1、 - I - 摘 要 本设计通过把 异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型， 模拟直流电动机的控制模型来 达到 控制交流电动机 的目的 。 以电子电流的幅值、相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变旋转磁场的旋转速度，达到无延时的转矩响应。 在分析三电平逆变器的拓扑结构及工作原理和三相异步电机的数学模型、坐标变换的基础上，深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的基本原理，设计了 磁链和转速双闭环系统 并给出了框图 ，通过计算机仿真方法分别建立 矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿 真 模型。对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的
2、抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证。 针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。 直接矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，模拟直流电机的控制方式 可以使 交流电机也能 达到 与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并 采 用 MATLAB进行 仿真 设计 。 关键词 ： 三电平逆变器；异步电机；转子磁场定向控制； MATLAB 仿真 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 - II - The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based
3、 on Rotor Field-Oriented Abstract Three-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefo
4、re, this article chooses three-level inverter induction motor rotor field-oriented control for research. Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the coordinate transformation,
5、 the in-depth study of the rotor field-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation. Ke
6、y words： Three-Level Inverter; Asynchronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB simulation 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 - III - 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . II 一、绪 论 . 1 （一）课题背景和意义 . 1 （二）多电平逆变器的发展概况 . 3 （三）异步电机转子磁场定向控制技术综述 . 2 1. 交流调速的发展概况 . 2 2. 转子磁场定向控制技术的发展概况 . 2 （四）课题研究的主要内容 . 3 二、二极管嵌位式三电平逆变
7、器 . 4 （一）逆变器介绍 . 4 （二）三电平逆变器的拓扑结构及工作原理 . 5 （三）二极管钳位型三电平逆变器的优缺点 . 9 三、异步电机转子磁场定向控制 . 10 （一）异步电机动态数学模型与坐标变换 . 10 1.三相异步电动机的数学模型 . 10 2.坐标变换 . 14 3.异步电机在两 相任意旋转坐标系上的数学模型 . 17 4.异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 . 20 （二） 异步电机转子磁场定向控制 . 20 1.异步电机转子磁场定向控制简介 . 20 2.转子磁场定向控制的基本原理 . 20 3.转子磁链观测模型 . 22 （三）异步电机转子磁场 定向控制系统
8、. 24 1.异步电机转速、磁链双闭环控制系统 . 24 2.转速闭环控制 . 25 3.磁链闭环控制 . 25 （四）本章小结 . 26 四、控制系统仿真分析 . 26 （一） MATLAB/Simulink 软件介绍 . 26 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 - IV - （二）异步电机转子磁场定向控制系统仿真 . 27 1.仿真模型 . 27 2.仿真结果分析 . 27 （三）本章小结 . 35 五、结论与展望 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 1 一、 绪 论 （一）课题背景和意义 在 工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有
9、调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，约电能也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高， 特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前 3000 转 /分左右的高速直流电机最大容量只有 400 千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。 这些缺点正是交流电机所能克服的，但交流电机的调速性能
10、不理想，致使交流调速在变速传动领域一直得不到广泛的应用。 随着 电力电子技术的飞速发展，研究出各种新的 控制技术以及新的 控制理论，比如：异步电机的磁场定向控制，直接转矩控制，自适应控制理论等等，致使交流调速系统的技术性能指标和直流调速系统相媲美，而交流电机又具有 直流电机所不具备的优点：结构简单，价格低廉，牢固，运行可靠，易于正反转，能适应防尘、防爆、防腐蚀的恶劣环境，易于发展高速大容量的变速传动系统 。 交流电机典型 的 高效调速方法是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始
11、终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动 性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。 现在广泛应用的磁场定向控制调速技术对电机进行节能技术改造，在磁场定向控制调速技术中利用矢量控制原理的高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，使交流电动机可以有效地节电量，取得很好的经济效益。并使调速后的交流电动机具备宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好2 技术性能，可以使其动、静态特性可以和
12、直流传动系统相媲美。在高压大功率的应用领域，结合多电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制因为其自身的优点 得到了广泛的应用 。 （二） 异步电机转子磁场定向控制技术综述 1. 交流调速的发展概况 直流电动机的调速性能优于交流电动机，因此在调速领域曾一直占主导地位。但直流电动机结构复杂，转速、电压、功率受到环境影响，价格昂贵。与此同时交流电动机具有结构简单、坚固耐用、价格低廉、维修方便等优点。但异步电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，可控性较差，以前未得到大规模应用。交流调速的初期，人们只能从异步电机的稳态模型研究调速方法。异步电机的控制包括恒压频比控制、滑差频率控制。恒压频比 （ V/F
13、） 控制是只在控制过程中 保持 V/F 是常数不变，保证定子磁链的恒定，是一种最简单的控制方法。但它是一种开环控制，动态性能较差，控制参数还需要根据负载的不同改变，低速时还可能产生不稳定的现象。滑差频率控制包含了速度闭环，更容易使系统稳定。但是没有瞬时转矩的闭环控制，所以会影响动态性能。所以这两种方法都是稳态控制，电机动态性能不好。大多应用在风机等没有高动态性能要求的调速中 2。由于现代电力电子技术、现代控制理论、微机控制技术等理论技术的发展，异步电机调速取得了突破性进展，交流调速技术进入了一个新的时代 11。 2. 转子磁场定向 控制技术的发展概况 德国的 F.Blaschke 在 1971
14、 年提出矢量控制 理论。矢量控制一般称为磁场定向控制，也就是将磁场的方向作为坐标轴的基准方向。转子磁场定向控制的思想是将异步电机模拟成直流电机控制。应用坐标变换将电机三相系统变为两相系统，在转子磁场定向坐标系上，交流电矢量变为了互相垂直独立的励磁直流分量和转矩直流分量。控制励磁分量为恒定值，通过控制电流转矩分量控制电机转矩，这种控制方法和直流电机的转矩控制相似。转子磁场定向控制消除了标量控制的缺陷，同时提高了实时控制。在转子磁场定向控制中，电机参数变化和 转速测量的误差会引起磁链误差，影响转子磁场定向控制的效果。 3 20 实际 70 年代刚刚提出磁场定向控制的基本理论，开创了交流传动的新纪元
15、。但由于其运算非常复杂，当时的控制系统无法实现。电力电子器件、微处理器和现代控制理论的高速发展为高性能交流调速奠定了基础。 21 世纪转子磁场定向控制也在快速的发展，日本在通用变频器上的无速度传感器方面比较先进，美国在电机参数辨识上的研究比较深入，德国在大功率系统应用上比较先进。 采用现代数字控制技术，开发更精确的转子磁场定向方法和磁通观测器，使变频器获得更大的低频转矩和过载能力是以 后的重要发展方向，无速度传感器的开发 也是研究热点之一。 （三 ） 多电平逆变器的发展概况 传统两电平逆变器在一个输出周期内桥臂的相电压为两电平波，高频时产生很大的浪涌电压和开关损耗，无法应用在高压输出逆变器场合
16、。所以，日本Akira Nabae 教授 1981 年提出了中点嵌位逆变器 ,它有两个分压电容，每个桥臂上增添了两个功率开关和中点嵌位二极管。该逆变器输出三电平的电压波，称为三电平逆变器。 P. M. Bhagwat 等人于 1983 年将三电平逆变器推广到五电平、七电平等多电平逆变器结构。多电平逆变器能够实现更高的电 压等级、输出电压谐波含量低、 du/dt 和 di/dt 引起的电磁干扰小，在高电压大功率逆变场合具有广泛的应用。 多电平逆变器包括二极管嵌位型、电容嵌位型、有源中点嵌位型逆变器等。还有一些衍生的拓扑结构，例如层叠多单元逆变器等。研究多电平拓扑是为了实现多电平的输出电压，使其应
17、该用在更高的电压场合，减小谐波含量。二极管嵌位型、电容嵌位型多电平逆变器适用于高电压输出大功率逆变场合。随着电力电子技术的发展，大容量逆变器得到了广泛的应用。二极管箝位式逆变器的拓扑结构已经有了成熟的应用，但中点电压平衡难以控制，目前只有三电 平逆变器实现了应用 3-4。 （四）课题研究的主要内容 多电平逆变器因为耐压高，输出谐波含量少等优点，适合应用于在高压大功率应用领域，三电平逆变器是多电平逆变器中应用最广泛的一种。异步电机的磁场定4 向控制模拟直流电机可以实现良好的动态性能。本文针对基于三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制进行了研究。 本课题的主要工作包括： 1. 对二极管嵌位式三电平
18、逆变器的拓扑结构、工作原理进行了分析。 2. 分析了异步电机在三相静止坐标系和两相同 步旋转坐标系上的数学模型，研究了异步电机转子磁场定向控制的原理和 磁链观测模 型。 3. 设计了基于三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制系统，包括转速闭环、磁链闭环。 4. 对三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制系统的动态性能进行了MATLAB 仿真 。 二、 二极管嵌位式三电平逆变器 （一） 逆变器介绍 多电平逆变技术最初的出发点是通过对逆变器的主电路进行改进，使得逆变器的所有开关器件都工作在基频或者基频以下，以达到降低功率器件开关的频率、减小开关应力、减小输出电压谐波含量等目的，提高整个功率变换的效率
19、，但因多电平逆变器需要的各种功率器件较多，所以从提高产品性价比的角度考虑 ，更适合应用于高压大功率的场合。 理论上，逆变器的电平数越多，所得到的阶梯数越多，从而更接近于正弦波，谐波含量越小。但在实际应用中，由于受到硬件条件和控制电路的复杂性的制约，在综合考虑性能指标的情况下，三电平逆变器最为普遍，对其研究和分析具有实际意义 三电平是相对于通用变频器中常用的两电平方案而言的 14。在两电平逆变器中，通过轮流导通的电力电子器件，在输出端把中间直流回路的正端电压和负端电压分别接到交流电动机定子各相绕组上。当逆变器输出电压较高时，开关器件的耐压不5 够。所以提出了多电平逆变器适应负载的要求 3，目前只
20、有二极管嵌位式三电平逆变器在中压大功率传动系统中得到了实际应用 5。 三电平电路由于其特殊的电路结构，除 P、 N 两种电平输出外还可以实现零电平 O 输出 6。 二极管嵌位式三电平逆变器的电平数比两电平逆变器多，输出电压和电流接近于正弦波，谐波含量减少。器件受到的电压应力小，系统可靠性提高。 du/dt 的降低减小了对外围电路和电机的影响 17。但它也带来了中点电位平衡问题。基于三电平逆变器的优势，本文采用二极管嵌位式三电平逆变器，并通过开关状态的分配减小中点电位偏移。 （二） 三电平逆变器的拓扑结构 及工作原理 多电平电路的实现有很多方式，但从电路原理的角度，为得到所要输出的多层电平，至少
21、应该具有两个条件：一在输入侧有基本的直流电平；二需要由有源和无源开关器件组成的基本变换单元，将基本电平合成以实现多电平输出。通过对基本电路单元的不同组合，可以生成不同电平数以及不同电路特性的多种电路。根据需要对这些电路加以简化，就可以得到许多实用的多电平电路拓扑。目前所见到的多电平逆变器，按照主电路拓扑结构分，主要分为三类基本的拓扑结构：二极管钳位型多电平逆变器 (Diode-clamped multilevel inverter)、飞跨电容型多电平逆变器(Flying-capacitor multilevel inverter)和级联型多电平逆变器 (Cascaded multilevel
22、inverter)。最常见的二极管钳位型三电平逆变器，这种拓扑简单，应用广泛，控制策略也比较简单，是分析多电平逆变器的基础。 当逆变器电路需要输出电压较高时，开关器件的耐压不够，这时可以对电路拓扑结构进行改造，以使得在当前开关器件耐压水平下，获得更高的电压输出，二极管钳位型三电平电路是最早提出的一种拓扑。 6 图 2.1 三电平逆变器拓扑结构 三电平逆变器的拓扑结构如图 2.1 所示，当 S1 和 S2 同时导通时，输出端 A 相对 M 点的电平为 Ud /2(E)；当 S2 和 S3 同时导通时，输出端 A 相与 M 点相连，因此它的电平为 0；当 S3 和 S4 同时导通时，输出 A 相电压为 -Ud /2(-E)，所以每相桥臂能输出三个电平状态，由三相这种桥臂组成的逆变器就叫做二极管钳位型三电平逆变器。 从表 2.1 可以看到三种稳态工作模式的开关状态和输出电压的对应关系，主开关管 S1 和 S4 不能同时导通，且 S1 和 S3、 S2 和 S4 的工作状态恰 好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关管所承受的正向阻断电压为 Ud/2。另外从表 2.1 中也可以看出，每相桥臂中间的两个 IGBT 导通时间最长，导致发热量也多一些，因此实际系统散热设计以这两个 IGBT 为准。 表 2.1 二极管箝位式三电平逆变器的开关状态和输出电平
