【正文】 （） （）與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程式為 （） （） (）式中， ，—定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；，— 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；，— 各相繞組的全磁鏈；， — 定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻；上述各量都已折算到定子側(cè)，為了簡(jiǎn)單起見，表示折算的上角標(biāo)“ ′”均省略將電壓方程用矩陣形式，并用微分算子代替微分符號(hào) ()或?qū)懗? ()磁鏈方程式每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組磁鏈可表達(dá)為 ()或?qū)懗? ()式中是66階的電感矩陣，其中對(duì)角線元素、是各相關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則[17]。設(shè)軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子以速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組軸線為、隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這樣。電角度)，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。最后，由于異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子三相繞組中的電流產(chǎn)生的磁通存在電磁慣性，轉(zhuǎn)速的變化存在機(jī)械慣性等因素，所以異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階系統(tǒng)[16]。再考慮異步電動(dòng)機(jī)是三相的，所以異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多輸入、多輸出(多變量)的系統(tǒng)，而電壓(電流)、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以它是一個(gè)強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。這是因?yàn)槭紫犬惒诫妱?dòng)機(jī)在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，電壓和頻率之間必須進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，故輸入變量有電壓和頻率。交流電機(jī)是交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及控制技術(shù)遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜，而建立一個(gè)適當(dāng)?shù)漠惒诫姍C(jī)數(shù)學(xué)模型則是研究交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性及其控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)[15]。三相輸出功率為5KVA,輸出相電壓為220V,可以得到: ()綜合式（)和式（）可得：L=，C=。本課題中輸出電壓基波頻率為50Hz,其諧波分量集中在開關(guān)頻率10KHz附近,故設(shè)截止頻率為2KHz可有效濾除高次諧波。如果濾波器截止頻率選得過高,諧波衰減減小,必然導(dǎo)致濾波效果下降,系統(tǒng)中的高頻分量得不到很好的抑制,輸出電壓不能滿足波形失真度的要求；反之若頻率選得過低,L、C值增大,濾波電感和電容的體積和重量也會(huì)增加,而且濾波電路引起的相位滯后變大,影響整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般按照低通濾波器的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì),使濾波器基波頻率落在通帶之內(nèi),從而達(dá)到抑制諧波，保留基波的目的[14]。濾波電路應(yīng)具有較低的輸出阻抗,以減小負(fù)載變化時(shí)對(duì)濾波器濾波效果的影響。： （A）L型 （B)型 濾波器結(jié)構(gòu) 其中L型濾波器形式簡(jiǎn)單,應(yīng)用也較廣,故本系統(tǒng)采用此種設(shè)計(jì)。 輸出濾波器 為保證變頻電源輸出波形正弦度好、失真度小,必須在逆變電路輸出端安裝濾波器?；谝陨弦蛩?對(duì)IGBT的電壓電流進(jìn)行如下計(jì)算：電路額定輸出容量為5KVA,則額定輸出功率： (),輸出相電壓有效值為220V,則通過每個(gè)IGBT電流的有效值為: () 則通過IGBT的電流峰值為: ()當(dāng)上(下)橋臂開通,下(上)橋臂關(guān)斷時(shí),下管(上管)IGBT兩端承受DC53OV電壓。（3）降額因素的考慮。（2）開關(guān)器件安全工作區(qū)的選擇。IGBT的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素：（1） 開關(guān)器件額定值(主要為額定電壓和電流)的選擇。為此，可在逆變器的輸出端設(shè)置LC濾波電路，以減小dv/dt，濾除高次諧波，改善輸出電壓波形。但是這種電結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)多，成本高[13]。組合式三相逆變器由3個(gè)單相逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)單相和三相四線制供電。三相半橋逆變器雖然也有上述優(yōu)點(diǎn),但其輸入直流電源電壓利用率較低,而且相同輸出電壓時(shí)功率開關(guān)的電壓應(yīng)力較大，為了獲得強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力,兩個(gè)串聯(lián)的電解電容必須足夠大,從而使逆變器體積和重量增加。 逆變電路及其參數(shù)計(jì)算 作為逆變的一種重要形式,三相逆變器廣泛應(yīng)用于用大電量或三相四線制供電負(fù)載場(chǎng)合，其電路拓?fù)渲饕腥嗳珮蚴?、三相半橋式、三相四橋臂式和組合式等結(jié)構(gòu)。功率的選取,是由電阻上消耗的平均功率來決定的,計(jì)算方法如式()所示： () 其中P為平均功率,時(shí)間T為5秒鐘,整流后的直流電壓E為530V。充電限流電阻為了在上電時(shí)限制電容的充電電流,需要設(shè)置充電限流電阻,如圖21中的電阻R5,設(shè)計(jì)時(shí)希望充電電流最大值在10A左右,而上電瞬間電位差為,那么限流電阻R1的值為： ()考慮到瞬時(shí)電流很大,要求電阻可以承受,所以選用大功率的水泥電阻,水泥電阻放熱面積大,溫度上升率較小,水泥型卷線電阻器耐脈沖特性良好,能面對(duì)很大的瞬間電流經(jīng)過,大約可以承受10倍于額定功率的瞬時(shí)功率達(dá)5秒鐘,即使電阻上功率大了也不容易燃燒,有非常好的阻燃性。F/的電解電容兩個(gè)串聯(lián),相當(dāng)于一個(gè)181。為交流輸入線電壓有效值。 ()(3) 直流電流平均值 () 整流電路元件選取需要從電流定額和電壓耐量?jī)蓚€(gè)方面考慮。當(dāng)把整流橋的可控器件換為二極管時(shí),即不控整流時(shí),ɑ=0,則三相不控整流的輸出直流電壓為 () 實(shí)際應(yīng)用中,由于直流側(cè)電解電容的穩(wěn)壓作用,當(dāng)變頻電源空載時(shí),直流側(cè)電壓的值基本維持在左右。整流二極管的選擇整個(gè)電源容量為5KVA,輸入電壓為三相市電,線電壓有效值為,輸出電壓為三相三線制,相電壓有效值為，根據(jù)系統(tǒng)容量和輸入電壓值可計(jì)算出直流側(cè)最大電壓和電流。當(dāng)電容充電到一定程度時(shí)，使S5閉合，將限流電阻短路。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每組電容組上并聯(lián)一個(gè)阻值相等的分壓電阻R1和R2。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于1。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開機(jī)上電后使整流電壓逐漸上升到最大值,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；又可以在電源出現(xiàn)故障時(shí),關(guān)斷晶閘管,從而關(guān)閉直流環(huán)節(jié)。（6）制動(dòng)電路：實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，避免產(chǎn)生泵升電壓，損壞功率器件。（4）直流濾波電路：整流部分和逆變部分的中間環(huán)節(jié)，起到穩(wěn)定電壓的作用。（2）三相逆變電路：將DC530V電壓逆變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的三相交流電，提供給負(fù)載。 變頻電源硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)380V/，主要由三相整流橋、軟啟動(dòng)電路、直流濾波電路、指示燈電路、制動(dòng)電路、PWM逆變器、輸出濾波器等組成。主電路主要由三相整流橋、直流側(cè)濾波電路、PWM逆變器、輸出濾波器組成；控制電路是以DSP控制器為核心，由PWM波形發(fā)生器、隔離電路、保護(hù)電路、信號(hào)采樣電路、液晶顯示與鍵盤電路等組成。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 本設(shè)計(jì)主要是完成380V/5KVA矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)、控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，并用MATLAB/SIMULINK軟件平臺(tái)建立系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析。一方面控制器采用BangBang控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)；另一方面調(diào)速范圍受限，低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)增加，而且定子磁鏈觀測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器,因此它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào),是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)原理框圖（3）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的方法,在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(BandBand控制),把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較,使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi),容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制,并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào),直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制,以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。目前，實(shí)用中較多采用后者，由于其沒有實(shí)現(xiàn)直接磁鏈的閉環(huán)控制，無需檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈，因而容易實(shí)現(xiàn)。然后，通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動(dòng)機(jī)所需的三相定子電流。因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的靜、動(dòng)態(tài)性能。 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖（2）矢量控制，這是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它解決了交流電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制問題。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度?？梢韵齽?dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng),從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。（1）開環(huán)控制通用變頻器常用轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比加定子電壓低頻補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑饕尚逼潞瘮?shù)模塊、恒壓頻比模塊、PWM信號(hào)生成模塊組成。根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動(dòng)機(jī)的種類，會(huì)出現(xiàn)多種多樣的變頻調(diào)速控制方案。1和0[7]。177。177。同時(shí)，無須采用均壓電路、吸收電路與輸入、輸出濾波器；輸入功率因數(shù),總效率(包括隔離變壓器)96%。每個(gè)功率單元都是由低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器組成。由5對(duì)依次相移12176。、24176。、24176。圖中左邊的隔離變壓器次級(jí)繞組的個(gè)數(shù)與三相功率單元個(gè)數(shù)相等, 每個(gè)繞組給各自的功率單元供電。 中壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)高壓變頻器是指輸出電壓為6～10kV 的變頻器。使用中考慮到電流的諧波成分較大,需要專門設(shè)計(jì)輸出濾波器,才能夠供電機(jī)使用。這類變頻器的特點(diǎn)是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高(98%)；采用直接矢量控制,電機(jī)轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通,其運(yùn)行效果接近于直流傳動(dòng)裝置。三電平逆變的變頻器,輸出波形中會(huì)不可避免地產(chǎn)生較大的諧波分量,因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的籠型電機(jī)。當(dāng)經(jīng)過兩個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后,可得到12個(gè)波頭的整流輸出波形,。由于兩個(gè)次級(jí)繞組線電壓相同, 則它們各相之間相位差為30176。其主電路一般為電壓源型的交直交結(jié)構(gòu), 形式上多采用中心點(diǎn)鉗位型三電平逆變電路（，用的是兩電平逆變器,只是上下橋臂各有3個(gè)器件串聯(lián)）以避免整流及逆變器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴},。使用時(shí)應(yīng)該明確: 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的功率≤200kW 時(shí),380～500V的低壓電源可以直接進(jìn)入主電路的整流環(huán)節(jié)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的功率200kW 時(shí),為減少輸電線路上的損耗,我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:宜采用高壓供電,此時(shí)應(yīng)在高壓電源與低壓變頻器之間裝設(shè)降壓變壓器[5]。所有國(guó)內(nèi)外品牌的低壓變頻器,其主電路均為電壓源型的交直交結(jié)構(gòu),形式上幾乎都是兩電平6脈沖,用IGBT作逆變開關(guān),。目前，按電壓等級(jí)來分，又可將變頻器分為低壓變頻器和中、高壓變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，因此其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用