【正文】 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(huì)引起磁鏈誤差，影響轉(zhuǎn)子磁場定向控制的效果。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(dòng)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(shí)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)。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)也是研究熱點(diǎn)之一。（四）課題研究的主要內(nèi)容多電平逆變器因?yàn)槟蛪焊?，輸出諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于在高壓大功率應(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(dòng)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。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了分析。2. 分析了異步電機(jī)在三相靜止坐標(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。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)。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(dòng)態(tài)性能進(jìn)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(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。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和負(fù)端電壓分別接到交流電動(dòng)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(dòng)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]。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(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?；谌娖侥孀兤鞯膬?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。（二）三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理多電平電路的實(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．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(Diodeclamped multilevel inverter)、飛跨電容型多電平逆變器(Flyingcapacitor multilevel inverter)和級(jí)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)浜唵危瑧?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)。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，獲得更高的電壓輸出，二極管鉗位型三電平電路是最早提出的一種拓?fù)洹? 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)管S1和S4不能同時(shí)導(dǎo)通，且S1和SS2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。，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)。 二極管箝位式三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)和輸出電平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。(a)給出了開關(guān)S1，S4的開關(guān)信號(hào)Vg1，Vg4。與兩電平逆變器相似，在S1與S3之間需要換向時(shí)間。(b)，(c)給出了逆變器A相橋臂的換向過程，每個(gè)開關(guān)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。 當(dāng)iA0時(shí)，(b)所示。假設(shè)(a)在感性負(fù)載下，換向過程中負(fù)載電流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iA0導(dǎo)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。 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。 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。 當(dāng)iA0時(shí)，(c)所示。在開關(guān)狀態(tài)[O]，開關(guān)S1，S4關(guān)斷，SS3導(dǎo)通。鉗位二極管VD2由于負(fù)載電流iA0導(dǎo)通。關(guān)斷的兩個(gè)開關(guān)管兩端Vs1=Vs4=E。 （a）開關(guān)信號(hào) （b）當(dāng)iA0時(shí)換向過程 （c）當(dāng)iA0時(shí)換向過程 開關(guān)狀態(tài)從[O]到[P]的換向過程在換相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。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)載電流仍然能通過二極管D1，D2流入直流側(cè)。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(dòng)態(tài)分壓問題。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)斷，每個(gè)開關(guān)上的電壓會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)不均。(b)開關(guān)損耗增加一倍。（三）二極管鉗位型三電平逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)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)：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，可以應(yīng)用于中高