【正文】 rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has pleted the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation. Key words： ThreeLevel Inverter。變頻器是節(jié)電的主要方法。 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。 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。 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)。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。 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。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。滑差頻率控制包含了速度閉環(huán)，更容易 使系統(tǒng)穩(wěn)定。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]。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。 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。 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。 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。 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。當逆變器輸出電壓較高時，開關(guān)器件的耐壓不夠。器件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性提高。 （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。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)。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。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。 (b)直流側(cè)電容 C1， C2 足夠大，每個電容上的電壓保持 E。 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。開關(guān) S3， S4 已經(jīng)關(guān)斷， Vs3=Vs4=E。關(guān)斷的兩個開關(guān)管兩端 Vs1=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。 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。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。 4. 可以控制無功功率流。 3. 存在直流分壓電容電壓不平衡問題 [12]。 所以電壓方程的矩陣形式為 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –10– 0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0A A AsB B BsC C Csra a arb b brc c cUiRRRpRUiRR??????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? () 或?qū)懗? U Ri p??? () （ 2）磁鏈方程 磁鏈等于自感磁鏈和互感磁鏈之和。互感磁通是主要磁通。 定子三相之間的互感是常值 c o s 1 2 0 ( c o s 1 2 0 )1122A B B C C A B A C B A C m s m sm s mL L L L L L L LLL? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? () 轉(zhuǎn)子三相之間的互感也為常值 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –11– 1 1 12 2 2a b b c c a b a c b a c m r m s mL L L L L L L L L? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? () 定子和轉(zhuǎn)子之間的互感 c os c osc os ( 12 0 )c os ( 12 0 )Aa aA Bb bB C c c C m S mAb bA Bc c B C a aC mAc c A Ba aB C b bC mL L L L L L L LL L L L L L LL L L L L L L????? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? () θ 為轉(zhuǎn)子 a 相和定子 A 相之間的夾角。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –13– ?ABCabr?C 圖 三相異步電機定轉(zhuǎn)子坐標系 由 上節(jié)可知交流電機的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，求解困難，所以采用坐標變換的方法對交流電機的數(shù)學(xué)模型進行坐標變換，簡化電機模型。三相靜止坐標系(ABC 坐標系 )的 A 軸和兩相靜止坐標系（ αβ 坐標系） α 軸重合。 d 軸和 α 軸的夾角 Ψ 是變化的。 兩相坐標系可以是靜止的，也可以是旋轉(zhuǎn)的，其中以任意旋轉(zhuǎn)的坐標系為最一般的情況，有了這種情況的數(shù)學(xué)模型，要求出某一具體兩相坐標系上的模型就比較容易了。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –17– ABCab s? dqs?dqr?r?cdq 圖 三相靜止坐標系、兩相靜止坐標系和兩相旋 轉(zhuǎn)坐標系 要把三相靜止坐標系上的電壓方程、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，變換后可得一下： （ 1）磁鏈方程 00000000sd sdsmsq sqsmmrrd rdmrrq rqiLLiLLLL iLL i????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? () 式中 Lm—— dq 坐標系定子和轉(zhuǎn)子等效繞組間的互感 Ls—— dq 坐標系定子等效繞組的自感 Lr—— dq 坐標系轉(zhuǎn)子等效繞組的自感 在 dq 坐標系上，兩軸相互垂直，沒有耦合關(guān)系，只有同 軸上的繞組有互感，比三相坐標系上的磁鏈方程簡單的多。 （二） 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制 直流電機傳動系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能，是因為直流電機定子磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。通過坐標變換實現(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]。定子電流 分為勵磁分量 ism 和轉(zhuǎn)矩分量 ist，在轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，保證定子電流勵磁分量 ism 為額定值，對定子電流轉(zhuǎn)矩分量 ist 進行單獨控制，從而控制轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 磁鏈觀測是磁場定向控制最關(guān)鍵的部分， 磁鏈觀測不準直接影響磁場定向控制的準確度，影響磁場定向控制效果。首先測得電機的三相定子電流，經(jīng)過三相 — 兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換并按轉(zhuǎn)子磁場定向，得到 M、T 坐標系上的電流 ism、 ist。 111m smrsrrmr smrLiTLiTpdt? ? ?????? ? ? ????????? ? ??? () 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –22– 這種模型簡單，在整個速度范圍內(nèi)都可以使用， 不足之處是觀測模型受電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)變化的影響。但這種模型有它自身的缺點：（ 1）低速時，定子電阻壓降變化的影響較大，適合于中、高速范圍?？梢詫⒎e分器換成低通濾波器，同時由低通濾波器產(chǎn)生的相位滯后和幅值偏差需要用轉(zhuǎn)子磁鏈的參考值補償。 異步電機轉(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)控制計算得到給定電壓。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 四個閉環(huán)控制和電 壓前饋補償環(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。stU++39。 ist*和反饋 t 軸電流 ist 比較后通過 PI 調(diào)節(jié)后加上電壓前饋補償 Ust′得到給定 t軸電壓 Ust*。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。 （四） 本章小結(jié) 本章通過坐標變換的方法將 三相靜止坐標系上 的 數(shù)學(xué)模型 變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上，采用 轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法，使交流電機調(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) [2123]。在設(shè)計完異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)之后，需要運用 MATLAB 軟件對其進行仿真分析，證明其正確性和有效性 [24]。 圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形 （ 2）圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –27– （ 3）如圖 為電機轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、定子 A 相電流 ia 的波形圖。 （ 4）如圖 所示為電流的勵磁分量 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，也就是勵磁分量不變保持磁通恒定，通過電流的轉(zhuǎn)矩分量控制轉(zhuǎn)矩。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –29– 圖 突加負載時系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形 (7)如圖 所示為系統(tǒng)穩(wěn)定后加低頻變化的負載，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能良好。啟動時給定轉(zhuǎn)速為 1748r/min,在第 7 秒時給定 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 ，從而使轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速可以達到1850r/min。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)時間較長。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –32– 圖 85%實際電機轉(zhuǎn)子阻值時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 圖 115%實際電機轉(zhuǎn)子電阻時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 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。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –34– 五、結(jié)論與展望 本文介紹了三電平逆變器的工作原理，異步電機在三相靜止坐標系、兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(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。 第一，直接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的方法不準確，間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測方法受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的變化影響。 異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真研究 –35– 參考文獻 [1] 李永東，饒建業(yè) . 大容量多電平變換器拓撲