精品异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究毕业论文Word文档格式.docx
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摘要
三电平逆变器因为其可以实现更高的电压等级，输出较少的谐波含量等优势在高压大功率的逆变场合得到了广泛的应用，而转子磁场定向控制是应用最广泛的调速方法。
因此，本文对结合三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制的问题进行了研究。
文中在分析了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。
最后，利用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真。
关键词：
三电平逆变器；
异步电机；
转子磁场定向控制；
MATLAB仿真
Abstract
Three-levelinverterbecauseitcanachievehighervoltagegrade,outputlessharmoniccontentofadvantagesinhighpressurehigh-powerinverteroccasionsawiderangeofapplications,androtorfield-orientedcontrolisthemostwidelyusedcontrolmethod.Therefore,thisarticlechoosesthree-levelinverterinductionmotorrotorfield-orientedcontrolforresearch.
Basedontheanalysisofthethree-levelinvertertopologystructureandworkingprincipleandmathematicalmodelofthree-phaseasynchronousmotor,onthebasisofthecoordinatetransformation,thein-depthstudyoftherotorfield-orientedvectorcontrolsystemdesign,thebasicprincipleoftherotorfluxobserver,fluxandspeeddoubleclosedloopsystem.Finally,hascompletedthedesignofcontrolsystemandgivesthediagram.MATLAB/Simulinkonthesystemmodelingandsimulation.
Keywords：
Three-LevelInverter;
AsynchronousMotor;
rotorfieldorientedcontrol;
MATLABsimulation
目录
摘要I
AbstractII
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1
（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4
（三）二极管钳位型三电平逆变器的优缺点8
三、异步电机转子磁场定向控制9
（一）异步电机动态数学模型与坐标变换9
1.三相异步电动机的数学模型9
2.坐标变换13
3.异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型16
4.异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型18
（二）异步电机转子磁场定向控制19
1.异步电机转子磁场定向控制简介19
2.转子磁场定向控制的基本原理19
3.转子磁链观测模型21
（三）异步电机转子磁场定向控制系统23
1.异步电机转速、磁链双闭环控制系统23
2.转速闭环控制24
3.磁链闭环控制24
（四）本章小结24
四、控制系统仿真分析25
（一）MATLAB/Simulink软件介绍25
（二）异步电机转子磁场定向控制系统仿真25
1.仿真模型25
2.仿真结果分析25
（三）本章小结33
五、结论与展望34
参考文献35
致谢36
一、绪论
（一）课题背景和意义
为了解决电力紧张的现状，实现节能，需要提高用电设备的效率。
变频器是节电的主要方法。
常用中小功率的变频器发展很成熟，而200KW以上的大中功率变频器还有很大的发展空间。
受到功率器件的载流能力和耐压能力的限制，两电平逆变器难以实现高压大功率电能变换。
多电平逆变器因为其电压应力小，输出谐波少等优点在高压大容量领域具有广阔的发展前景，成为研究的热点[1]。
传统的恒压频比控制和转差频率控制都不能满足动态性能的要求，转子磁场定向控制模拟直流电机的控制方式，实现了电机转矩和磁通的解耦，达到了对瞬时转矩的控制，所以得到了广泛的应用。
直接转矩控制也是一种转矩闭环控制方法，但低速性能不理想。
目前转子磁场定向控制应用最为广泛。
所以对异步电机转子磁场定向控制的研究是很必要的[2]。
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）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。
所以，日本AkiraNabae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]。
（三）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）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。
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。
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。
（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，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
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