【正文】 (226)從上式解得，三相到兩相的匝數比應該為: （227）因此，可以得到下面的矩陣形式: （228）當電機使用星型接法時，有等式: （229）則上面的變換矩陣可以寫成下面的形式： (230)同時我們可以得到從兩相到三相的變換矩陣即為上面矩陣的逆變換: (231)從原理上分析，上面的變換公式具有普遍性，同樣可以應用于電壓或者其他參量的變換中。 假定A軸與軸重合，三相坐標系上電機每相繞組有效匝數是，兩相坐標系上電機繞組每相有效匝數為，在三相定子繞組中，通入正弦電流，則磁動勢波形為正弦分布，因此，當三相總安匝數與兩相總安匝數相等時，兩相繞組瞬時安匝數在 ，軸上投影應該相等。每一個坐標軸上的磁動勢分量，可以通過在此坐標軸的電流i與電機在此軸上的匝數N的乘積來表示。圖中的A，B，C坐標軸分別代表電機參量分解的三相坐標系。為此，首先推導出簡化電機模型的等效變換的變換矩陣。從上面公式中可以看出，電機數學模型表達式不能直接應用在工程設計中，最主要的原因是電感參數是隨時間變化的。為極對數。D為與轉速成正比的阻轉矩阻尼系數。設定子繞組之間互感的最大值為，則定子繞組每相自感為===+ （28） 轉子繞組每相負載為===+ （29）定子繞組兩相之間的互感為 （210）轉子繞組兩相之間的互感為 （211）定子和轉子之間的互感，可以表示為下列公式: （212） （213） （214）將上面的各等式代入磁鏈方程，用向量表示為: （215）將上面的磁鏈表達式代入感應電機定轉子電壓方程，用向量形式表示為： （216）式中 為電壓向量為電流向量為電阻參數diag上面的方程就是異步電機的電壓模型，它是一個高階，非線性，強禍合的多變量系統(tǒng)。繞組磁鏈矩陣表達式= （27） 由于各相對稱分布，定子繞組每相的自感和兩相之間的互感均相等，轉子繞組每相的自感和兩相之間的互感也相等。電機每相定子電壓表達式 (21) (22) (23)轉子電壓 (24) (25) (26)方程中， 分別定子三相電壓，分別表示轉子三相電壓，表示定子三相電流，表示轉子三相電流， 為定子三相磁鏈值， 為轉子三相磁鏈值，P表示為微分算子。假設三相轉子繞組的繞組參數己經歸算到定子繞組，定轉子繞組參數相同。三相坐標系abc是旋轉坐標系，轉子繞組建立在此坐標系上。為了分析方便，需要在各個坐標系中進行等效變換，本章隨后將對一般常用的等效變化做一個詳細的分析。國內外許多專家都提出了感應電機在不同坐標系變換下的數學模型，其中使用較多的有電機三相坐標系，在此坐標系中，電機的三相參量各代表一坐標。第五章為本文結論。在確定了系統(tǒng)的總體方案后，對不同的控制方式以及實現方式，選擇調速系統(tǒng)各個子模塊實現方式。第二章為電機模型，介紹了異步電機的數學模型以及為簡化模型的各個坐標變換理和公式實現。本論文主要對采用的轉子磁場定向控制方案設計做一比較系統(tǒng)的描述。從以上幾種電機控制方案來說，轉差率的矢量控制只考慮了轉子磁通的穩(wěn)態(tài)方動態(tài)效果太差，不適合于高性能的電機控制系統(tǒng)，而氣隙磁場控制和定子磁場控制都有實現電量的完全解耦，因此需要增加解耦控制器，針對設計任務書要求，選擇轉子磁場定向的矢量控制。氣隙磁場定向矢量控制原理:除了轉子磁場的定向控制以外，還有一些控制系統(tǒng)使用的是氣隙磁場的定向控制，此種方法比轉子磁通的控制方式要復雜，但其利用了氣隙磁通易于觀測的優(yōu)點，保持氣隙磁通的恒定，從而使轉矩與q軸電流成正比，直接對q軸電流控制，達到控制電機的目的。轉差率矢量控制原理:如果使電機的定子、轉子或氣隙磁場中一個保持不變，電機的轉矩就由轉差率主要決定。以下主要介紹最常用的控制策略。鑒于我們平常學習接觸的調制方式，對SVPWM了解不是很多，所以在本系統(tǒng)主電路中選用了電流滯環(huán)控制型逆變器，主要由滯環(huán)脈沖發(fā)生器驅動的逆變器組成，具體的性能以及實現方法將在控制系統(tǒng)設計章節(jié)中介紹。由于本論文不涉及到這些控方法，因此也不一一做詳細介紹。對速度比較慢的處理來說，可以應用表格法來產生，這種方法將要輸出的脈沖寬度以數據表格的形式存放內存或者外部擴展ROM塊中，通過實時讀取表格中參數值，就可以輸出產生正弦波對晶振頻率較高的處理器，可以采用實時采樣輸出的方法，計算下一周期理想輸出的形脈寬。在以往的SPWM正弦調制中，模擬電路采用得多的是通過振蕩電路，產生正弦波和三角波，再通過比較器來確定橋臂的導通與關或者是通過正弦波產生芯片來控制功率管，如HEF4752和SLE4520。此方法的點是轉矩脈動比較大，不適合于高精度場合應用，相對于這種方法的缺點，工程技術應用最多的就是SPWM調制，即正弦調制。由于PWM變換器具有功率因數高，調制簡單，可同時實現變壓變頻以及抑制諧波的特點，因此，得到了廣泛的工程應用。有待于進一步對其工程化推廣。在參考文獻，對兩種控制方法進行了詳細的對比，從仿真的結果對電機靜態(tài)和動態(tài)性能，轉矩，磁場以及電機參數的敏感度等性能做了詳細的分析，從結論中，可以看到，矢量控制在轉矩性能控制以及電機參數的敏感度上占了一定的優(yōu)勢，而直接轉矩控制在磁場控制性能上有一定的異步電機矢量控制研究優(yōu)勢，而且直接轉矩控制由于省略了大部分的坐標變換，比矢量控制在計算量上較為化。直接轉矩控制電壓矢量的獲得也是分別控制8個逆變開關狀態(tài)。矢量控制通過定子電流采樣，進而進行解禍，對影響電機磁場和轉矩的電流分量分別控制。下面對直接轉矩控制和矢量控制在各個方面上進行對比。除以上兩種調速方式之外，國際學術界比較流行的電機控制方案研究還有致力于直接控制電機輸出轉矩的直接轉矩控制(DTC)。系統(tǒng)增加了反饋電路和其他輔助環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機率。帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機閉環(huán)變頻調速技術性能雖較好，但是畢竟它需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，己經降低了異步電動機結構堅固、可靠性高的特點。采用矢量變頻器異步電機變頻調速是可以達結構簡單，可靠性高的效果。矢量控制變頻器可以分別電動機的磁通和轉矩電流進行檢測和控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測值達到一致，從而實現了變頻調速，大大提高了電機控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質。矢量控制是當前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應用的主流，它是通過分析電機數學模型壓、電流等變量進行解耦而實現的。尤其是在低速區(qū)域由于定子電阻的壓降不容忽視而使電壓調整難，不能得到較大的調速范圍和較高的調速精度。方案結構簡單，通過調節(jié)逆變輸出電壓實現電機的速度調節(jié)，根據電機參數，設曲線，其可靠性高。因此可見，今后變頻器的高速響應和高性能將是基本條件。Mamp。作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數字式、智能化、多功能型發(fā)展。如用于起重機負載，交流電梯，恒壓供水、機傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用變頻器。通用變頻器中出現專用型產品是近年來的事。而控制電源用的開關電源將推崇半諧振方式，這種開關控制方式在3050MHz時的噪聲可降低1520dB。今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC標準，主要做法是在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正(Active Power Factor Correction。變頻器的小型化除了出自支撐部件的封裝技術和系統(tǒng)設計的大規(guī)模集成化以外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術的發(fā)展己成為小型化的重要原因。例如日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一塊芯片上的DIPIPM(即雙列直插式封裝)的研制己經完成并推向市場，一種使逆變功率和控制電路達到一體化、智能化和高性能化的HVIC(高耐壓IC)SOC(System on Chip)的概念已被用戶接受。另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。因其能減少這種噪聲，因此得廣泛應用。年代至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢(如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等)。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號用以控制功率器件的開關狀態(tài)，到目前采用全數字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，PWM調制在各種應用場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。 PWM調制技術的發(fā)展概況PWM調制技術是變頻技術的核心技術之一。ALU只能作加法，乘法需要由軟件來實現，因此占用較多的指令周期，運算速度比較慢。而單片機為復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)，多數指令要23個指令周期來完成。TI和AD公司的DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序空間和數據空間，允許同時存取程序和數據，同時，程序空間和數據空間也有專門的通道可以進行數據交換，從而既避免了某一個空間的浪費，又為某些應用做好了準備。如日本三菱電機開發(fā)的用于電動機控制的M3770M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240系列都是頗具代表性的產品。(5)IPM的售價已逐漸接近IGBT，而設計人員采用IPM后的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后，在許多場合其性價比己高過IGBT，有很好的經濟性。(3)由于在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。目前，在模塊額定電流10600A范圍內，通用變頻器均有采用IPM的趨勢，其優(yōu)點有:(1)開關速度快，驅動電流小，控制驅動更為簡單。其四是驅動功率減少，體積趨于更小。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善。第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了更大的提高。IGBT集射集電壓可小于3V，開關頻率可達到20KHz，內含的集射極間超高速二極管T。變頻技術的發(fā)展是建立在電力電子技術發(fā)展基礎之上的。然而，這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別(Identification簡稱ID)，通過ID確立電機實際的定子阻抗互感、電機慣量等重要參數，然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的BandBand控制產生PWM信號，對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。所引入的定子磁鏈觀測器能夠很容易對同步速度信息進行估算，因而能方便地實現無速度傳感器控制。它不需要將交流電動機控制等效成直流電動機控制方式，因而避免了矢量旋轉變換中的許多復雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動機的數學模型。在電機運行過程中，由于溫度等外界環(huán)境和電機磁場變化對電機轉子時間常數等參數的影響，大大降低了控制系統(tǒng)的精度，轉子時間常數的辨識方面，1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（Direct Torque control簡稱DTC)。使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。矢量控制的基本原理是控制電機磁鏈矢量，通過分解定子電流，使之分解成轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交解耦控制。以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。交流電機是一個多變量，非線性的復雜的被控對象，上述方法研究其控制特性，靜、動態(tài)效果均不太理想，在上述各種方法中，由于未引入轉矩控制調節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。實現輸出電壓、電流閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時在一定程度上獲得電流波形的改善。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形?，F代交流電機變頻調速系統(tǒng)的發(fā)展，主要經歷了以下幾個階段:早期通用變頻器，、比較適合應用在風機、水泵等場合，其控制曲線會隨著負載的變化而變化，轉矩響應慢，電磁轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差。70年代初發(fā)明了矢量控制技術(或稱磁場定向控制技術)，通過坐標交換，把交流電機的定子流分解成勵磁分量和轉矩分量，用來分別控制磁通和轉矩，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，又陸續(xù)提出直接轉矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流調速系統(tǒng)媲美的高性能交流調速系統(tǒng)。，過去多用直流傳動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、轉動慣量小、率高，如果改成交流調速傳動，顯然能夠帶來不少的效益。直到本世紀70年代初葉，席卷世界先工業(yè)國家的石油危機迫使他們投入大量人力和財力去研究高效節(jié)能的交流調速系統(tǒng)，流調速系統(tǒng)主要沿著下述三個方向發(fā)展和應用.，風機、水泵等機為過去交流電機本身不調速，不得不依賴擋板和閥門來調節(jié)送風和供水的流量，許多能因而白白地浪費掉了。s rapid develop