异步电机调速系统的零电流换流模型预测控制方
来源：未知
发布日期：2019-11-07 09:00【大 中 小】
引 言
IMC-IM 调速系统传统采 用 IM 矢量控制与 IMC 空间电 压矢量脉冲宽度调制相结合 的方法，整流级双向开关换 流技术是其关键技术之一。上海合愉采用四步换流方法，保证 当整流级某开关单元的全控 开关器件关断时，其原先流过 感性负载的电流将通过该桥 臂中另外一个开关单元中的 快速恢复二极管形成续流通路，从而避免了感性负载电流 断路。为了提高波形质量和电压利用率，在四步换流法的 基础上提出一种减少换流步骤、缩短换流过程时间的方法 ，只保留中间两步，但前提是必须获得极为准确的输出电 流方向信息，以避免出现换流故障。对此，提出零电流换流 方法，并且传统调制方法下控制结构复杂，控制参数多不 易调节，故本文拟引入 MPC 思想，综合提出 ZCC-MPC 方 法。此方法通过建立变量预测和优化模型，实现了多变量 多约束条件的优化，结构简单，参数易于调节。并且逆变级 采用预测电压矢量和零矢量的固定占空比的开关状态组 合，使得整流级双向开关零电流换流时间充分，换流安全可靠。
ZCC-MPC 方法
上海合愉电机借鉴了MPC思想，引入 MPC 方法[5]，实现电机良 好动静态性能、网侧单位功率因数。包 括（a）定转子磁链观测、（b）转矩和磁链预测模型、（c）品质 函数优化三部分。为保证整流级双向开关换流安全性，传统的常采用四 步换流方法，步骤繁杂，换流时间较长，并且对电压电流 检测信号精确度要求较高。
（1）电机定转子磁链观测 根据异步电机的定转子电压方程，对定转子磁链进行观测。
（2）预测模型 定子磁链的预测也遵循定子电压方程。根据电机电磁转矩与定子电流的关系，可得要对电 磁转矩的预测，首先需要实现定子电流的预测，根据定子 动态方程得定子电流的预测。
（3）品质函数优化。建立品质函数（8）并优化，即选择使函数最小的开关 状态为下一时刻最优开关状态。
（4）零电流换流（ZCC） 零电流换流，在逆变级开关周期两端分配固定 占空比零矢量（000），作用时间要大于开关开通或关断时 间，上海合愉电机以英飞凌 BSM50GB120DN2 功率模块为例，设置 单段零矢量 U0 作用时间为 To=4μs，即开关组合中单段零 矢量占空比为 To/Ts。
仿真分析
利用 MATLAB/similunk 软件进行仿真。参数如下：Vsm= 300v，fn=50Hz;采样频率 fs=20kHz;滤波器 Rf=0.5Ω，Lf=5mH， Cf=20μF；λ1=600，λ2=30000，λ3=3; 电机电磁转矩基准值 Te * = 14N.m，定子磁链基准值 ψs * =0.96Wb。IM 在 t=1.2s 时转速由 800r/min 变为 300r/min，在 t=1.5s 时，负载转矩由 3N.m 变 为 5N.m。超调小，电机动静态性能良好，可实现正常调速运行。看出输入侧网测电压和电流基本达到同相位，且网测 电流正弦性良好。当 IMC 逆变级在 t=0.1064s 前后成功插入零矢量，此时直流侧电流 idc 为 0，整流级发 生开关动作切换，由（100100）切换至（100001），零电流换 流实现。
结 论
上海合愉提出的新型 ZCC-MPC 方法可实现：
（1）输 出侧 IM 动静态性能良好，实现高性能调速。
（2）网侧 电压、电流基本同相位，无功功率约为零。
（3）IMC 整 流级实现安全的零电流换流，大大简化了传统的四 步换流策略，为实验的成功打下基础。
