压矩阵变频器中均涉及了双极矩阵变换器。双级矩阵变换器属于间接矩阵变换器的一 类拓扑结构。常见的三相-三相双极矩阵变换器，如图7所示，它包括基于双向开关的整流级 电路和普通逆变级电路，不包括大电容或大电感等中间直流储能元件。整流级电路由6个双向 开关组成，而逆变级电路与传统的三相全桥逆变器结构相同。这种双级矩阵变换器不仅在功 能上可与传统的矩阵式变换器相媲美，可以克服传统矩阵式变换器的控制复杂，换流困难等 缺点，是一种很有发展潜力的新型交-交变换器。但是，双极矩阵式变换器的电压传输比较低、 存在换流死区及可靠性差等不足，一直是限制矩阵式变换器发展的一个重要原因。

与此同时，按照生产工艺要求，最终达到对电动机转速的最佳控制和调节的任务中，实 现异步电动机直接转矩控制，也面临种种困难。主要问题是逆变器空间矢量的合成技术，以 及其选择方式的确定。研究高压异步电动机的可靠直接转矩控制方法，是其高性能控制的一 个主要课题。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供高压异步电动机直接转矩控制装置及其方法，给出 可以提高电压传输比和逆变的可靠性的高压矩阵变换器，实现方法简单、可靠的异步电动机 直接转矩控制。