基于二極管鉗位三電平逆變器異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究仿真

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于二極管鉗位三電平逆變器異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究與仿真The Study and Simulation of Asynchronous Motor Direct Torque Control System Based on Diode-Clamped Three-Level Inverter院（部）名稱： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化2010級(jí) 學(xué)生姓名： 張龍琦 學(xué) 號(hào)： 201002010098 指導(dǎo)教師姓名： 雷慧杰 指導(dǎo)教師職稱： 講師 2014年 5月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

2、，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得安陽工學(xué)院及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解安陽工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保

3、存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 目 錄摘要IAbstractII引 言1第一章 緒 論21.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)21.1.1直接轉(zhuǎn)矩基本原理概述21.1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要特點(diǎn)21.1.3直接轉(zhuǎn)矩控制存在的問題31.2多電平逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀41.2.1多電平逆變技術(shù)簡(jiǎn)介41.2.2飛躍電容型多電平逆變器41.2.3二極管鉗位型多電平逆變器41.3國(guó)內(nèi)外交流調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題61.4本章的主要內(nèi)容7第二章 基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型82.1二電平逆變器模型82.2二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器的主電路結(jié)構(gòu)92.2.

4、1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)92.2.2空間電壓矢量的劃分112.2.3判斷空間矢量所在的扇區(qū)112.3坐標(biāo)變換和變換矩陣112.3.1三相/二相靜止變換（、0變換）122.3.2二相/二相旋轉(zhuǎn)變換（d、q、0變換）122.4 NPC型三電平逆變器與異步電機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型122.5小結(jié)15第三章 基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)163.1系統(tǒng)基本原理163.2定子磁鏈的控制163.3磁鏈觀測(cè)器模型183.4電磁轉(zhuǎn)矩的控制193.5三電平直接轉(zhuǎn)矩控制存在的問題203.6小結(jié)20第四章 三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究224.1三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型224.1.1異步電機(jī)本體模塊224.

5、1.2轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制模塊234.1.3三電平逆變器模塊234.1.4定子磁鏈觀測(cè)模塊254.1.5三電平直接轉(zhuǎn)矩控制矢量選擇254.2仿真結(jié)果分析264.3小結(jié)28結(jié) 論29致 謝30參考文獻(xiàn)31基于二極管鉗位三電平逆變器異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究與仿真摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的另一種新型商性能交流調(diào)速傳動(dòng)的控制技術(shù)。它以新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能得到了迅速的發(fā)展，但同時(shí)存在著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、電流諧波成分高和定子磁鏈軌跡畸變等不足。本文從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和結(jié)構(gòu)，以及電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩

6、的影響；詳細(xì)分析了空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的原理與兩種SVPWM模式；給出了連續(xù)空間矢量脈寬調(diào)制的解析計(jì)算式以及合成時(shí)序。為了改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制性能，增加工作電壓矢量和改善磁鏈軌跡，將中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和SVPWM技術(shù)引入異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。用MATLAB工具對(duì)其工作性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明該算法能有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、削弱低速運(yùn)行時(shí)的磁鏈畸變。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；三電平逆變器；直接轉(zhuǎn)矩控制；定子磁鏈；空間矢量脈寬調(diào)制。The Study and Simulation of Asynchronous Motor Direct Torque Control System

7、 Based on Diode-Clamped Three-Level InverterAbstract: Direct Torque Control(DTC) is a new developing AC motor speed control strategy with simple structure and easy implementation but high performanceAfter DTC technology was invented，it has been given wide concern and has got rapid development becaus

8、e of its original control nation，concise system and immobilityHowever，the applications of this method ale limited due to some disadvantages，such as，the large tipple of electromagnetic torque，the great harmonic components，and the distortion of the stator flux trackThe basic theory of DTC is introduce

9、d briefly based on mathematic model and the theory of space vector pulse width modulation(SVPWM) and two kinds of SVPWM methods are discussed in detailThe analytical formation of voltage to space vector modulation is obtainedThree-Level neutralpoint-champed inverter and space vector pulse width modu

10、lation technique ale applied to DTC system for improving control performance of DTC systemIn this thesis，after analyzed the problems of neutral-point-voltage unbalance of three level neutral-point-champed inverter in detail，a method is introduced to resolve the problemsAn improved space vector pulse

11、 width modulation algorithm is presented to resolve the problems，such as voltage unbalance of neutral point，the large tipple of electromagnetic torque，the great harmonic components，and the distortion of the stator flux trackSimulation results show its effectiveness and feasibilityKey words: asynchro

12、nous motor;three-level neutral-point-champed inverter ;direct torque control;stator flux;space vector pulse width modulationII引 言近些年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)、電力、交通、新能源及其它一些相關(guān)領(lǐng)域?qū)Υ笕萘侩娏﹄娮幼儞Q設(shè)備的需求更加迫切，這些設(shè)備的功率目前已達(dá)到兆瓦級(jí)，而可控交流傳動(dòng)在兆瓦級(jí)范圍內(nèi)常常會(huì)和中壓電網(wǎng)聯(lián)系在一起。今天，很難將某個(gè)獨(dú)立的電力半導(dǎo)體開關(guān)器件和中壓電網(wǎng)（2.3、3.3、6或l0kV）直接聯(lián)在一起，正是如此，更高電壓等級(jí)的多電平逆變器引

13、起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。目前，交流傳動(dòng)已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主流，低壓中小容量的變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用，而對(duì)于中高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段，主要依靠進(jìn)口一些國(guó)外著名電氣公司的變頻傳動(dòng)裝置，這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的價(jià)格十分昂貴，而且核心技術(shù)仍為國(guó)外公司所掌握，所以我們很有必要研究屬于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中高壓大功率變頻裝置。多電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了功率開關(guān)器件直接串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)降低了電壓變化率，減少了共模干擾，相應(yīng)提高了電機(jī)效率，成為中大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，許多國(guó)際著名電氣公司都開發(fā)了以三電平逆變器為核心的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，容量可達(dá)數(shù)十兆瓦，成功應(yīng)用予鋼鐵軋機(jī)

14、、礦井提升機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)以及電力機(jī)車、城市軌道交通等領(lǐng)域。我國(guó)正處于國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科的發(fā)展也不例外，各高校和科研院所都在積極研發(fā)新一代的電氣傳動(dòng)設(shè)備，開發(fā)利用新能源。顯然，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率多電平逆變器交流傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益而且具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。第一章 緒 論1.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)1.1.1直接轉(zhuǎn)矩基本原理概述二十世紀(jì)八十年代，德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授和日本學(xué)者Takahashi首先分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制DTC的概念，Depenbrock教授最初提出的是基于六邊形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制，Takahashi將直接

15、轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用到了圓形磁鏈軌跡領(lǐng)域。1987年，Depenbrock教授又把它推廣到了弱磁調(diào)速范圍。90年代初，德國(guó)魯爾大學(xué)EAEE研究室在Depenbrock教授和Steimel教授的領(lǐng)導(dǎo)下，提出了作為DSR系統(tǒng)改進(jìn)方案的間接自控制ISR系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論的提出，在很大程度上解決了矢量控制中存在的計(jì)算復(fù)雜、易受電機(jī)參數(shù)影響、實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果的一系列重大問題。直接轉(zhuǎn)矩控制一經(jīng)提出，就以其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、良好的動(dòng)、靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注，并且得到了迅速的發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理是，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型確定電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)調(diào)節(jié)，控

16、制磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩跟蹤參考值，并通過開關(guān)矢量選擇單元輸出合適的開關(guān)矢量，控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，給異步電動(dòng)機(jī)供電。異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖可以簡(jiǎn)單地表示成圖1.1所示的形式。1.1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)作為繼矢量控制技術(shù)后，交流調(diào)速領(lǐng)域又一項(xiàng)新興的控制技術(shù)，與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制主要有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化。既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變化等復(fù)雜的變換計(jì)算。因

17、此，它所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單。所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的物理過程做出直接和明確的判斷。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制磁通估算所采用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以進(jìn)行有效觀測(cè)。而矢量控制采用的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能對(duì)于電機(jī)模型參數(shù)的依賴性。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，與矢量控制技術(shù)不同，它不是通過控制電流、磁鏈來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也專門強(qiáng)調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出

18、發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。圖1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖（4）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，它包含有兩層意思：直接控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其經(jīng)典控制方式，是通過兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩的測(cè)量值與轉(zhuǎn)矩的給定值進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)。因此它的控制效果，與異步電機(jī)模型參數(shù)無關(guān)，而是由轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況所決定，使得控制既直接又簡(jiǎn)潔。1.1.3直接轉(zhuǎn)矩控制存在的問題盡管直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等特點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制仍存在一些問題：（1）低速性能差低速性能差是一個(gè)綜合問

19、題，它包括低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，磁鏈觀測(cè)問題，定子電阻補(bǔ)償問題等諸類問題。例如，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，定子磁鏈的觀測(cè)采用的是U-I模型，在低速區(qū)，由于存在定子電阻壓降，會(huì)造成定子磁鏈觀測(cè)不準(zhǔn)確，使低速性能變差。（2）電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大電流和轉(zhuǎn)矩是直接相關(guān)的，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，功率器件的開通與關(guān)斷是由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)輸出與給定的比較來確定，開關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)速和滯環(huán)寬度的變化而變化，因此存在著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題。（3）開關(guān)頻率不固定在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中。逆變器的開關(guān)頻率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化以及滯環(huán)的大小而變化。1.2多電平逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1多電平逆變技術(shù)簡(jiǎn)介多電平電

20、路的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路，從80年代開始逐漸成為包括大功率電機(jī)傳動(dòng)和大功率無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域在內(nèi)的重要研究對(duì)象。到目前，多電平逆變器已經(jīng)有了很大的發(fā)展，在理論和拓?fù)渖铣霈F(xiàn)了多個(gè)分支。多電平逆變器的基木拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為三類：二極管鉗位型多電平逆變器（Diode-Clamped Multilevel Inverter）；飛躍電容型多電平逆變器（Flying-Capacitor Multilevel Inverter）；和級(jí)聯(lián)多電平逆變器（Cascaded Multilevel Inverter）。1.2.2飛躍電容型多電平逆變器飛跨電容式多電平逆變器是1992年由T.A.

21、Meynard和HFoch提出來的，其拓?fù)淙鐖D1.2所示（其中只畫出了一相，其余兩相與之相同）。和二極管箱位式多電平逆變器相比，用電容取代了箱位二極管即通過電容來進(jìn)行鉗位。對(duì)于N電平的逆變器來講，每個(gè)電容所分擔(dān)的電壓為Vdc/(N-1)，每相所需的電容數(shù)目為N(N-1)/2，每相開關(guān)數(shù)目為(2N-2)個(gè)。與二極管箱位式逆變器相比，它的開關(guān)選擇更為靈活。在得到電平3Vdc/4時(shí)有多達(dá)6種選擇，這樣在合成同一空間電壓矢量時(shí)有較多的選擇，以使直流側(cè)電容電壓保持均衡，從而對(duì)該種拓?fù)涞哪孀兤骺刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化。但同時(shí)，在省去大量二極管的同時(shí)又引入了大量電容，使得系統(tǒng)的體積和成本增加。其次，因?yàn)樵谳敵鐾浑?/p>

22、平時(shí)有不同的開關(guān)組合，使得系統(tǒng)的控制變得復(fù)雜。圖1.2 飛躍電容型多電平逆變器 1.2.3二極管鉗位型多電平逆變器多電平逆變器作為一種新型的逆變器類型，其產(chǎn)生的背景是為了克服傳統(tǒng)逆變器較高的dv/dt、di/dt所引起的開關(guān)應(yīng)力等缺點(diǎn)，出發(fā)點(diǎn)是通過對(duì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使所有功率器件工作在基頻以下，達(dá)到減小開關(guān)應(yīng)力，改善輸出波形的目的，但因多電平電路所需的功率器件較多，所以從提高性能比的角度來講，它更適合于大功率場(chǎng)合。1980年，日本學(xué)者Nabae提出了帶二極管鉗位的三電平逆變器如圖1.3所示。這種又稱為中點(diǎn)鉗位式（Neutral Point Clamped）的逆變器在以往兩電平逆變器的基礎(chǔ)

23、上，通過鉗位二極管鉗位到中點(diǎn)，從而在正、負(fù)兩種電平的基礎(chǔ)上，加入了一個(gè)0電平，變成三電平，使得輸出電壓波形的正弦度提高，波形質(zhì)量有一定改善，并且功率開關(guān)所承受的電壓較二電平時(shí)減小了一半。這一發(fā)明，為高壓變頻用逆變器的研制提供了一條新的思路。后來，又推出了飛跨電容式以及獨(dú)立電源式的三電平拓?fù)?，豐富了多電平系列，也大大推動(dòng)了高壓變頻領(lǐng)域研究的發(fā)展。在對(duì)二極管鉗位型三電平逆變器的電路和輸出波形分析之后，可以概括出三電平逆變相對(duì)兩電平拓?fù)溆幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）NPC三電平逆變器能很好的解決電力電子開關(guān)器件耐壓不夠高的問題。由于每相輸出電壓在P-O或者O-N之間，器件承受的關(guān)斷電壓就是直流回路電壓的一半，而

24、在兩電平拓?fù)渲校_關(guān)器件承受的電壓為P-N之間的電壓。（2）由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀更接近正弦。在同樣的開關(guān)頻率下，諧波比兩電平低得多，這正適合高壓大容量逆變器由于開關(guān)損耗及器件性能問題開關(guān)頻率不能過高的要求。圖1.3 二極管鉗位型三電平逆變器 （3）三電平逆變器輸出的負(fù)載相電壓為9個(gè)電平，相對(duì)于兩電平拓?fù)漭敵?個(gè)電平，各級(jí)電平間的幅值變化降低，低的dv/dt對(duì)外圍電路的干擾小，對(duì)電機(jī)的沖擊小。（4）在同樣的直流電壓Vdc下，比較兩電平和三電平逆變器，由于兩電平逆變器開關(guān)承受的耐壓為Vdc，每個(gè)開關(guān)管必須由兩個(gè)開關(guān)元件串聯(lián)（假設(shè)采用相同額定值的器件），因此三電平拓?fù)涫褂玫闹鏖_關(guān)

25、器件數(shù)目并不比兩電平逆變器多。但是這種三電平結(jié)構(gòu)也有它固有的不足：器件所需額定電流不同。不同管子的開關(guān)時(shí)間不同，顯然每相橋臂越靠中間的管子開通時(shí)間越長(zhǎng)，這樣同一相橋臂上管子的額定電流也會(huì)有不同，電容均壓?jiǎn)栴}。這是制約NPC三電平逆變器應(yīng)用的最大障礙。三電平拓?fù)湟呀?jīng)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際中。1.3國(guó)內(nèi)外交流調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題早期的高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)主要采用的是晶閘管，其開關(guān)頻率低且不能自關(guān)斷，使得逆交器的性能受到了很大的限制。上世紀(jì)八十年代以來，以GTD、GTR為代表的自關(guān)斷器件得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是以IGBT為代表的雙極型復(fù)合器件的發(fā)展，使得電力電子器件沿著大容量、高頻、易驅(qū)動(dòng)、低損耗和智

26、能模塊化的方向推進(jìn)。伴隨著器件的發(fā)展，高壓大容量逆變器性能也日益提高。以IGBT為例，耐壓3300V、電流200A以上的模塊已經(jīng)開始量產(chǎn)，EUPEC、DYNEX和三菱都有相應(yīng)產(chǎn)品，耐壓4500V和6500V的也開始商品化（EUPEC）；而傳統(tǒng)的高壓大電流器件GTO及其后續(xù)產(chǎn)品IGCT的耐壓及通流水平也達(dá)到了一個(gè)更高的水平。在高壓大容量通用變頻器方面，國(guó)外產(chǎn)品一直占有壟斷地位，ABB、西門予、東芝、三菱、羅賓康等公司都有基于多電平技術(shù)的通用型產(chǎn)品，其主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括二極管鉗位三（多）平和單元級(jí)聯(lián)等方式。在國(guó)內(nèi)對(duì)多電平技術(shù)方面的研究和應(yīng)用長(zhǎng)期以來一直缺乏足夠的重視，只停留于實(shí)驗(yàn)研究階段。直到上世紀(jì)

27、九十年代末期，國(guó)內(nèi)在H橋串聯(lián)高壓逆變器系統(tǒng)的應(yīng)用方面才出現(xiàn)了突破，現(xiàn)已有多家公司研制出產(chǎn)品并投放市場(chǎng)，主要代表有利德華福、凱奇、先行等公司。其產(chǎn)品性能和國(guó)外產(chǎn)品接近，而價(jià)格方面極具優(yōu)勢(shì)，逐漸具備了和國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的能力，大大拉近了國(guó)內(nèi)外在高壓逆變器系統(tǒng)研究和應(yīng)用的距離。在高性能大容量變頻調(diào)速技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，國(guó)外對(duì)于高性能逆變器，已有產(chǎn)品投入市場(chǎng)，應(yīng)用于電力機(jī)車，軋鋼設(shè)備，供水系統(tǒng)等場(chǎng)合例如上面提到的ABB公司的ACS600和ACSl000系列逆變器，采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，具有非常高的速度精度和動(dòng)態(tài)性能，如使用速度傳感器（1024脈沖/轉(zhuǎn)），調(diào)速精度可達(dá)0.0l%（穩(wěn)態(tài)），若采用無速度傳感

28、器，則可達(dá)0.1%0.5%；西門子則在三電平矢量控制方面有著傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；而羅賓康則在H橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)的矢量控制方面占據(jù)著領(lǐng)先的地位。在此方面國(guó)內(nèi)的研發(fā)仍然存在明顯的不足，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)高壓大容量交流調(diào)速技術(shù)主要集中在諧波優(yōu)化和開環(huán)VVVF控制，其調(diào)速范圍窄，低速性能差，通常只用于風(fēng)機(jī)泵類等負(fù)載調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合，主要目的是節(jié)能和軟起軟停。限制高壓大功率系統(tǒng)高性能化的主要因素有： （1）受器件工藝水平的限制，高壓大容量器件通常開關(guān)頻率不高，一般小于1kHz。在較低開關(guān)頻率下，由于離散化誤差的影響，控制不及時(shí)等因素，控制精度必然下降，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，速度精度差等現(xiàn)象。 （2）高性能

29、調(diào)速技術(shù)是在兩電平（小容量）逆變器上發(fā)展起來的，而高壓大容量逆變器通常采用的是多電平技術(shù)，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同往往造成控制技術(shù)移植的困難，而且技術(shù)的移植也需要有一個(gè)逐漸成熟過程。 （3）高壓大容量帶來很多新問題，如du/dt較高，電磁干擾、電磁兼容和長(zhǎng)線傳輸?shù)葐栴}的研究都處于起步階段，尚無成熟的解決辦法。而這些問題對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性有極大的影響。另一方面，將多電平逆變器與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相結(jié)合的困難，除了前面所說的三點(diǎn)，也和直接轉(zhuǎn)矩控制本身的技術(shù)特點(diǎn)有關(guān)。對(duì)于矢量控制來說，其基礎(chǔ)是空間矢量調(diào)制和載波調(diào)制技術(shù)。這兩種技術(shù)在每一種多電平拓?fù)渖隙加邢喈?dāng)深入的研究，從控制角度來說，實(shí)現(xiàn)矢量控制難度

30、不大。直接轉(zhuǎn)矩控制則不同，其基礎(chǔ)是優(yōu)化矢量表。電平數(shù)越多，矢量數(shù)將急劇增加，優(yōu)化矢量表的復(fù)雜程度也急劇增加。同時(shí)還要考慮到多電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題，如三電平的中點(diǎn)電位問題，H橋串聯(lián)各橋的功率平衡問題等等。由于在優(yōu)化矢量的形成方面缺乏統(tǒng)一的技術(shù)基礎(chǔ)，在各種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的技術(shù)可移植性差，削弱了研究工作的延續(xù)性，直接阻礙了直接轉(zhuǎn)矩控制在多電平電路上的應(yīng)用。1.4本章的主要內(nèi)容本章把異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制在二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器拓?fù)潆娐飞系囊恍╆P(guān)鍵問題作為主要研究課題。論文的主要工作如下： （1）查閱了國(guó)內(nèi)外異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制以及三電平逆變器方面的大量資料，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和空間電壓

31、矢量PWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究。 （2）詳細(xì)的分析了三電平逆變電路的數(shù)學(xué)模型，然后分析了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，最后建立了、坐標(biāo)系下三電平逆變器異步電機(jī)系統(tǒng)的完整的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步研究異步電機(jī)控制方法打下了基礎(chǔ)。 （3）通過對(duì)二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變電路原理的深入分析，建立了三電平逆變電路帶異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上建立了三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，提出了一種電壓空間矢量的選擇方案。第二章 基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型2.1二電平逆變器模型傳統(tǒng)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的兩電平逆變器如圖2.1所示，它由三組（三相）六個(gè)開關(guān)所組成。Sa、Sb、Sc分別有

32、0、l兩種狀態(tài)，其中“l(fā)”表示與“+”極接通，反之“0”表示與“-”極接通。所以可以得到8種導(dǎo)通狀態(tài)。逆變器的開關(guān)狀態(tài)如表2.1所示。圖2.1 二電平逆變器原理圖 圖2.2 二電平逆變器空間矢量表2.1 逆變器開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)V0V1V2V3V4V5V6V7Sa01100011Sb00111001Sc00001111電平逆變器的主要功能是把一個(gè)固定的直流電壓轉(zhuǎn)化成幅值和頻率都可調(diào)的交流電壓。理想情況下，當(dāng)使用傳統(tǒng)的兩電平逆變器供電時(shí)，其輸出電壓只與逆變器自身的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)，和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不存在任何的耦合關(guān)系，因此，可以將逆變器看作獨(dú)立的電壓源。但是，傳統(tǒng)的兩電平逆變器也存在著自身的缺陷。在大功率

33、應(yīng)用場(chǎng)合，直流母線電壓一般較高，則兩電平逆變器的單個(gè)開關(guān)管上電壓應(yīng)力很大，容易產(chǎn)生較大的dv/dt和di/dt，引起嚴(yán)重的電磁干擾，很可能造成電機(jī)絕緣擊穿。由上圖可以看出，兩電平的有效電壓矢量（非零矢量）只有6種，由于空間矢量數(shù)目比較少，將兩電平逆變器應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制中，若想使磁鏈輸出軌跡近似圓形，則不可避免的要縮短采樣周期，提高器件的開關(guān)頻率，而開關(guān)器件的上限頻率一般不會(huì)太高，此外，還會(huì)帶來轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問題，這些問題還將在下面的章節(jié)中作具體分析。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，三電平逆變器由于開關(guān)器件數(shù)目比兩電平逆交器多一倍，每個(gè)開關(guān)管需承擔(dān)的電壓只有相同直流母線電壓的兩電平逆變器的一半，即功率

34、器件串聯(lián)均壓。因此具有功率開關(guān)電壓應(yīng)力低、輸出電壓波形諧波含量低、dv/dt和di/dt引起的電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，因而這種結(jié)構(gòu)的變換器在高性能的中高壓的變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置和電力無功補(bǔ)償?shù)戎杏袕V泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，電壓空間矢量調(diào)制控制法（SVPWM）的原則是逆變器瞬時(shí)輸出三相脈沖電壓構(gòu)成的電壓空間矢量與屆時(shí)所期望輸出三相對(duì)稱正弦波電壓構(gòu)成的電壓空間矢量相等效，而它的幅角按與脈沖頻率有關(guān)的一定時(shí)間間隔均勻跳變，即平均角速度與所期望的圓形旋轉(zhuǎn)矢量角速度相等，這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM方法，控制策略簡(jiǎn)便。電壓利用率高，一種目前比較流行的三電平逆交器的控制方法。2.2二極管鉗位型三電平逆變器的主

35、電路結(jié)構(gòu)2.2.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本文所采用的三電平逆變器是二極管鉗位型三電平逆變器，其主回路結(jié)構(gòu)如圖2.3示有27種開關(guān)組合，決定了27種不同的三相電壓輸出，在空間矢量平面上對(duì)應(yīng)一個(gè)離散的點(diǎn)集。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，每一時(shí)刻每相有兩個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，每個(gè)IGBT所承受的最大反相壓降只有直流側(cè)母線電壓的一半，因此，使用同樣的開關(guān)器件，可以得到比兩電平更高的系統(tǒng)容量。另一方面，從控制角度看，三電平逆變電路可以避免上、下橋臂器件同時(shí)開通或者關(guān)斷的情況，即器件不是直接串并聯(lián)使用。因此，在相同的直流電壓輸入下，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比使用器件串聯(lián)的兩電平結(jié)構(gòu)更加可靠。根據(jù)三電平逆交器的定義，這種逆變器結(jié)構(gòu)的輸出為三個(gè)電平或

36、者說是三種開關(guān)狀態(tài)，即（+E/2，0，-E/2），用相應(yīng)的符號(hào)n、o、p表示，其開關(guān)函數(shù)的定義如表2.2。圖2.3 三電平逆變器（NPC）基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表 2.2 三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓（X=a,b,c）電平狀態(tài)Sx1Sx2Sx3Sx4輸出電壓PONONOFFOFFE/2OOFFONONOFF0NOFFOFFONON-E/2 設(shè)直流母線N、O、P三點(diǎn)對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)O的電壓分別為Upo、UOo（即中點(diǎn)電壓的偏移量），Uno，顯然，他們與直流側(cè)母線電壓Ud的關(guān)系如 （2-1）則逆變器輸出電壓與三相開關(guān)函數(shù)和直流側(cè)各電壓之間系如下 （2-2）由于三電平逆變器的輸出狀態(tài)多，控制算法的復(fù)雜程度也隨

37、之提高，目前多采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的控制方法。SVPWM算法實(shí)質(zhì)就是通過控制逆變器不同的開關(guān)模式，使逆變器瞬時(shí)輸出的三相脈沖電壓構(gòu)成的電壓空間矢量與屆時(shí)所期望輸出的三相對(duì)稱正弦波電壓構(gòu)成的電壓空間矢量相等效。2.2.2空間電壓矢量的劃分描述三電平輸出電壓矢量特性的其扇區(qū)和區(qū)域劃分分別如圖2.4（a）、（b）所示： 31 4 63 2 14 5 652 （a） （b）圖 2.4 三電平輸出電壓矢量將三電平的合成空間電壓矢量定義為 上式中，ua 、ub、uc為輸入?yún)⒖茧妷?，并且可進(jìn)一步得到us的實(shí)部和虛部以及其幅值相角。2.2.3判斷空間矢量所在的扇區(qū) 根據(jù)參考電壓矢量的角度來判斷扇

38、區(qū)，的范圍為-，這里采用/60再取整的辦法來判斷參考矢量在哪個(gè)扇區(qū)，設(shè)扇區(qū)變量為N，則可以得到：若floor(/60)=-3，則N=l；若floor(/60)=-2，則N=2；若floor(/60)=-1，則N=3；若floor(/60)=0，則N=4；若floor(/60)=1，則N=5；若floor(/60)=2，則N=6；在MATLAB/Simulink中，可以通過相應(yīng)的判斷選擇模塊的組合來實(shí)現(xiàn)這些操作。2.3坐標(biāo)變換和變換矩陣 交流電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，在A、B、C三相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)中異步電機(jī)基本方程式的求解是十分困難的，難以用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析，通常

39、需要采用各種線性變換，使異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性的分析和求解變得比較容易進(jìn)行。常用的坐標(biāo)變換有，M、T、0交換，、0變換及復(fù)數(shù)分量變換等等。通過這些線性變換以后，在新的坐標(biāo)系統(tǒng)中異步電機(jī)的基本程式被稱為該坐標(biāo)系統(tǒng)中異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。2.3.1三相/二相靜止變換（、0變換） 靜止3/2變換又叫Clarke變換，它是以空間位置固定的兩相靜止坐標(biāo)系中的繞組來等效三相A、B、C系統(tǒng)。二相系統(tǒng)中其軸與定子A相軸線重合，軸超前軸90度。按照三相系統(tǒng)和二相系統(tǒng)總磁勢(shì)相等且功率不變的原則可以得到靜止3/2變換矩陣如下： （2-3） （2-4）2.3.2二相/二相旋轉(zhuǎn)變換（d、q、0變換）如圖2.2所示定義同步旋轉(zhuǎn)

40、的兩相坐標(biāo)系d、q、0，其中1角是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和靜止坐標(biāo)系軸之間的電角度。并令靜止的二相系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)的二相系統(tǒng)繞組匝數(shù)相同，磁勢(shì)相等?？梢缘玫蕉?二相旋轉(zhuǎn)變換（也即Park變換）關(guān)系式如下： （2-5） （2-6）經(jīng)過如上的坐標(biāo)變換，就可以將電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從三相坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到二相坐標(biāo)系統(tǒng)下，從而大大簡(jiǎn)化了電機(jī)的模型，使得對(duì)其的分析不再?gòu)?fù)雜。2.4 NPC型三電平逆變器與異步電機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型三相交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多交量系統(tǒng)，為了便于分析，現(xiàn)做如下假定：（1）三相繞組對(duì)稱，忽略空間諧波，磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布；（2）忽略磁飽和，各繞組的自感和互感都是線性的；（3）忽略

41、鐵損，不計(jì)渦流和磁滯損耗；（4）不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響。則定子電壓方程可表示為： （2-7）上式中：Us電壓空間矢量 is定子電流 s定子繞組磁鏈 Rs定子各相繞組電阻 P微分算子，P=d/dt電磁轉(zhuǎn)矩方程為： （2-8）上式中：p電機(jī)極對(duì)數(shù) 角位移運(yùn)動(dòng)方程為： （2-9）上式中：Te電磁轉(zhuǎn)矩 TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩 J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度理想情況下，當(dāng)使用普通兩電平逆交器供電時(shí)，逆變器可以看作一個(gè)獨(dú)立的電壓源，其輸出電壓只和其開關(guān)狀態(tài)有關(guān)，和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不存在耦合關(guān)系。因此。對(duì)這類系統(tǒng)的系統(tǒng)模型建立相對(duì)簡(jiǎn)單，可以對(duì)逆交器和電機(jī)分別建模。在三電平逆變器供電時(shí)，情況則大不相同。由于NP

42、C型三電平逆變器不是一個(gè)獨(dú)立的電壓源，而是和電機(jī)負(fù)載密切相關(guān)的受控電壓源。逆交器的不同開關(guān)狀態(tài)以及負(fù)載電流的不同，都會(huì)造成中點(diǎn)電位的偏移，其又進(jìn)一步影響輸出電壓。從而影響輸出負(fù)載。從逆變器的理想數(shù)學(xué)模型來看，三電平逆變器要用一個(gè)一階微分方程及若干個(gè)方程描述。下面將三電平逆變器和異步電機(jī)作為一個(gè)整體來研究，建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。以A相為例。Sa1到Sa4的1和0分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的開關(guān)管的開通與關(guān)斷，為了得到數(shù)學(xué)模型，將開關(guān)狀態(tài)Sa分解為 其中， （2-10）同理將Sb、Sc按同樣的方法進(jìn)行分解，得到三相逆變橋的輸出相電壓表達(dá)式為 （2-11）定義V0為中點(diǎn)的電壓波動(dòng)，則可得 （2-12） （2-1

43、3）中點(diǎn)電流iNP可表示為 （2-14）那么，中點(diǎn)電壓波動(dòng)的變化率可表示為 （2-15）由于濾波電容的大小不變，可以看出中點(diǎn)電位的變化與開關(guān)狀態(tài)以及輸出三相電流有關(guān)系。對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，不同的開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流的影響也是不相同的。假定電機(jī)的中點(diǎn)N到逆變器的中點(diǎn)O的電壓為 （2-16）則電機(jī)A相表達(dá)式可用下式表示（2-17）同理可得B相C相電壓表達(dá)式為：（2-18）（2-19）將上式寫為矩陣形式： （2-20）將其變換到、坐標(biāo)系下，可得2.5小結(jié)本章首先建立了三電平逆變器的數(shù)學(xué)模型，然后分析了三相異步交流電機(jī)在三相系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型，通過所介紹的變換矩陣得到了異步電機(jī)在二相靜止和二相旋轉(zhuǎn)

44、坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由于二極管鉗位型三電平逆變器的中點(diǎn)波動(dòng)與異步電機(jī)的輸出電流存在關(guān)聯(lián)，建立了鼠籠型異步電機(jī)與三電平逆變器在、0系統(tǒng)中的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出完整的狀態(tài)方程，為進(jìn)一步研究基于三電平逆變器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制打下了基礎(chǔ)。第三章 基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)3.1系統(tǒng)基本原理基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3.1所示。圖 3.1基于三電平逆變器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理是：根據(jù)采樣得到的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過一定的變換，計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，以及直流側(cè)的中點(diǎn)電壓；由速度傳感器或者轉(zhuǎn)

45、速辨識(shí)環(huán)節(jié)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速；經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出轉(zhuǎn)矩給定值：將轉(zhuǎn)矩，磁鏈實(shí)際值和給定值進(jìn)行滯環(huán)比較，中點(diǎn)電壓信號(hào)與零值進(jìn)行滯環(huán)比較，將其誤差限制在給定范圍內(nèi)；通過優(yōu)化的矢量選擇單元輸出控制信號(hào)，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。3.2定子磁鏈的控制磁鏈?zhǔn)请姍C(jī)控制中的關(guān)鍵，磁鏈性能的好壞，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行有很大影響。一般的電機(jī)控制系統(tǒng)中，在額定轉(zhuǎn)速以下，磁鏈應(yīng)該被控制在一個(gè)恒定值。如果磁鏈幅值太小，會(huì)造成鐵芯材料的浪費(fèi)，同時(shí)電機(jī)無法提供足夠大的轉(zhuǎn)矩。而磁鏈幅值太大，會(huì)導(dǎo)致鐵芯的飽和和勵(lì)磁電流的增大，增大系統(tǒng)的損耗，同時(shí)降低控制系統(tǒng)的可靠性。在傳統(tǒng)的兩電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，采用兩點(diǎn)式Bang-Ban

46、g調(diào)節(jié)直接控制電機(jī)的定子磁鏈，確定合適的開關(guān)狀態(tài)，控制變頻裝置的輸出。三電平電壓矢量選擇的基本原理，與傳統(tǒng)的兩電平電壓矢量的選擇有相似之處，即電壓空間矢量的選擇仍然要滿足定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的要求。根據(jù)式（2-7）可得： （3-1）由式（3-1）可以看出，在忽略定子電阻的情況下。定子磁鏈s，的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒀刂妷嚎臻g矢量的方向，如圖3.2所示。從圖3.2可以看出，對(duì)異步電機(jī)施加非零電壓矢量時(shí)，磁通的運(yùn)行方向和幅值都將發(fā)生變化；對(duì)異步電機(jī)施加零矢量時(shí)，磁通的方向和幅值基本不變。同時(shí)，當(dāng)所施加的電壓矢量與當(dāng)前的磁通矢量之間的夾角的絕對(duì)值小于90度時(shí)，該矢量作用的結(jié)果是使得磁通幅值增加：當(dāng)施加的電壓矢量

47、與當(dāng)前的磁通矢量之間的夾角的絕對(duì)值大于90度時(shí)，該矢量作用的結(jié)果是使得磁通幅值減小。圖 3.2 定子磁鏈與電壓的關(guān)系在三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，一般采用圓形磁鏈控制方案，就是估計(jì)出磁鏈的幅值，將其與參考值進(jìn)行滯環(huán)比較，確定下一周期應(yīng)增加還是減少磁鏈，再根據(jù)磁鏈所在扇區(qū)判斷出當(dāng)前應(yīng)發(fā)的電壓矢量?？刂拼沛湻翟诮o定值附近，當(dāng)磁鏈幅值超出了限制域，則發(fā)出相應(yīng)的磁鏈開關(guān)量信號(hào)（1或0），要求產(chǎn)生相應(yīng)的電壓矢量去增加或者減少磁鏈幅值。在三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，以大中矢量為角分線劃分整個(gè)平面為12個(gè)扇區(qū)，以第一扇區(qū)為例加以簡(jiǎn)單的說明。從三電平逆變器電壓矢量分布圖可見，當(dāng)要求增加磁鏈幅值時(shí)，可以選擇電壓矢

48、量l -1 0或者1 0 -1；當(dāng)要求減少磁鏈幅值時(shí)，可以選擇電壓矢量-1 -1 1或者-1 1 -1。此外，還有很多矢量也是符合要求的，這就要綜合考慮電磁轉(zhuǎn)矩及中點(diǎn)電位的要求；同時(shí)，還要考慮開關(guān)頻率最小的問題，即要求每一時(shí)刻開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)最少。3.3磁鏈觀測(cè)器模型在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)有著重要的作用，目前對(duì)定子磁鏈的估計(jì)主要有三種模型結(jié)構(gòu)：U-I模型、I-n模型、U-n模型。（1）U-I模型由異步電機(jī)的空間矢量等效電路可得到定子磁鏈的一種簡(jiǎn)單的計(jì)算公式如式（3-1）所示。用該式確定異步電機(jī)的定子磁鏈，在計(jì)算過程中只需要知道電機(jī)的定子電阻即可，具體結(jié)構(gòu)如圖3.3。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單

49、并且所涉及的電機(jī)參數(shù)僅是易于確定的定子電阻。在30以上額定轉(zhuǎn)速時(shí)，能夠較準(zhǔn)確的確定定子磁鏈，但由于純積分環(huán)節(jié)極易受到輸入信號(hào)中直流偏量的影響而飽和，所以實(shí)際應(yīng)用中常采用截止頻率較低的低通濾波器Tc/（TcS+1）來代替純積分環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)積分功能并抑制直流偏移量的影響，其中Tc較小可取為定子時(shí)間常數(shù)。采用這種方式的改進(jìn)型定子磁鏈模型結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖 3.3 定子磁鏈U-I模型U-I模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從理論上說非常精確，是一種三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中常用的磁鏈觀測(cè)器模型。但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，定子電阻上的壓降占電壓的絕大部分，這樣測(cè)量誤差就無法忽略，模型就無法使用了。（2）I-n模型另一種磁鏈觀測(cè)器模型

50、是利用電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程，即I-n模型，具體表示如下。 （3-2） （3-3）I-n模型的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示。此模型的缺點(diǎn)是使用了較多的電機(jī)參數(shù)，例如轉(zhuǎn)子電阻，而這些參數(shù)往往隨溫度變化較大。在高速時(shí)，此模型的觀測(cè)結(jié)果不如U-I模型準(zhǔn)確。圖 3.4 定子磁鏈I-n模型（3）U-n模型由上面的分析可知，在高速時(shí)采用U-I模型為佳，在低速時(shí)采用I-n模型較好，這樣在全速范圍內(nèi)就有一個(gè)模型切換的過程。由于瞬間切換相當(dāng)于變結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能會(huì)造成較大的影響。為避免這種情況，可采用在全速范圍內(nèi)都適用的U-n磁鏈模型。該模型由定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈，并使用電流P-I調(diào)節(jié)器，精度大大提高。它結(jié)

51、合了上述兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，解決了高低速切換的問題。但是這種模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且仍未擺脫I-n模型固有的對(duì)參數(shù)敏感的缺陷。3.4電磁轉(zhuǎn)矩的控制對(duì)于異步電機(jī)來說，可以將從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速的過程看成一個(gè)積分環(huán)節(jié)，積分的時(shí)間常數(shù)由電機(jī)的機(jī)械慣性決定，并且當(dāng)系統(tǒng)確定后就不能更改。因此，只有轉(zhuǎn)矩可以影響轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接影響到調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。電磁轉(zhuǎn)矩可由以下形式表示 （3-4）式中，由式（3-4）可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的叉積決定的。由于在系統(tǒng)運(yùn)行中，定子磁鏈的幅值應(yīng)保持不變；而轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定，要改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變定轉(zhuǎn)子磁通間的夾角來實(shí)現(xiàn)。而轉(zhuǎn)子磁通的旋

52、轉(zhuǎn)速度不會(huì)突變，因而可以通過改變定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度來達(dá)到改變轉(zhuǎn)矩的目的。一般情況下，當(dāng)施加超前于定子磁鏈的電壓矢量時(shí)，定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁通的速度，則定轉(zhuǎn)子磁通間的夾角增大，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩增加；當(dāng)施加零矢量或者滯后于定子磁鏈的電壓矢量時(shí)，相當(dāng)于使定子磁通停滯不前或者反轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁通繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則定轉(zhuǎn)子磁通間的夾角減小，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。同樣采用滯環(huán)控制，以第一扇區(qū)為例加以說明。從三電平逆變器電壓矢量分布圖（圖2.3）中可見，當(dāng)要求增加轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以選擇電壓矢量-1 1 -1或者1 0 -1;當(dāng)要求減小轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以選擇電壓矢量-1 -1 1或者1 -1 0。事實(shí)上，三電平直接轉(zhuǎn)矩控制的基本

53、控制思想就是，通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，通過改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，控制定轉(zhuǎn)子磁通間夾角的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。3.5三電平直接轉(zhuǎn)矩控制存在的問題在三電平逆變電路中，由于電壓矢量數(shù)為27，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩電平的矢量數(shù)8，因此矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機(jī)能獲得更好的性能。同時(shí)，因每相橋臂由兩個(gè)管子承受母線電壓，系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少，適合應(yīng)用于高壓大容量的工作場(chǎng)合。由于三電平逆變器與兩電平逆變器相比，其有效電壓矢量由7個(gè)增加到19個(gè)，開關(guān)狀態(tài)由8個(gè)增加到27個(gè)，故其空間矢量模型較兩電平更加復(fù)雜。因此，在對(duì)三電平異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

54、進(jìn)行研究時(shí)，首先需要解決三電平逆變器自身的一些問題，同時(shí)也可以通過其數(shù)量豐富的電壓空間矢量合理的優(yōu)化開關(guān)表，發(fā)揮多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。一方面，矢量選擇有一定的困難，開關(guān)矢量的選擇更加復(fù)雜；另一方面，三電平逆變電路中所固有的例如中點(diǎn)電位平衡等問題也必須考慮；更為重要的，要在前后矢量切換時(shí)避免過高的電壓幅值跳變，否則將失去NPC電路dv/dt小、可靠性高的特點(diǎn)。3.6小結(jié)本章介紹了基于三電平逆變器的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的模型，闡述了三電平直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。論述了三電平直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電機(jī)控制性能的改善，并進(jìn)一步分析了三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中所存在的問題。第四章 三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究對(duì)連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究通常采用理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究等三種方法。異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)高階、非線性系統(tǒng)，很難從理論上進(jìn)行精確的分析。而實(shí)驗(yàn)研究則要對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，但在具體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上要改變成型的參數(shù)非常困難。而仿真研究可以借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，以及各種仿真軟件提供