【正文】 標變換的變換矩陣為 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? ? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ????? ? ??? () 根據掌握的內容可以知道，異步電機的數學模型比較復雜，而坐標變換的目的就是要簡化數學模型，異步電機的數學模型是建立在三相靜止坐標系上的，如果把它變換到兩相坐標系上，由于兩相坐標系互相在垂直，兩相繞組之間沒有磁力的耦合，僅此一點就會使 數學模型簡化很多。 αβ 坐標系上的兩相交流電流 iα、 iβ和 dq 坐標系上的兩相直流電流 id、 iq 產生相等的合成磁動勢 Fs，它也以同步角速度 ω1 旋轉。dq 坐標系以同步角速度 ω1 旋轉。設三相繞組每相匝數為 N3，兩相繞組每相匝數為 N2，各相磁動勢為匝數和電流的乘積，磁動勢矢量在相應的坐標軸上。 （ 1）三相 兩相坐標變換 三相 兩 相變換為三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換。直流電機的勵磁繞組和電 –15– 樞繞組完全解耦，分析和控制都很簡單。因此，上述電磁轉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 機調速系統(tǒng)。 （ 3）轉矩方程 轉矩磁鏈方程 顯然比較復雜，為了方便起見，可以將它寫成分塊的矩陣形式 sss s r srsr r r rL LiL Li?? ?? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? （ ） 其中 AsBC??????????????? arbc??????????????? arbciiii??????????? AsBCiiii??????????? （ ） –13– （ ） （ ） （ ） 根據機電能量轉換原理。 轉子電阻的自感為 aa bb c c m r lr m s lr rL L L L L L L L? ? ? ? ? ? ? () Lmr為轉子互感， Llr為轉子漏感。由于繞組的對稱性，各相的漏感相等?；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。磁鏈方程的矩陣形式 AAAA AB AC Aa Ab AcBBBA BB BC Ba Bb BcCCC A C B C C C a C b C caA aB aC aa ab acaabA bB bC ba bb bcbbc A c B c C c a c b c ccciL L L L L LiL L L L L LiL L L L L LL L L L L L iL L L L L L iL L L L L L i??????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? () LAA、 LBB、 LCC 為定子繞組的自感。 轉 子繞組折算到定子側的電壓方程 aa a rbb b rcc c rdU i RdtdU i RdtdU i Rdt???? ????? ????????? () 式中 Ua、 Ub、 Uc 為轉子相電壓， ia、 ib、 ic 為轉子相電流， Rr 為轉子電阻， Ψa、 Ψb、Ψc 為轉子磁鏈。 –10– 三、 異步電機轉子磁場定向控制 （一） 異步電機動態(tài)數學模型 與坐標變換 異步電動機是一個多變量，強耦合系統(tǒng)，它的數學模型由電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程組成 [25]。每相橋臂越靠中間的管子開通時間越長，這樣同一橋臂上管子的額定電流也會有所不同。 但是二極管鉗位型三電平逆變器結構也有它固有的不足： 1. 需要鉗位二極管，對三電平來說，鉗位二極管承受反壓相同，但是對于更多電平電路來說，鉗位二極管承受反壓最高為 (M2)/(M1)，最低為 1/(M1)，其中 M為電平數。在同樣的開關 頻率下，開關損耗小，效率高，這正適應高壓大容量逆變器由于開關損耗及器件性能的問題開關頻率不能太高的要求。 2. 三電平輸出電壓電平數增多，各級電平間的幅值變化降低，低的 dv/dt 對外圍電路的干擾減小，對電機的沖擊小，在開關頻率附近的諧波幅值也小。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，可以應用于中高壓的大容量變頻器。 (b)開關損耗增加一倍。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。負載電流仍然能通過二極管 D1， D2 流入直流側。當 S3完全關斷后， S3， S4兩端的電壓 Vs3=Vs4=E。 （ a） 開關信號 –8– （ b）當 iA0 時換向過程 （ c）當 iA0 時換向過程 圖 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。鉗位二極管 VD2 由于負載電流 iA0 導通。 當 iA0 時，換向過程如圖 (c)所示。負載電流由 VD1 上換到 S1 上。 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。鉗位二極管VD1 由于負載電流 iA0 導通。 (c)所有的開關是理想開關。假設 (a)在感性負載下，換向過程中負載電流 iA 保持恒定。根據 A 相負載電流的方向，分兩種情況分析。與兩電平逆變器相似，在S1 與 S3 之間需要換向時間。 表 二極管箝位式三電平逆變器的開關狀態(tài)和輸出電平 –7– 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)?P。 從表 可以看到三種穩(wěn)態(tài)工作模式的開關狀態(tài)和輸出電壓的對應關系，主開關管 S1 和 S4 不能同時導通，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)，平均每個主開關管所承受的正向阻斷電壓為 Ud/2。 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。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)。通過對基本電路單元的不同組合，可以生成不同電平數以及不同電路特性的多種電路?；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，并通過開關狀態(tài)的分配減小中點電位偏移。 du/dt 的降低減小了對外圍電路和電機的影響 [17]。 二極管嵌位式三電平逆變器的電平數比兩電平逆變器多，輸出電壓和電流接近于正弦波，諧波含量減少。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]。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。 理論上，逆變器的電平數越多，所得到的階梯數越多，從而更接近于正弦波，諧波含量越小。 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 。 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。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。 （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。隨著電力電子技術的發(fā)展，大容量逆變器得到了廣泛的應用。研究多電平拓撲是為了實現(xiàn)多電平的輸出電壓，使其應該用在更高的電壓場合，減小諧波含量。 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。 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構。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和中點嵌位二極管。 采用現(xiàn)代數字控制技術，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。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。 –3– 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。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。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。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。由于現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代控制理論、微機控制技術等理論技術的發(fā)展，異步電機調速取得了突破性進展，交流調速技術進入了一個新的時代 [11]。所以這兩種方法都是穩(wěn)態(tài)控制，電機動態(tài)性能不好?；铑l率控制包含了速度閉環(huán)，更容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。恒壓頻比 （ V/F） 控制是只在控制過程中 保持 V/F 是常數不變，保證定子磁鏈的恒定，是一種最簡單的控制方法。交流調速的初期，人們只能從異步電機的穩(wěn)態(tài)模型研究調速方法。與此同時交流電動機具有結構簡單、堅固耐用、價格低廉、維修方便等優(yōu)點。 （二） 異步電機轉子磁場定向控制技術綜述 1. 交流調速的發(fā)展概況 直流電動機的調速性能優(yōu)于交流電動機，因此在調速領域曾一直占主導地位。并使調速后的交流電動機具備寬調速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好 –2– 技術性能，可以使其動、靜態(tài)特性可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美。同時交流電機采用變頻起動更能顯著改善交流電機的起動 性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉矩，所以變頻調速是一種理想的交流電機調速方法。交流電機采用變頻調速不但能實現(xiàn)無極調速，而且根據負載的特性不同，通過適當調節(jié)電壓和頻率之間的關系，可使電機始終運行在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)特性。 隨著 電力電子技術的飛速發(fā)展，研究出各種新的 控制技術以及新的 控制理論，比如：異步電機的磁場定向控制，直接轉矩控制，自適應控制理論等等，致使交流調速系統(tǒng)的技術性能指標和直流調速系統(tǒng)相媲美，而交流電機又具有 直流電機所不具備的優(yōu)點：結構簡單，價格低廉，牢固，運行可靠，易于正反轉，能適應防塵、防爆、防腐蝕的惡劣環(huán)境，易于發(fā)展高速大容量的變速傳動系統(tǒng) 。但是直流電機的機械接觸式換向器結構復雜、制造成本高、運行中容易產生火花、需要經常的維護檢修，使得直流傳動系統(tǒng)的運營成本很高， 特別是由于換向問題的存在，直流電機無法做成高速大容量的機組，如目前 3000 轉 /分左右的高速直流電機最大容量只有 400 千瓦左右，低速的也只能做到幾千千瓦，遠遠不能適應現(xiàn)代生產向高速大容量化發(fā)展的要求。 Abstract ...............................................................................................................................II 一、緒 論 ........................................................................................................................ 1 （一）課題背景和意義 ........................................................................