（电机与电器专业论文）交流励磁电机在泵站中的应用研究.pdf

i i 摘 要( a b s t r a c t ) a b s t r a c t d i s t r i b u t i o no f w a t e rr e s o u r c e si sn o tu n i f o r mi nt i m ea n ds p a c e ，t h e r e f o r e ，m a n y l a r g ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c t sh a v eb e e ni n i t i a t e di nc h i n at om e e tt h ed e m a n df r o m i n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n dr e s i d e n t i a ls e c t o r s s o m eo ft h ep u m p i n gs t a t i o n si nj i a n g s u p r o v i n c ea r ei n f l u e n c e db yt i d a ll e v e lo fy a n g t z er i v e r ；t h ep u m ph e a dv a r i e s f r e q u e n t l yw i t h i naw i d er a n g e t h e r e f o r e i ti si m p o r t a n tt or e d u c ep o w e re x p e n d i t u r e i no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m p i n g s y s t e m v a r i a b l es p e e do p e r a t i o ni sa n i m p o r t a n tm e t h o df o re c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n s a c e x c i t e dm o t o ri so n et y p eo fe l e c t r i cm a c h i n e s t ow h i c ht h ee x c i t a t i o n sa r e a p p l i e do nt h er o t o rs i d e b yr e g u l a t i n gt h ef r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h e e x c i t a t i o np o w e rs u p p l y ，m a c h i n es p e e d ，a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rc a nb e p r o p e r l yc o n t r o l l e d 1 1 1 ec o n v e r t e rf o ra c e x c i t e dm a c h i n ei so fs m a l lc a p a c i t ya n dl e s s e x p e n s i v e ；t h er e q u i r e do p e r a t i o nv o l t a g ei sa l s ol o w e rt h a nc o n v e n t i o n a ld r i v es y s t e m s b e s i d e sa b o v e - m e n t i o n e da d v a n t a g e s ，t h ec o n v e r t e rc a na d j u s tt h ep o w e rf a c t o ro ft h e s y s t e m s ，a n dc o n t r i b u t et oe x c e l l e n ts p e e dr e g u l a t i o n t h e r e f o r e ，a c e x c i t e dm o t o rd r i v e i sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o n si np u m p i n gs t a t i o na p p l i c a t i o n b a s e do nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ea c e x c i t e dm o t o l t h eb a c k t o b a c kp w mc o n v e r t e rw a sa d o p t e da st h ep o w e rs t a g eo ft h ed r i v es y s t e m f i r s t l y , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e 鲥d - t i ec o n v e r t e ri ss t u d i e d ；两dv o l t a g eo r i e n t e d v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi su s e d b a s e do nw h i c ht h i st h e s i sd e s i g n sad o u b l el o o ps y s t e m w i t hc u r r e n ti n n e r - l o o pa n dv o l t a g eo u t e r - l o o p ，n l ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nr o t o rf l u x o r i e n t e di si n t r o d u c e di n t ot h e c o n t r o lo fr o t o rs i d ec o n v e r t e r t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h es t a t o rf l u xo b s e r v e ra n d d e s i g n sad o u b l ec l o s e d l o o ps y s t e mw i t ht h ec u r r e n ta st h ei n n e r - l o o p ，t h es p e e da n d r e a c t i v ep o w e ra st h eo u t e r - l o o p t h es i m u l a t i o nm o d e li si m p l e m e n t e di ns i m u l i n k e x p e r i m e n t a lw a v e f o r i l l sa r e p r e s e n t e dw i t hd e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n t h er e s u l bi n d i c a t et h a ta c e x c i t e d v a r i a b l es p e e dd r i v es y s t e mc a nr e g u l a t ep u m ps p e e d ；t h ec o n t r o ls y s t e mp r o p o s e di n t h i st h e s i si sv e r i f i e db ys i m u l a t i o ns t u d y i tp r o v e st h a tb yu s i n ga c e x c i t e dm o t o rd r i v e s y s t e m ，t h ee f f i c i e n c yo fp u m p i n gs t a t i o nc a nb ei m p r o v e d f i n a l l y t h ec o n v e n t i o n a lp u m pa f f i n i t yl a w sw e r eu s e di nt h eo p e r a t i o na n a l y s i so f ap u m ps t a t i o n , w h i c ha d o p t sa c - e x c i t e dv a r i a b l es p e e dd r i v es y s t e ma st h ee c o n o m i c b e n e f i t 1 1 1 ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yi sp r o v e d k e y w o r d s ： a c e x c i t e dm o t o r ，p u m p i n gs t a t i o n s ，v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y , b a c k t o - b a c k p w m c o n v e r t e r , s i m u l a t i o n 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导f 独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：粼 签字日期：2 0 l o 年歹月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日日 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 我国地域辽阔，自然条件复杂，水资源时空分布与工农业生产和人民生活 的需求存在很多矛盾，泵站在水资源调配和供水方面起着十分重要的作用。泵站 在发挥效能的同时，消耗着大量能量。据最新调查，我国目前机电排灌保有量达 7 0 0 0 多万k w , 居世界第一，其中大中型泵站5 5 0 0 多座i l j 。如何提高泵站效率， 降低能耗，实现泵站的优化、高效运行，就成为当前有重大现实意义的研究方 向。 泵站变速调节是通过改变水泵的转速来调节水泵性能的方法。与变角调节一 样，都可以在较大的工况变化范围内保持水泵以较高的效率运行。但是泵的变角 调节扬程的能力有限。当泵的转速改变时，其最高效率点的扬程按照与转速平方 成正比的规律而变化，所以变速调节有很强的调节扬程能力。 在泵站扬程变化幅度较大，仅仅依靠泵的变角调节是不够的。角度变化太 大，还会造成泵内流态紊乱，二次回流增加，效率下降的问题。试验研究表明， 在泵的结构允许的情况下，如果泵的转速在6 0 1 2 0 范围调节，则扬程的变幅 相应可在3 6 1 5 0 内变化，如考虑泵本身在每种转速下性能的调节范围，其整 个调节幅度将更大 2 1 。 许多不能变速运行的泵站，受洪汛影响长期运行于低扬程，偏离实际运行情 况，负荷小，水泵效率极低；而按低扬程设计的水泵，在洪涝季节，外江水位上 涨，需要提高扬程，也偏离实际工作点，扬程上不去，被迫停机【3 】。从这点上来 说，泵站变速调节又有很大的社会效益，泵站需要变速调节。 另一方面，我国大部分河流多泥沙，水头变化大。如采用可变速水泵机组， 可使水泵无论在丰水期或枯水期都能处于最佳或者较好工况下运行，大大减少水 泵叶片气蚀与泥沙磨损，既提高了机组综合效率，又延长了机组寿命。 南水北调东线，江苏境内的源头泵站受长江潮位影响，扬程变化频繁，变化 幅度大，如果实现调速经济运行，可以提高泵装置效率5 1 0 以上1 4 】。并且如 果采用变速变角综合经济运行，可适当减小叶片调节频度，克服单纯变角运行中 叶片角度不能过于频繁调节，否则会损坏叶片根部与轮毂处的密封而漏油、进 水，造成调节机构锈蚀损坏的问题。提高水泵机组可靠性和耐久性【4 】。 目前在国内市场上常用的调速方式有很多种，既包括电磁转差离合器、液力 2 扬州大学硕士学位论文 耦合器等低效的调速方式，也包括定子侧直接高压变频调速和传统串级调速等高 效的调速方式。以下对这些调速方式分别加以介绍【5 】： 1 电磁转差离合器 电磁转差离合器是一种电磁的机械传动耦合器，调速简单可靠，一度广泛应 用，但低速带载时离合器发热严重，也属于低效耗能式，特别在大功率场合，鲜 有应用。 2 液力耦合器 液力耦合器是一种利用液体( 多数为油) 介质的动能来传递能量的叶片式传 动机械，安装在定速电动机与水泵之间。其特点是但调速越深，能量损耗越大， 同时机械磨损大，维护费用高，是一种低效耗能型的机械调速装置，目前已处于 淘汰中。 3 绕线式电机转子串电阻调速 绕线式电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型调速。这种调速方式简单可 靠，成本低，但是效率很低，近年来逐渐淘汰。 4 定子降压调速 改变异步电机定子j l a n 电压可以改变电机在一定输出转矩下的转速。这种调 速方式虽然简单，但电机本身损耗大，发热严重。 5 高压变频调速 高压变频调速即直接在定子侧变频调速，是一种技术含量高，难度大的高新 技术，但其应用在泵站的主要问题在于： ( 1 ) 对泵站用大功率电机，高压变频调速时电力电子元器件的耐压水平问题 短时间内难以克服； ( 2 ) 高压变频装置制造技术要求高，价格昂贵，如果它应用于泵站等的节能 运行，需要很大的初投资。 6 串级调速 采用晶闸管逆变器的串级调速系统，存在的主要问题是：设备多，运行功率 因数低及谐波大。虽然已开发出改进产品内反馈电机+ 晶闸管斩波串调，但是 其外需两台较大的直流电抗器；低速时功率因素仍低( 0 7 n n 时仅0 5 5 ) ，而水泵 多运行于低速段。 而交流励磁电机调速系统的应用有望解决泵站调速运行所面临的某些技术问 题，之所以这样说，是因为交流励磁电机有以下技术优势 6 1 ： ( 1 ) 高效率 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究3 交流励磁调速是一种可以实现高效调速的方法。传统的调速方式是通过改变 串联在三相转子绕组回路中的外接电阻值来改变转差功率，从而控制电机转速。 这种方法可以有效实现转速的控制，但存在很大的缺点，即转差功率消耗在串联 电阻上，在转差率较大的情况下，电机效率非常低。而交流励磁电机转子侧采用 变流器直接控制转子频率和转差功率，可以减小甚至消除转差功率损耗。 ( 2 ) 低或本 交流励磁电机系统所采用的转子侧的变频电源只调节转差功率，在调速范围 比较小的情况下，转差能量相对于整个电机的容量是比较小，和定子侧直接变频 的系统比较，所需变流器的电压等级及容量大为减小，降低系统的造价。 ( 3 ) 功率因数可调 交流励磁电机调速系统通过调节转子电流幅值和相位来补偿定子侧无功功 率，实现定子侧功率因素等于l ，甚至可以得到超前的功率因素。 交流励磁电机在功率大、调速范围窄的场合应用，具有明显优势。因为其所 需的电力电子变换装置成本相对较低。 基于以上几点，有理由相信，交流励磁电机在泵站变速运行应用中将会有广 阔的前景，对交流励磁电机控制技术的研究，亦具有很大的理论和实际价值。 1 2 交流励磁电机国内外研究的历史与现状 随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，电气传动技术中的 交流电机的调速取得长足的进步，有取代直流电机调速的趋势。交流励磁电机就 是其中的一个发展方向。自5 0 年代以来，德、日、法和前苏联等国家先后对交 流励磁电机进行了广泛的研究，并逐步应用到工业领域。如德国西门子、日本东 芝和三菱等公司已系列化生产交流励磁电机。法国a l s t h o m 公司生产的交流励磁 电机调速控制系统，其容量从2 5 0 k w 到几兆瓦，主要用于风机和水泵的调速。其 中前苏联研究交流励磁电机的最早，于1 9 5 5 年在全苏电工科学研究院建立异步 化同步电机( 前苏联称交流励磁电机为异步化同步电机) 实验室，于1 9 5 8 年制造 出第一台5 0 m w 的异步化水轮发电机，1 9 6 2 年投产，1 9 7 2 年进行异步工况工业 性试验后运行至今；1 9 8 5 年制成第一台2 0 0 m w 的异步化汽轮发电机组，1 9 8 6 年 投运；此外他们还系列生产了3 1 5 k w - 2 0 0 0 k w 的各种异步化同步电动机，并已 广泛应用于火电站及其他部门的各种传动装置中1 7 d 。 日本早在1 9 8 1 年就已经开始对变频调速抽水储能发电机组的研究，主要是 采用转子变频调速，转子铁芯置有三相交流励磁绕组，转子变流器装置采用g t o 4扬州大学硕士学位论文 元件构成交一直一交电流型逆变器或者循环变流器，并在1 9 9 5 年首次研究成功采 用g t o 作为功率元件的世界最大容量的变速恒频抽水储能发电机组，应用于日 本电源开发公司所属的奥清津电站2 号发电机，发电电动机的单机容量高达 3 4 5 m w , 转速调节范围为4 0 7r m 一- 4 5 0 r m ，流量为1 5 4m 3 s 9 1 。 我国对交流励磁电机的研究始于9 0 年代，目前有沈阳工业大学、华中科技 大学、华北电力大学、浙江大学、重庆大学等对此技术有一定研究。但是到目前 为止，研究工作大部分还仅限于实验室，因而我国对交流励磁电机的研究及应用 与国外有较大的差距。随着电力电子技术的发展和交流传动技术的广泛应用，无 刷交流励磁电机也得到了一定的发展，但是大功率交流励磁电机仍然以有刷结构 为主，本文的对象也为有刷交流励磁电机。 到目前为止，国内大型泵站还没有应用交流励磁电机的先例，对于大型泵 站，已有的调速方案主要是采用定子边高压直接变频调速，对于这种调速方式， 由于所需变流器的容量大于或等于电机的额定功率，定子变频调速传动装置价格 昂贵，投资回收期较长。 1 3 本文的主要研究内容 本文在分析交流励磁电机的相关原理后，建立了基于m a t l a b s i m u l i r d c 的 交流励磁电机调速控制系统，通过仿真研究交流励磁电机在泵站应用的技术性 能，最后讨论了交流励磁电机在泵站应用的经济效益，为在实际工程中泵站主电 机型式及调速方式的选择提供参考和依据。本文共五章，每章的内容如下： 第一章主要介绍了交流励磁电机在泵站应用的背景和研究意义，国内外研究 现状，然后简单介绍了本文的主要工作和研究内容。 第二章首先从交流励磁电机运行的基本原理入手，着重分析交流励磁电机的 数学模型，并对交流励磁电机在电动运行状态下三种工况及其功率流图进行了阐 述，最后讨论了交流励磁电机应用在泵站时的启动方式。 第三章是对泵站用交流励磁电机调速系统主电路及控制策略进行设计。首先 分别对交直交双p w m 交流器中的网侧变流器和转子侧变流器的结构、数学模型 进行分析，其次分析了控制策略，并且对控制器进行设计和计算控制主回路的关 键参数。 第四章在确定交流励磁电机水泵机组的相关参数后，在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下，建立了泵站用交流励磁电机控制系统模型，利用该模型对有功功率和无功 功率解耦控制以及转子转速超同步与亚同步调速等动态过程进行了仿真，讨论了 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 交流励磁电机在泵站应用的技术可行性。 第五章对变速工况下的水泵特性利用水泵相似律换算，对采用交流励磁电机 调速运行的泵站进行经济效益分析，研究交流励磁电机在泵站应用的经济可行 性。 第六章对整个课题研究工作进行了总结与展望。 6扬州大学硕士学位论文 第二章交流励磁电机相关特i 生 2 1 交流励磁电机的基本原理 交流励磁电机本身结构类似于绕线转子异步电机。交流励磁电机是在电机转 子侧输入交流电，通过改变励磁电源的频率、幅值或相位，实现交流励磁电机的 速度和功率控制【1 2 j 。交流励磁电机的定子电压和频率维持不变，可以调节电网的 功率因数，独立的调节无功，提高电力系统的稳定性。 电机在稳态运行时，定转子电流产生的旋转磁场在空间是保持相对静止的， 定转子磁场的相对关系是：劬= 鹞+ 鳞，缟= 劬j 。其中，锡为定子旋转磁场在 空间的基波电角速度，奶为转子旋转磁场相对转子的基波电角速度，织为转子 的基波电角速度，j 为转差率。转子旋转磁场相对转子的基波电角速度同转差率 成正比，如果转子的旋转速度低于同步速，那么转子旋转磁场相对转子的基波电 角速度相同；如果转子的旋转速度高于同步速，那么转子旋转磁场相对转子的基 波电角速度相同相反。因为转子旋转磁场相对转子的基波电角速度为国。= 2 万疋， 又因为转差率馈入转子绕组中的电流频率有。疋= 颤的关系，所以改变转子绕组中 的电流频率，就能改变交流励磁电机的转速i l3 。 交流励磁电机其结构图如图2 1 所示。 图2 i 交流励磁电机的结构 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究7 2 2 交流励磁电机的数学模型 2 2 1 三相静止坐标系下的数学模型 交流励磁电机的结构类似于绕线式感应电机，因此可参照分析绕线式感应电 机的方式分析交流励磁电机。交流励磁电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变 量系统。在研究交流励磁电机数学模型时作如下假设【1 4 】： 1 忽略磁路饱和、磁滞及涡流等的影响，不计铁心和导线的集肤效应，且 电机没有阻尼绕组。 2 设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 0 的电角度) ，所产生的磁势沿气隙 圆周按正弦规律分布。 3 不考虑频率和温度对绕组电阻的影响，各绕组的自感和互感都是恒定 的。 4 交流励磁电机的转子参数全部折合到定子侧，折算后的定、转子每相匝 数都相等。 5 忽略定转子电流高次谐波和定转子空间磁势高次谐波分量。 图2 2 交流励磁电机的物理模型 由此，实际电机被等效为图2 2 所示的交流励磁电机的物理模型。图中，定 子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，定义为三相静止a b e 坐标系。设定 子a 轴为参考坐标轴，转子以q 角速度旋转，转子绕组轴线为a 。随转子旋转a 8 扬州大学硕士学位论文 轴和定子a 轴问的电角度差为伊，称为空间角位移。电流和磁链的正方向符合右 手螺旋法则，回路两端的电压正方向与电流正方向符合电动机的惯例。定子、转 子绕组分别连接成星形。 由电机学的知识可列出电机的数学模型【1 6 1 ，这时交流励磁电机的数学模型有 电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成【1 7 1 。 ( 1 ) 电压方程 三相定子绕组电压方程： i = _ + 心 = p g b + ( 2 1 ) 【u c = p i c c + f c 三相转子绕组电压方程： i = 觑+ r a i a u b = p + 兄 ( 2 - 2 ) 【u 。= 职+ 足 式中，、u b 、u 4 、i i b 、u c 为相电压瞬时值；i o 、露、乇、如 为相电流瞬时值；弘o 、为各相绕组励磁；尺为定子、转子绕组等效电 阻；下标“a 、“a 分别代表定子、转子；p 为微分算子。 写成矩阵形式： “= r i + p c ( 2 3 ) 式中，甜= 【叱u c u at i t , u a r f = 【i ci a i a l r = d i a g r a r ar 足】 ( 2 ) 磁链方程： 将定转子绕组近似的作为正弦分布绕组求解，由于电机气隙均匀，故定转子 各相绕组的自感与互感均为常值，与转子位置无关，而定子绕组和转子绕组之间 的互感是转子位置的函数。电感矩阵可以表示如下： 式中，= 【r - - v a 虬r = 【 毛】r 乞= 【乞 t 】r 阱匮地 ( 2 4 ) 厶l = 3 2 = 厶l + 厶l 厶l + 厶2 1 ， 一i k l 二 1 ， 一i 厶1 z 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 1 ， 一i 厶1 二 厶l + 厶l 1 ， 一i l 胛1 j 1 ， 一i 厶l 二 厶1 + 厶2 1 ， 一i 厶1 z 厶l + 厶l 厶l + 厶2 l c o s 矿c o s ( 驴- 1 2 0 。) 岛l = 厶2 7 = 厶1lc o s ( g , + 1 2 0 。)c o s o ic o s ( 缈- 1 2 0 。) c o s ( c p + 1 2 0 。) 式中，厶。定、转子绕组的互感最大值； l ，- 定子绕组的自感： q 2 转子绕组的自感； 矽转子每相落后于定子对应相电角度。 ( 3 ) 运动方程 f 乙 式中，乙电磁转矩； 1 二负载阻转矩； - ，机组的转动惯量； 尸极对数； 织转子的电角速度。 ( 4 ) 电磁转矩方程 乙= 甜7 努旬 9 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 厶 厶 l一2一2 一 一 厶 厶 一2一2 一 一 k 厶 一2一2 一 一 0 o 2 2 抡屹 缈 + 一 唔 旷 宝 c o 0 堕衍j 一尸 q + = 五汐一办吃塑刃 1 0扬州大学硕上学位论文 2 2 2 两相旋转坐标系下的数学模型 由以上交流励磁电机的数学方程可知，由于三相绕组之间的藕合，以及定、 转子电流之间的相互影响。交流励磁电机主要表现出强耦合性。其根源在于它有 一个很复杂的电感矩阵。通常在交流励磁电机调速系统中，不但要调节转速和有 功功率，而且还要调节无功功率。对于交流励磁电机中调速控制系统来说，定子 实际电流和转子实际电流分别是工频和转差频率的交流量，如果只是简单的对实 际的交流电流进行闭环控制，效果并不理想，需要用坐标转换的方法加以改造， 最后得出与三相交流励磁电机等效的直流电机模型l 】引。为此，必须将实际的交流量 分解成有功分量和无功分量，使该系统具有类似于直流传动系统的结构和传递函数， 并分别对有功、无功两个分量进行闭环控制。电机方程式除了用a b c 坐标系表示 外，还可以用若干种坐标系来表示，包括两相静止筇坐标系，两相旋转由坐标 系，它们之间的基本的转换关系如下1 1 9 ： l 杉 图2 3 筇坐标系与a b c 坐标系图2 4 筇坐标系与砌坐标系 由三相静止坐标系口抛变换至两相静止坐标系筇的变换矩阵( 模不变型) ， 如式( 2 7 ) 所示： 厅 卅2 指 l1 1 22 0 矗矗 22 ( 2 7 ) 由静止两相坐标系筇到任意转速旋转缈两相坐标系砌的变换矩阵，如式 ( 2 8 ) 所示： ，= 盎黝 m 8 ， 式中，0 为d 轴与口轴之间的夹角，0 = g o t 。 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 l l 由三相静止坐标系a b e 蛰j 任意转速缈旋转两相坐标系由的变换矩阵： 呐 = 呐 k 卅= 詈 螂p 删一争删+ 争 痂秒一泖一争泖+ 争 ( 2 - 9 ) 由式( 2 - 9 ) 的坐标变换关系以及上小节的a b c 坐标系一f 电压、磁链、功率和 转子运动方程式。可得在两相旋转砌坐标系下交流励磁电机数学模型2 川： 电压方程为： i “庙= 名么+ 眠。c 0 1 q s ju q s = 0 + 觑+ c o l 弘s l “咖= 0 0 + p u 西一( q 一缈2 ) l f 厂矿 ( 2 - 1 0 ) 【- u 矿= 0 + p 妙矿+ ( q 。c 0 2 ) 磁链方程为： i 沙d s = t i s + l m i s j 少币乜0 + l 0 i = l m i s + t i d , ( 2 - 1 1 ) 【i = 厶0 + 乞， 电磁转矩为： 瓦用= l ( 0 0 - 么0 ) ( 2 1 2 ) 式中，乙电磁转矩； 极对数。 定子有功功率为： p = u s i s + u q s 0 ( 2 - 1 3 ) 定子无功功率为： q = 材秘么一0 ( 2 1 4 ) 机电运动方程为与三相静止坐标系下一致。 式中，下标s 、，分别代表定子量、转子量，下标d 、q 分别代表d 轴分量和 留轴分量，p 为微分算子，、匕为定、转子等效电感和互感，q 、哆、 1 2 扬州大学硕士学位论文 缉分别为电机同步角速度、转差角速度和转子电气角速度。 综上所述，经过相应的坐标变换之后，电感矩阵变为常系数方程，降低了交 流励磁电机数学方程组的维数，降低了分析的难度，同时对有功功率和无功功率 的解耦控制也十分有利，具体分析过程将在后续的一章中详细介绍。 l t 奠粉 l i 嘛l 图2 5 交流励磁电机的由轴矢量图 2 3 交流励磁电机运行工况 交流励磁电机控制的基本出发点就是要有效的利用交流励磁电机的转差功 率。当交流励磁电机处于稳定电动状态时，电机由定子侧通过电网吸收电能，通 过电动机定转子侧磁场的相互作用，将电能转化成机械功率，供给负载。在整个能 量变换的过程中，电动机转子侧通过励磁变流器传递转差功率，向负载输出机械 能，或者将转差功率回馈至电网。通过改变输入转子侧电流的频率、幅值或相 位，交流励磁电机能运行于不同的工况。 按照不同的转速区和转子侧转差功率的传递方向，处于稳定电动状态的交流 励磁电机可以分为三种工况：同步电动，超同步速电动，亚同步速电动。不同工 况下的功率关系如图2 6 所示【2 l j 。 蒋斌 交流励磁电机在泵站中的应用研究 1 3 ( a ) l s o ( b ) s s 0 、s s 0 时，交流励磁电机处于亚同步速运行状态，即电机的实际转 速低于其同步转速，此时转子侧提供的转差功率s p l o ，电机将通过转子侧励磁 变流器向电网回馈与转差功率等额的电能，此时电机中的功率关系为：输出机械 功率= 定子侧输入电能一定子铜耗一转子侧输出电能一转子铜耗一机械损耗一附 加损耗。 当转差率s 0 ，电机通过转子侧励磁变流器 从电网吸收与转差功率等额的电能，传递到交流励磁电机转予，此时电机中的功 率关系为：输出机械功率= 定子侧输入电能一定子铜耗+ 转子侧输入电能一转子 铜耗一机械损耗+ 附加损耗。 当转差率s = 0 时，交流励磁电机处于同步运行状态，电机等效于同步电动 机，其转子侧提供的转差功率s p l - 0 ，转子侧通入频率为零的直流，变流器仅从 电网吸收能量以建立励磁磁场，维持电机的同步运行。 通过功率流图的分析，交流励磁电机功率变化与普通异步电机有很大的不 同，定、转子同时能进行功率传递，交流励磁电机的能源利用率高。 2 4 泵站用交流励磁电机启动方式 一方面，对于水泵类负荷来说，电动机全压启动时，水流会在很短的时间内 达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力， 形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止 时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损 坏，所以不能使用电动机全压启动方式1 2 z j 。 另一方面，水泵的调速范围比较小，更不需要从零速到额定转速做全范围调 速，并且在交流励磁电机调速系统中，变流器的输出频率范围较小( 一般最高为 电网频率的1 3 1 2 ) ，不可能在电机转速为零时直接投入变频器。 综合以上考虑，对于应用在泵站的交流励磁电机来说，起动时需要在转子和 调速装置间串联频敏变阻器r f 2 3 j 。启动原理图如图2 9 所示，首先k m 2 接通， 电机靠频敏变阻器r f 限流起动，待起动至额定转速后频敏变阻器经接触器k m i 短路，k m 2 打开，调速装置投入工作。此种启动方式不仅有节能效果，同时还能 延长了电动机的使用寿命，减少了对设备的冲击。 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究1 5 k m 2 图2 9 交流励磁电机启动原理图 1 6扬州大学硕士学位论文 第三章交流励磁电机调速系统主电路设计与控制 策略选择 在第二章对交流励磁电机原理及数学模型分析的基础之上，本章从泵站应用 的实际要求出发，结合交流励磁电机数学模型，对泵站用交流励磁电机调速系统 主电路和控制策略进行研究。 3 1 调速系统主电路结构 交流励磁电机应用在泵站调速时，水泵机组可能运行在额定转速以下，也可 能运行在额定转速以上。因此交流励磁电机既要能以亚同步，也要能以超同步电 动工况运转。调速系统主电路需要能够进行能量的双向流动来满足交流励磁电机 不同的运行工况。考虑到提高电机的功率因数，改善电网输入电流波形，调速系 统主电路需要能满足以下几点要求【2 4 j ： 1 能够输出低频电流甚至于输出直流，交流励磁电机工作在接近同步转速时 要求转子绕组输入低频甚至直流电。 2 输入端的功率因数很高，应接近于1 0 。 3 能够方便的进行能量的双向流动，使交流励磁电机能在亚同步、超同步电 动工况下运转。 4 能够改善电网输入电流的波形，不对电网造成较大的谐波污染。 目前可用于交流励磁电机调速控制的主电路拓扑结构主要可分为交交变流 器、交直交变流器和矩阵变流器三种类型。 传统的晶闸管相控交交变流器采用晶闸管自然换流，不需要设置强迫换流装 置，从而简化了设备，提高了效率，也提高了装置的可靠性。它的主要优点是只 进行一次能量变换，直接进行a c a c 变换，能量的转换效率高。它的缺点在于 主电路所使用的晶闸管元件数量较多。所以在小容量中使用不经济，另外这种变 流器功率因数低，电流谐波成分较高，其输入、输出特性一般不理想1 2 5 1 。 矩阵变流器也是一种交交直接变换电路，所用的开关器件为全控型，主电路 结构简单。输出电量的频率可以较高，具有诸多优点。例如矩阵变流器可以提供 正弦的输出电压和产生正弦的输入电流；可实现输出电压幅值、频率和输入功率 因数的独立控制；无中间直流环节，动态响应快等。但目前来看，矩阵变流器电 路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟，有待理论和实践中进一步检 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究1 7 验。此外其输出输入最大电压比只有0 8 8 6 ，至今尚未进入实用化。而且由于需 要较高的开关频率，也限制其在实际的大功率场合的应用【2 6 1 。 交直交双p w m 变流器的应用最为广泛，它覆盖的功率范围非常广。根据直 流侧的储能方式不同，可分为电压源和电流源两种。而且随着大功率电力电子器 件的发展，采用双p w m 交直交变流器不仅具有良好的输出性能，更大大改善了 输入性能，可获得任意功率因数的正弦电流，且具有能量双向流动的能力，今后 随着容量大、损耗小、频率高的电力电子器件的进一步发展，这种励磁方式有望 在性价比方面获得更大的提高 2 7 1 。 基于上述几点要求，在泵站用交流励磁电机调速控制系统中，考虑应用成本 及装置的可靠性，本文采用如图3 1 所示的三相两电平电压型交直交双p w - m 变流 器的作为控制主电路，根据变流器靠近电网还是靠近转子，分为网侧变流器以及 转子侧变流器。 图3 1 三相两电平电压型交直交双p w m 变流器原理图 3 2 网侧p w m 变流器设计 3 2 1 拓扑结构 本文所讨论的网侧p w m 变流器拓扑结构与通常的三相电压型p w m 整流器 基本一致，所以可以参考有关三相电压型p w m 整流器的理论来研究网侧p w m 变流器。网侧p w m 变流器是双p w m 变流器关键的一部分，调速控制系统主电 路的功能能否实现，直接受到网侧p w m 变流器性能的好坏的影响【2 8 】。 图3 2 所示的网侧p w m 变流器主电路结构，采用最常用的三相桥式电路， 由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。交流回路包括交流电源以及网侧 电感和网侧等效电阻，直流回路包括直流电容，负载电阻等。 1 8 扬州大学硕士学位论文 图3 2 网侧p w m 变流器主电路结构 这里，以a 相为例分析网侧p w m 变流器工作原理【2 9 】。图3 3 为网侧p w m 变流器a 相等效电路。在等效电路中，把三相开关桥臂与电容、负载部分视为等 效的三相电源。图3 4 为图3 3 对应矢量关系图，图中豆、五表示每一相的电源 电动势与相电流，瓦表示开关桥等效电源的相电压向量，取其模为对应变量的幅 值。 如图3 4 中可以看出，通过控制功率开关器件的导通与关断，控制器可以调 整圪的幅值圪和相角，这样就可以控制输入电流的幅值五和相角汐，从而可以 控制网侧变流器传输的功率以及功率因数。 u a 图3 3 网侧p w m 变流器a 相等效电路图3 4a 相等效电路矢量关系图 3 2 2 数学模型 在这一节中将利用坐标变换原理分别建立在三相静止坐标系下以及两相旋转 坐标系下的网侧变流器系统的数学模型。在其数学模型的基础上分析电压型 p w m 变流器的电流电压特性及其控制方法。 1 三相静止坐标系下网侧p w m 变流器数学模型 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 1 9 对于网侧p w m 变流器，作如下的假设：电网输入电压为理想三相对称正弦 波，无扰动；交流侧电感饱和现象可忽略；开关频率远高于电网频率；开关器件 为理想开关器件，无损耗；s ：，为开关信号；剪为电网电压。输出：k 为相整 流电流，甜，为电容电压。 对于图3 2 所示的网侧p w m 变流器，其数学模型采用开关函数形式。首先 定义网侧p w m 变流器单极性二值逻辑开关函数【3 0 1 1 3 1 1 。 & = 篇豢嚣嚣眙伽，o il 下桥臂关断，上桥臂导通一7 则有u k n = 蚝可列出如下方程： 三譬= u k 一取一u k o ( 3 - 1 ) 式中，u k o = ( z 钿+ z ) 。 此处考虑由于是三相无中线对称系统，即有： i + + 屯= 0 i z + 甜口+ = o 由基尔霍夫电压和电流定律，可得： 哮枷t 刮t 叫舻等，互，( k = a , b , c ) 协2 ) 对直流侧分析得到网侧p w m 变流器开关函数描述数学模型的表达： 厶d 讲i k + r 6 , = u k - 蚝瓯+ 等，磊f 勺( 后= 彳，b c ) 。3 3 ， 【 扭d t2 七磊f 肾卺 li 皇c “足 式中，屯为直流负载电流。 网侧p w m 变流器的瞬时有功功率p 和无功功率分别为q ： l 户= 甜4 + 甜8 + 毛 1q ：百1 眠嘞) f cm 8 一) + ( 巩) 】 o 钔 2 两相旋转坐标系下网侧p w m 变流器数学模型 在三相静止坐标系下网侧p w m 变流器数学模型，具有直观，意义清晰等优 点，但在这个数学模型里含有时变量，并且它们之间存在相互耦合，为了可以更 加清晰的了解各个变量之间的关系，利用坐标变换理论，将三相静止a b c 坐标系 扬州大学硕士学位论文 下的数学模型变换到两相旋转砌坐标系下。 为简化控制算法，考虑到电网电压相对比较稳定，一般条件下可以认为电网 电压是基本不变的，将两相旋转坐标系的d 轴定向于电网电压矢量玩上，即采用 电网电压定向，由于采用的是模不变型的变换矩阵，这样，电网电压的d 、q 分 量为： 代碧3-u 3 【q = o 卜叫 式中，为电网相电压的幅值。 利用三相静止坐标系a b e 到任意转速旋转两相坐标系砌的变换矩阵，可得： 哮坞= 埘乞一吒 哮城= u d - c o l l 劫 ( 3 - 6 ) c 警= 吾( 一屯 式中，0 9 为基波角频率。 交流励磁电机运行后，电能将不断地从电网馈入定子侧， 两相旋转由坐标系下，定子侧的有功和无功功率为： f p = z 白岛+ 甜g = 巩 【q = 越。一= 转化为机械能，在 上式表明，有功功率和无功功率在由坐标系下是自然解耦的。 ( 3 7 ) 3 2 3 控制策略 网侧p w m 变流器的电流控制策略主要分为两类【3 2 】：直接电流控制和间接电 流控制。直接电流控制需要快速的电流反馈，系统动态响应快，性能优良，可以 获得良好的电流控制性能。但是控制算法较间接电流控制复杂。本文交流励磁电 机调速控制系统是应用在泵站调速，其变流器功率较大，要求抗干扰能力强，系 统稳定性好，电流动态响应速度快，对系统提供可靠的保护，所以需要引入电流 反馈，因此不适合采用间接电流控制。而直接电流控制中的滞环p w m 电流控制因 为驱动电力电子器件的开关频率不固定，使交流侧电感设计较困难，功率器件损 耗较大，因此也不是很合适。综合考虑，网侧p w m 变流器采用固定p w m 电流控 制较合适，因为功率器件的开关频率固定，能提高输出侧电流的动、静态性能， 蒋斌交流励磁电机在泵站中的应用研究 2 l 使网侧p w m 变流器输出对系统参数不敏感，增强系统的鲁棒性。 将电压定向矢量控制的概念引入到网侧p w m 变流器控制策略中，按照矢量 控制思想对网侧变流器网侧输入电流进行控制，具体为电网电压定向矢量控制。 图3 5网侧p w m 变流器双闭环控制系统框图 对于由轴电流，有功功率只与屯有关，称为有功电流；无功功率只与乞有 关，称为无功电流。通过分别控制匕和乞就可以分别控制网侧p w m 变流器的的无 功功率和有功功率。网侧p w m 变流器以c o s o = 1 运行时，q = o 。根据式( 3 - 7 ) ，令 g 轴电流指令值乞= 0 ，控制实际电流屯跟踪给定值，即可实现交流励磁电机转子 侧单位功率因数控制。 系统采用如图3 5 所示的直接电流控制方案：采用双环控制结构，通过引入电 流状态反馈和电网电压作为