【正文】 erter)。 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(shí)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(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。與兩電平逆變器相似，在 S1與 S3 之間需要換向時(shí)間。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。鉗位二極管 VD1 由于負(fù)載電流 iA0 導(dǎo)通。負(fù)載電流由VD1 上換到 S1 上。鉗位二極管 VD2 由于負(fù)載電流 iA0 導(dǎo)通。當(dāng) S3 完全關(guān)斷后， S3， S4 兩端的電壓 Vs3=Vs4=E。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。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)用于中高壓的大容量變頻器。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。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(huì)有所不同。 轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 aa a rbb b rcc c rdU i RdtdU i RdtdU i Rdt???? ????? ????? ???? () 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?；ジ写磐ㄊ谴┻^氣隙的磁通，漏感磁通是只與一相繞組交鏈的磁通。 轉(zhuǎn)子電阻的自感為 a a b b c c m r lr m s lr rL L L L L L L L? ? ? ? ? ? ? () Lmr 為轉(zhuǎn)子互感， Llr 為轉(zhuǎn)子漏感。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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 （ 1）三相 兩相坐標(biāo)變換 三相 兩相變換為三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換。dq 坐標(biāo)系以同步角速度 ω1 旋轉(zhuǎn)。由總磁動(dòng)勢相等得到 c o s s ins in c o sdqi i ii i i????????????? () 即 c os sinsin c os dqii ii?? ?? ???? ???? ???? ?????? ?? () 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 2 / 2 c o s s ins in c o srsC ?????? ???? () 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –16– 兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為 2 / 2 c o s s ins in c o ssrC ????? ????? () （ 3）三相 — 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 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 3 / 21 3 1 3c os c os si n c os si n2 2 2 2 23 1 3 1 3si n si n c os si n c os2 2 2 2rC? ? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ????? ? ??? () 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(huì)使數(shù)學(xué)模型簡化很多。把 節(jié)中異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過 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]。 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 電壓方程為 [16]， 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –19– 1111sd sds sp s m msq sqs s s m mm s m r r s rrd rds m m s r r rrq rqUiR L L L p LL R L p L L pL p L R L p LL L p L R L 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。由上一節(jié)可知異步電機(jī)通過坐標(biāo)變換等效成直流電機(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。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）。在保證 ism 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。 1 / P/ ( 1 )mrL T p ?rmTLsqIsdIsi nc os?r?saisbi sci r? 圖 間接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈模型 間接磁場定向控制由電機(jī)定子電流估算滑差角與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相加得到磁鏈轉(zhuǎn)角。計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的間 ωｓｌ 接方法模型如圖 所示 [1920]。該模型和電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系，適合于無速度傳感器控制系統(tǒng)。（ 2）積分初試化和直流偏 量會(huì)帶來積分漂移。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。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。smU39。1s m s s tU L i????sU ?sU ?dcUvectTB R Tstismistir? 圖 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –24– 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 ** 23 rest mrLTi PL ?? 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。 函數(shù)發(fā)生器首先由電機(jī)反饋角速度 ω r 經(jīng) 30rn ??? 計(jì)算的到電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速 n。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)。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。 圖 系統(tǒng)仿真模型 仿真參數(shù)如下： 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –26– 電機(jī)功率 P： 110KW； 電機(jī)額定線電壓 U： 325V； 電機(jī)額定線電流 I： 233A； 電機(jī)定子電阻 Rs： ? ； 電機(jī)定子漏感 Lls： ； 電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻 Rr： ? ； 電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感 Llr： ； 電機(jī)互感： ； 電機(jī)轉(zhuǎn)矩： kgm2； 電機(jī)頻率： 60Hz； 磁鏈初始值： ； 外環(huán)調(diào)節(jié)周期： 2ms； 內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)周期： ； 磁鏈限幅： 0— ； 轉(zhuǎn)矩限幅： 1170Nm— 1150Nm； 電壓限幅： 280V— 280V； 電流限幅： 655A— 655A； 直流電壓 Udc： 500V； 仿真結(jié)果如下： （ 1）電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形如圖 所示，系統(tǒng)給定額定轉(zhuǎn)速 1748r/min,啟動(dòng)穩(wěn)定后加上額定負(fù)載 580Nm。充磁后系統(tǒng)啟動(dòng)可以帶動(dòng)額定負(fù)載，啟動(dòng)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?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)速恢復(fù)較快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –30– 圖 啟動(dòng)帶大負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖 （ 9）如圖 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。表 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。圖 為 85%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 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。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –33– 圖 120%實(shí)際電機(jī)漏感時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波 形 （三） 本章小結(jié) 本章 利用 MATLAB/Simulink 對 轉(zhuǎn)速控制模型，磁鏈控制模型， SVPWM 模型和三電平逆變器模型 等 組成的控制系統(tǒng)框圖進(jìn)行 了 仿真。 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。 第三，由于電機(jī)參數(shù)受到溫度和其他因素的影響會(huì)發(fā)生變化，所以需要采用在線參數(shù)辨識(shí)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。所以要根據(jù)現(xiàn)代控制理論研究更準(zhǔn)確的模型辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈。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)，包括磁鏈閉環(huán)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)?；ジ袑ο到y(tǒng)的影響也不是很大，給定電磁轉(zhuǎn)矩有一些波動(dòng)，磁鏈和轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到額定值。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。 圖 弱磁時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –31– （ 10）系統(tǒng)的 PI 參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)是有影響的。 圖 擾動(dòng)負(fù)載時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖 （ 8）如圖 所示為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加大負(fù)載 980Nm， 秒后加額定負(fù)載 580Nm。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –28– 圖 電流勵(lì)磁分量 ism 和 ist （ 5）如圖 所示為滑差轉(zhuǎn)速 從圖中可以看出啟動(dòng)時(shí)的滑差轉(zhuǎn)速較大，大概為 60r/min，啟動(dòng)后的滑差轉(zhuǎn)速下降到為 45r/min 左右。如圖 為定子三相電流的波形圖。 （二） 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真 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。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –25– 四、 控制系統(tǒng)仿真分析 （一） MATLAB/Simulink 軟件介紹 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”是電力電子系統(tǒng)的理想仿真工具。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。 磁鏈閉環(huán)控制由電機(jī)反饋角速度 r? 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 **1rsm mi L ?? 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)加上電壓前饋補(bǔ)償 Usm ′得到給定 m 軸電壓 Usm*。1st s smU L i??39。圖 為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖。給定電壓在靜止坐標(biāo)系上的兩個(gè)分量為 Uα、 Uβ。 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?？梢允褂媒M合模型解決低速不準(zhǔn)確問題，低速時(shí)采用間接方法，高速時(shí)采用直接方法。 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。按照轉(zhuǎn)子磁場定向控制方程式（ ）計(jì)算得到磁鏈幅值 Ψr和轉(zhuǎn)差 ωsｌ 。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。 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁場定向時(shí)，有 ,0r d r m r r q r t? ? ? ? ?? ? ? ? () 由式（ ）可知 1 ()1 ()rd rd m sdrrq rq m sqri L iLi L iL??? ?????? ???? () 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –20– 將式（ ）帶入式（ ）中可得 ()pme s q r d s d r qrnLT i iL ???? () 將式（ ）帶入式（ ），并用 m、 t 代替 d、 q 可得 pme st rrnLTiL ??