【正文】 標軸的基準方向。轉子磁場定向控制的思想是將異步電機模擬成直流電機控制。應用坐標變換將電機三相系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，在轉子磁場定向坐標系上，交流電矢量變?yōu)榱嘶ハ啻怪豹毩⒌膭畲胖绷鞣至亢娃D矩直流分量。控制勵磁分量為恒定值，通過控制電流轉矩分量控制電機轉矩，這種控制方法和直流電機的轉矩控制相似。轉子磁場定向控制消除了標量控制的缺陷，同時提高了實時控制。在轉子磁場定向控制中，電機參數(shù)變化和轉速測量的誤差會引起磁鏈誤差，影響轉子磁場定向控制的效果。20實際70年代剛剛提出磁場定向控制的基本理論，開創(chuàng)了交流傳動的新紀元。但由于其運算非常復雜，當時的控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)。電力電子器件、微處理器和現(xiàn)代控制理論的高速發(fā)展為高性能交流調速奠定了基礎。21世紀轉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，美國在電機參數(shù)辨識上的研究比較深入，德國在大功率系統(tǒng)應用上比較先進。采用現(xiàn)代數(shù)字控制技術，開發(fā)更精確的轉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)也是研究熱點之一。（四）課題研究的主要內容多電平逆變器因為耐壓高，輸出諧波含量少等優(yōu)點，適合應用于在高壓大功率應用領域，三電平逆變器是多電平逆變器中應用最廣泛的一種。異步電機的磁場定向控制模擬直流電機可以實現(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轉子磁場定向控制進行了研究。本課題的主要工作包括：1. 對二極管嵌位式三電平逆變器的拓撲結構、工作原理進行了分析。2. 分析了異步電機在三相靜止坐標系和兩相同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型，研究了異步電機轉子磁場定向控制的原理和磁鏈觀測模型。3. 設計了基于三電平逆變器的異步電機轉子磁場定向控制系統(tǒng)，包括轉速閉環(huán)、磁鏈閉環(huán)。4. 對三電平逆變器的異步電機轉子磁場定向控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進行了MATLAB仿真。二、二極管嵌位式三電平逆變器（一）逆變器介紹多電平逆變技術最初的出發(fā)點是通過對逆變器的主電路進行改進，使得逆變器的所有開關器件都工作在基頻或者基頻以下，以達到降低功率器件開關的頻率、減小開關應力、減小輸出電壓諧波含量等目的，提高整個功率變換的效率，但因多電平逆變器需要的各種功率器件較多，所以從提高產品性價比的角度考慮，更適合應用于高壓大功率的場合。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。但在實際應用中，由于受到硬件條件和控制電路的復雜性的制約，在綜合考慮性能指標的情況下，三電平逆變器最為普遍，對其研究和分析具有實際意義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，通過輪流導通的電力電子器件，在輸出端把中間直流回路的正端電壓和負端電壓分別接到交流電動機定子各相繞組上。當逆變器輸出電壓較高時，開關器件的耐壓不夠。所以提出了多電平逆變器適應負載的要求[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)中得到了實際應用[5]。 三電平電路由于其特殊的電路結構，除P、N兩種電平輸出外還可以實現(xiàn)零電平O輸出[6]。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。器件受到的電壓應力小，系統(tǒng)可靠性提高。du/dt的降低減小了對外圍電路和電機的影響[17]。但它也帶來了中點電位平衡問題。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，并通過開關狀態(tài)的分配減小中點電位偏移。（二）三電平逆變器的拓撲結構及工作原理多電平電路的實現(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，至少應該具有兩個條件：一．在輸入側有基本的直流電平；二．需要由有源和無源開關器件組成的基本變換單元，將基本電平合成以實現(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，就可以得到許多實用的多電平電路拓撲。目前所見到的多電平逆變器，按照主電路拓撲結構分，主要分為三類基本的拓撲結構：二極管鉗位型多電平逆變器(Diodeclamped multilevel inverter)、飛跨電容型多電平逆變器(Flyingcapacitor 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，這種拓撲簡單，應用廣泛，控制策略也比較簡單，是分析多電平逆變器的基礎。當逆變器電路需要輸出電壓較高時，開關器件的耐壓不夠，這時可以對電路拓撲結構進行改造，以使得在當前開關器件耐壓水平下，獲得更高的電壓輸出，二極管鉗位型三電平電路是最早提出的一種拓撲。 三電平逆變器拓撲結構，當S1和S2同時導通時，輸出端A相對M點的電平為Ud /2(E)；當S2和S3同時導通時，輸出端A相與M點相連，因此它的電平為0；當S3和S4同時導通時，輸出A相電壓為Ud /2(E)，所以每相橋臂能輸出三個電平狀態(tài)，由三相這種橋臂組成的逆變器就叫做二極管鉗位型三電平逆變器。 ，主開關管S1和S4不能同時導通，且S1和SS2和S4的工作狀態(tài)恰好相反，即工作在互補狀態(tài)，平均每個主開關管所承受的正向阻斷電壓為Ud/2。，每相橋臂中間的兩個IGBT導通時間最長，導致發(fā)熱量也多一些，因此實際系統(tǒng)散熱設計以這兩個IGBT為準。 二極管箝位式三電平逆變器的開關狀態(tài)和輸出電平為了分析逆變器的開關器件的換向過程，假設開關S3關斷，S1導通，開關狀態(tài)由O變?yōu)镻。(a)給出了開關S1，S4的開關信號Vg1，Vg4。與兩電平逆變器相似，在S1與S3之間需要換向時間。(b)，(c)給出了逆變器A相橋臂的換向過程，每個開關管上并聯(lián)一個電阻。根據(jù)A相負載電流的方向，分兩種情況分析。 當iA0時，(b)所示。假設(a)在感性負載下，換向過程中負載電流iA保持恒定。(b)直流側電容C1，C2足夠大，每個電容上的電壓保持E。(c)所有的開關是理想開關。在開關狀態(tài)[O]，開關S1，S4關斷，S2，S3導通。鉗位二極管VD1由于負載電流iA0導通。S2，兩端電壓Vs2=Vs3=0，關斷的兩個開關管兩端電壓Vs1=Vs4=E。 在換向δ時刻，S3關斷，電流iA仍然保持，當S3完全關斷后，S3，S4兩端的電壓Vs3=Vs4=E/2。 在開關狀態(tài)[P]下，開關S1導通，鉗位二極管VD，方向偏置而截止。負載電流由VD1上換到S1上。開關S3，S4已經關斷，Vs3=Vs4=E。 當iA0時，(c)所示。在開關狀態(tài)[O]，開關S1，S4關斷，SS3導通。鉗位二極管VD2由于負載電流iA0導通。關斷的兩個開關管兩端Vs1=Vs4=E。 （a）開關信號 （b）當iA0時換向過程 （c）當iA0時換向過程 開關狀態(tài)從[O]到[P]的換向過程在換相δ時刻，S3關斷，電流iA通過二極管D1，D2續(xù)流，Vs1=Vs2=0。負載電流由S3換向到二極管D1，D2中。當S3完全關斷后，S3，S4兩端的電壓Vs3=Vs4=E。在開關狀態(tài)[P]下，開關S1導通，不影響電路的工作。負載電流仍然能通過二極管D1，D2流入直流側。綜上所述，逆變器的所有開關器件在開關狀態(tài)從[O]到[P]過程中，只承受直流母線電壓的一半。同樣在開關狀態(tài)由[P]到[O]，由[N]到[O]，由[O]到[N]，也能得出同樣的結論，因此在逆變器中不存在動態(tài)分壓問題。開關狀態(tài)由[P]到[N]是禁止的，因為：(a)這需要逆變器的一個橋臂上的開關，兩個同時導通，兩個同時關斷，每個開關上的電壓會出現(xiàn)動態(tài)不均。(b)開關損耗增加一倍。（三）二極管鉗位型三電平逆變器的優(yōu)缺點綜合以上分析，可以概括出二極管鉗位型三電平逆變器有以下優(yōu)點：1. 三電平逆變器能夠很好的解決電力電子開關器件耐壓不夠高的問題。器件承受的關斷電壓就是直流回路電壓的一半，三電平拓撲使得相同耐壓水平的開關器件，可以應用于中高