（电力电子与电力传动专业论文）船舶大型起重机驱动控制技术的研究.pdf

c r a n e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i ux i n j i e ( p o w e r e l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i uc h i d o n g m a y 2 0 1 1 哪7删7， 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文“监照太型起重扭墅塾垃鱼i 这苤的婴究：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公丌发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：二耻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密订( 请在以上方框内打。，) 论文作者签名：叫兹吐导师签名 日期：妇l1 年 7 月) 日 、 中文摘要 摘要 大型起重船是进行海洋石油开发的关键设备。基于建造成本、维护成本等因 素，目前世界上现有的几艘大型起重船均采用电动驱动方式。由于电驱动起重机 械在运行中会对电网产生较大的冲击，严重时甚至可能造成电网失电，进而发生 事故，因此本文针对电驱动起重机械的驱动控制技术展开研究。 起重机械的负载具有恒力矩特性，通过限制起重机的加、减速速率，可以限 制起重机械功率的变化速率，进而确保船舶电网的电压、频率在允许的范围内波 动，不影响船舶电网中的其它电器设备的稳定运行。 本文采用实用五阶的三相同步发电机模型。在励磁系统中，采用了一个既能 反映出各相关物理量，又具有足够精度的数学模型，即采用可控相复励无刷励磁 系统模型。在调速系统中，目前，大多数研究文献均采用惯性环节加延迟环节的 方式来模拟柴油机的运行，认为柴油机的功率输出只是油门齿条位置的函数，而 忽略了柴油发动机组转速对其输出的影响。为此，本文给出了一个更为准确的柴 油机模型，即柴油机的功率输出为油门齿条位置和转速的双重函数。文中对所采 用的模型均进行了仿真分析及研究，验证了所采用模型的正确性。 基于上述仿真模型，本文研究在不同的负载下，通过调整加、减速速率，分 析瞬时频率及发电机端电压的变化，使其满足“钢质海船入级规范 要求，从而 得出最终的起重机加、减速速率方案，并绘制出起重机的加、减速速率曲线。 运用回归分析方法，将得到的起重机加、减速速率点拟合成函数，从而可在 控制器中依据该函数动态改变频器的加、减速速率。 传统的起重机加、减速速率为一固定值，牺牲了起重机的作业速度。本文提 出的起重机加、减速速率限制方案，在不影响电力系统稳定运行的前提下，实现 了起重机的平稳调速、提高了起重机的作业速度。 关键字：起重机；驱动控制；仿真 英文摘要 一一 a b s t r a c t l a r g ec r a n ei s t h ek e ye q u i p m e n t f o rd e v e l o p i n go f f s h o r eo i l b a s e do nt h e c o n s t l - u c t i o nc o s t s m a i n t e n a n c ec o s t sa n do t h e rf a c t o r s ，t h es e v e r a lw o r l d sl a r g ec r a n e a r ea v a i l a b l ew i t he l e c t r i cd r i v ea tp r e s e n t a st h ee l e c t r i cg r i dw i l lh a v eag r e a t e ri m p a c t w h e nl e c t r i cd r i v ec r a n ei so p e r a t i n g ，a n di tm a ye v e nr e s u l ti ns e r i o u sl o s so fe l e c t r i c i t y g r i d ，a n dt h e na na c c i d e n t ，t h i sa r t i c l ew i l ls t a r tt h es t u d yf o rd r i v i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y o fe l e c t r i cd r i v ec r a n e t h el o a do fc 瑚eo w n st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t a n tt o r q u e ，w h i c hc a nl i m i tt h e r a t eo fc h a n g eo fp o w e rb yl i m i t i n gt h ec r a n ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nr a t e s ，a n d t h e ni tc a ne n s u r et h a tt h es h i pp o w e rg r i dv o l t a g ea n df r e q u e n c yf l u c t u a t i o n s i nt h e e x t e n tp e m i t t e d ，a n da l s oi t d o e s n ta f f e c to t h e re l e c t r i c a le q u i p m e n to ft h es h i p e l e c t r i c a lg r i ds t a b l eo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , ih a v et a k e nt h ep r a c t i c a lt h r e e p h a s es y n c h r o n o u sg e n e r a t o ro f f i f t h o r d e rm o d e i i nt h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rh a s t a k e nt h em o d e lo f c o n t r o l l a b l ep h a s e c o m p o u n de x c i t a t i o nb r u s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e mw h i c h n o to n l yc a n r e f l e c tt h er e l e v a n tp h y s i c a lq u a n t i t i e s ，b u ta l s ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l w i t hs u f f i c i e n t a c c u r a c y i nt h es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，a tp r e s e n t ，m o s to f t h er e s e a r c hl i t e r a t u r e sa r e u s e dt ot a k et h ew a y so fi n e r t i ap a r ta n dt h ed e l a yp a r tt os i m u l a t et h eo p e r a t i o no f d i e s e le n g i n e s ，a n dt h e yc o n s i d e ro u t p u tp o w e ro fd i e s e le n g i n e s i saf u n c t i o no ft h r o t t l e p o s i t i o nr a c k ，w h i l et h e yh a v ei g n o r e dt h ei m p a c to f t h es p e e do fd i e s e le n g i n eg r o u p o u t p u t t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l eg i v e s am o r ea c c u r a t ed i e s e le n g i n em o d e l ，t h a tt h eo u t p u t p o w e ro fd i e s e le n g i n ei sd u a lf u n c t i o no ft h et h r o t t l ep o s i t i o na n ds p e e dr a c k t h e a r t i c l eh a st a k e nb o t ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d i e sf o rt h em o d e la n di th a sc a r r i e d o u tt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l b a s e do nt h ea b o v es i m u l a t i o nm o d e l ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e d i n s t a n t a n e o u s 行e q u e n c ya n dt h eg e n e r a t o rt e r m i n a lv o l t a g ec h a n g e sb ya d 3 i u s t i n gt h ea c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o nr a t ea td i f f e r e n tl o a d s ，a n dt h e ni no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f ”s t e e l v e s s e lr u l e s ”t oa r r i v ea tt h ef i n a lp r o g r a mo fc r a n ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nr a t e ， a n dd r a wo u tt h ec r a n ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nr a t ec u r v e u s i n gr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h ea c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o nr a t e sp o i n to f t h ec r a n e w i l lb e c o m es y n t h e t i cf u n c t i o n ，i nt h ec o n t r o l l e r , w h i c hc a nc h a n g ea c c e l e r a t i o n a n d 英文摘要 d e c e l e r a t i o nr a t eo fi n v e r t e rb a s e do nt h ef u n c t i o nd y n a m i c a l l y t h et r a d i t i o n a lc r a n ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nr a t ei saf i x e dv a l u e ，w h i c hw i l l t a k et h ec r a n e so p e r a t i n gs p e e da st h ee x p e n s e i nt h i sp a p e lt h ec r a n ea c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o nr a t el i m i t i n gs c h e m ea c h i e v et h es p e e ds m o o t h l ya n di m p r o v et h eo p e r a t i n g s p e e do ft h ec r a n eu n d e rt h ep r e m i s eo ft h a tt h ec r a n ed o e s n ta f f e c tt h es t a b l eo p e r a t i o n o fp o w e rs y s t e m k e y w o r d s ： c r a n e s ；d r i v ec o n t r o l ；s i m u l a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源及意义1 1 2 船舶大型起重机驱动控制技术研究的发展动态2 1 3 本文的主要内容3 1 4 本章小结3 第2 章同步发电机的建模与仿真4 2 1 同步发电机的理想化4 2 2 同步发电机的标准数学模型5 2 2 1 同步发电机在a b c 坐标下的有名值方程5 2 2 2 同步发电机在d q o 坐标下的有名值方程6 2 2 3 同步发电机标准数学模型的标幺化8 2 3 同步发电机的实用五阶模型1 2 2 3 1 引入新变量1 2 2 3 2 变量置换用的表达式的推导1 4 2 3 3 实用五阶模型16 2 4 仿真结果分析18 2 5 本章小结2 1 第3 章同步发电机励磁系统的建模与仿真2 2 3 1 相复励装置的数学模型2 3 3 2 励磁机的数学模型2 5 3 3 自动电压调节器的模型2 6 3 3 1 电压检测环节2 7 3 3 2 比较环节2 7 3 3 3p l 控制器的数学模型2 7 3 3 4 移相触发环节与可控整流环节2 7 3 3 5 串联校正环节2 8 3 4 仿真结果分析2 8 3 5 本章小结3 2 第4 章原动机及调速系统的建模与仿真3 3 4 1 原动机及其调速系统的特性3 4 4 1 1 原动机及其调速系统的总体特性3 4 4 1 2 原动机及其调速系统的静态特性3 4 4 1 3 原动机及其调速系统的动态特性3 5 目录 4 2 柴油机调速系统的建模3 5 4 2 1 电子调速器数学模型3 5 4 2 2 执行器的数学模型3 6 4 3 柴油机数学模型3 8 4 4 仿真结果分析3 9 4 5 本章小结4 2 第5 章起重机的加、减速速率限制4 3 5 1 起重机加速速率限制4 5 5 1 1 发电机端电压仿真结果4 5 5 1 2 频率仿真结果4 7 5 2 起重机减速速率限制5 l 5 2 1 发电机端电压仿真结果5 l 5 2 2 频率仿真结果5 2 5 3 加、减速速率曲线的拟合5 6 5 3 1 直线部分的回归分析方法5 6 5 3 2 非直线部分的回归分析方法5 6 5 3 3 拟合结果5 9 5 3 4 拟合结果与实际仿真结果比较6 1 5 4 本章小结6 2 总结6 3 参考文献6 4 致谢6 8 研究生履历6 9 动控制技术的研究 绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于“2 8 0 0 0 t 船用起重机电气系统的关键技术研究”项目。 海洋蕴藏着丰富的资源，如：石油资源、生物资源和化工资源等，是人类研 究丌发的重要领域。相关数据表示，在二十一世纪，人们对海洋全方位开发与利 用会得到迅猛发展。然而，对海洋无论以什么样的形式进行开发与利用都离不开 海洋工程设施，而船用起重机是在海洋中进行起吊作业的特种机械，是海洋工程 设施建设中所必不可少的工程设备。船用起重机不仅是港口装卸、造船工程、港 建水工作业、水下救捞、桥梁建筑的重要工具，对海洋进行全方位的丌发与利用 也绝离不丌船用起重机。 研究起重机的驱动控制技术，首先要确定驱动系统的模型，作为起重机的驱 动系统，不管是固定的还是移动的，不管是大型还是小型的，它们均由电站、电 力网和负载三部分组成。由于本文的起重设备用电量大，设备启动时对电网的冲 击很大，为了不影响其他设备的正常运行，要求发电机的端电压以及电压的频率 必须维持恒定，对于船舶大型起重机的驱动系统来说，维持电源电压和电压频率 的稳定是两项非常重要的指标。 船舶起重机的驱动系统，与陆用电力系统相比有以下不同之处：船舶电驱动 起重机系统的发电机组是柴油发电机组，大型起重机的额定功率占整个发电机单 机额定容量的百分比比较大乜1 ，本文要研究的系统中的起重机全载启动时其用电量 约占整个系统的8 5 ，系统瞬态过程的波动幅度非常大。船舶大型起重机的驱动控 制技术的设计方案在运用之前需要进行包括：系统安全运行、动态与静态性能指 标和对系统的优化等一系列的评估，并且需要对系统的参数进行设定。起重机的 驱动系统仿真模型的建立是一项非常重要的工作，精确的驱动系统模型对研究驱 动控制技术设计方案起到关键性的作用，因为由于驱动统模型的不准确而得出的 起重机加、减速速率限制曲线的分析结果，会给船舶起重机的运行带来非常大的 损失或者造成资源浪费。因此，根据船舶起重机驱动系统的特点，对其进行建模、 仿真分析，研究其驱动控制技术具有重要的理论价值和现实的意义。 由于负载功率大，电动式起重机械运行时对船舶电网电压和频率的冲击非常 第1 章绪论 大，容易造成电网失电。“c c s 钢质海船入级规范2 0 0 9 ( 简称“规范”) 及“a b s r u l e sf o rb u i l d i n ga n dc l a s s i n gs t e e lv e s s e l s2 0 1 0 明确规定了船 舶电力系统中电压和频率的动态、静态指标范围。因此，船舶电力系统电压和频 率的稳定是一个重要问题，必须采取一定的措施来保证。 1 2 船舶大型起重机驱动控制技术研究的发展动态 近年来，各国越来越重视海上石油的开采，各大海洋工程公司为了更加适应 深海丌发的需求，都在设计、建造新的、起重量更大的工程起重船舶。因此，工 程起重船目前在国际的发展趋于大型化和多功能化，但是，世界上7 0 0 0 吨以上的 浮吊仅仅有3 台，最重的为7 1 0 0 吨。国内在海洋工程起重船的设计与制造方面起 步较晚，在过去，1 5 0 0 吨以上的浮吊都由发达国家设计制造，但是到目前为止我 国在起重船领域已经有了很大的发展，中交集团旗下的振华重工己成功自主研发 了7 5 0 0 吨全回转浮吊“蓝鲸号，“蓝鲸号的建成打破了欧美企业的垄断，为 大型工程起重船舶设计与建造的国有化开辟了新篇章。 随着起重船起重吨位的增大，各大海洋工程公司开始采用半潜式起重机( s e m i s u b m e r s i b l ec r a n ev e s s e l ，s s c v ) 1 。目前，世界上建成的起重量最大的半潜式起 重船起重能力已经达到了1 4 2 0 0 吨，世界上主要有6 艘半潜式起重船，分别为： m c d e r m o t t 公司的d b10 0 ；s a i p e m 公司的s a i p e m 7 0 0 0 ；h e e r e m a 公司t h i a l f , h e r m o d 、 b a l d e r 、d b 1 0 1 。其中，s m p e m 7 0 0 0 具有双起重吊臂的独特结构，单个吊臂起重 力7 0 0 0 吨，双臂联吊起重力为1 4 0 0 0 吨。此外，h e e r e m a 公司计划投资1 0 亿欧元 来建造一艘起重能力不低于现有的起重船“t h i a l f 号的超大型半潜式起重铺管 船，预计起重能力会达到1 5 0 0 0 吨。但是，目前我国在超大型起重设备方面还没 有相应的半潜式起重船，这就限制了我国对深海资源的快速、全面的开发与利用。 具有建造起重能力达千吨以上的大型起重船能力的国家目前并不多。过去， 我国的大型起重船基本是从荷兰、日本等国家进口。然而现在，我国已经具备设 计并建造具有千吨甚至接近万吨起重船的能力。但是像本文所研究的如此大型的 船用起重机的驱动控制技术仍没有攻克。所以目前没有现成的资料可以参照。 1 3 本文的主要内容 由于负载功率大，电动式起重机械运行时对船舶电网电压和频率的冲击非常 2 船舶人型起重机驱动控制技术的研究 大，容易造成电网失电。因为起重机是恒转矩负载，根据公式p = - t * 0 9 ，p 为起重 机的功率，丁为起重机的转矩，c o 为起重机的转速，因为转矩不变，当功率线性变 化时，可以认为功率随着转速进行线性变化，可以通过对转速的速率进行限制来 实现对功率的控制。因此，本文从船舶电力系统的建模开始，主要是对发电机， 励磁系统，原动机( 柴油机) 及其调速系统进行建模，通过仿真分析得出最终的 起重机加、减速速率方案，减少对电网的冲击，进而实现起重设备的平稳调速。 本文主要分为以下几部分： 在第二章中，主要对同步发电机进行建模和仿真，首先对同步发电机进行理 想化并建立同步发电机在a b c 及由0 坐标系下的理想电机模型；然后建立了用标么 值表示的同步发电机的方程式；最后，推导了同步发电机的实用五阶模型。并根 据建立的数学模型进行仿真，通过对仿真结果的分析，验证了所建立的模型的正 确性。 在第三章中，主要对励磁系统进行建模和仿真，包括相复励装置、励磁机和 调压系统的模型推导，确定了可控相复励无刷励磁系统的模型，并通过仿真验证 了模型的正确性。 在第四章中，完成了调速系统的建模，包括执行器和调速器模型的建立，并 且建立了一种新的柴油机模型，使其不单是油门齿条位置的函数，更要考虑到转 速对柴油机输出功率的影响，通过仿真验证了模型的正确性 第五章，本章中根据规范要求，通过仿真，最终确定了起重机的加、减速速 率曲线，实现了起重机的平稳调速，并通过回归法，将仿真得到的数据拟合成起 重机加、减速速率函数。 1 4 本章小结 在本章中首先介绍了课题的意义，然后介绍了船用大型起重机驱动控制技术 的国内外发展动态，对于本文所要研究的驱动控制技术，目前还没有现成的资料 可以参考，可见本课题的研究意义重大，最后介绍了本文要研究的主要内容。 第2 章同步发电机的建模与仿真 第2 章同步发电机的建模与仿真 要想研究船舶大型起重机的驱动控制技术，首先得有驱动系统，而同步发电 机则是船舶电力系统的核心，建立船用同步发电机的数学模型，是研究船用大型 起重机的动控制技术的重要的内容之一。因此本文首先对船舶同步发电机进行建 模。 同步发电机由定子和转子两部分组成，是把旋转的机械能转换为电能，供给 舶电力系统的设备，电枢是同步发电机结构的一部分，是镶嵌在发电机的定子部 分的三相绕组，并且和三相电网相连。转子也是同步发电机结构的一部分，并与 柴油机同轴连接，在旋转磁场中通过它的旋转将机械能转换成三相交流电能。同 步发电机的特性在很大程度上决定了整个船舶电力系统性能。 发电机的定子电压电压方程、磁链方程，电磁力矩方程和转子运动方程等基 本方程组便成了同步发电机的数学模型。同步发电机的模型要反映出发电机的物 理过程，这些方程应能够反映出发电机的空载、负载特性，能f 确模拟发电机的 突加、减负载和限速加、减负载的过程。 同步发电机组具有强耦合和非线性的特性，其数学描述方法非常复杂，具体 有两种方法，一种是三相变量表示的在a b e 静止坐标下的磁链电压电流关系方程 式，另一种是在内0 旋转坐标下表示的磁链电流电压关系方程式，可通过经典派 克变换将a b c 坐标下的方程转换成内0 坐标下的方程。 2 1 同步发电机的理想化 同步发电机可以将机械能转化为电能，是集电磁变化与机械变化，旋转与静 止于一体的设备，是船舶电力系统的心脏，同步发电机的动态性能非常复杂，且 对整个船舶电力系统的动态性能影响很大。要对同步发电机进行非常详细的描述 很困难，因为同步发电机内部的电磁过程也非常复杂，所以，为了建立同步发电 机数学模型，必须对实际的三相同步发电机作必要假定【8 】： ( 1 ) 电机转子结构在纵轴和横轴上是完全对称的。 ( 2 ) 忽略磁滞、磁饱和、涡流及集肤作用等的影响，即认为电机磁铁部分的磁 导率是常数。 4 型起重机驱动控制技术的研究 表面光滑，即电机定子和转子的电感不受电机定子 ( 4 ) 定子3 个绕组结构完全相同，空间位置互差1 2 0 。电角度，在气隙中均产生 正弦分布的磁动势。 当电机满足上述四点假定条件时被称为是理想的电机，在大多数情况下这些 假设条件具有足够的精度，可以满足实际工程问题研究的需要。本章同步电机基 本方程是在上述理想电机的假定条件下推导的。若有其他因素的影响，对基本方 程作相应的修正即可。 2 2 同步发电机的标准数学模型 2 2 1 同步发电机在a 6 c 坐标下的有名值方程 a b c 坐标下的矩阵形式的同步发电机的电压方程为： “：坐+ 一( 2 。1 ) d f 式中， ；杪2 虬 vc v f 沙d ；，= d i a g ( r 。，名，名，o ，饧，饧) 。 a b c 坐标下的矩阵形式的同步发电机的磁链方程为： 虬 虬 、pf d l l 曲l d c l kl b bl b c l l c bl c c l f al f l l f c l i ) 口l 嗨l kk l 移l 。dl 口q l b fl b dl 吣 l 哆l c dl a q l il f dl 眨 l 听l d ，l f ) o kk dl q q ?-!lf。l。e12lz(33。33)乏：2。(3。x，3，)jli-肛iabc 式( 2 2 ) 可简写为： 5 ( 2 2 ) 0 ， 。 叫叫叫0如岛吁 b ， 1-1-1i0如b 第2 章同步发电机的建模与仿真 = 厶6 。6 ) f ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 中厶l 非对角元为定子绕组互感，对角元为定子绕组自感；三1 2 和厶i 为转子绕组和定子绕组相互间的互感；三2 2 为转子绕组自感和互感。 根据牛顿运动定律得到a b e 坐标系下的同步发电机的转子运动方程为： 一z ( 2 4 ) 式中p p 为极对数；，为转子的转动惯量；为电角速度；为原动机( 柴油机) 加于电机轴的机械力矩；疋为发电机的电磁力矩；6 为q 轴与x 轴的夹角；为同 r e = p p 去 ( 一t ) + ( t - i o ) + v 。( i o 一) v j 碣机雕_ ；1 k 融 碣扣e 小 式( 2 1 ) 、式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 即构成了同步发电机在a b c 坐标 坐标下的方程，转化后的方程叫做派克方程。通过派克变换，可以在旋转坐标系 下观察同步发电机的暂念过程，便于分析计算。因为砌0 坐标下电感的参数是常 数并且由0 三轴之间已经解耦，因此在实际分析与应用中同步发电机的派克方程 6 乙 ， 钉 略 丝衍 俨 = 。一砟鼢一衍 船舶人型起重机驱动控制技术的研究 昏 c o s 眈 - s i n 眈 l 2 c o s 皖 - s i n 皖 1 2 c o s 包 - s i n 包 1 2 ( 2 6 ) 或写成： 厶o = 矾。 ( 2 7 ) 根据式( 2 6 ) ，对上一节中的a b c 坐标下的同步发电机的有名值方程进行坐标 变换，u r j 得到由0 坐标下的同步发电机的有名值方程。 由0 坐标下的同步发电机的电压方程为： 酬= 甜甜阱p 锄忱 他8 ， 式中，俨( - ，吮，o ) 。 砌0 坐标下的同步发电机的磁链方程为： 黝= 陉乏蚴 汜9 ， 式中， 三。 l r r j 2 2 3 - 2 3 2 ( 2 1 0 ) 由d 坐标下的同步发电机的转子运动方程与口幻坐标下的同步发电机的转子运 动方程( 2 4 ) 式相同，只是r e 有差别。 由0 坐标下的同步发电机的电磁力矩方程为： 乃= 吾p p ( 一屯) ( 2 1 1 ) 因此，由0 坐标下的同步发电机的转子运动方程为： 7 o o o o ，屯 。魄o o o 岛 d r ， o o 厶 。 吩o o 0 o o 0 k o 0 o o 乞o o o 魄 3 2 乙o o m m o 第2 章同步发电机的建模与仿真 1 p p d 6 a r t ，警母t 。五3 砟( 岍训 ( 2 1 2 ) 2 国一s 2 2 3 同步发电机标准数学模型的标幺化 可以用有名值和标么值两种表示方法对发电机的参数进行描述，相比较用标 幺值对发电机进行描述而占，对发电机采用有名值进行分析有一定的缺点，主要 表现在以下两个方面【8 1 ： ( 1 ) 用有名值表示不同容量电机的同一参数其数值可能会相差很大，而用归算 到自身容量基值下的标么值表示其数值会比较接近，并且能反映同步发电机的物 理特性。例如，用标幺值表示的发电机d 轴的同步电抗肠般在0 6 2 5 左右，物 越大，反映该同步发电机气隙越小，反之亦然。用标幺值表示时，可根据标幺值 的大小判断参数是否正确，还可以清楚的知道发电机相应的物理特性。 ( 2 ) 用有名值表示的发电机定子电量和转子电量其值差别很大，如转子电压仅 有几百伏，而定子电压可达上力伏，而用标么值就会比较合理。此外厂家出厂的 参数一般采用标幺值表示。在多机系统中，对厂家的数值在公共容量基值下进行 折算，计算方便。 口缸坐标下和幽d 坐标下的有名值方程均可以转化为标幺值方程，因为由d 坐 标下有名值方程在实际分析与应用中方便、更具价值，应用广泛，因此本章只推 导砌0 坐标下的标幺值方程。 将砌0 坐标下的电压有名值方程( 2 8 ) 式展开，如下： l g d 材g “0 “， ( = o ) ( = 0 ) 基值选取情况如下： d a r t l f ，d v f v d + 一国v 。 l ；，d 0 0 0 0 8 + r o t d - r 口l q 4 r o l o l f b 饧毡 ( 2 1 3 ) u d b2 b v d b 2r | ，8 1 j d b u q a = 枣 ，q r = r q b i q b ( 2 1 4 ) 将( 2 1 3 ) 式中i j f 三式各项分别除以( 2 1 4 ) 式中第一式的相应项，得到用标么 值表示的定子电压方程如下： 铲警一纸。吩毛 甜户盟一纸扩， ( 2 1 5 ) 甜矿2 茁一纸一o o 心 驴警吩乇 式中，d d t = d o 唧l t 。上式即为砌0 坐标下的标幺值定子电压方程。 再将( 2 1 3 ) 式中后三式各项分别除以( 2 1 4 ) 式中后三式相应的项，即得到标么值 表示的转子电压方程，如下： 综合x - ( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 即得到a q o 坐标下的同步发电机矩阵形式的标么值电 压方程( 下标宰从略) ，如下： 幽u d q o 飘di 弘z a q o 1 + 阱p 锄蚴 组 上式中：尹( 一，蚴，o ) t 将由0 坐标下的同步发电机的磁链方程式( 2 9 ) 展开如下： 9 o o 兰 三 ， 悼 吩 吨 似 协 一 + + 监以警孥 = l i = 即 第2 章同步发电机的建模与仿真 v d v f 哕d ( 2 1 8 ) 式中，l f a = 3 1 2 m y ，l d a = 3 2 m o ，l q q = 3 2 m o ，三旷吩，l a d = m d ，l q q = m q ， l d f = l f d 2 m r 。 各个绕组中自感、互感、电流和磁链的基值选取满足如下各式； l ；，德= l n o o b = l q 粥i 毋= l n d b i d b = l n q 毒q b j 2 钿2 o 。( 2 1 9 ) p d b2l d 一| ，b2l d 口毋n b2l d f b it r r 【= 锄妇= 如 将式( 2 1 8 ) 的前三式分别除以式( 2 1 9 ) 的第一式中的相应项；再将式( 2 1 8 ) 的后三式分别除以式( 2 1 9 ) 的后三式中的相应项，可得： l f ，d v p y ) 一匕 一z 矿 一l o z 厂 z 伊 场 ( 2 2 0 ) 并且由于标幺值选取满足以下两个约束条件： ( 1 ) 保留传统的标幺电机参数的约束。 ( 2 ) 确保标幺值互感可逆的约束。 从而有： i = 如= l 。 l d o “腑2 x o a ( 2 2 1 ) l 厶矿= = 【l f d * = l d f = m 舻 另外，由于电感的标幺值等于工频下电抗的标幺值，可不加以区分，故同步 发电机在由0 坐标下的磁链的标幺值方程可改写为( 下标木略) ： 1 0 o o o o ) ) k o o 如k o 匆o o 0 b o 0 o k 0 o 0 o 厶o o o 厶o o切o oo o o k k o o知o o o o斗o 0 o 厶0 0 0 ， o o o o o p 矿 o o oo 在由d 坐标下电磁力矩的有名值方程式( 2 1 1 ) ，即： 瓦= 砟互3 ( 岛一。) ( 2 2 3 ) 取力矩基值乃为： 3 瓦= 朵= 釜碣百互l i a b l a b 巩i 3 如 ( 2 2 4 ) 将式( 2 2 3 ) 两边分别除以及3 2 p , , a a i , , a ，即得到电磁力矩的标幺值方程： m l 矿2 弘么0 一弘名l d 有名值的转子运动方程式( 2 1 2 ) 第一式，即： 上j 塑：乙一e p 。d t ”。 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 两边分别除以乃和( 。咖) ，原式左边= ! 妾 百d c o , ，原式右边2 一乃o 定义发电机组惯性时间常数为： 丁，：j o j ：b j s d b 则转子运动标幺值方程为： 7 = r 。百d c o , = 乙。一弓 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 乃的物理意义是：当机组从速度零开始升速时，若加速力矩恒定为l ( p u ) ， 则转子达到额定转速时所需的时问。 第2 章同步发电机的建模与仿真 将式( 2 1 2 ) 第二式两边同时除以b ， 到转子角运动的标幺值方程为： 掣：纸一l d l 。 故，同步发电机标幺值形式的转子运动方程为( 下标木略) ： ( 2 2 9 ) 哮屯 3 。， 堂：国一1 式( 2 1 7 ) 、式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 4 ) 和式( 2 3 0 ) 即构成了同步发电机的标准 数学模型。 2 3 同步发电机的实用五阶模型 在由0 坐标下同步机的数学模型是7 阶系统，再加上励磁系统、原动机及调速 系统的动态过程，会使维数太多，给分析和计算带来极大的麻烦。因此，在不同 的实际问题中，可以对发电机的模型作适当的简化，为了得到较高的精度，又可 以使分析和计算相对简便，本文采用发电机五阶实用模型。计及阻尼绕组d 、q 以及励磁绕组厂的电磁暂态和转子运动暂态( e ，e q ，e ，红8 为状态变量) ，但忽略 定子绕组的暂念，即由忙却。僦= o 。 2 3 1 引入新变量 为了消去转子励磁绕组中变量咖盼及u y , 导出发电机的实用五阶模型，引入 以下五个定子侧等效的实用变量。因为上述变量的存在，会给仿真带来很大的麻 烦。 ( 1 ) 定子励磁电动势勘 e r ：l 竺 ( 2 3 1 ) r ( 2 ) 电机q 轴空载电动势e q ( 又叫做“后面的电动势 ) 。 e q = x 。d 0 ( 2 3 2 ) ( 3 ) 电机q 轴瞬变电动势乓( x n q 做“矗后面的电动势) 。 1 2 稳态时，俨仂因此( 下标0 表示稳态) ： 易o = 岛o ( 2 3 4 ) 另外根据派克方程可知稳态时： = e 。一x 一兀(235u) q o2 e 口。一爿d i d o 一o l 3 b j 从而有： 易o = 乞o = u q o + 以岛o + r o i q o ( 2 3 6 ) 同样有： e o = o + 兄l d o + r o i q o ( 2 3 7 ) 根据式( 2 3 6 ) 和式( 2 3 7 ) 可以了解将电动势e q 和瞬变电动势e 分别叫做 发电机q 轴空载电动势和“畅后面的电动势”及e 后面的电动势的物理背景。 ( 4 ) q 轴超瞬变电动势e ( 又称“氍后面的电动势 ) ：其物理含义为：在同 步转速下当d 绕组的磁链为蚴，厂绕组的磁链为盼时，相应的定子q 轴丌路电动 势。如图2 1 所示： xl ：p ij f 一- l d = o 警d 图2 1e q ”对应的蚴计算示意图 f i g 2 1 日c o r r e s p o n d st oj u ac o m p u t i n gd i a g r a m d 轴磁链蚴用叠加原理计算为： 第2 章同步发电机的建模与仿真 炉石溉乏l2 瓦i 蕊藏以耐 +瓦丽fl l ( 2 3