畢業(yè)設(shè)計(jì)--異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)通過把異步電動機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型，模擬直流電動機(jī)的控制模型來達(dá)到控制交流電動機(jī)的目的。以電子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到無延時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在分析三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理和三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上，深入研究了

2、轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的基本原理，設(shè)計(jì)了磁鏈和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)并給出了框圖，通過計(jì)算機(jī)仿真方法分別建立矩陣變換仿真模型以及基于矩陣變換的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。對矩陣變換的控制原理、輸入、輸出性能以及矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)的抗擾能力及四象限運(yùn)行特性進(jìn)行分析驗(yàn)證。</p><p>　　針對基于矩陣變換的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，著重對矢量控制單元進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。直接矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，模擬

3、直流電機(jī)的控制方式可以使交流電機(jī)也能達(dá)到與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。并采用MATLAB進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三電平逆變器；異步電機(jī)；轉(zhuǎn)子磁場定向控制；MATLAB仿真</p><p>　　The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based o

4、n Rotor Field-Oriented</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Three-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure

5、 high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefore, this article chooses three-level inverter induction motor rotor field-orien

6、ted control for research. </p><p>　　Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the co

7、ordinate transformation, the in-depth study of the rotor field-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the d

8、esign of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation. </p><p>　　Key words：Three-Level Inverter; Asynchronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB si

9、mulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　一、緒 論1</b></p><p>　?。ㄒ唬┱n題背景和意

10、義1</p><p>　?。ǘ┒嚯娖侥孀兤鞯陌l(fā)展概況1</p><p>　　（三）異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)綜述2</p><p>　　1. 交流調(diào)速的發(fā)展概況2</p><p>　　2. 轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)的發(fā)展概況2</p><p>　?。ㄋ模┱n題研究的主要內(nèi)容3</p><p

11、>　　二、二極管嵌位式三電平逆變器4</p><p>　?。ㄒ唬┠孀兤鹘榻B4</p><p>　　（二）三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理4</p><p>　?。ㄈ┒O管鉗位型三電平逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)8</p><p>　　三、異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制9</p><p>　?。ㄒ唬┊惒诫姍C(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型與坐

12、標(biāo)變換9</p><p>　　1.三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型9</p><p><b>　　2.坐標(biāo)變換13</b></p><p>　　3.異步電機(jī)在兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型16</p><p>　　4.異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型18</p><p>　?。ǘ?異步

13、電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制19</p><p>　　1.異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制簡介19</p><p>　　2.轉(zhuǎn)子磁場定向控制的基本原理19</p><p>　　3.轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型21</p><p>　?。ㄈ┊惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)23</p><p>　　1.異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng)23&

14、lt;/p><p>　　2.轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制24</p><p>　　3.磁鏈閉環(huán)控制24</p><p>　?。ㄋ模┍菊滦〗Y(jié)24</p><p>　　四、控制系統(tǒng)仿真分析25</p><p>　?。ㄒ唬㎝ATLAB/Simulink軟件介紹25</p><p>　　（二）異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向

15、控制系統(tǒng)仿真25</p><p><b>　　1.仿真模型25</b></p><p>　　2.仿真結(jié)果分析25</p><p>　?。ㄈ┍菊滦〗Y(jié)33</p><p>　　五、結(jié)論與展望34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p>

16、<p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　（一）課題背景和意義</p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防軍事以及日常生活中廣泛應(yīng)用著電機(jī)傳動，其中很多機(jī)械有調(diào)速要求，如車輛、電梯、機(jī)床及造紙機(jī)械等，約電能也需要調(diào)速。過去由于直流調(diào)速系統(tǒng)

17、調(diào)速方法簡單、轉(zhuǎn)矩易于控制，比較容易得到良好的動態(tài)特性，因此高性能的傳動系統(tǒng)都采用直流電機(jī)，直流調(diào)速系統(tǒng)在變速傳動領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。但是直流電機(jī)的機(jī)械接觸式換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花、需要經(jīng)常的維護(hù)檢修，使得直流傳動系統(tǒng)的運(yùn)營成本很高，特別是由于換向問題的存在，直流電機(jī)無法做成高速大容量的機(jī)組，如目前3000轉(zhuǎn)/分左右的高速直流電機(jī)最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到幾千千瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)向高速大容量

18、化發(fā)展的要求。這些缺點(diǎn)正是交流電機(jī)所能克服的，但交流電機(jī)的調(diào)速性能不理想，致使交流調(diào)速在變速傳動領(lǐng)域一直得不到廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，研究出各種新的控制技術(shù)以及新的控制理論，比如：異步電機(jī)的磁場定向控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，自適應(yīng)控制理論等等，致使交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而交流電機(jī)又具有直流電機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，牢固，運(yùn)行可靠，易于正反

19、轉(zhuǎn)，能適應(yīng)防塵、防爆、防腐蝕的惡劣環(huán)境，易于發(fā)展高速大容量的變速傳動系統(tǒng)。</p><p>　　交流電機(jī)典型的高效調(diào)速方法是變頻調(diào)速，它既適用于異步電機(jī)，也適用于同步電機(jī)。交流電機(jī)采用變頻調(diào)速不但能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，而且根據(jù)負(fù)載的特性不同，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關(guān)系，可使電機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)特性。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)和直流電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)相似，機(jī)械特性基本上平行上下移動，而轉(zhuǎn)差功率不變。同

20、時(shí)交流電機(jī)采用變頻起動更能顯著改善交流電機(jī)的起動性能，大幅度降低電機(jī)的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩，所以變頻調(diào)速是一種理想的交流電機(jī)調(diào)速方法。</p><p>　　現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的磁場定向控制調(diào)速技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，在磁場定向控制調(diào)速技術(shù)中利用矢量控制原理的高性能控制動態(tài)響應(yīng)好、效率高、性價(jià)比高、高精度等特點(diǎn)，使交流電動機(jī)可以有效地節(jié)電量，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。并使調(diào)速后的交流電動機(jī)具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速

21、動態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能，可以使其動、靜態(tài)特性可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美。在高壓大功率的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合多電平逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　?。ǘ┊惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)綜述</p><p>　　1. 交流調(diào)速的發(fā)展概況</p><p>　　直流電動機(jī)的調(diào)速性能優(yōu)于交流電動機(jī)，因此在調(diào)速領(lǐng)域曾一直占

22、主導(dǎo)地位。但直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速、電壓、功率受到環(huán)境影響，價(jià)格昂貴。與此同時(shí)交流電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但異步電動機(jī)本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，可控性較差，以前未得到大規(guī)模應(yīng)用。交流調(diào)速的初期，人們只能從異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型研究調(diào)速方法。異步電機(jī)的控制包括恒壓頻比控制、滑差頻率控制。恒壓頻比（V/F）控制是只在控制過程中保持V/F是常數(shù)不變，保證定子磁鏈的恒定，是一種最簡單的控制方法。但它是一

23、種開環(huán)控制，動態(tài)性能較差，控制參數(shù)還需要根據(jù)負(fù)載的不同改變，低速時(shí)還可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象?；铑l率控制包含了速度閉環(huán)，更容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。但是沒有瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，所以會影響動態(tài)性能。所以這兩種方法都是穩(wěn)態(tài)控制，電機(jī)動態(tài)性能不好。大多應(yīng)用在風(fēng)機(jī)等沒有高動態(tài)性能要求的調(diào)速中[2]。由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、微機(jī)控制技術(shù)等理論技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)調(diào)速取得了突破性進(jìn)展，交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代[11]。</p>

24、<p>　　2. 轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)的發(fā)展概況</p><p>　　德國的F.Blaschke在1971年提出矢量控制 理論。矢量控制一般稱為磁場定向控制，也就是將磁場的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向。轉(zhuǎn)子磁場定向控制的思想是將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)控制。應(yīng)用坐標(biāo)變換將電機(jī)三相系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系上，交流電矢量變?yōu)榱嘶ハ啻怪豹?dú)立的勵(lì)磁直流分量和轉(zhuǎn)矩直流分量?？刂苿?lì)磁分量為恒定值，通過控制電

25、流轉(zhuǎn)矩分量控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這種控制方法和直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制相似。轉(zhuǎn)子磁場定向控制消除了標(biāo)量控制的缺陷，同時(shí)提高了實(shí)時(shí)控制。在轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，電機(jī)參數(shù)變化和轉(zhuǎn)速測量的誤差會引起磁鏈誤差，影響轉(zhuǎn)子磁場定向控制的效果。</p><p>　　20實(shí)際70年代剛剛提出磁場定向控制的基本理論，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。但由于其運(yùn)算非常復(fù)雜，當(dāng)時(shí)的控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。電力電子器件、微處理器和現(xiàn)代控制理論的高速發(fā)展為高性能交流調(diào)速

26、奠定了基礎(chǔ)。21世紀(jì)轉(zhuǎn)子磁場定向控制也在快速的發(fā)展，日本在通用變頻器上的無速度傳感器方面比較先進(jìn)，美國在電機(jī)參數(shù)辨識上的研究比較深入，德國在大功率系統(tǒng)應(yīng)用上比較先進(jìn)。</p><p>　　采用現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)，開發(fā)更精確的轉(zhuǎn)子磁場定向方法和磁通觀測器，使變頻器獲得更大的低頻轉(zhuǎn)矩和過載能力是以后的重要發(fā)展方向，無速度傳感器的開發(fā)</p><p><b>　　也是研究熱點(diǎn)之一。<

27、;/b></p><p>　?。ㄈ┒嚯娖侥孀兤鞯陌l(fā)展概況</p><p>　　傳統(tǒng)兩電平逆變器在一個(gè)輸出周期內(nèi)橋臂的相電壓為兩電平波，高頻時(shí)產(chǎn)生很大的浪涌電壓和開關(guān)損耗，無法應(yīng)用在高壓輸出逆變器場合。所以，日本Akira Nabae教授1981年提出了中點(diǎn)嵌位逆變器,它有兩個(gè)分壓電容，每個(gè)橋臂上增添了兩個(gè)功率開關(guān)和中點(diǎn)嵌位二極管。該逆變器輸出三電平的電壓波，稱為三電平逆變器。P.

28、M. Bhagwat等人于1983年將三電平逆變器推廣到五電平、七電平等多電平逆變器結(jié)構(gòu)。多電平逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電壓等級、輸出電壓諧波含量低、du/dt和di/dt引起的電磁干擾小，在高電壓大功率逆變場合具有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　多電平逆變器包括二極管嵌位型、電容嵌位型、有源中點(diǎn)嵌位型逆變器等。還有一些衍生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如層疊多單元逆變器等。研究多電平拓?fù)涫菫榱藢?shí)現(xiàn)多電平的輸出電壓，使其應(yīng)該用在更

29、高的電壓場合，減小諧波含量。二極管嵌位型、電容嵌位型多電平逆變器適用于高電壓輸出大功率逆變場合。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大容量逆變器得到了廣泛的應(yīng)用。二極管箝位式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，但中點(diǎn)電壓平衡難以控制，目前只有三電平逆變器實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[3-4]。</p><p>　?。ㄋ模┱n題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　多電平逆變器因?yàn)槟蛪焊撸敵鲋C波含量少等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于在高

30、壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域，三電平逆變器是多電平逆變器中應(yīng)用最廣泛的一種。異步電機(jī)的磁場定向控制模擬直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)良好的動態(tài)性能。本文針對基于三電平逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制進(jìn)行了研究。</p><p>　　本課題的主要工作包括：</p><p>　　1. 對二極管嵌位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了分析。</p><p>　　2. 分析了異步電機(jī)在三相靜止坐

31、標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，研究了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制的原理和磁鏈觀測模型。</p><p>　　3. 設(shè)計(jì)了基于三電平逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈閉環(huán)。</p><p>　　4. 對三電平逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行了MATLAB仿真。</p><p>　　二、二極管嵌位式三電平逆變器</p&g

32、t;<p><b>　　（一）逆變器介紹</b></p><p>　　多電平逆變技術(shù)最初的出發(fā)點(diǎn)是通過對逆變器的主電路進(jìn)行改進(jìn)，使得逆變器的所有開關(guān)器件都工作在基頻或者基頻以下，以達(dá)到降低功率器件開關(guān)的頻率、減小開關(guān)應(yīng)力、減小輸出電壓諧波含量等目的，提高整個(gè)功率變換的效率，但因多電平逆變器需要的各種功率器件較多，所以從提高產(chǎn)品性價(jià)比的角度考慮，更適合應(yīng)用于高壓大功率的場合。&l

33、t;/p><p>　　理論上，逆變器的電平數(shù)越多，所得到的階梯數(shù)越多，從而更接近于正弦波，諧波含量越小。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到硬件條件和控制電路的復(fù)雜性的制約，在綜合考慮性能指標(biāo)的情況下，三電平逆變器最為普遍，對其研究和分析具有實(shí)際意義</p><p>　　三電平是相對于通用變頻器中常用的兩電平方案而言的[14]。在兩電平逆變器中，通過輪流導(dǎo)通的電力電子器件，在輸出端把中間直流回路的正端電壓

34、和負(fù)端電壓分別接到交流電動機(jī)定子各相繞組上。當(dāng)逆變器輸出電壓較高時(shí)，開關(guān)器件的耐壓不夠。所以提出了多電平逆變器適應(yīng)負(fù)載的要求[3]，目前只有二極管嵌位式三電平逆變器在中壓大功率傳動系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用[5]。 三電平電路由于其特殊的電路結(jié)構(gòu)，除P、N兩種電平輸出外還可以實(shí)現(xiàn)零電平O輸出[6]。</p><p>　　二極管嵌位式三電平逆變器的電平數(shù)比兩電平逆變器多，輸出電壓和電流接近于正弦波，諧波含量減少。器件受到

35、的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性提高。du/dt的降低減小了對外圍電路和電機(jī)的影響[17]。但它也帶來了中點(diǎn)電位平衡問題。基于三電平逆變器的優(yōu)勢，本文采用二極管嵌位式三電平逆變器，并通過開關(guān)狀態(tài)的分配減小中點(diǎn)電位偏移。</p><p>　?。ǘ┤娖侥孀兤鞯耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　多電平電路的實(shí)現(xiàn)有很多方式，但從電路原理的角度，為得到所要輸出的多層電平，至少應(yīng)該具有兩個(gè)條件：一．

36、在輸入側(cè)有基本的直流電平；二．需要由有源和無源開關(guān)器件組成的基本變換單元，將基本電平合成以實(shí)現(xiàn)多電平輸出。通過對基本電路單元的不同組合，可以生成不同電平數(shù)以及不同電路特性的多種電路。根據(jù)需要對這些電路加以簡化，就可以得到許多實(shí)用的多電平電路拓?fù)?。目前所見到的多電平逆變器，按照主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分，主要分為三類基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管鉗位型多電平逆變器(Diode-clamped multilevel inverter)、飛跨電容型多電平逆變器

37、(Flying-capacitor multilevel inverter)和級聯(lián)型多電平逆變器(Cascaded multilevel inverter)。最常見的二極管鉗位型三電平逆變器，這種拓?fù)浜唵?，?yīng)用廣泛，控制策略也比較簡單，是分析多電平逆變器的基礎(chǔ)。</p><p>　　當(dāng)逆變器電路需要輸出電壓較高時(shí)，開關(guān)器件的耐壓不夠，這時(shí)可以對電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以使得在當(dāng)前開關(guān)器件耐壓水平下，獲得更高的電壓輸

38、出，二極管鉗位型三電平電路是最早提出的一種拓?fù)洹?lt;/p><p>　　圖2.1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.1所示，當(dāng)S1和S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出端A相對M點(diǎn)的電平為Ud /2(E)；當(dāng)S2和S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出端A相與M點(diǎn)相連，因此它的電平為0；當(dāng)S3和S4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出A相電壓為-Ud /2(-E)，所以每相橋臂能輸出三個(gè)電平狀態(tài)，由三相這種

39、橋臂組成的逆變器就叫做二極管鉗位型三電平逆變器。</p><p>　　從表2.1可以看到三種穩(wěn)態(tài)工作模式的開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，主開關(guān)管S1和S4不能同時(shí)導(dǎo)通，且S1和S3、S2和S4的工作狀態(tài)恰好相反，即工作在互補(bǔ)狀態(tài)，平均每個(gè)主開關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為Ud/2。另外從表2.1中也可以看出，每相橋臂中間的兩個(gè)IGBT導(dǎo)通時(shí)間最長，導(dǎo)致發(fā)熱量也多一些，因此實(shí)際系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)以這兩個(gè)IGBT為準(zhǔn)。<

40、/p><p>　　表2.1 二極管箝位式三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)和輸出電平</p><p>　　為了分析逆變器的開關(guān)器件的換向過程，假設(shè)開關(guān)S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)由O變?yōu)镻。</p><p>　　圖2.2(a)給出了開關(guān)S1，S4的開關(guān)信號Vg1，Vg4。與兩電平逆變器相似，在S1與S3之間需要換向時(shí)間。圖2.2(b)，(c)給出了逆變器A相橋臂的換向過程，每個(gè)開關(guān)

41、管上并聯(lián)一個(gè)電阻。根據(jù)A相負(fù)載電流的方向，分兩種情況分析。</p><p>　　當(dāng)iA>0時(shí)，換向過程如圖2.2(b)所示。假設(shè)(a)在感性負(fù)載下，換向過程中負(fù)載電流</p><p>　　iA保持恒定。(b)直流側(cè)電容C1，C2足夠大，每個(gè)電容上的電壓保持E。(c)所有的開關(guān)是理想開關(guān)。在開關(guān)狀態(tài)[O]，開關(guān)S1，S4關(guān)斷，S2，S3導(dǎo)通。鉗位二極管VD1由于負(fù)載電流iA>0導(dǎo)

42、通。S2，兩端電壓Vs2=Vs3=0，關(guān)斷的兩個(gè)開關(guān)管兩端電壓Vs1=Vs4=E。</p><p>　　在換向δ時(shí)刻，S3關(guān)斷，電流iA仍然保持，當(dāng)S3完全關(guān)斷后，S3，S4兩端的電壓Vs3=Vs4=E/2。 </p><p>　　在開關(guān)狀態(tài)[P]下，開關(guān)S1導(dǎo)通，鉗位二極管VD，方向偏置而截止。負(fù)載電流由VD1上換到S1上。開關(guān)S3，S4已經(jīng)關(guān)斷，Vs3=Vs4=E。 </p&

43、gt;<p>　　當(dāng)iA<0時(shí)，換向過程如圖2.2(c)所示。在開關(guān)狀態(tài)[O]，開關(guān)S1，S4關(guān)斷，S2、S3導(dǎo)通。鉗位二極管VD2由于負(fù)載電流iA<0導(dǎo)通。關(guān)斷的兩個(gè)開關(guān)管兩端Vs1=Vs4=E。</p><p>　?。╝）開關(guān)信號 </p><p>　?。╞）當(dāng)iA>0時(shí)換向過程</p><p>　　（c）當(dāng)iA&

44、lt;0時(shí)換向過程</p><p>　　圖2.2 開關(guān)狀態(tài)從[O]到[P]的換向過程</p><p>　　在換相δ時(shí)刻，S3關(guān)斷，電流iA通過二極管D1，D2續(xù)流，Vs1=Vs2=0。負(fù)載電流由S3換向到二極管D1，D2中。當(dāng)S3完全關(guān)斷后，S3，S4兩端的電壓Vs3=Vs4=E。</p><p>　　在開關(guān)狀態(tài)[P]下，開關(guān)S1導(dǎo)通，不影響電路的工作。負(fù)載電流仍然

45、能通過二極管D1，D2流入直流側(cè)。</p><p>　　綜上所述，逆變器的所有開關(guān)器件在開關(guān)狀態(tài)從[O]到[P]過程中，只承受直流母線電壓的一半。同樣在開關(guān)狀態(tài)由[P]到[O]，由[N]到[O]，由[O]到[N]，也能得出同樣的結(jié)論，因此在逆變器中不存在動態(tài)分壓問題。</p><p>　　開關(guān)狀態(tài)由[P]到[N]是禁止的，因?yàn)椋?a)這需要逆變器的一個(gè)橋臂上的開關(guān)，兩個(gè)同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)同時(shí)關(guān)

46、斷，每個(gè)開關(guān)上的電壓會出現(xiàn)動態(tài)不均。(b)開關(guān)損耗增加一倍。</p><p>　?。ㄈ┒O管鉗位型三電平逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　綜合以上分析，可以概括出二極管鉗位型三電平逆變器有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 三電平逆變器能夠很好的解決電力電子開關(guān)器件耐壓不夠高的問題。器件承受的關(guān)斷電壓就是直流回路電壓的一半，三電平拓?fù)涫沟孟嗤蛪核降拈_關(guān)器件

47、，可以應(yīng)用于中高壓的大容量變頻器。由于沒有兩電平逆變器中兩個(gè)串聯(lián)器件的同時(shí)導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷問題，對器件的動態(tài)性能要求低，器件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)的可靠性有所提高。</p><p>　　2. 三電平輸出電壓電平數(shù)增多，各級電平間的幅值變化降低，低的dv/dt對外圍電路的干擾減小，對電機(jī)的沖擊小，在開關(guān)頻率附近的諧波幅值也小。</p><p>　　3. 由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀

48、更接近正弦。在同樣的開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗小，效率高，這正適應(yīng)高壓大容量逆變器由于開關(guān)損耗及器件性能的問題開關(guān)頻率不能太高的要求。</p><p>　　4. 可以控制無功功率流。</p><p>　　但是二極管鉗位型三電平逆變器結(jié)構(gòu)也有它固有的不足：</p><p>　　1. 需要鉗位二極管，對三電平來說，鉗位二極管承受反壓相同，但是對于更多電平電路來說，鉗位二極管承

49、受反壓最高為(M-2)/(M-1)，最低為1/(M-1)，其中M為電平數(shù)。</p><p>　　2. 每橋臂內(nèi)外側(cè)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間不同，造成符合不一致。每相橋臂越靠中間的管子開通時(shí)間越長，這樣同一橋臂上管子的額定電流也會有所不同。</p><p>　　3. 存在直流分壓電容電壓不平衡問題[12]。</p><p>　　三、異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制</p>

50、;<p>　?。ㄒ唬┊惒诫姍C(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換</p><p>　　1.三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　異步電動機(jī)是一個(gè)多變量，強(qiáng)耦合系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程組成[25]。</p><p><b>　?。?）電壓方程</b></p><p>　　定子繞組的UA電壓方

51、程</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　式中UA、UB、UC為定子相電壓，iA、iB、iC為定子相電流，Rs為定子電阻，ΨA、ΨB、ΨC為定子磁鏈。</p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程</p><p><b>　　(3.2)</b></p>

52、<p>　　式中Ua、Ub、Uc為轉(zhuǎn)子相電壓，ia、ib、ic為轉(zhuǎn)子相電流，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，Ψa、Ψb、Ψc為轉(zhuǎn)子磁鏈。</p><p>　　所以電壓方程的矩陣形式為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　或?qū)懗?(3.4) </

53、p><p><b>　　（2）磁鏈方程</b></p><p>　　磁鏈等于自感磁鏈和互感磁鏈之和。磁鏈方程的矩陣形式</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　LAA、LBB、LCC為定子繞組的自感。對每一項(xiàng)定子繞組來說，它所交鏈的磁通包括互感磁通和漏感磁通?；ジ写磐ㄊ谴┻^氣

54、隙的磁通，漏感磁通是只與一相繞組交鏈的磁通?；ジ写磐ㄊ侵饕磐?。由于繞組的對稱性，各相的漏感相等。所以定子自感為</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　Lms為定子互感，Lls為定子漏感。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)子電阻的自感為</b></p><p><b

55、>　　(3.7)</b></p><p>　　Lmr為轉(zhuǎn)子互感，Llr為轉(zhuǎn)子漏感。</p><p>　　定子三相之間的互感是常值</p><p>　　(3.8) </p><p>　　轉(zhuǎn)子三相之間的互感也為常值</p><p>

56、<b>　　(3.9)</b></p><p>　　定子和轉(zhuǎn)子之間的互感</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　θ為轉(zhuǎn)子a相和定子A相之間的夾角。 </p><p><b>　　（3）轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>

57、;　　轉(zhuǎn)矩磁鏈方程3.5顯然比較復(fù)雜，為了方便起見，可以將它寫成分塊的矩陣形式</p><p><b>　　（3.11）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　（3.13）<

58、;/b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理。在多繞組電機(jī)中，在線性電感的條件下，磁場的蓄能和磁共能為：</p><p><b>　?。?.16）</b></p

59、><p>　　而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變換時(shí)磁共能的變化率，且機(jī)械角位移，于是，</p><p><b>　　（3.17）</b></p><p>　　將式3.16代入到3.17中，并考慮到電感的分塊矩陣關(guān)系式3.13—3.15得</p><p><b>　?。?.18）</b></p>

60、<p>　　又由于,代入到3.18中得：</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　以式3.15代入到3.19中并展開后，舍去負(fù)號，意即電磁轉(zhuǎn)矩的正方向?yàn)槭箿p小的方向，則有轉(zhuǎn)矩方程為</p><p><b>　　( 3.20 )</b></p><p>　　應(yīng)該

61、指出，上述公式是在線性磁路、磁動勢在空間按正弦分布的假定條件得出來的，但對定、轉(zhuǎn)子電流時(shí)間的波形未作任何假定，式中的電流i都是實(shí)際瞬時(shí)值。因此，上述電磁轉(zhuǎn)矩公式完全適合用于變壓變頻器供電的含有電流諧波的三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.1 三相異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系</p><p><b>　　2.坐標(biāo)變換</b></p><p&g

62、t;　　由上節(jié)可知交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，求解困難，所以采用坐標(biāo)變換的方法對交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，簡化電機(jī)模型。直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組完全解耦，分析和控制都很簡單。所以坐標(biāo)變換的思想就是將交流電機(jī)的物理模型等效的變換為直流電機(jī)模式，等效變換的原則為在不同坐標(biāo)系上產(chǎn)生的磁動勢完全相等[14]。</p><p>　?。?）三相-兩相坐標(biāo)變換</p><p>　　三相-兩相變

63、換為三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換。三相靜止坐標(biāo)系(ABC坐標(biāo)系)的A軸和兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系）α軸重合。設(shè)三相繞組每相匝數(shù)為N3，兩相繞組每相匝數(shù)為N2，各相磁動勢為匝數(shù)和電流的乘積，磁動勢矢量在相應(yīng)的坐標(biāo)軸上。</p><p>　　圖3.2 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動勢的空間矢量</p><p>　　當(dāng)三相總磁動勢和兩相總磁動勢相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動勢在α、β軸上的投影

64、相等，</p><p><b>　　(3.21)</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　當(dāng)變換后功率不變時(shí)匝數(shù)比為</p><p>　　所以三相坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換

65、矩陣為</p><p><b>　　(3.23)</b></p><p>　　從兩相靜止坐標(biāo)系到三相坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換為</p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　?。?）兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換</p><p>　　圖3.3 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐

66、標(biāo)系</p><p>　　如圖3.3所示，兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）。dq坐標(biāo)系以同步角速度ω1旋轉(zhuǎn)。d軸和α軸的夾角Ψ是變化的。αβ坐標(biāo)系上的兩相交流電流iα、iβ和dq坐標(biāo)系上的兩相直流電流id、iq產(chǎn)生相等的合成磁動勢Fs，它也以同步角速度ω1旋轉(zhuǎn)。取各相繞組匝數(shù)相等。由總磁動勢相等得到</p><p><b>　　(3.25)</b&

67、gt;</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　所以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為</p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　兩相靜止坐標(biāo)系

68、到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為</p><p><b>　　(3.28)</b></p><p>　?。?）三相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換</p><p>　　由三相—兩相坐標(biāo)變換和兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換可以得到三兩—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的變換矩陣為</p><p><b>　　(3.29)</b></

69、p><p>　　3.異步電機(jī)在兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)掌握的內(nèi)容可以知道，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，而坐標(biāo)變換的目的就是要簡化數(shù)學(xué)模型，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止坐標(biāo)系上的，如果把它變換到兩相坐標(biāo)系上，由于兩相坐標(biāo)系互相在垂直，兩相繞組之間沒有磁力的耦合，僅此一點(diǎn)就會使數(shù)學(xué)模型簡化很多。</p><p>　　兩相坐標(biāo)系可以是靜止

70、的，也可以是旋轉(zhuǎn)的，其中以任意旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系為最一般的情況，有了這種情況的數(shù)學(xué)模型，要求出某一具體兩相坐標(biāo)系上的模型就比較容易了。 </p><p>　　如圖3.4所示，三相靜止坐標(biāo)系（ABC坐標(biāo)系）和兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）。兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸和三相靜止坐標(biāo)A軸的夾角為θs，相應(yīng)的角速度為ωdqs，d軸相對于轉(zhuǎn)子a軸的角速度為ωdqr，轉(zhuǎn)子a軸相對于A軸的角速度為ωr。把3.1.1節(jié)中異步電機(jī)在三相靜止

71、坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過3.1.2節(jié)中的三相—兩相坐標(biāo)變換和兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型[15]。</p><p>　　圖3.4 三相靜止坐標(biāo)系、兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系</p><p>　　要把三相靜止坐標(biāo)系上的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程都變到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來，可以利用3/2變換和2s/2r變換，由于變換過程較為復(fù)雜，這里不做具體變換，變

72、換后可得一下：</p><p><b>　?。?）磁鏈方程</b></p><p><b>　　(3.30)</b></p><p>　　式中 Lm——dq坐標(biāo)系定子和轉(zhuǎn)子等效繞組間的互感</p><p>　　Ls——dq坐標(biāo)系定子等效繞組的自感</p><p>　　Lr——

73、dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效繞組的自感</p><p>　　在dq坐標(biāo)系上，兩軸相互垂直，沒有耦合關(guān)系，只有同軸上的繞組有互感，比三相坐標(biāo)系上的磁鏈方程簡單的多。</p><p><b>　?。?）電壓方程</b></p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　將磁鏈方程帶入電壓方程得

74、到如下形式</p><p><b>　　(3.32)</b></p><p>　　電壓方程比三相靜止坐標(biāo)系上的電壓方程降低了維數(shù)。</p><p>　　將電壓方程中含有R的電阻壓降，含Lp的脈變電動勢和含有ω的旋轉(zhuǎn)電動勢分開，得到電壓方程如下</p><p><b>　　(3.33)</b><

75、/p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)矩方程 </b></p><p>　　同三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型一樣可以推出轉(zhuǎn)矩方程為：</p><p><b>　　(3.34)</b></p><p>　　4.異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（

76、也用dq坐標(biāo)系表示）就是兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度ωdqs等于定子頻率的同步角速度ω1，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ωr，dq軸相對于轉(zhuǎn)子的角速度為轉(zhuǎn)差。</p><p>　　同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為[16]，</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p>　　磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程是一樣的。<

77、/p><p>　?。ǘ?異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制</p><p>　　1.異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制簡介</p><p>　　直流電機(jī)傳動系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能，是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)定子磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由正交的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場和電樞電流產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生。通常保持勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場不變，通過控制電樞電流控制轉(zhuǎn)矩。由上一節(jié)可知異步電機(jī)通過坐標(biāo)變換等

78、效成直流電機(jī)，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換控制異步電機(jī)，就可以使交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)，也叫磁場定向控制系統(tǒng)[7]。</p><p>　　磁場定向控制方式分為定子磁場定向、氣隙磁場低定向和轉(zhuǎn)子磁場定向，本文采用的是轉(zhuǎn)子磁場定向的控制方式[18]。</p><p>　　2.轉(zhuǎn)子磁場定向控制的基本原理

79、</p><p>　　取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀譺的方向，稱之為M軸，而q軸為逆時(shí)針90度，垂直于M軸，稱之為T軸。這樣的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就為按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MT坐標(biāo)系）。定子電流分為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，在轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，保證定子電流勵(lì)磁分量ism為額定值，對定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist進(jìn)行單獨(dú)控制，從而控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。</p><p>

80、　　當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁場定向時(shí)，有</p><p><b>　　(3.36)</b></p><p>　　由式（3.33）可知</p><p><b>　　(3.37)</b></p><p>　　將式（3.37）帶入式（3.34）中可得</p><p><b

81、>　　(3.38)</b></p><p>　　將式（3.36）帶入式（3.38），并用m、t代替d、q可得</p><p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，，，同時(shí)鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子是短路的，，所以式（3.31）變?yōu)?lt;/p><p><b>　　(3.4

82、0)</b></p><p>　　將是（3.37）帶入式（3.40）中的后兩個(gè)式子得到</p><p><b>　　(3.41)</b></p><p>　　式中, ——轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)</p><p>　　將式（3.36）帶入式（3.41），并用m、t代替d、q可得</p><p>&

83、lt;b>　　(3.42)</b></p><p>　　由式（3.42）得到</p><p><b>　　(3.43)</b></p><p>　　式（3.39）和式（3.43）構(gòu)成了轉(zhuǎn)子磁場控制的基本方程。從式中可以看到轉(zhuǎn)子磁鏈只和電流勵(lì)磁分量ism有關(guān)，與轉(zhuǎn)矩分量ist無關(guān)，定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。在保證is

84、m不便的情況下，通過單獨(dú)控制ist可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。</p><p>　　3.轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型</p><p>　　磁鏈觀測是磁場定向控制最關(guān)鍵的部分，磁鏈觀測不準(zhǔn)直接影響磁場定向控制的準(zhǔn)確度，影響磁場定向控制效果。轉(zhuǎn)子磁場定向大體上可分為間接磁場定向控制和直接磁場定向控制兩種方法。</p><p>　　圖3.5間接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈模型</p>&

85、lt;p>　　間接磁場定向控制由電機(jī)定子電流估算滑差角與電動機(jī)轉(zhuǎn)速相加得到磁鏈轉(zhuǎn)角。首先測得電機(jī)的三相定子電流，經(jīng)過三相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換并按轉(zhuǎn)子磁場定向，得到M、T坐標(biāo)系上的電流ism、ist。按照轉(zhuǎn)子磁場定向控制方程式（3.44）計(jì)算得到磁鏈幅值Ψr和轉(zhuǎn)差ωsｌ。ωsｌ與電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr相加得到同步角速度ω1，對ω1積分得到磁鏈轉(zhuǎn)角θ。計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的間ωｓｌ接方法模型如圖3.5所示[19-20]。</p><p

86、><b>　　(3.44)</b></p><p>　　這種模型簡單，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都可以使用，不足之處是觀測模型受電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化的影響。</p><p>　　直接磁場定向控制通過電機(jī)定子電壓和電流直接計(jì)算得到轉(zhuǎn)子磁鏈。計(jì)算公式如下</p><p><b>　　(3.45)</b></p>&l

87、t;p>　　直接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的模型如圖3.6所示</p><p>　　圖3.6直接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈模型</p><p>　　這種模型和電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)沒有關(guān)系，解決了間接磁場定向控制方法的不足之處。該模型和電機(jī)轉(zhuǎn)速沒有關(guān)系，適合于無速度傳感器控制系統(tǒng)。但這種模型有它自身的缺點(diǎn)：（1）低速時(shí)，定子電阻壓降變化的影響較大，適合于中、高速范圍。可以使用組合模型解決低速不準(zhǔn)確問題，低速時(shí)采用間接

88、方法，高速時(shí)采用直接方法。但要處理好交接速度的處理，一般交接速度n≤15%nN。（2）積分初試化和直流偏量會帶來積分漂移。可以將積分器換成低通濾波器，同時(shí)由低通濾波器產(chǎn)生的相位滯后和幅值偏差需要用轉(zhuǎn)子磁鏈的參考值補(bǔ)償。</p><p>　　根據(jù)以上兩種磁鏈觀測的方法分析，在有速度傳感器的控制系統(tǒng)中適合采用間接磁場定向控制方法。</p><p>　?。ㄈ┊惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)<

89、/p><p>　　1.異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁場定向控制的本質(zhì)是轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr和電磁轉(zhuǎn)矩Te的解耦控制，所以分別對這兩個(gè)變量進(jìn)行控制。通過在磁鏈控制器、轉(zhuǎn)矩控制器中將Ψr*和ωr*與計(jì)算得到的磁鏈Ψr和反饋的ωr進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)磁鏈、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。</p><p>　　異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)由給定轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制計(jì)算得到

90、給定電壓。給定電壓在靜止坐標(biāo)系上的兩個(gè)分量為Uα、Uβ。。Uα、Uβ和直流電壓Udc、采樣周期Ts作為SVPWM控制的輸入量，SVPWM控制的輸出為控制逆變器開關(guān)管IGBT的觸發(fā)脈沖。直流電壓通過逆變器得到幅值和相位可控的交流電供給異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速和磁鏈雙閉環(huán)控制，包含轉(zhuǎn)速、磁鏈、ism、ist四個(gè)閉環(huán)控制和電</p><p>　　壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，磁鏈觀測器得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、幅角和同步轉(zhuǎn)速。圖

91、3.7為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖。</p><p>　　圖3.7 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)由給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速比較后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到電磁轉(zhuǎn)矩的給定值，給定電磁轉(zhuǎn)矩和反饋磁鏈由公式計(jì)算得到給定t軸電流ist*，弱磁時(shí)受到磁鏈信號的影響。ist*和反

92、饋t軸電流ist比較后通過PI調(diào)節(jié)后加上電壓前饋補(bǔ)償U(kuò)st′得到給定t軸電壓Ust*。</p><p><b>　　3.磁鏈閉環(huán)控制</b></p><p>　　磁鏈閉環(huán)控制由電機(jī)反饋角速度通過函數(shù)發(fā)生器得到給定轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr，給定轉(zhuǎn)子磁Ψr*和反饋轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)和公式計(jì)算得到給定m軸電流ism*，ism*和反饋m軸電流ism比較后通過PI調(diào)節(jié)加上電壓前饋

93、補(bǔ)償U(kuò)sm′得到給定m軸電壓Usm*。Ust*和Usm*通過坐標(biāo)變換得到給定電壓在靜止坐標(biāo)系上的分量Usα、Usβ。</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器首先由電機(jī)反饋角速度ωr經(jīng)計(jì)算的到電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速n。對n取絕對值，然后限幅，限幅的下限是額定轉(zhuǎn)速，上限是無窮大。這樣無論電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速絕對值小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，取額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，取實(shí)際值。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速乘以電機(jī)初始磁鏈除以電機(jī)轉(zhuǎn)速限幅之

94、后的值得到轉(zhuǎn)子磁鏈給定值。這樣當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速限幅值為額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速限幅值為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的絕對值，轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值乘以小于1的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)弱磁控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，弱磁越強(qiáng)。</p><p><b>　　（四）本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過坐標(biāo)變換的方法將三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)

95、坐標(biāo)系上，采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法，使交流電機(jī)調(diào)速的動態(tài)性能更好，在此基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)子磁場定向下的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[21-23]。</p><p>　　四、控制系統(tǒng)仿真分析</p><p>　?。ㄒ唬㎝ATLAB/Simulink軟件介紹</p><p>　　MATLAB是適用于電力電子電路及系統(tǒng)仿真的專用仿真軟件，提供了“SimpowerSystems”是

96、電力電子系統(tǒng)的理想仿真工具。Simulink是MATLAB的軟件擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它有MATLAB的區(qū)別在于基于與用戶的接口是windows的模塊化圖形輸入，其結(jié)果是用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的搭建，擴(kuò)展語音的編程。它將各種功能子程序模塊化，提供完善的部件模型，可以進(jìn)行簡單的操作就可以完成系統(tǒng)的仿真模型。在設(shè)計(jì)完異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)之后，需要運(yùn)用MATLAB軟件對其進(jìn)行仿真分析，證明其正確性和

97、有效性[24]。</p><p>　?。ǘ┊惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真</p><p><b>　　1.仿真模型</b></p><p>　　控制系統(tǒng)仿真模型：系統(tǒng)框圖包括轉(zhuǎn)速控制模型，磁鏈控制模型，SVPWM模型和三電平逆變器模型，直流電壓給定，異步電機(jī)模型。系統(tǒng)仿真模型如圖4.1所示。</p><p>　　圖4

98、.1 系統(tǒng)仿真模型</p><p><b>　　2.仿真結(jié)果分析</b></p><p><b>　　仿真參數(shù)如下：</b></p><p>　　電機(jī)功率P：110KW； 電機(jī)額定線電壓U：325V；</p><p>　　電機(jī)額定線電流I：233A； 電機(jī)定子

99、電阻Rs：10.55m；</p><p>　　電機(jī)定子漏感Lls：0.33mH； 電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻Rr：7.55m；</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感Llr：0.46mH； 電機(jī)互感：11.842mH；</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)矩：5.0 kgm2； 電機(jī)頻率：60Hz；</p><p>　

100、　磁鏈初始值：0.555Wb； 外環(huán)調(diào)節(jié)周期：2ms；</p><p>　　內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)周期：0.5ms； 磁鏈限幅：0—0.7wb；</p><p>　　轉(zhuǎn)矩限幅：-1170Nm—1150Nm； 電壓限幅：-280V—280V；</p><p>　　電流限幅：-655A—655A； 直流電壓Udc

101、：500V；</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形如圖4.2所示，系統(tǒng)給定額定轉(zhuǎn)速1748r/min,啟動穩(wěn)定后加上額定負(fù)載580Nm。</p><p>　　圖4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形</p><p>　?。?）圖4.3電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖<

102、;/p><p>　　圖4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖</p><p>　　（3）如圖4.4為電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、定子A相電流ia的波形圖。如圖4.5為定子三相電流的波形圖。</p><p>　　圖4.4電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、定子A相電流ia仿真波形</p><p>　　圖4.5電機(jī)三相定子電流仿真波形</p><p&

103、gt;　　從圖可以看出電機(jī)首先充磁，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為0，因?yàn)槌浯潘詉sm不為零，定子電流也不為0，為直流量。充磁后系統(tǒng)啟動可以帶動額定負(fù)載，啟動時(shí)轉(zhuǎn)矩較大，定子電流較大，轉(zhuǎn)速上升率可以設(shè)定，轉(zhuǎn)速超調(diào)很小，三相交流電波形平滑。</p><p>　　（4）如圖4.6所示為電流的勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，從圖中可以看出系統(tǒng)充磁之后ism保持不變，ist和轉(zhuǎn)矩變化一致，也就是勵(lì)磁分量不變保持磁通恒定，通過電流的轉(zhuǎn)矩

104、分量控制轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖4.6 電流勵(lì)磁分量ism和ist</p><p>　?。?）如圖4.7所示為滑差轉(zhuǎn)速</p><p>　　從圖中可以看出啟動時(shí)的滑差轉(zhuǎn)速較大，大概為60r/min，啟動后的滑差轉(zhuǎn)速下降到為45r/min左右。</p><p>　　圖4.7 滑差轉(zhuǎn)速仿真波形</p><p>　?。?/p>

105、6）如圖4.8所示為系統(tǒng)啟動時(shí)空載，系統(tǒng)穩(wěn)定后突加額定負(fù)載580Nm系統(tǒng)的動</p><p>　　態(tài)響應(yīng)圖?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)速恢復(fù)較快，動態(tài)響應(yīng)較好。</p><p>　　圖4.8 突加負(fù)載時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形</p><p>　　(7)如圖4.9所示為系統(tǒng)穩(wěn)定后加低頻變化的負(fù)載，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能良好。</p><p>　　圖4.9擾動負(fù)載時(shí)系

106、統(tǒng)響應(yīng)仿真圖</p><p>　?。?）如圖4.10所示為系統(tǒng)啟動時(shí)加大負(fù)載980Nm，1.5秒后加額定負(fù)載580Nm。從圖中可以看出系統(tǒng)具有帶動大負(fù)載的能力，啟動時(shí)間也可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。</p><p>　　圖4.10 啟動帶大負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖</p><p>　　（9）如圖4.11所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、電機(jī)定子A相電流ia和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形。啟動

107、時(shí)給定轉(zhuǎn)速為1748r/min,在第7秒時(shí)給定1850r/min，大于額定轉(zhuǎn)速1800r/min，從圖中可以看出磁鏈幅值下降到0.57Wb，從而使轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1850r/min。</p><p>　　圖4.11 弱磁時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形 </p><p>　?。?0）系統(tǒng)的PI參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)是有影響的。表4.1為轉(zhuǎn)矩PI參數(shù)Kp對突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間的影響。表4.2

108、為轉(zhuǎn)矩PI參數(shù)Ki對突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間的影響。從表中可以看出轉(zhuǎn)矩的Kp參數(shù)越大，系統(tǒng)反應(yīng)越快，轉(zhuǎn)速變化的越小，但系統(tǒng)穩(wěn)定的慢，也就是恢復(fù)時(shí)間較長。所以也驗(yàn)證了PI參數(shù)對系統(tǒng)的快速性和魯棒性的影響是相反的。</p><p>　　表4.1 轉(zhuǎn)矩PI參數(shù)Kp對系統(tǒng)的影響</p><p>　　表4.2 轉(zhuǎn)矩PI參數(shù)Ki對系統(tǒng)的影響</p><p>　　（11

109、）由于電機(jī)參數(shù)采用離線辨識，所以辨識電機(jī)參數(shù)可能和實(shí)際電機(jī)參數(shù)有偏差，仿真分析了轉(zhuǎn)子電阻從80%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻變化到120%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)對系統(tǒng)的影響，當(dāng)辨識轉(zhuǎn)子電阻小于實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻并保持在85%實(shí)際阻值的情況下，系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)矩減小，但系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和磁鏈都能夠達(dá)到額定值，當(dāng)阻值減小到80%實(shí)際阻值時(shí)，轉(zhuǎn)速、磁鏈和轉(zhuǎn)速都跟不上額定值；當(dāng)轉(zhuǎn)子辨識電阻大于轉(zhuǎn)子實(shí)際電阻時(shí)，系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)矩變大并有小幅的波動，磁鏈和轉(zhuǎn)速也能夠到額定值。圖4.12為8

110、5%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的給定電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形，圖4.13為115%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形。</p><p>　　圖4.12 85%實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子阻值時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形</p><p>　　圖4.13 115%實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形</p><p>　　由于轉(zhuǎn)子漏感比較小，所以漏感的變化對系統(tǒng)影響不大?；ジ袑ο到y(tǒng)的影響也不是很大

111、，給定電磁轉(zhuǎn)矩有一些波動，磁鏈和轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到額定值。圖4.14互感為實(shí)際互感120%的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈波形。</p><p>　　圖4.14 120%實(shí)際電機(jī)漏感時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形</p><p><b>　?。ㄈ┍菊滦〗Y(jié)</b></p><p>　　本章利用MATLAB/Simulink對轉(zhuǎn)速控制模型，磁鏈控制模型，SVPWM模型和三

112、電平逆變器模型等組成的控制系統(tǒng)框圖進(jìn)行了仿真。</p><p><b>　　五、結(jié)論與展望</b></p><p>　　本文介紹了三電平逆變器的工作原理，異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系、兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，分析了轉(zhuǎn)子磁場定向控制的的基本原理，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，采用了間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的方法。設(shè)計(jì)了基于三電平逆變器的異步電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)，包括

113、磁鏈閉環(huán)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)。采用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析，仿真結(jié)果表明：三電平逆變器的輸出電壓波形正確，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測準(zhǔn)確，系統(tǒng)啟動帶大負(fù)載和突加負(fù)載都具有良好的動態(tài)性能。</p><p>　　由于時(shí)間和能力有限，課題的研究盡限于此，還需要進(jìn)一步的研究。</p><p>　　第一，直接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的方法不準(zhǔn)確，間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測方法受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化影響。所以要根據(jù)現(xiàn)

114、代控制理論研究更準(zhǔn)確的模型辨識轉(zhuǎn)子磁鏈。</p><p>　　第二，由于有速度傳感器帶來的成本大，電機(jī)軸向體積大等缺點(diǎn)，對無速度傳感器的研究具有重要的意義。</p><p>　　第三，由于電機(jī)參數(shù)受到溫度和其他因素的影響會發(fā)生變化，所以需要采用在線參數(shù)辨識或者根據(jù)參數(shù)變化規(guī)律對其進(jìn)行補(bǔ)償，需要進(jìn)一步的研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b

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