《三电平逆变器异步电机控制系统在智能电网中的应用》16000字

三电平逆变器异步电机控制系统在智能电网中的应用摘要21世纪，随着电力电子器件的不断完善和发展，自动控制原理也在不断延伸，智能化的控制技术也在不断地趋于成熟。异步电机的调节速度性能达到了划时代的发展进步，这些使得异步电动机能够为了满足人们日常生活的需求能够在较大功率下工作成为了可能。三电平逆变器其特殊的构造可以使其具有两个优势：一：使得电压等级的条件降低；二：产生的谐波含量下降了许多。通过这两大优点，三电平逆变器在各个工业生产中的使用越来越普遍，尤其是对在高等级的电压和一些大功率的场所中有着重要的发展前景。所以，本设计着重于研究三电平逆变器的异步电动机磁场定向控制。首先需要对三电平逆变器的物理连接形式、三电平逆变器在不同工作时的导通和关断情况与运行的本质变化进行阐述，本设计以三电平逆变器为例进行了SVPWM调制方法，深入地分析了SVPWM调控的明确规范和操作细节。本论文还详细的讲解了三相异步电动机在三相静止坐标系中通过矢量控制的基本概念通过对转矩分量和励磁分量的解耦等一系列的变换将其转化为两相静止坐标系，在保证在两个不同坐标系下磁动势完全相等的约束条件下我们可以计算得到三相异步电动机位于随机的两相转动动态坐标轴和同步的两相转动坐标轴上的数学模型，通过上述方法，可以很容易的将难以计算的交流电动机的模型转化成较易计算的直流电动机模型。因此，为了能够使其转化成功，我们首先要研究转子磁场定向调控的基础理论，紧接着就是要研究监控转子磁链变化的模型。通过观测转子磁链的相关量并根据两者之间的关系来监控转子磁链的变化，对于非间接转子磁链的方式是将三电平逆变器的输出电压量的新组合公式推理出来。建立了采用三电平逆变器的三相异步电动机的转子磁场指定方向的调控系统，该系统结合了磁链闭环部分、转子转速闭环部分，输出电压前置反馈矫正部分。本论文采用的仿真软件是MATLAB，通过对所研究的系统进行了建模，而且也进行了对系统的仿真研究，对所建立的系统仿真后发现：三电平逆变器产出电压信号的属性和状态达到了我们对此系统预估要求，监控转子磁链的变化数据准确无误，产生的电压信号再次重组的结果也准确无误，该系统在驱动大型负载和突然加入的负载启动时都有着优异的表现。关键词：三电平逆变器；三相异步电动机；转子磁场定向控制；MATLAB仿真TOC\h\z\t"一级目录,1,二级目录,2,三级目录,3"1.绪论 绪论1.1课题背景和意义提高电力能源的利用率是解决电能匮乏的方法。其中节约电能的主要方法是合理地使用变频器。目前我们经常使用的满足中小功率的用电设备需求的变频器已经开发得很完善了，但是在200KW及200KW以上的满足大小功率设备的变频器仍然有着广阔的研发余地（张润雄,陈奇彤,2022)。两电平逆变器因为其自身载流能力差和耐压程度不足的种种缺陷使得两电平逆变器常常无法满足高电压大功率用电器的电能转换。但是随着多电平逆变器的异军突起使得这种缺陷得到大大改善，多电平逆变器能够使自身产生的电压应力减小，这在一定程度上描绘了由于多电平逆电器其产生的谐波含量较少的优势，使其在一些高电压等级和大功率的背景下有着较大的发展前景(成昊忠,孙锦鸿,2023)。以往的恒定电压与频率的比率的调控方法与采用电机转差频率调控的方法往往都不能够达到我们的生产所需对电机的动态指标的要求，然而转子磁场定向控制技术可以使异步电动机的电磁转矩与其内部磁通量之间的耦合解开，能够满足我们对瞬间电机电磁转矩的控制要求，这在一定尺度上说明仿照调控直流电机的情况，使这种控制技术在生产生活中得到了普及(陈雨泽,赵俊天,2021)。由于在交流电动机低速时调控品质不能满足要求，而这种以异步电机电磁转矩闭合环调控为基础的直接电磁转矩调控可以极大地改善这个缺陷。正是由于异步电动机转子磁场定向控制技术可以很好的解决这些弊端，所以转子磁场定向控制技术成了目前研究的热门对象。1.2多电平逆变器的发展概况以往的两电平逆变器的逆变桥的每一相电压是两个电平信号在一个产出信号的时间周期内的叠加，两电平逆变器在较高的频率工作时，会产生很高的潮涌电压值，闭合或关断时有着较大的能量损失，从这些实践可以了解这就使得两电平逆变器很难满足需求高电压用电设备在输出方面的需求(林昊忠,陈梦琪,2021)。在二十世纪八十年代，日本科学家Nabae首次构建了中点嵌位逆变器，每一个逆变桥上附加有两个管控功率输出的开关与具有中点嵌位的二极管，这在一定程度上体现另外它还配备了两个具有分配电压功能的电容。由于该逆变器能够产出三种电平信号的电压波形，所以该逆变器被叫做三电平逆变器(黄雪倩,赵天扬,2022)。随后在1983年在三电平逆变器的基础之上又发展出了五电平到七电平等具有多个电压等级的逆变器型号。本段落的革新之处在于它对研究对象提出了全新的视角，特别是在重新评估其特质方面。传统的研究模式通常聚焦于已知的典型特征和普遍存在的联系，然而本文选择了另一条路，深入探讨了那些鲜为人知的边缘特性及隐藏的关系。在方法论的选择上，本文展示了独特的观点，创造性地结合了多种学科的方法。理论上，通过借鉴不同的理论体系，建立了一个综合性的理论模型。这种方式不仅识别出了以前研究中未涉及的理论缺口，也给理论的发展带来了新的活力，扩展了理论研究的范围，为后续的研究提供了广阔的思想空间。多电平逆变器能够有效地降低产出电压信号中的谐波分量，能够满足较高级别的配电电压，从这些措施中看出并且多电平逆变器还可以有效的抑制和di/d多电平逆变器分为很多类型比如：电容型嵌位逆变器、带有电源的嵌位型逆变器、附加有二极管的嵌位型逆变器等等(唐泽凡,何悦彤,2019)。同时其他一些多电平逆变器的推演产品还发展出了新的物理结构，比如多个单元层叠的逆变器。多电平逆变器可以使产出电压的谐波成分大大减少，遵循该理论框架进行实证研究可得出从而使输出电压更好地满足较高电压的需求。多亏了电力电子技术的深入发展，逆变器才能在大容量供给需求的场合中表现优异。现在中点电压平衡不容易调控的问题随着二极管型的嵌位逆变器的发展而不断得到改善，同时三电平逆变器也可以很好地达到预期的性能指标(郑瑞羽,陈奇奇,2023)。1.3交流电机速度控制技术综述1.3.1交流调速的发展概况由于交流电动机的调速性能比较差劲，因此在电动机调速的方面一般都是用直流电动机进行调速。但是直流电动机的造价昂贵，并且直流电动机的在不同环境下的电压、转速、和功率不是很稳定，另外直流电动机的内部结构也更加复杂，但是交流电动机恰恰与其相反(付昊天,成芳慧,2019)。在这等情况下异步电动机之所以不能被大范围应用的原因在于交流电动机的整体系统呈现为难解耦、不能转换为容易分析的线性特性，这些缺陷就使得异步交流电动机的调控性能相比于直流电机来说很差劲。电压与频率比率为恒定值的控制方法和滑差频率的控制方法是交流电动机调速控制的两个方法。这在某方面预示了交流电动机中最简单有效的一种控制方法就是维持V/F为恒量，同时保证电机定子的磁链不变的控制方法，也叫做恒压频比（V/F）控制(许泽羽,杨雨萱,2021)。但是恒压频比控制没有反馈作用的闭环系统，这就使得这种控制方法在动态性能方面表现地差强人意。当负载变化时，某程度能看出之前设置的控制参量也将随之变化，并且在低速工作状态下还会出现波动(陆婉倩,黄昊忠,2021)。而具有速度反馈调节闭环的滑差频率控制就能够更好地抑制系统的不稳定性，然而滑差频率控制因为不具有瞬间转矩的闭环控制，这就使得其在动态性能方面得表现比较差劲。但是随着现代控制理论的完善、控制技术的微机化和电力电子技术的发展使得交流电动机在调速性能方面得到了极大的改善，交流调速具有了划时代的意义。1.3.2矢量控制原理的发展概况交流电动机的矢量控制原理是由德国籍科学家F.Blaschke于二十世纪七十年代提出来的。将电机磁场的方向当作坐标轴的标准方向的电机磁场定向的控制方法就是矢量控制(陈泽和、许凌云、郑向星,2023)。在这样的设定里也就是说可以通过矢量控制原理，可以把异步交流电动机转换看成直流电动机。为了使交流的矢量转换为相互独立垂直的转矩直流分量和励磁直流分量，我们可以采用坐标变换的方法在转子的定向坐标轴上将交流电动机的三相系统转化两相系统。电机转矩的控制由控制电流转矩的分量实现，同时保证电机的励磁分量为常量，这在某种程度上指出这就可以把控制直流电机转矩的方法用于交流电机了(陈昊羽，陈嘉琪，周向阳,2022)。矢量控制能够克服标量控制不足的缺陷，使电机转矩每时每刻都处于精准的控制之下。矢量控制需要解决的问题是减少因为交流电机参量的改变与其转动速度检测的误差而造成的电机磁链估测的误差(许志远,付奇琪,2022)。该研究强调了跨学科协作的重要性，汇集了多个学科的知识和方法，以期达到研究视角的广泛覆盖和深入探究。通过跨学科的方法，本文得以从不同角度审视研究对象的复杂性和异质性，并且可能揭露单个学科难以观察到的新趋势。与此同时，研究积极倡导理论与实践的对接，确保理论能在实践中得到证实。研究期间，本文利用了数量化资料分析与质性描述相结合的方式处理数据，提高了研究结果的可信度和实用性，为政策指导和操作指南提供了可靠的理论基础。二十世纪七十年代矢量控制技术才被首次提出来，也就是在那个时候打开了交流调速的新时代。但是局限于当时的控制系统的不完善，这在一定程度上描绘了使得其计算量过于繁杂。后来随着微型处理器、电力电子元件和控制理论的完善，这些问题才得以解决，交流调速的性能得到了很大的提高。通过研发出精度更高的转子磁场定向方法与转子磁通量监控装置使变频器在现代数字控制技术的基础之上，拥有更大的负载能力与低频率情况下有着更好的转矩特性成为以后的研究方向，无速度传感器的研究开始成为了人们关注的焦点(陈奕辰,郭钰倩,2017)。1.4课题研究的主要内容由于多电平逆变器产出的信号中的谐波含量较少，并且其可以耐受较高的电压，这使得多电平逆变器在高电压大功率的应用方面表现优异，在多电平逆变器的使用中使用最为频繁的是三电平逆变器。这在一定尺度上说明矢量控制使得交流电机能像直流电机那样有着良好的动态性能。因此对于三电平逆变器的交流电动机，在设计中，我们在转子磁场方向控制的基础上进行了一系列的研究。主要研究内容包括：1解析了二极管嵌位式三电平逆变器的工作原理，并阐述了其物理结构。2将异步交流电动机的数学模型由三相静止坐标系转换到两相同步的旋转坐标系上，设计了电机磁链监测的模型和异步电动机矢量控制的原理。3设计了由磁链闭环和转速闭环在内的构建于三电平逆变器基础之上的交流电动机转子磁场控制系统。4采用了MATLAB对三电平逆变器的交流电动机的磁场定向控制系统的动态性能进行测仿真测试。2二极管嵌位式三电平逆变器2.1逆变器介绍对逆变器改造升级的过程的起点是对其主电路部分的提升，使逆变器能够很好地减小较小功率用电器的开通和关断的频率，降低开关反应冲击力，减低产出的电压信号中的谐波成分(陈亦凡,杨清扬,2019)。正是因为这些优点，从这些实践可以了解可以使用电器的电能利用率得到提高。同时考虑到多电平逆变器需要的辅助功率器的数量较多，再结合器件的性价比方面的考虑，多点平逆变器放在需要高电压与大功率的应用方面比较合适。经研究发现，如果逆变器输出的电压的等级越多，则输出的波形就越近似于正弦波，其中的谐波成分就会越少，但这需要更多的电平数。在目前技术和硬件材料的限制情况下，我们采用三电平逆变器更为经济合理(黄盈盈,成泽博,2019)。与常见的两电平逆变器相比来说，这在一定程度上体现三电平逆变器可以克服在高电压的情况下，管控开关的器件耐受电压不足的缺点，能够更好地满足负载所需求的电压要求，现在三电平逆变器中也仅有二极管嵌位式的三电平逆变器在实际的中等电压大功率传动系统的应用中比较成熟(付欣怡,唐羽翔,2019)。除了有P和N两个电平之外，三电平逆变器的独特之处在于它还可以多输出一个零点电平O。二极管嵌位式三电平逆变器能够产出的电流和电压都近似于正弦波，且输出量中掺杂的谐波成分很少，这得益于二极管嵌位式三电平逆变器拥有更多的电平个数(朱奇远,邵嘉怡,2019)。同时用电器遭受的电压冲击大大减小了，从这些措施中看出这就为系统的稳定性提供了保证。因为这些优点，外围的电动机和电路受到的冲击随着du/dt的大大减小而减弱了，美中不足的是中点电位稳定的问题也随之而来。2.2多电平逆变器构造和工作原理从电路原理方面考虑，要得到多电平的输出信号，从多种多电平电路的方式中挑选时应注意以下两个条件(林瑶茜,成羽时,2022)：一.能够将基础的电平结合而且能输出多电平的信号，这就要求基本变换单元要由无源开关和有源开关组合而成；二.基本的支流电平位于输入端一侧。多电平数和多种不一样的电路特性的电路可以通过基础单元电路的不一样组合而得到。为了保证研究成果的准确性，本文在整个研究流程中实施了多项严格的控制措施。首先，在研究规划阶段，本文确立了一个科学合理的研究模型，确保问题界定的明确性和假设的合理性。接着，在数据搜集过程中，本文引入了多样化的数据资源，增强了数据的可信度和验证性，并遵循标准化流程减少采集过程中的主观偏差。在数据分析环节，本文采用了数量化与质量化相结合的分析方法，全面解析数据，并通过专业统计软件处理数据，尽量减少技术性误差。最终，本文还进行了敏感性分析，考察结果在假设变动情况下的稳定性。在这等情况下如需获得更多具有实际价值的多电平拓扑结构仍需对基础的电路进行简化升级(徐时程,赵丽颖,2020)。目前拓扑结构最为简易且在拓扑结构的三个类型中使用更多的且比较好控制的就要属二极管嵌位式三电平逆变器了。受制于开关器件的耐受电压能力不足的缺陷，这在某方面预示了需要解决逆变器在产出高电压时的缺点，为此要对逆变器的拓扑结构进行适当的提升，以保证在现有的耐受电压的水平上能够拥有较高的输出电压(杨羽福,林月倩,2020)。图2.1三电平逆变器的拓扑结构某程度能看出由二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构图知，在S1和S2一起开通的时候，输出端A点的电位相对于M来说是Ud/2(E)；在S2和S3一起开通的时候，因为A与M连接在了一起，使得A点的电平变为了0；在S3和由表2.1二极管箝位式三电平逆变器的开关状态和输出电压的结合出三种稳定的工作模式，主要的开关S1与S4不可以一起开通，因为负载电流的方向影响着管子的通断状况。在这样的设定里但是S2和S4与S1和S3的运行情况与他们相反，每一个主要开关所耐受的正面隔断电压值为表2.1开关状态和输出电平假如S3关而S图2.2（a）显示了开关S1与S4的开通和关断的状态为Vg1和Vg4。和两电平逆变器一样的是，在S1和在iA>0时，9A电压转换方向的情况如2.2(b)的结果。假定(a)是显感性的负载的情况之下，负载电流iA在转换方向的过程中保持不变。(b)中直流一侧的电容C1和C2参量较大的话，则每个电容上的电压将维持为E。(c)所有的开关都必须是认定在理想状态下的开关(陈雪晴,马文天,2020)。当开关S1和S4关，S2与S3开通的时候开关的输出状态为O。嵌位二极管VD1当转换方向的δ时刻，电流iA还是不变的，而S3是关断的，在S3彻底关断时，S3与当S1开通时，嵌位二极管的方向因为偏置而处于截止状态这是开关的P状态。负载电流将从VD1转移到S1之上(邱雨昕,唐羽澄,2022)。这在一定尺度上说明此时开关S3和如图2.2(c)所示，在iA<0的时候开关处于O状态，此时的S2和S3是开通的，而S1和S4是关断的。嵌位二极管VD2开关信号iAiA<0时图2.2开关由O到P的换向过程当换向的时候，因为S3处于关断状态，所以电流iA凭借D1和D2来续流，Vs1=Vs2=0。负载电流从S3转换到了D1和处于P状态工作的开关，S1开通，从这些实践可以了解不会波及电路的运行。负载电流还是可以凭借D1和D2流入直流一侧综合以上所描述的情况，在逆变器的开关器件从O变为P的过程当中，仅仅可以耐受直流母线电压值的50%。在相同的情况下开关状态从P变为O，从N变为O，从O变为N，仍然可以获得相同的结果，所以动态分压的问题不会在此逆变器中出现(陈阳天,成晓林,2022)。本研究采取了一种新颖的思维方式，有效地结合了历史数据中的宝贵信息，以增强对特定领域的洞察。通过仔细分析已有的文献资源，找到了一些未曾深入探讨的关键点和研究机会。此过程不仅细化了对于既定理论的认识，还促进了新观点和分析体系的发展。借助尖端技术进行全方位考察，打破了传统模式的束缚，揭露了事物内在联系的细节，同时借鉴了相关行业的成功案例，为解决问题带来了更多元化的方案。从P变为N的开关状态是不允许的，原因是：（a）开关的耗能会变大一倍。（b）逆变器的每一相的桥臂的开关需要一起导通和一起关断，开关上的电压会分布不均。2.3嵌位型三电平逆变器的长处与不足根据前面的分析，对二极管嵌位式三电平逆变器的优点整理如下：1使用三电平逆变器时，器件耐受的关断电压值只有直流电压的50%，其独特的结构设计能够使在承受一样的耐受电压的程度上获得更大的电压和大容量的变频器。此设计避免了串联器件需要一起开通和关断的情况，这在一定程度上体现使得对器件的动态性能不是那么严苛，器件所承受的冲击电压大大减小，整个系统的稳定性就极大改善了。2不同级别的电平幅值变化趋于平缓，外围电路的抗扰性由于dv/dt的减小而增强，电动机受到的扰动也随之减小，谐波的幅值位于开关频率附近时降低了(孙慧茜,成泽羽,2023)。3正是由于三电平逆变器产出的电压等级越多，从这些措施中看出其波形就更近似于正弦波，这样开关器件在开关的频率之下，损耗度大大减小，且利用率变高了，种种优点使得三电平逆变器在高电压大容量解决开关器件损耗问题方面表现良好。4能够调控无功功率的电流。3异步电机转子磁场定向控制3.1三相异步电机数学模型与坐标变换3.1.1三相异步电动机的数学模型变量有很多，绕组之间的耦合系数很高，遵循该理论框架进行实证研究可得出这些都是异步电动机的一些特性，并且其数学模型包括以下三个方程(陈昊羽,成奇敏,2023)：电压方程定子绕组的UAUA方程中的UA、UB、UC为定子的相电压，iA、iB、iC是相电流，RS转子绕组的参数同上述方程的原理，获得转子绕组的电压方程Ua方程中Ua、Ub、Uc是转子的相电压，ia、ib、ic是相电流，Rr可以得到矩阵形式折算后的电压方程：UA还可以写为U=Ri+pψ(3.4)磁链方程电机的磁链是自感磁链与磁链的叠加，用矩阵的表示出电机的磁链方程ψALAA、LBB、LLAALms是电机定子的互感，L在这等情况下转子电阻的自电感是LaaLnr是电机转子互感，LLAB三相定子的互电感是一个常数三相转子的互电感仍然是一个常数Lab转子和定子之间的互电感是LAa电机转子a相和定子A组成的角就是θ。转矩方程为了方便表述，需要把方程改为分块矩阵的形式(周锦程,邓奇远,2022)ψs且ψs=φAφBφLssLrrLrs这在某方面预示了参照能量转换原理，可以得到磁场储存的磁能：WmTe把3.16带入3.17Te又由3.18得Te整理3.15和3.19后可得到电磁转矩方程Te=图3.1电机定转子坐标系3.1.2坐标变换为了达到交流电动机的数学模型像直流电动机那样计算简便的目的，这时就需要借助坐标转换使其将繁变简。某程度能看出进行坐标转换之后使电机的电枢绕组与励磁绕组的耦合就全部解开(邓志涛,杨力行,2021)。前文的分析为本文先前的理论构建提供了有力支撑，特别是在对核心概念的解读上，实现了理论层面的深化与拓展。这种深化不仅表现在对概念内涵的深入剖析，还体现在对其外延的广泛探索。通过对相关文献的细致梳理和实证数据的深入分析，本文进一步明确了这些概念在理论体系中的地位和作用，以及它们之间的相互关系。同时，这种拓展也为本文的研究开辟了新的视角和思考方向，有助于推动该领域理论的进一步发展。本研究还强调了理论与实践的紧密结合，通过将理论分析应用于实际问题的解决，验证了其有效性和实用性，为相关实践提供了有力的理论支撑。坐标变换可以使研究和调控变得更容易，但进行坐标变换的前提保证两个坐标系上的电机磁动势完全一样。三相-两相坐标变换使静止的三相坐标系的A坐标轴与静止的两相的坐标系的α坐标轴合在一起。假设两相和三相每一相的绕组匝数是N2和N3，在这样的设定里每一相的磁动势是电流和匝数的相乘，在相应的坐标轴上对应着相应的磁动势矢量图3.2绕组空间矢量模型N2可得转换之后保证功率不变此时的匝数之比是iα据上式，变换为两相坐标矩阵是C3/2再转换到三相坐标系C2/3两相—两相旋转坐标变换图3.3坐标系数学模型由图3.3得，静止的两相坐标系与旋转的两相坐标系。于相同的角速度ω1转动的静止的两相坐标系，其横轴与纵轴之间的夹角ψ是变动的。这在某种程度上指出两相交流电流iα与iβ在静止两相坐标系与直流两相电流id与iq在旋转两相坐标系合成同样的磁动势iα写为矩阵iα转换为静止两相坐标系的矩阵是C2r/2s同理，由上述矩阵也可得到旋转两相坐标系的矩阵C2s/2r转换之后可以获得变换为矩阵形式的三两—两相旋转坐标C3/2r3.1.3两相任意旋转坐标系上的数学模型坐标变换使异步交流电机模型比较复杂的问题得已解决，数学模型之所以会得到简化是因为两相坐标系在垂直时两相绕组的磁链就不再耦合了(蒋泽羽,陈雅馨,2022)。结果表明，本文的研究与早期预测吻合，这反映了研究所采用的方法论具有科学依据及其理论架构的合理性。深入探究和多种检验方式不仅验证了起始假设的可靠性，也为学术界增添了新知。此研究为实务界贡献了有价值的信息，通过解析重大课题，发现了隐藏在其后的根本动因，有利于优化资源配置、提升决策质量，并促进产业健康发展。同时，研究强调了理论与实践结合的关键意义，追求理论创新的同时注重其实用价值。从图3.4可以看到，这在一定程度上描绘了静止三相坐标系与随意旋转两相坐标系。随意转动的两相坐标系的d坐标轴与静止的三相坐标轴A之间的夹角是θs，此时的角速度是ωdqs，相对于α轴的d轴以ωdqr为角速度，相对于坐标轴A则坐标轴α图3.4两相静止、旋转与三相静止坐标系数学模型图这在一定尺度上说明采用2s/2r变换与3/2变换可以将静止的两相的坐标系的电磁转矩方程、电机磁链方程、电机电压方程转化在旋转的两相的坐标系上的形式(盛泽轩,朱婉倩,2020)。磁链方程ψsdLm——dq坐标系定转子互感Ls——dLr——d3.1.4同步的两相旋转坐标系含义同步的两相旋转坐标系顾名思义其实就是两相旋转坐标系与定子频率同步角频率ωr有着相同的旋转速度ωdqs，ωrUsd在随意旋转的两相坐标系下电磁转矩方程与电机磁链方程是相同的。3.2异步电机转子磁场定向控制3.2.1转子矢量的控制简介由于直流电动机能够将电磁转矩与定子磁场解耦之后便于调控，所以直流电机的传动系统的动态性能表现更佳(谢志天，陈梦琪,2017)。从这些实践可以了解在正交的励磁电流与电枢电流合成的互相影响的磁场输出转矩。凭借控制电枢电流来控制电机转矩的时候，要保证励磁电流输出的磁场为一个常数。通过对应的反坐标换将交流电机转变为直流电机一样，这样使得交流电机能有和直流电机一样的调速性能(郭泽和，陈心怡,2022)。这在一定程度上体现我们把这种利用坐标变换来实现电机调速控制的系统称为磁场定向控制，也称为矢量控制系统。此文利用转子矢量控制的方式。3.2.2转子磁场定向控制的基本原理将总磁链矢量ψr的方向作为旋转的d轴的坐标系，叫做M轴，T轴式垂直于M坐标轴，q坐标轴是逆方向转动90°交流电机的定子电流可以分解为ism与ist，在控制转子磁场定向的时候，保证定子电流ism是额定值，将定子电流的转矩分量iism为励磁分量iψrd当其方向确定和同步的两相旋转坐标系相同时又ird将式（3.37）带入式（3.34）Te将式（3.36）带入式（3.38），m、t代替d、qTe由于ωdqs=ω1，ωdqs=Usd（3.37）带入式（3.40）dψdψ——转子时间常数式（3.36）带入式（3.41），用m、t代替d、qdψ由式（3.42）得到ωl从这些措施中看出交流电机的控制转子磁场的基本方程由（3.43）与（3.39）得到。转子磁链和ist不联系，与ism有关联。遵循该理论框架进行实证研究可得出只要能够保持ism不变的时候，可以只控制i3.2.3转子磁链观测模型图3.5间接计算转子磁链模型磁链监测的准确度直接关系到矢量控制的精准度。虽然这种模型简单，但是它的缺点是电机转子的常数是会发生变换的这就会影响观测精准度。本部分创作得益于何其飞教授在相关课题的研究，尤其在思路和手法上深受其影响。思路方面，本文参照他对研究问题抽丝剥茧的思路，设定确切的研究目标和假设，构建出严谨的研究体系。运用定量和定性相结合的研究方式，努力在数据收集与分析过程中做到公正、精确，以确保研究结论科学可信。虽然何其飞教授的研究启发了本文，但本文在多个环节展现出自身的创新之处，研究设计阶段采用了更为灵活多变的数据收集形式；数据分析阶段探究不同变量之间的复杂关联，期望研究不仅在理论层面有所建树，还能在实践中发挥指导作用。ωl转子磁链的计算公式：φγα如3.6：图3.6直接计算转子磁链模型交流电机的时间常数与磁链模型是无关的，克服了间接矢量控制的缺点。不可避免的是这种模型也有着一些不足之处：电机转子的速度处于低速的时候，电机定子的电阻上的电压降的变化情况受到很大的影响，在电机处于中等速度与高等速度时候比较适用。为了避免电机处于低速度时候不精确的缺点，在这等情况下应该采用组合的模型，在低速度的范围利用间接的办法，处于高速度范围时利用直接的办法(许志时，林婉莹,2022)。此时应该注意的是解决好衔接速度的情况，通常把衔接速度设置为n≤15%nN。积分漂移会随着直流偏量与积分的初始化而产生。需要用低通滤波器来替换积分器，这在某方面预示了利用电机转子磁链的参考值对低通滤波器产生的滞后相位与幅值的偏差进行补偿。综合上述考虑之后，最合适的方法是间接的矢量控制。3.3异步电机转子磁场定向控制系统3.3.1异步电机转速、磁链双闭环控制系统转子的矢量控制的原理是电磁转矩Te与转子的磁链ψr经过打开耦合之后进行调控，然后各自调控电磁转矩Te与转子的磁链ψr。某程度能看出利用转速闭环控制与磁链闭环控制时需要使用转矩控制器的ωr∗与磁链控制器的图3.7系统框图这在某种程度上指出交流电动机转子的矢量控制系统可以经过计算设定的转子磁链与电机转速得到给定的电压。Uα与Uβ时位于静止坐标系上的给定电压分解得到的。SVPWM控制的给定量是取样周期Ts、Uα、Uβ与Udc，管控三电平逆变器的IGBT管子的触发信号是SVPWM的输出量。交流电动机能够进行变换频率的调速是因为将直流电压经过逆变器的调制之后将其相位与幅值可以调控的交流电流输入给交流电动机(林志远，何心怡,2021)。确保研究成果具有高度的可信度与精确度，本文首先广泛调研了国际国内的相关资料，系统地概述了现有研究的最前沿发展与理论框架。随后根据研究主题，精心规划了一套包括数据采集策略、样本挑选规则以及分析模式在内的合理研究方案。采用多种数据来源进行对比验证，直接呈现研究目标的真实状态。在数据分析阶段，应用了尖端的数据处理软件和方法，保证了研究结论的科学严谨和客观公正，并且还对可能出现的误差做了灵敏度测试，提升了结果的稳固性。转子磁链定向控制系统是由电机磁链与转子转速两个闭环的控制组成，这在一定程度上描绘了这两个闭环系统又具有前电压补偿反馈部分、电机的转速、电机的磁链、3.3.2转速闭环控制这在一定尺度上说明电机的转矩的给定值是反馈的转速与给定的转速的比值通过PI调节之后得到的，给定t坐标轴的电流ist∗是由反馈的磁链与电机转矩通过

ist∗=2Lr3PLm3.3.3磁链闭环控制从这些实践可以了解给定的电机转子的磁链ψr通过电机的磁链闭环控制将反馈的角频率ωr输给函数发生器后获得，利用(陆君萱，付静怡,2020)

ism∗=1Lmψr∗

将反馈的转子磁链ψr与ψr∗经过PI调节环节后可以获得m轴的给定电流ism交流电动机的反馈转动速度n由反馈的角频率ωr利用

n=30πωr

经过函数发生器之后计算可以得到。取其绝对值之后将额定转速设定为幅值的下限，无穷大时幅值的上限4控制系统仿真分析4.1系统的仿真4.1.1仿真模型系统的仿真模型由图4.1给出图4.1系统仿真模型电机功率P：110KW；电机额定线电压U：325V；电机额定线电流I：233A；电机定子电阻Rs：10.55m；电机定子漏感Lls电机转子电阻Rr：7.55m；电机转子漏感Llr电机互感：11.842mH；电机转矩：5.0kgm2；电机频率：60Hz；磁链初始值：0.555Wb；外环调节周期：2ms；内环调节周期：0.5ms；磁链限幅：0—0.7wb；转矩限幅：-1170Nm—1150Nm；电压限幅：-280V—280V；电流限幅：-655A—655A；直流电压Udc控制系统仿真模型：从这些措施中看出磁链控制模型，SVPWM模型，转速控制模型与三电平逆变器模型，直流电压给定，异步电机模型。4.1.2仿真结果分析仿真结果：（1）给定额定转速1748r/min,启动稳定后加上额定负载580N/m，转子磁链仿真图。图4.2幅值仿真波形（2）幅角仿真图。图4.3幅角仿真图电机转速n、电磁转矩Te、定子A相电流ia图4.4仿真波形图4.5电机三相定子电流仿真波形从上面几个图可以看到，交流电机一开始要进行充磁，电机的转矩和转速此时为0，在充磁的时候定子电流与ism都不能为0，是两个直流量.电机充完磁后就能带动额定负载，在启动的时候电机的转矩很大，定子的电流也较大，可以设置电机转速的上升率，转速可以超调的范围不大，有着平滑的三相交流电波形（张润雄,陈奇彤,2022)图4.6表示的是ist与ism，ism在系统充完磁后基本保持一致，转矩的变化与ist保持一致，ism为励磁分量i图4.6电流励磁分量ism和i图4.7表示的是滑差转速系统在启动的时候有着很大的滑差转速，大约为60r/min，遵循该理论框架进行实证研究可得出在完成启动后滑差转速下降到大概45r/min。图4.7滑差转速仿真波形（6）图4.8是在空载时的系统启动情况，当系统达到稳定状态后加入额定负载580Nm的动态响应图.转速能够很快地恢复，动态性能表现良好(成昊忠,孙锦鸿,2023)。图4.8带负载时仿真波形图4.9是在低频变化时系统稳定状态下加入负载，其动态性能表现良好。图4.9扰动负载时系统响应仿真（8）图4.10表示的是加入大负载980N/m，过1.5s后再添加580N/m。可以看到，系统可以带动大的负载，启动时间也符合实际的需要。图4.10加大负载时的仿真图（9）图4.11是电机转速n、电磁转矩Te、电机定子A相电流ia和转子磁链幅值波形。启动转速是1748r/min，在第7s时换为1850r/min，超过了额定转速1800r/min，这时磁链的幅值降为0.57Wb，这使得转矩上升，能够达到1850r/min的转速图4.11弱磁时系统响应仿真波形表4.2是转矩PI参数Ki对突加负载时的影响。Kp参数越大，系统的反应越灵敏，转速改变的范围越小，在这等情况下但是系统表4.1转矩PI参数KpKKi突加额定负载时转速下降的幅度转速恢复时间30501715050131.77050122表4.2转矩PI参数Ki对系统的影响KKi突加额定负载时转速下降的幅度转速恢复时间50301335050131.75070131因为电机的参数用的是离线的辨识，因此辨识的电机参数可能与实际的参数有所偏差。图4.12是85%实际转子电阻时的电磁转矩和转子磁链波形，图4.13是115%实际转子电阻时的转矩和转子磁链波形(林昊忠,陈梦琪,2021)。图4.1285%波形图图4.13115%波形图因为转子漏感比较小，所以漏感的变化对系统影响可以忽略。互感对系统的影响也可以忽略不计，这在某方面预示了给定电磁转矩有一点波动，磁链与转速都能够达到额定值。图4.14互感为实际互感120%的电磁转矩和磁链波形。图4.14120%波形图5结论与展望本设计采用了二极管嵌位式三电平逆变器，利用了矢量控制原理进行坐标转换，对转子定向磁场控制的基本原理进行了阐述。对转子磁链的观测，使用了间接的转子磁链的观测方法。最后利用了MATLAB/Simulink对转子磁场定向控制系统的二极管嵌位式三电平逆变器、转速闭环与磁链闭环进行了建模，并对系统运作进行了仿真，在仿真的时候，二极管嵌位式