夏長(zhǎng)亮閻彥

（1.天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津工業(yè)大學(xué)天津300387 2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津300072）

矩陣變換器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)

夏長(zhǎng)亮1，2閻彥2

（1.天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津工業(yè)大學(xué)天津300387 2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津300072）

矩陣變換器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量雙向流動(dòng)以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)整靈活等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高端裝備動(dòng)力部件高控制精度、高功率密度以及高運(yùn)行效率的有效方案。從功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式入手，綜合其在變流技術(shù)和控制技術(shù)上的突破性成果，探討了電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行控制過程中面臨的關(guān)鍵問題及其解決方案。展望未來發(fā)展，矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、變流與控制技術(shù)的整合與新型電力電子器件的應(yīng)用將有力支撐矩陣變換器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)在推動(dòng)裝備高端化上取得突破。

矩陣變換器永磁同步電機(jī)變流技術(shù)控制技術(shù)

0　引言

電機(jī)系統(tǒng)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的重要能源動(dòng)力裝備。隨著我國(guó)建設(shè)步伐的不斷加快，裝備制造業(yè)面臨的技術(shù)需求日益提高，給電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)電機(jī)系統(tǒng)及其控制技術(shù)提出了更高要求。目前，研究開發(fā)高控制精度、高功率密度以及高運(yùn)行效率的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)是推進(jìn)裝備高端化發(fā)展的關(guān)鍵。

永磁同步電機(jī)系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）、變流器和控制器組成，其中變流器多采用二極管整流與電壓源逆變器相連的功率變換結(jié)構(gòu)（Diode Rectifier-Voltage SourceInverter，DR-VSI）。這類系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已十分成熟，但在以下方面存在不足：①受制動(dòng)電阻發(fā)熱及電容放電速率制約，難以具備更快速的動(dòng)態(tài)運(yùn)行能力；②電機(jī)回饋的電能以熱能形式消耗，不利于節(jié)能；③系統(tǒng)輸入側(cè)功率因數(shù)偏低，對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量造成影響；④體積和重量較大，同時(shí)電容器電解液的揮發(fā)性導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境受到嚴(yán)格限制。針對(duì)上述問題，基于矩陣變換器（Matrix Converter，MC）技術(shù)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)高控制精度、高功率密度以及高運(yùn)行效率目標(biāo)的一種有效方案。

1　MC-PMSM系統(tǒng)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)

MC-PMSM系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)、矩陣變換器和控制器三部分組成。矩陣變換器是一種在強(qiáng)迫換流周波變換器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交-交單級(jí)功率變換器。與DR-VSI結(jié)構(gòu)變換器相比，矩陣變換器具有無需中間直流側(cè)電容、能量雙向流動(dòng)、輸入與輸出波形正弦且諧波畸變小、輸入電流相位調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。秉承上述優(yōu)勢(shì)，由矩陣變換器構(gòu)成的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；②電機(jī)再生能量饋送電網(wǎng)，具有快速地制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)能力；③系統(tǒng)輸入電流正弦，功率因數(shù)調(diào)整靈活，與電網(wǎng)兼容性好。

按電機(jī)控制策略劃分，MC-PMSM系統(tǒng)目前主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種形式。

圖1為MC-PMSM系統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中，矢量控制利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將電機(jī)各被控物理量從三相靜止坐標(biāo)系下的交流量形式轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量形式，使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩僅受控于定子電流交軸及直軸分量大小，通過對(duì)電流的控制，獲得施加于電機(jī)的電壓參考量。在此基礎(chǔ)上，矩陣變換器作為功率變換電源，在調(diào)制策略和換流控制作用下，通過對(duì)功率開關(guān)的通斷控制，將電壓參考量轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)行所需的實(shí)際電壓信號(hào)。

圖1　MC-PMSM系統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（id=0控制）Fig.1 Diagram of MC-PMSM under vector control（id=0 control）

圖2為MC-PMSM系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。與DR-VSI結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相比，該系統(tǒng)通過對(duì)空間矢量的兩次篩選來確定開關(guān)狀態(tài)。首先，根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)比較器的輸出和定子磁鏈所在扇區(qū)從逆變器開關(guān)表中選擇一個(gè)虛擬空間矢量，完成第一次篩選；然后，根據(jù)功率因數(shù)角的滯環(huán)比較器輸出量和輸入電壓矢量所在扇區(qū)號(hào)，從矩陣變換器開關(guān)表中選擇與虛擬空間矢量同方向的矩陣變換器空間矢量，完成第二次篩選。

圖2　MC-PMSM系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of MC-PMSM under direct torque control

在MC-PMSM系統(tǒng)中，矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式多樣，其中有良好應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)包括：

1）直接矩陣變換器

直接矩陣變換器具有全橋式和半橋式兩種形式。半橋式結(jié)構(gòu)如圖3所示，由9個(gè)雙向開關(guān)組成，常被稱為傳統(tǒng)矩陣變換器（Conventional Matrix Converter，CMC），由于所需功率開關(guān)數(shù)量?jī)H是全橋式結(jié)構(gòu)的一半，因而受到研究人員廣泛關(guān)注，積累了大量研究成果和成功應(yīng)用實(shí)例。

圖3　傳統(tǒng)矩陣變換器Fig.3 Conventionalmatrix converter

2）間接矩陣變換器

區(qū)別于直接矩陣變換器的交-交單級(jí)變換，間接矩陣變換器由整流和逆變兩級(jí)變換構(gòu)成［3］，如圖4所示。逆變級(jí)采用普通三相半橋式逆變電路，整流級(jí)采用6個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成的橋式整流電路。與CMC相比，該類變換器在換流方式上更具優(yōu)勢(shì)，通過整流級(jí)與逆變級(jí)開關(guān)狀態(tài)的配合，可實(shí)現(xiàn)零電流換流。

圖4　間接矩陣變換器Fig.4 Indirectmatrix converter

3）稀疏矩陣變換器

稀疏矩陣變換器是在間接矩陣變換器基礎(chǔ)上發(fā)展而來［4］，如圖5所示。通過進(jìn)一步限定整流級(jí)輸出電壓極性和輸出功率因數(shù)范圍，稀疏矩陣變換器還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為非常稀疏矩陣變換器和超稀疏矩陣變換器［5］，最大程度減少功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的開關(guān)器件數(shù)量。

圖5　稀疏矩陣變換器Fig.5 Sparsematrix converter

2　MC-PMSM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

MC-PMSM系統(tǒng)性能取決于矩陣變換器變流技術(shù)和永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的控制技術(shù)。其中，變流技術(shù)以向PMSM提供高質(zhì)量供電電源為出發(fā)點(diǎn)，涉及矩陣變換器的調(diào)制和換流策略以及電壓傳輸比提升等措施?？刂萍夹g(shù)以高控制精度為主導(dǎo)，涵蓋系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制以及不平衡電網(wǎng)輸入工況下的控制方法等。

2.1變流技術(shù)

1）調(diào)制技術(shù)

調(diào)制策略是功率開關(guān)器件的動(dòng)作規(guī)則，在該規(guī)則下，MC-PMSM系統(tǒng)中的矩陣變換器將電網(wǎng)提供的三相正弦電壓調(diào)制為電機(jī)運(yùn)行控制所需的PWM形式電壓，同時(shí)保證電網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦且相位一定范圍內(nèi)可調(diào)，波形如圖6所示。針對(duì)CMC結(jié)構(gòu)矩陣變換器，常用調(diào)制方法為空間矢量調(diào)制和瞬時(shí)雙電壓調(diào)制。

圖6　矩陣變換器輸入與輸出波形Fig.6 Input and ouputwaveforms ofmatrix converter

空間矢量調(diào)制策略，根據(jù)是否將CMC的交-交單級(jí)變換等效為具有虛擬直流環(huán)節(jié)的交-直-交兩級(jí)變換，被分為間接空間矢量調(diào)制和直接空間矢量調(diào)制。其中，間接空間矢量調(diào)制策略將矩陣變換器等效為整流器-逆變器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)［6］，利用空間矢量調(diào)制技術(shù)，在整流器和逆變器中分別利用靜止的有效矢量對(duì)目標(biāo)矢量進(jìn)行合成，然后通過整流器-逆變器與矩陣變換器結(jié)構(gòu)之間的等效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)矩陣變換器期望輸出電壓與期望輸入電流同時(shí)調(diào)制。與上述利用等效整流器空間矢量和逆變器空間矢量合成期望矢量不同，直接空間矢量調(diào)制是一種直接利用矩陣變換器開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量合成期望矢量的方法［7］。具體來說，該方法將矩陣變換器27種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出電壓和輸入電流表示為空間矢量形式，再根據(jù)目標(biāo)輸出電壓矢量和輸入電流矢量的空間位置，從18個(gè)方向固定、幅值時(shí)變的有效矢量中選取出4個(gè)同時(shí)滿足電壓與電流調(diào)制要求的有效矢量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)矢量合成。

區(qū)別于上述基于空間矢量概念的脈寬調(diào)制方法，瞬時(shí)雙電壓調(diào)制策略屬于標(biāo)量調(diào)制［8］，即根據(jù)輸入電壓和期望輸出電壓瞬時(shí)值直接計(jì)算開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸入線電壓到期望輸出線電壓的合成。該方法在滿足輸出電壓調(diào)制要求的同時(shí)，也兼顧了輸入電流控制要求，根據(jù)期望的輸入電流確定電流分布系數(shù)，并據(jù)此調(diào)整開關(guān)作用時(shí)間，達(dá)到控制矩陣變換器輸入側(cè)功率因數(shù)的目的。

2）安全換流技術(shù)

受功率開關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)斷延時(shí)的影響，矩陣變換器各相輸出電流在不同輸入相間切換時(shí)極易出現(xiàn)瞬時(shí)輸入電源短路或瞬時(shí)輸出電路開路引起的電流沖擊和電壓尖峰問題。目前，實(shí)現(xiàn)MC-PMSM系統(tǒng)安全換流的最常用方法是基于輸入電源電壓檢測(cè)的四步換流策略和基于輸出電流檢測(cè)的四步換流策略［9，10］。上述策略根據(jù)輸入線電壓或輸出電流的極性來控制換流支路上雙向開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，換流控制時(shí)序如圖7所示。圖中假設(shè)輸出電流從輸入側(cè)流向輸出側(cè)，三相輸入電壓瞬時(shí)值從大到小依次為a相、b相和c相。

圖7　換流控制時(shí)序圖Fig.7 Timing diagram of the commutation strategies

關(guān)于換流技術(shù)，有兩方面性能亟待改善：第一，類似于電壓源逆變器中的死區(qū)效應(yīng)，多步換流策略由于增加功率器件觸發(fā)時(shí)刻的不確定性及去除窄脈沖觸發(fā)信號(hào)等原因，導(dǎo)致變換器輸出電壓的非線性偏差增加，引起電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的電流畸變、輸出轉(zhuǎn)矩降低、波動(dòng)加劇以及電機(jī)發(fā)熱等問題。目前，將縮減換流時(shí)間［11］與窄脈沖消除技術(shù)［12］相結(jié)合成為改善這一問題的主要方法。第二，換流策略以輸入電壓極性檢測(cè)或輸出電流方向檢測(cè)為基礎(chǔ)，然而，傳感器及信號(hào)調(diào)理電路帶來的延時(shí)和偏移會(huì)在電壓、電流波形過零點(diǎn)附近的門限區(qū)域內(nèi)造成換流失敗，解決這一問題的主要方案有：①提高檢測(cè)精度，即利用開關(guān)器件的集-射電壓檢測(cè)結(jié)果計(jì)算更精確地輸入電壓極性或輸出電流方向［13，14］；②采用混合換流策略，即當(dāng)輸出電流過零點(diǎn)附近采用基于電壓檢測(cè)的換流策略，而其他情況下采用基于電流檢測(cè)的換流策略［15］；③利用非換向相開關(guān)續(xù)流，完成關(guān)斷相與導(dǎo)通相開關(guān)狀態(tài)的過渡［16］。

3）電壓傳輸比提升技術(shù)

矩陣變換器輸出電壓的最大幅值僅為輸入電源電壓幅值的86.6%［17］。這一限值使得一定靜差率要求下的MC-PMSM系統(tǒng)調(diào)速范圍有較大縮減。針對(duì)這一問題，重新設(shè)計(jì)與矩陣變換器輸出電壓相匹配的永磁同步電機(jī)，可達(dá)到治本效果。但考慮到電機(jī)設(shè)計(jì)、加工以及拖動(dòng)裝置改造成本，該方案可操作性有待商榷。目前，主要解決方案集中于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略研究上。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面，提升電壓傳輸比的方法有兩種思路：第一，在矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中引入升壓或升降壓電路［18，19］。這種方法主要是針對(duì)間接矩陣變換器而言，較之CMC結(jié)構(gòu)，間接矩陣變換器含有整流、直流鏈和逆變環(huán)節(jié)。在直流鏈環(huán)節(jié)中，可結(jié)合成熟的升壓斬波電路，通過提高直流鏈電壓，達(dá)到提升電壓傳輸比的目的；在逆變環(huán)節(jié)中，采用升降壓斬波電路構(gòu)成的逆變結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的任意調(diào)節(jié)。第二，在電路結(jié)構(gòu)中增加電感、電容等儲(chǔ)能元件，典型代表是增加Z源網(wǎng)絡(luò)［20，21］。在調(diào)制策略研究方面，提升電壓傳輸比的主要方法是采用過調(diào)制技術(shù)。目前，借鑒增益補(bǔ)償技術(shù)［22］，可基本實(shí)現(xiàn)電壓傳輸比在1范圍內(nèi)的基波電壓幅值線性輸出控制。

4）不平衡電網(wǎng)輸入下諧波抑制技術(shù)

MC-PMSM采用電網(wǎng)作為交流輸入電源，而電網(wǎng)由于連接非線性負(fù)載或負(fù)載不均衡，導(dǎo)致三相電網(wǎng)電壓波形存在一定程度的不平衡或畸變。MC采用雙向開關(guān)實(shí)現(xiàn)輸入電源與負(fù)載的直接連接，中間無儲(chǔ)能元件，這一結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其輸出電壓的波形質(zhì)量易受電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。研究表明，波形質(zhì)量惡化的原因在于輸出電壓中含有2 fi±fo（fi為電網(wǎng)電壓頻率，fo為輸出電壓頻率）的低次諧波［23］。針對(duì)這一問題，保持輸出功率恒定成為解決思路，主要實(shí)現(xiàn)方法有：①利用實(shí)時(shí)輸入端電壓測(cè)量值對(duì)矩陣變換器進(jìn)行調(diào)制［24］；②令輸入電流參考值包含正序分量和負(fù)序分量?jī)刹糠?，其中電流的?fù)序分量與正序分量的幅值比等于電網(wǎng)電壓負(fù)序分量與正序分量的幅值比，電流的正序、負(fù)序分量的初相位分別等于電網(wǎng)電壓正序、負(fù)序分量的初相位［25］。采用上述方法，矩陣變換器輸出波形的基波分量理論上與參考輸出相一致，但作為代價(jià)，輸入側(cè)電流波形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。目前，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)工況對(duì)輸入電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制的方法可緩解這一問題［26，27］。圖8為輸入電流常規(guī)單位功率因數(shù)調(diào)制和動(dòng)態(tài)調(diào)制下的矩陣變換器輸入-輸出電流特性。

圖8　不平衡電網(wǎng)輸入下MC諧波抑制策略實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental results of harmonics reduction strategy with unbalanced input voltages

5）共模電壓抑制技術(shù)

當(dāng)脈寬調(diào)制信號(hào)作用于MC-PMSM的功率開關(guān)時(shí)，會(huì)在電機(jī)中性點(diǎn)與參考地之間產(chǎn)生共模電壓。共模電壓通過電機(jī)的定子、氣隙、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼及大地之間的分布電容，形成轉(zhuǎn)軸到軸承座的軸電壓。當(dāng)軸電壓克服了電機(jī)軸承上的阻抗時(shí)，將形成軸電流，進(jìn)而引起軸承損壞。此外，共模電壓還會(huì)引起電機(jī)保護(hù)措施的誤操作及產(chǎn)生電磁干擾等負(fù)面影響。目前，解決方案主要包括硬件補(bǔ)償和軟件抑制兩種形式。其中，硬件補(bǔ)償有兩種結(jié)構(gòu)：①在矩陣變換器輸入側(cè)連接由共模變壓器和H橋電路組成的共模電壓補(bǔ)償器，并在輸出側(cè)連接LC濾波器［28］；②在矩陣變換器輸入端連接三相-單相矩陣變換器、變壓器和低通濾波器，同時(shí)通過脈沖密度調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生兩個(gè)相位差為180°的正弦電壓以達(dá)到共模電壓抑制效果［29］。對(duì)于軟件抑制方法，則利用“零矢量開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的共模電壓幅值最高”這一結(jié)論，通過優(yōu)化零矢量調(diào)制位置［30］或利用有效矢量代替零矢量調(diào)制的方式［31］，將共模電壓最大值降低為MC輸入電壓峰值的57.7%。

2.2控制技術(shù)

1）穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

為了抑制網(wǎng)側(cè)輸入電流中的諧波，MC-PMSM系統(tǒng)輸入側(cè)需加裝LC形式的輸入濾波器，如圖1和圖2所示。但當(dāng)系統(tǒng)輸出功率大于一定限值時(shí)，輸入濾波器會(huì)導(dǎo)致矩陣變換器的輸入端電壓和輸入線電流出現(xiàn)大幅高頻振蕩現(xiàn)象，頻譜分析表明，此時(shí)電壓、電流波形包含基頻和一對(duì)差拍頻率分量，如圖9所示。這一現(xiàn)象從非線性動(dòng)力學(xué)角度來看，是矩陣變換器運(yùn)行在輸出功率臨界點(diǎn)附近所呈現(xiàn)的Hopf分岔現(xiàn)象，而該狀態(tài)隨輸出功率的增加還會(huì)轉(zhuǎn)換為混沌現(xiàn)象［32］。目前，改善系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的方法主要有：①采用R-L-C結(jié)構(gòu)濾波器［33］；②基于輸入端電壓濾波方法的改進(jìn)變換器調(diào)制策略［34］；③修正網(wǎng)側(cè)輸入電流相位改變系統(tǒng)輸入阻抗特性［35］。

圖9　矩陣變換器不穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸入特性Fig.9 Input characteristics of MC in unstable state

2）矢量控制

MC-PMSM系統(tǒng)的矢量控制，基本上延續(xù)了DR-VSI變流器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，因而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制以及死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償?shù)葐栴}是MC-PMSM系統(tǒng)運(yùn)行所要解決的首要問題。除此之外，MC-PMSM系統(tǒng)的控制還具有特殊性，即系統(tǒng)穩(wěn)定性改善方法與不平衡電網(wǎng)輸入下諧波抑制策略交互影響，導(dǎo)致矩陣變換器的實(shí)際輸出電壓在參考輸出電壓附近上下周期性波動(dòng)，給電機(jī)系統(tǒng)帶來難以濾除的電流低次諧波、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等不良影響。針對(duì)上述問題，目前采用內(nèi)模原理對(duì)矢量控制下的電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，可在保證電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下，有效提高不平衡電網(wǎng)輸入下的電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)性能［36］，如圖10所示。

圖10　采用內(nèi)?？刂芃C-PMSM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of MC-PMSM with internal model control strategy

3）直接轉(zhuǎn)矩控制

MC-PMSM系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制，在單位控制周期內(nèi)使用一個(gè)開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、磁鏈及電網(wǎng)功率因數(shù)的同時(shí)控制，方法簡(jiǎn)單，但存在輸入電流質(zhì)量差、轉(zhuǎn)矩磁鏈波動(dòng)大和開關(guān)頻率不固定的問題。主要原因在于：①移植電壓源逆變器-永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制下的滯環(huán)比較器和開關(guān)表結(jié)構(gòu)，使得開關(guān)頻率不固定和轉(zhuǎn)矩磁鏈波動(dòng)大兩個(gè)固有問題延續(xù)至矩陣變換器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)；②矩陣變換器有27個(gè)空間矢量，其中包含了6個(gè)獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)空間矢量以及18個(gè)幅值時(shí)變、指向固定的有效矢量，但現(xiàn)有矢量的兩級(jí)篩選方式無法使矩陣變換器空間矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩、磁鏈的細(xì)化調(diào)節(jié)作用完全發(fā)揮出來。針對(duì)上述問題，MC-PMSM系統(tǒng)的主從矢量直接轉(zhuǎn)矩控制［37］、占空比優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制［38］和最優(yōu)矢量直接轉(zhuǎn)矩控制策略［39］被陸續(xù)提出。通過上述研究，矩陣變換器旋轉(zhuǎn)矢量與有效矢量互補(bǔ)的轉(zhuǎn)矩、磁鏈和網(wǎng)側(cè)無功功率調(diào)控作用被揭示出來，矩陣變換器全部開關(guān)狀態(tài)對(duì)MC-PMSM系統(tǒng)關(guān)鍵被控量的作用機(jī)制得到建立，直接轉(zhuǎn)矩控制下的電機(jī)系統(tǒng)高精度控制獲得實(shí)現(xiàn)。圖11為主從矢量直接轉(zhuǎn)矩控制與圖2所示傳統(tǒng)控制方法在負(fù)載突變工況下的性能對(duì)比。

圖11　MC-PMSM系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of MC-PMSM with different direct torque control strategy

3　MC-PMSM系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過近20年的不斷研究，MC-PMSM系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。就各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀來看，MC-PMSM系統(tǒng)在技術(shù)層面呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）采用混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，突破電壓傳輸比極限。電壓傳輸比是矩陣變換器技術(shù)的瓶頸問題。在間接矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合升壓斬波電路及Z源變換器等，形成混合型矩陣變換器，可為破解這一難題提供很好地思路。因此圍繞這一點(diǎn)開展MC-PMSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論探索和關(guān)鍵技術(shù)研究，可助力MC-PMSM系統(tǒng)突破電壓傳輸比極限，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展。

2）整合變流與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面性能提升。矩陣變換器輸出側(cè)與輸入側(cè)直接通過功率開關(guān)相連，較之DR-VSI變流結(jié)構(gòu)的電機(jī)系統(tǒng)，由于沒有直流電容緩沖作用，導(dǎo)致MC-PMSM系統(tǒng)性能受變流技術(shù)影響很大，且變流技術(shù)往往會(huì)和控制技術(shù)相互交織，增加控制難度。舉例來說，為了增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在變流技術(shù)上的改進(jìn)措施會(huì)給不平衡電網(wǎng)輸入工況下的控制策略帶來新的要求。為此，考慮變流技術(shù)與控制技術(shù)間的交互作用，圍繞MC-PMSM系統(tǒng)的控制需求，探索變流與控制的優(yōu)化整合與匹配方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)MC-PMSM系統(tǒng)全面性能提升有積極作用。

3）結(jié)合新型電力電子器件技術(shù)，挑戰(zhàn)功率密度新高。近年來寬能帶間隙材料的半導(dǎo)體器件（如碳化硅和氮化鎵器件）取得了較快發(fā)展。這類器件與傳統(tǒng)的硅基電力電子器件相比，在擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、能帶間隙以及熱導(dǎo)率等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。將MC-PMSM系統(tǒng)與其相結(jié)合，功率密度指標(biāo)可大幅攀升。最新研究數(shù)據(jù)表明，在18～25 mm的尺寸范圍內(nèi)，采用氮化鎵雙向開關(guān)以及射頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)矩陣變換器整體功率電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，滿足4 kW電機(jī)的供電需求［40］。按這一態(tài)勢(shì)發(fā)展，矩陣變換器可集成于永磁同步電機(jī)內(nèi)部，由此形成的一體化永磁同步電機(jī)系統(tǒng)將推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)及其控制技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

4　結(jié)論

隨著對(duì)裝備加工精度、工作可靠性和生產(chǎn)效率等指標(biāo)要求的日益提高，一般的永磁同步電機(jī)通用伺服系統(tǒng)無法滿足非常規(guī)應(yīng)用環(huán)境下的多重指標(biāo)要求，使得研究開發(fā)高控制精度、高功率密度以及高運(yùn)行效率的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)成為推進(jìn)高端裝備國(guó)產(chǎn)化及自主化的關(guān)鍵。采用矩陣變換器技術(shù)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量雙向流動(dòng)以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)整靈活等特點(diǎn)，能較好地契合上述需求。目前，MCPMSM系統(tǒng)在變流技術(shù)和控制技術(shù)方面積累了大量卓有成效的研究成果，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。隨著后續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展、變流技術(shù)與控制技術(shù)的優(yōu)化整合、新型電力電子器件的應(yīng)用，MC-PMSM系統(tǒng)技術(shù)水平將大幅提高，可望在推動(dòng)航空航天、機(jī)械加工等領(lǐng)域裝備高端化上取得重大突破。

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Matrix Converter-permanent Magnet Synchronous Motor Drives

Xia Changliang1，2Yan Yan2
（1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China 2.School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University Tianjin 300072 China）

Matrix converter-permanent magnet synchronous motor drive（MC-PMSM）has a lot of merits such as compact structure，bidirectional energy transmission，adjustable input power factor，etc.，which can be regarded as an effectual solution for realizing high control precision，high power density as well as high efficiency.In this paper，starting with surveying converter topologies and control strategies of MC-PMSM drive，some key problems on the operation control of the system and related solutions are discussed with breakthroughs in converting and control of the system.At last，as a prediction for the trend of development，MC-PMSM drive is expected to be a breakthrough for high-end equipment developmentwith the innovation of topology ofmatrix converter，the integration of converting and control technology，and the applications of new power electronic devices in the future.

Matrix converter，permanent magnet synchronous motor，commutation technology，control technology

TM921.2

夏長(zhǎng)亮男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者，973計(jì)劃首席科學(xué)家，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制、電力電子與電氣傳動(dòng)。（通信作者）

閻彥女，1981年生，博士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制、電力電子與電氣傳動(dòng)。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計(jì)劃（2013CB035600）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51307114）和教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20130032120038）資助項(xiàng)目。

2015-10-07改稿日期2015-10-25