【正文】 轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –1– 一、緒 論 （一）課題背景和意義 為了解決電力緊張的現(xiàn)狀，實現(xiàn)節(jié)能，需要提高用電設(shè)備的效率。變頻器是節(jié)電的主要方法。常用中小功率的變頻器發(fā)展很成熟，而 200KW 以上的大中功率變頻器還有很大的發(fā)展空間。受到功率器件的載流能力和耐壓能力的限制，兩電平逆變器難以實現(xiàn)高壓大功率電能變換。多電平逆變器因為其電壓應(yīng)力小，輸出諧波少等優(yōu)點在高壓大容量領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，成為研究的熱點 [1]。 傳統(tǒng)的恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差頻率控制都不能滿足動態(tài)性能的要求，轉(zhuǎn) 子磁場定向控制模擬直流電機的控制方式，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦，達到了對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制，所以得到了廣泛的應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，但低速性能不理想。目前轉(zhuǎn)子磁場定向控制應(yīng)用最為廣泛。所以對異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制的研究是很必要的 [2]。 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轉(zhuǎn)子磁場定向控制因為其自身的優(yōu)點得到 了 廣泛 的 應(yīng)用。 （二） 多電平逆變器的發(fā)展概況 傳統(tǒng)兩電平逆變器在一個輸出周期內(nèi)橋臂的相電壓為兩電平波，高頻時產(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 年提出了中點嵌位逆變器 ,它有兩個分壓電容，每個橋臂上增添了兩個功率開關(guān)和中點嵌位二極管。該逆變器輸出三電平的電壓波，稱為三電平逆變器。 P. 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。 多電平逆變器包括二極管嵌位型、電容嵌位型、有源中點嵌位型逆變器等。還有一些衍生的拓撲結(jié)構(gòu)，例如層疊多單 元逆變器等。研究多電平拓撲是為了實現(xiàn)多電平的輸出電壓，使其應(yīng)該用在更高的電壓場合，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撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，但中點電壓平衡難以控制，目前只有三電平逆變器實現(xiàn)了應(yīng)用 [34]。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –2– （三） 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)綜述 1. 交流調(diào)速的發(fā)展概況 直流電動機的調(diào)速性能優(yōu)于交流電動機，因此在調(diào)速領(lǐng)域曾一直占主導(dǎo)地位。但直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速、電壓、功率受到 環(huán)境影響，價格昂貴。與此同時交流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、價格低廉、維修方便等優(yōu)點。但異步電動機本身是一個非線性、強耦合的多變量系統(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的穩(wěn)態(tài)模型研究調(diào)速方法。異步電機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)負載的不同改變，低速時還可能產(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，電機動態(tài)性能不好。大多應(yīng)用在風(fēng)機等沒有高動態(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、微機控制技術(shù)等理論技術(shù)的發(fā)展，異步電機調(diào)速取得了突破性進展，交流調(diào)速技術(shù)進入了一個新的時代 [11]。 2. 轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)的發(fā)展概況 德國的 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軸的基準方向。轉(zhuǎn)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(yīng)用坐標變換將電機三相系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩直流分量?？刂苿畲欧至繛楹愣ㄖ?，通過控制電流轉(zhuǎn)矩分量控制電機轉(zhuǎn)矩，這種控制方法和直流電機的轉(zhuǎn)矩控制相似。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場定向控制中，電機參數(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。 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(fù)雜，當(dāng)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(diào)速奠定了基礎(chǔ)。 21 世紀轉(zhuǎn)子磁場定向控制也異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –3– 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(yīng)用上比較先進。 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) 也是研究熱點之一。 （四）課題研究的主要內(nèi)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(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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學(xué)模型，研究了異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制的原理和 磁鏈觀測模型。 3. 設(shè)計了基于三電平逆變器的異步電機轉(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轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進行了 MATLAB仿 真 。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –4– 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(guān)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(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(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端電壓分別接到交流電動機定子各相繞組上。當(dāng)逆變器輸出電壓較高時，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(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(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)該具有兩個條件：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(jié)構(gòu)分，主要分為三類基本的拓撲結(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 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –5– 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(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，開關(guān)器件的耐壓不夠，這時可以對電路拓撲結(jié)構(gòu)進行改造，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撲。 圖 三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu) 三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 所示，當(dāng) S1 和 S2 同時導(dǎo)通時，輸出端 A 相對 M點的電平為 Ud /2(E)；當(dāng) S2 和 S3 同時導(dǎo) 通時，輸出端 A 相與 M 點相連，因此它的電平為 0；當(dāng) S3 和 S4 同時導(dǎo)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。 從表 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 不能同時導(dǎo)通，且 S1 和 S S2 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(guān)管所承受的正向阻斷電壓為 Ud/2。另外從表 中也可以看出，每相橋臂中間的兩個 IGBT 導(dǎo)通時間最長，導(dǎo)致發(fā)熱量也多一些，因此實際系 統(tǒng)散熱設(shè)計以這兩個 IGBT 為準。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –6– 表 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)?P。 圖 (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 之間需要換向時間。圖 (b)， (c)給出了逆變器 A 相橋臂的換向過程，每個開關(guān)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(dāng) iA0 時，換向過程如圖 (b)所示。假設(shè) (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(cè)電容 C1， C2 足夠大，每個電容上的電壓保持 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 由于負載電流 iA0 導(dǎo)通。 S2，兩端電壓 Vs2=Vs3=0，關(guān)斷的兩個開關(guān)管兩端電壓 Vs1=Vs4=E。 在換向δ時刻， 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，換向過程如圖 (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 由于負載電流 iA0 導(dǎo)通。關(guān)斷的兩個開關(guān)管兩端 Vs1=Vs4=E。 （ a）開關(guān)信號 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –7– （ b）當(dāng) iA0 時換向過程 （ c）當(dāng) iA0 時換向過程 圖 開關(guān)狀態(tài)從 [O]到 [P]的換向過程 在換相δ時刻， S3 關(guān)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(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態(tài)分壓問題。 開關(guān)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(guān)，兩個同時導(dǎo)通，兩個同時關(guān)斷，每個開關(guān)上的電壓會出現(xiàn)動態(tài)不均。 (b)開關(guān)損耗增加一倍。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –8– （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(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，三電平拓撲使得相同耐壓水平的開關(guān)器件，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串聯(lián)器件的同時導(dǎo)通和同時關(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。 2. 三電平