（电机与电器专业论文）双馈电机矢量控制调速系统及仿真.pdf

t h es i m u l a t i o na n dv e c t o rc o n t r o l f o rv a r i a b l es p e e ds y s t e m o fd o u b l e f e dm a c h i n e a b s t r a c t f r o mt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ed o u b l e - f e dm a c h i n et h ep a p e ra n a l y s e st h e c h a r a c t e ro ft h e s p e e ds y s t e m b y t h ev e c t o rc o n t r o la n dt h e c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ，w ep r e s e n tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o nt h es y n c h r o n o u sc o o r d i n a t e u s i n gt h esf u n c t i o no fm a t l a b t h ep a p e rp r e s e n t st h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e d o u b l e f e dm a c h i n ea n da n a l y s e st h es t a r t u pc h a r a c t e ro ft h ed o u b l e - f e dm a c h i n e a f t e rt h ed e t a i la c c o u n to ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ev a r i a b l es p e e ds y s t e m ，w ek n o w t h a ti ft h em a c h i n ec a r r i e so u tc o m p l e t e l ys p e e dc o n t r o l ，i tm u s tu s et h ev e c t o r d e c o u p l i n go f t h em t v o l t a g e t h ep a p e rg i v e st h ev e c t o rc o n t r o ls p e e ds y s t e mo f t h ed o u b l e - f e dm a c h i n eo nt h er o t o rc u r r e n to r i e n t a t i o n k e e pt h er o t o rc u r r e n ta n d t h es t a t o rf l u xv e r t i c a l i t yo nt h es t a t o rc u r r e n to r i e n t a t i o n ，t h ep a p e rr e a l i z e st h e r o t o rc u r r e n to r i e n t a t i o n t h es p e e ds y s t e mh a st w oc h a n n e l s ，m a k e st h em a c h i n e d e c o u p l e ，r e a l i z e st h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo f t h ee x c i t a t i o nc u r r e n ta n dt h et o r q u e c u r r e n ta n dg i v e st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h et e s ts h o w st h a tt h ev e c t o rc o n t r o l s p e e ds y s t e m h a sl o wi n v e r t e r p o w e r ，h i g hp o w e rf a c t o r ，p e r f e c td y n a m i c p e r f o r m a n c e ，w i d es p e e dr a n g e i ts u i t st h ev a r i a b l es p e e ds y s t e mo f f a nm a c h i n e a n dp u m pa n dh a sg o o d p r o s p e c t o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ： o r i e n t a t i o n t h ed o u b l e f e d m a c h i n e ，v e c t o rc o n t r o l ，t h e s t a t o rc u r r e n t t h er o t o rc u r r e n to r i e n t a t i o n ，s i m u l a t i o nm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒蟹王些盔堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 日 学位论文作者签名 孝勺净m 均 签字日蒯：o 4 - 年舡月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒妲工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒鲤兰些友堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彦娟1 3 禹 签字日期：髀年4 月f 2 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 刷磴名 铄攀 签字日期狮酽。月7 日 电话 邮编 致谢 本论文的完成要感谢导师张敬华教授的精心指导和无私的关怀。两年多以 来，在恩师的指导和关怀下，我顺利完成了研究生阶段的学习和论文研究，从 论文的选题，论文的深入，直至最后的修改和定稿无不倾注了导师的心血。导 师严谨的治学态度、勇于开拓进取的工作精神和丰富的科学研究经验都使我受 益匪浅。在此特向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢合肥工业大学电气工程学院杜世俊教授、李红梅副教授给我课题研究 上的指导和帮助。 在论文的进行过程中，还得到汪海燕、吴立建、王来高、张志全等同学的帮 助、鼓励。在研究生阶段我不仅学到了许多科学知识，还学到更多的做人的道 理，在此一并致以深深的谢意。 最后再次感谢所有帮助、关心我的老师和同学! 作者：李娟娟 2 0 0 4 年3 月日 第一章概 述 1 1双馈电机的技术发展状况i l # j 目前，风机、水泵等机械设备的耗电量几乎占工业耗电量的一半，交流调 速技术得到了巨大的发展；近十年来，随着电力电子技术、微电子技术以及现 代控制理论的发展，电气传动技术领域已出现交流电机调速取代直流电机调速 的发展趋势。其研究较多的有：变频调速；串级调速；双馈电机调速；无换相 器电机调速；交流伺服系统：交流步进拖动系统：无功补偿和谐波抑制等。交 流调速控制技术可归纳为：相位控制；变压变频( v v v f ) 控制：滑差频率控制； 脉宽调制( p w m ) 控制；矢量变换控制；直接转矩控制等。双馈电机是将电能分 别馈入感应电动机的定子绕组和转子绕组，最适合于风机、水泵等恒负载生产 机械。国外对双馈电机进行了广泛的研究，并逐步在工业领域得到应用。 双馈电机作电动机运行可以在不同负载下灵活的调节无功功率和转速，调 速范围达到1 0 6 0 ，显着提高传动系统的效率，有很好的节能效果。德 国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司已系列化生产双馈 电动机，如哈尔科夫公司系列化生产3 15 2 0 0 0 k w 的各种双馈电动机，并广 泛用于火电站及其它部门的各种交流调速传动装置中( 如送风机、吸风机、泵 等) 。法国a l s t h o m 公司生产的双馈电机调速传动系统，其容量从2 5 0 k w 至数 千千瓦，主要用于水泵与风机调速。现在许多国家在开发无刷双馈电机，该电 机在美国、俄罗斯、澳大利亚已有成功经验，效果很好，并已在工业电力传动 领域应用。 双馈电机不仅可以变速恒频恒压发电，而且可以大量调节无功功率，因此 在电力工业中得到广泛应用。俄罗斯8 0 年代中期制造5 ( r c i - w 水轮双馈发电机 和2 0 0 m w 汽轮双馈电机并投入工业运行；日本日立公司和东芝公司在8 0 年 代末9 0 年代初研制2 2 m w ，8 5 m w ，4 0 0 m w 双馈发电机，并已在大型抽水蓄 能电站投入使用。此外，国外对风能电站，潮汐电站双馈发电机进行研究。 我国对双馈电机的研究适于9 0 年代，目前有重庆大学、福州大学、浙江 大学、华中理工大学、沈阳工业大学等对此技术有一定研究。但是到目前为止， 研究工作仅限于实验室，没有研制出实用化的样机，我国双馈在电机的研究及 应用方面与国外有较大差距。 1 2 双馈电机的技术优势 3 l 双馈电机励磁的可调量有3 个。一是与同步机一样，可调节励磁幅值；二 是可改变励磁频率；三是可改变励磁相位。这说明双馈电机的励磁比同步电机 多了两个可调量，有明显的技术优势。 f 1 ) 在现代交流调速系统中应用的优势 在现代交流调速系统中，双馈电机可无级高效地调速，而且系统成本低， 投资少。双馈调速时，转子电路的可调功率为滑差功率，如调速范围在3 0 左 右时，交流励磁的变频装置容量仅为电机功率的15 3 0 。另外，在中大型 交流调速系统中，双馈电机定子绕组直接接3 k v 、6 k v 、l o k v 的工频电网，而 转子绕组可设计为低压，这样可采用低压变频装置，因而可大大降低变频装置 成本，使变频调速技术应用成为现实，并提高其运行可靠性。据国外文献报道， 如容量为9 0 0 0 k w 、同步转速为1 5 0 0 r m i n 、调速范围为3 0 的双馈电机调速系 统的价格以1 0 0 计，则同容量、同转速和同调速范围的笼型感应电动机与变 频器构成变频调速系统的价格为3 0 0 。因此，与其他交流调速传动系统相比， 此系统用于风机、泵类和压缩机的调速，具有无可比拟的优势。 在现代交流调速系统中，双馈电机可以调节无功功率，改善电网的功率因 数，减少无功功率补偿装置的投资。双馈电机运行时，调节转子励磁电流相位， 可发出无功功率，特别是带风机、泵类和压缩机等机械，其负载转矩随着转速 减小，就是在轻负载时，也可保证双馈电机向电网发出大量无功功率或按某种 规则控制无功功率，改善电网功率因数。 在现代交流调速系统中，双馈电机采用定子磁场定向矢量控制，可快速控 制电机输出转矩和转速，并可四象限运动，具有良好动态性能，因而可应用于 调速精度较高的场合。 ( 2 ) 在电力工业中的应用优势 在电力工业中，双馈发电机可大量地吸收和发出无功功率，为系统无功功 率和电压调节提供有效的手段，并可以提高电力系统运行的稳定性。现代电 力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离目益增长，为提高输电效益， 输出电压等级提高。此外电网负荷变化率越来越大，在夜间，电网传输有功功 率低于其自然功率时，出现过剩无功功率，引起工频过电压、危及系统安全运 行和增加线路损耗。目前电力系统中调节电网无功功率和电压主要依靠电容 器、电抗器、调相机、静止补偿器等装置或要求发电机进相运行。这些措施增 加了投资并且存在一定的技术上和经济上的缺陷，而双馈发电机通过调节转子 励磁相位，可使电机吸收和发出大量无功功率。据国外文献报道，吸收和发出 无功功率的能力远远大于传统同步发电机，这样双馈发电机可根据需要灵活地 调节无功功率和电网电压。 在电力工业中，双馈发电机能变速运行，可提高发电系统稳定性，提高系 统效率，凡是水头变化较大的水电站，为使水轮机运行在最佳工况，通过调节 机组转速往往可使效率提高2 3 ，在低出力时提高更多：同时也可使水轮 机运行在更宽的容量范围，即使在较低负荷时也不致出现有害的振动；同样变 速运行可更好调节有功和无功功率，提高电网稳定性。此外，由于水轮机运行 在最佳工况点，其气蚀与泥沙磨损状况也大为好转，可大大延长水轮机寿命， 例如日本日立公司制造的双馈发电机在抽水蓄能电站中的应用，其优点得到了 充分体现。 双馈发电机转速变化时，输豳电压和频率可维持不变，因此它在船用轴带 发电、风能发电、潮汐发电和余热发电有很好的技术优势。例如德国西门子公 司开发5 0 0 1 0 0 0 k w 船用轴带发电机，励磁系统采用定子磁场定向矢量控制， 电机有很优的技术性能和动态特性。 出于双馈发电机的技术优势已逐步在工业应用领域体现，目前国岁 正在进 一步对大功率汽轮双馈发电机、蓄能电站和风能电站双馈发电机、无刷双馈发 电机进行深入研究，对系统复杂故障下双馈发电机的运行和控制、更完善的控 制理论和方法、性能更好的励磁系统以及微处理器和微电子技术在控制系统中 的应用进行研究。 1 3 双馈电机的工业应用前景1 4 1 双馈电机具有良好的调速性能、可调节电网的无功和有功功率、效率高、 可改善功率因数和提高电网的稳定性等特点，所以是有其广阔的发展前途的高 新技术产品，特别适合于风机、水泵、压缩视等机械的调速传动，并可很好的 解决水电站水头变化大和我国江河泥沙含量大带来的水轮机发电问题。随着科 技的不断进步，条件的迸一步成熟，双馈电机必将在我国褥到很好的接广应用。 对于我国来讲，首先风机、泵类机械调速节能是当务之急，由于双馈电机 是其较合理豹调速方案，因而预计该项目首先会在该类机械交流调速系统中应 用。其次，水电开发量大，而河流含泥沙量高，在水电站采用双馈发电机对提 高机组效率，减轻气蚀和泥沙磨损有很大价值，预计其在水电上也将得到广泛 应用。最后，我国风能储量大，在风能电站采用双馈发电机可做到变速恒压发 电。因此，其在风力发电方面也具有广泛应用前景。 1 4 需解决的技术问题【5 ，6 l 双馈电机调速系统无论是在超同步还是在次同步的工作状态都其有良好 的稳定性能，可以在同步转速附近任意调速，双馈电机的转速只与转子侧变频 器输出电压或电流豹频率有关，与电枧所拖动的负载无关，因此对负载的波动 具有一定的抗干扰能力。同时由于变频器与双馈电机转子侧相连，通过变频器 的转差能量只是被控熊量的一部分，所以在调速范围不宽的情况下，与定子侧 变频相比，可以使变频器容量大为减小，具有很好的经济价值。正因为双馈电 机有上述诸多优点，它的应用翦景非常广阔，成为众多研究人士关注的焦点， 但要使其尽快投入实际工业应用的过程中仍存在不少亟待解决的问题： 1 电机定、转子绕组与励磁变频装置匹配的研究。从设计上研究降低励磁 变频装置的容量，研究定、转子绕组的参数与变频装置的参数之间的合理配合。 2 电机稳定性及各种非正常工况下电机承受能力的研究，包括负荷突变、 不对称负荷、突然短路、重合闸以及励磁回路故障造成的影响等。 3 变频装置研究，包括设计交流电源的频率、电流幅值和相位独立可调的 变频装置。 4 控制理论与控制方式研究。双馈电机的自控理论及技术，以及定子磁场 定向的矢量控制技术，交流电源的频率、电流幅值和相位独立可调的控制技术。 1 5 本文研究的主要内容 1 本文首先从双馈电机的结构原理图出发，简要分析了双馈电机的工作原理 和工作特点，对双馈电机在四象限运行时的能量流向作了详细说明。 2 介绍了矢量控制技术，对矢量变换及矢量控制构思给以说明。利用矢量变 换进行坐标转换得到双馈电机在同步坐标系m t 上的数学模型。 3 ，在双馈电机的数学模型的基础之上，对双馈电机进行仿真。研究双馈电机 的起动特性并与异步电机比较。 ( 1 ) 在双馈供电情况下，改变转子侧电压大小和方向时，对双馈电机进 行仿真，给出定子侧和转子侧输入的有功、无功及电流、电压、转 速、转矩波形并对图形进行分析。 ( 2 ) 将双馈电机的起动性能与异步电机进行比较，得出二者的区别与优 异。 4 改变转子侧馈电电压，进行双馈调速，分析定转子有功、无功及电流、转 速和电磁转矩的变化。 ( 1 ) 在转子电压频率与转子侧感应电动势频率相同的情况下，调节转子 侧逆变器馈入的电压，进行，四象限调速，对调速过程中定转子有功、 无功及电流电磁转距和转速的变化给以理论说明。 ( 2 ) 找出调速时，功率变化规律和双侧功率流向，并作出结论。 5 在介绍传统的定子磁场定向后，进一步推导出本文所用的转子电流定向的 矢量控制调速系统。对调速系统的各部分功能加以说明，进行调速仿真， 仿真结果表明该矢量控制调速系统动态性能好，抗扰性强，具有广阔的工 业应用前景。 第二章双馈电机运行的基本原理 2 1 双馈电机运行的基本原理”。 双馈电动机( 又称双馈电机) 调速系统是一种新型调速方法。它具有变频 器功率小，功率因数高，动态性能好，调速范围广等优点。异步电机有笼型和 绕线型两种常见类型。从控制角度分析，笼型异步电机可视作为单馈电机，因 为它仅仅在定子上有一与电网联接的绕组，而绕线转子异步电机则可视为双馈 电机，因为它有两套绕组与外部联接。传统的双馈电机在定子、转子上各有一 套绕组，即共有两套绕组；新型双馈电机将两套绕组均放在定子上，转子上不 再安放绕组( 转子有包括笼型转子、凸极磁阻转子等四种类型) 。原理上，传统 的双馈电机与新型双馈电机是没有本质区别的。双馈电机工作时( 以前者为 例) ，将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源：定子绕组接入 5 0 h z 工频电源；转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交 流电源，即采用交一交变频器或交一直一交变频器给转子绕组供电。双馈电机 结构示意图如图2 一l 所示。其中，必须保证在任何情况下转子外加电压的频率 都要与转子感应电动势得频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时 就可以调节双馈电机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。 图2 1双馈电机结构示意图 根据电机学基本原理可知，对于任何旋转电机，在稳定运行时，定、转子 的旋转磁场在空间必定相对静止。因此，当交流电机定子通入三相交流电则形 成一个旋转磁场，若转子中也加入对称的三相交流电源，也会形成个旋转磁 场。如果磁场极对数相同，控制电流使之足够大，就能使这两个磁场保持同步， 而且产生足够大的转矩去平衡外加的负载转矩，使转子稳定地运转在这一附加 电势频率相应的速度上，形成同步运转。所以双馈电机的转速可以用下式表示： ( 2 - 1 ) 式中国。一一定子旋转磁场在空间的角速度： 彩：一一转子旋转磁场对转子的角速度； 6 9 ，一一转子的角速度。 当定转子磁场旋转方向相同，电机工作在次同步状态；定转子磁场旋转方 向相反，电机工作在超同步状态。双馈调速运行虽然转子是工作在有转差的情 况下，但它并非是异步运行。双馈调速是通过改变附加电势频率，使转速相应 变化，频率不变，转速不变。适当调节转子附加电势的幅值及相位，可以使电 机运行于过励与欠励状态，并向电网发出或吸收无功功率，改善电网功率因数。 设转子外加电压u ：、转子感应电动势e 。、转子电流j ，及定子侧u ，、，、 e 。的正方向如图2 2 所示， a c c 图2 - 2 双馈电机定转子各量的正方向 如果转子外加电压u ：与转子感应电动势e ：，= s 毛反相位，由于转子回路 合成电动势减小，转子电流和电磁转矩随之减小，若负载转矩不变，转子减速， 转差率增大，e ：，增大，转子电流增加，直到转子电流和电磁转矩又恢复到原 来数值，与负载转矩达成新的平衡，电机稳定运行于较低的转速上。同理，如 果转子外加电压j ：与转子感应电动势磊。：s 忘同相位，将使转子转速增加。 岛 r l 、 i 岛 ，： 心 图2 - 3 u 2 领先s e ：口角度 一般情况下，当u ：领先j e 某一角度口时，如图2 3 所示。可以将u ：分解 。 为两个分量，其中领先s e9 0 。的分量u is i n 0 可以改善定子侧功率因数，与 j e 同相( 或反相) 的分量u ；c o s 0 则用来调节电机的转速。 双馈调速时电动机机械特性( 忽略转子励磁对定子的影响) ，在不涉及调 速系统的具体结构时，以以作为转子外接电源电压，讨论如下： 如图2 3 所示，设s e ：= s e ：8 ，u i = u ；e 一，转子电流 ：当善：擘( 。一+ 粤e j ( e - 一a ) ) ( 2 - 2 ) 吒+ j s x 2z 2s e 2 式中 z ：= 巧2 + ( 蹦j ) 2 为转子漏阻抗的模； 甲：= a r c 掘n ( 粤) 为转予功率因数角。 r 2 转子电流有功分量 l ：擘【。s 粤c o s ( o 喝) ( 2 - 3 ) z 22 转子电流无功分量 毛：一李 s i l l ”粤s i n ( 。吨) ( 2 - 4 ) z 2s 岂- , 2 显而易见，双馈电机转子电流有功及无功分量皆由两部分组成：一部分由 转差电动势s e i 产生，即普通异步电机( 对转子短路，u ：= 0 ) 的转子电流有 功或无功分量；另部分由转子外加电压u ：产生，改变u ：的大小及相位角吕既 能改变转子电流有功分量，也能改变转子电流无功分量，从而达到既调节转速、 又调节定子侧功率因数的目的。 根据电机学的原理，异步电机的电磁转矩也可以表示为 t = c 。1 2c o s 妒2( 2 - 5 ) 式中 c m2 老p n m 2 n 2 k n 2 为异步电机转矩系数： m ：、n 2 及世。：一一转子相数、每相串联匝数及绕组系数。 又考虑到 1 ：，乒訾，i 。 m 2 2 k 2 2 代入式( 2 - 5 ) 中得 式中 扣- - t 。去 s m s 一。= 万1 p w 确世w ， 、】及k 。一一定子相数、每相串联匝数及绕组系数。 将式( 2 3 ) 两边同乘以c ：十。，得到双馈电机得电磁转矩 r ：。：十。擘【。( p ：+ 粤。( e 飞) 】 z ，趾 当曰= 0 。，即u i 与s e ；同相位( u ：) o ) 卜叱九鲁c o s 卅吲 ：兰叠+ ! 叠叠堡 一s 造j 2 + s 2 m d e j m d s = + t d ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中 一一转予外加电压u i = 0 时异步电机得电磁转矩，即s e i 产生的转子 电流有功分量与旋转磁场相互作用形成的电磁转矩： l 。一一u ：= 0 时得最大转矩； j 。一一瓦。对应的转差率； r 。一一转子外加电压u i 产生的转子电流有功分量与旋转磁场相互作 用形成的电磁转矩。 当口= 1 8 0 6 ，u ：与j e ；反相位( u ：( o ) 丁：c l 。十。，拿c o s q ) 2 ( 1 一粤) z ，s 丘， = 一巧 图2 - 4 示出双馈调速时的机械特性。其中图2 - 4 a 为u 2 = 0 时 性开= 厂( ) 。图2 - 4 b 戈, j u 2 引起的特性n = ( 矗) ，由式( 卜8 ) 可见 u ：) o ( 即u ：与s e i 同相位) 时，巧) o ( 2 9 ) 电机的机械特 以l _ 也慧 u ：( o ( 即u ：与s e ：反相位) 时，砭( o 。 在s _ 0 且口处，巧将出现最大值- 孥1 专。图2 - 4 c 为合成机械特 性n = f ( t ) ，由图可见，随着u ：的大小和相位不同，机械特性将向上或向下 移动，从而实现在同步转速以上及以下的调速。 理想空载时，双馈电机的合成电磁转矩应为零，即转子电流有功分量应为 零。根据式( 2 3 ) 可求得理想空载时的转差率s 。令乞= 0 ，则 = 一了u2 ( c o s 0 + s i n o t a n ( | 0 2 ) ( 2 一l o ) - 7 一毒一 i 一7 一 口2 o ij b ) i 生蛙l“一c ( o町 谚p o 图2 - 4双馈电机的机械特性 a ) 珂= 厂( 丁j )b ) ”= ( t o )c ) n = f ( t ) 显然，改变u ：的大小和相位，就能改变，也就是说，即使电机为空载运 行，也可以调速。当u ；与s e ；同相位( 目= 0 。) 时， u 2 一茸 当u ：与s e ；反相位( 曰= 1 8 0 。) 时， 理想空载转速 咄铀加小 式中 啊一一u ：= 0 时，异步电机的同步转速 当u ：与s e ：同相位时，取“+ ”号，) 一 当u ：与s e ；反相位时，取“一”号，r t ( 胛。 ( 2 一1 1 ) 2 2 双馈电机调速的特点 双馈电机定转子电压、电动势和电流的正方向见图2 - 2 。当转子外加电压 西：与转子感应电动势丘；= s 三：同频率，而相位相反且】d ：f ( f 或j 时，其相量图如 2 - 5 所示。开始，由于转子回路合成电动势的减小，使转子电流，：及其有功分 量，：。减小，于是电磁转矩随之减小，在恒转矩负载时，电动机转速将下降 随着转差率s 的增大，转子回路感应电动势增大，当转差率增大到一时，转子 感应电动势j 。e ：，直到j e ：一u ：等于原来的j e ：时，：保持不变，电磁转矩与负 载转矩达到新的平衡，电动机在新的s 下运行，此时，h ，转速降低了。 图2 - 5双馈电机转子外接电压时调速相量图 这种情况下转子电流为： 1 0 ( 2 1 2 ) 南萧 铲 由上式可见，当忽略转子漏电抗x ：的影响时，= s + 等a 如果电机在某转速 下稳定运行突然增大到 | ) l 巨s l 转子电流l 将改变相位，电动机转矩会 改变方向，转子转速因惯性还来不及改变。所以电动机将进入制动运行状态。 如果转子外加电压u 2 与转子感应电动势吗同相 则可分为三种情况 如图2 - 5 b 所示，刚开始由于转子回路合成电动势增加，使转 子电流i ：及其有功分量，：。增大，电磁转矩增大，在负载转矩不变的条件下， 转子将加速。随着转速的增加，转差率s 。减小，转子回路感应电动势减小：直 到s e ：+ u ：等于原来的s e ：时，才能保持1 2 不变，电磁转矩与负载转矩达到新 的平衡，电动机在新的s 下运行，此时，妇，电机转速升高了。 阱h 时， 到同步转速，e 脚吲时， 如图2 - 5 c 所示，仅由u ：的作用就能产生l ，电机的转速达 ：等于零。 如图2 5 d 所示，在负载转矩不变的条件下，电机的转速将超 过同步转速，转差率一( 0 。 双馈电机转子外加电压u ：与转子感应电动势s e ：同相时，转子电流为 ，：兰垒圭丝：丝 屯2 丽葡2 丽专孬 忽略转子漏抗影响，则j ：s 一生。 e 2 当转子外加电压u 2 与转子感应电动势s e ：相位差9 0 。时，仍假设负载转矩 不变，即s e z 不变，在图2 6 中，u ：超前s e ：9 0 。，转子回路的合成电动势e ： 与转子电流正同相( 仅考虑转子电阻的作用) ，其中有功电流为，i 。，无功电流 为，由于无功电流与气隙磁密同相，起到了励磁电流的作用。定子电流 ，= t o + ( 一1 2 ) ，式中，。为定子励磁电流。由图2 - 6 可见，定子边的功率因数 c o s ( p 得到了改善。 如果令u ：滞后j 最9 0 。时，可使定子边功率因数c o s 仍减小，此种情况不 可取a 当u 。与j 毛的相位差为某一角度口时，见图2 3 ，将u ；分成两个分量： u ic o s 0 和u ：s i n 0 ，再分别按上述方法考虑。 一， ，u i ；。毋 心 f 弋 l l 惑i ： ， u 1 ， 北， 图2 6 u 2 对c o s ( o 的影响 图2 7 次同步速电动运行状态相量图 2 3 双馈电机在各种工作状况下盼能量关系 忽略电动机定、转子的铜损耗、铁损耗及各种机械摩擦损耗等，只研究电 磁功率、机械功率p 卅。= ( 1 一j ) 匕和转差功率只= 哦的流动方向，以确定其 运行状态。 ( 1 ) 转子运行于次同步速的电动状态( 1 s o ) 图2 - 7 是这种情况下的向量图，图中s 是未加电压u ；前电机拖动某恒定负 载的转差率，s 是拖动同样负载且加了电压毋；后电机运行的转差率。西：与。宣 反相，电机转速往低调，即在零转速与同步速间调节。从图中看出： 电磁功率= m 。u ，。c o s 仍 o ，此功率的流动方向是从定子电源到电机，式 中卅，为定子绕组相数。 机械功率气。= ( 1 一一) 匕 o ，电机输出给机械负载。 2 转差功率只= m ：u ：，：c o s 9 2 ， o ) 这种情况的相量图如图2 - 8 所示，在未加“前电机已运行在回馈制动状 态，在此基础之上加电压u ：，且令“与一s e ；同相，此时电机的实际转差率 一 o ，转速低于同步速，但仍是定子回馈制动运行状态。由图中可以看出： 电磁功率气= 卅。u j 。c o s 口o 0 ，电机输出给机械负载。 转差功率只= 研2 u ：，2c o s o 2 o ，转子外接电源输入给电机的功率。 这种情况属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性，见图2 - 1 2 c 。 图2 - 8 次同步速回馈制动运行状态相量图图2 9 超同步速电动运行状态相量图 ( 4 )转子运行于超同步速的定子回馈制动状态( o ) 双馈电机定子接在电源上，当转子转速超过同步速时。就运行于定子回馈 制动状态。在此基础上，若转子外接电压u ：与一s e ：反相。如图2 1 0 所示，则 能将转子转速继续提高，即s 0 ( 受转子机械强度限制) 。由图2 1 0 可看出： 电磁功率= m u ，i c o s 。 o ，由定子电源输给电机。 机械功率p 胛。= ( 1 一s ) o ，原动机输入给电机。 转差功率只= m ：u ，1 ：c o s p ： 0 ，电机回馈给转子外接电源的功率。 这种情况电磁转矩为拖动性，见图2 一1 2 e 。 以上五种情况下功率流动方向归纳如图2 一1 2 所示。 l 儿 2 n l _ 恕砧 瓣毽 t p 0 起 图2 1 2 双馈电机五种运行状态下功率流向图 1 5 第三章矢量控制技术及双馈电机的数学模型 矢量控制理论由德国的f b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提出，矢量控制技术的应用 使得交流调速真正获得了如同直流调速同样优良的理想性能。经过2 0 多年的 工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟阶段。 3 1旋转矢量控制的概念与原理i i o ，l l j 三相异步电动机，由于坚固耐用、便于维护，价格便宜，在工业上得到广 泛的应用，但长期以来在调速性能上却远不如宜流电动机。直流电动机的原理 如图3 1 所示，其优异的调速性能是因为具备了如下三个条件： ( 1 ) 磁极固定在定子机座上，在空间能产生一个稳定直流磁场。 ( 2 ) 电枢绕组是固定在转子铁心槽里，在空间能产生一个稳定的电枢磁势， 并且电枢磁势总是能保持与磁场相垂直，产生转矩最有效。电枢磁势与磁场保 持垂直主要是靠换向器作用使电枢电流在n 极和s 极下发生变化，并采用补 偿绕组防止电枢反应使磁场扭歪，以及碳刷位置的安装正确。 ( 3 ) 励磁电流和电枢电流在各自回路中，分别可调、可控。 f 斗7 、s ；广 图3 1直流电动机原理图图3 - 2 异步电机m t 两相绕组相量图 下面分析三相异步电动机的情况： ( 1 ) 定子通三相正弦对称交流电时产生一个随时间和空间都在变化的旋转 磁场。 ( 2 ) 转子磁势与旋转磁场之间不是垂直关系。 ( 3 ) 异步电动机转子是短路的，只能在定子方面调节电流，组成定子电流 的两个成分一一励磁电流和转矩电流都在变化，因为存在耦合关系，因此采用 简单的调速方式对这两部分电流不可能分别调节和控制。 异步电动机之所以调速性能不好，就是因为它不具备直流电机优异调速性 能的三个条件。如果在控制上想办法实现电流解耦控制，那么它的调速性能也 和直流电动机一样优异。三相异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，如果要 模拟直流电动机的电枢磁势和磁场垂直，并且电枢磁势大小和磁场强弱分别可 调，可建立如图3 2 所示的异步电动机m 、t 两相绕组模型来分析。 该模型有两个互相垂直的绕组：m 绕组和t 绕组且以角频率q 在空间旋 转。m 、t 绕组分别通以直流电流f 。、f pf 。，在m 绕组轴线方向产生磁场，k 称励磁电流，调节f 。，大小可以调节磁场强弱。i 。在t 绕组轴线方向产生磁势， 这个磁势总是与磁场同步旋转，而且总是与磁场方向垂直，调节大小可以在 磁场不变时改变转矩大小，f ，称转矩电流。f ”i 。分属于t 、m 绕组，因此分 别可调，可控。异步电动机如果按照m 、t 两相绕组建立模型，就可以实现和 直流电动机凋速性能一样的特性。 三幸日异步电动机定子三相绕组嵌在定子铁心槽中，在空间上相互差l 2 0 。 电角度，固定爿i 动。根据电机学原理知道三相绕组的作用，完全可以用在空间 上相互垂直的两个静止的口、绕组 替代，三相绕组的电流和两相静止a 、 绕组的电流有固定的变换关系。现 在还要找到两相静止t 2 、口绕组的电 流与两相旋转的m 、t 绕组电流的关 系。如果m 、t 、口、绕组电流f 。 f ，、i 。、i 。都用矢量表示，如图3 3 l - i 烈1 t 簏话7 _ m 所示为a 、卢坐标系与m 、t 坐标系。蚓3 3 口、坐标系与m 、t 坐标系 电流矢量在口、坐标系为、i d ，换算到以q 角频率旋转的m 、t 坐标 系，坐标为f 。、f 有如下关系： k2 f 口c o s o + i 口s i n o + f 7 = i 口c o s 0 一i os i n 0 其中，护为m 、t 坐标相对于a 、口坐标旋转的角度。 这样要凋节磁场确定f 。，值，要凋节转矩确定i ，值，通过变换运算就知道三 相电流，。、i 。、i 。，大小，控制了i 。、i 。、i 。也就达到预想目的，达到控制转矩 ( ，) ，磁场( 0 ) 的目的。 旋转矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相口、静止系统模 型，再经过旋转坐标变换为磁场方向与m 轴方向一致的同步旋转的两相m 、t 模型。电流矢量，是一个空问矢量，因为它实际上代表电机三相电流产生的合 成磁势，是沿空间作正弦分布的量。不同于在电路中电流随时问按工e 弦变化的 时间相量。电流矢量分解为与m 轴平行的产生磁场的分量一一励磁电流f 。和 与t 轴平行的产生转矩分量一一转矩电流f 。前者可理解为励磁磁势，后者可 理解为电枢磁势。通过控制0 、，大小也就是电流矢量i 的幅值和方向( m 、t 坐标系统中的角) 去等效地控制三相电流屯、t 地瞬时值，从而调节电机 的磁场与转矩以达到调速的目的。 由于是矢量控制不仅控制电流幅值大小，而且考虑了方向体现在0 、f r 分 配比例是确定的，这就与以往的调速办法不同，如变压变频( v v v f ) 的调速方 法是属于标量控制，必然要经过较长时间调节才能达到稳定运行。矢量控制主 要特点就是动态响应快，使交流电机调速性能有质上的提高。 3 2 矢量变换规律i i 2 ，1 3 3 2 i 从三相到两相的静止坐标变换( 3 s 2 s ) 图3 - 4 中，a 、b 、c 为三相对称静止绕组，通以三相平衡的正弦电流，产 生合成磁动势f ，以同步速珊旋转，a 、b 、c 轴称为三相静止坐标系，口、 为两相静止绕组，它们在空间互差9 0 。，且通入时间上互差9 0 。的两相交流 电流，也产生与上述相同的磁动势f ，a 、口轴称为两相静止坐标系。由于它 们的磁动势和转速都相等，故可认为这两种坐标系等效。可以由简单的三角函 数关系推导出由静止a 、b 、c 系到口、卢系的变换矩阵 c 。：( 推导从略) l1 22 矗再 22 11 压压 旧。= ： l 苏旋 o g 。 ” 0 【( a ) ( 3 1 ) 图3 - 52 r 2 s 坐标变换 0 则式( 3 - 8 ) 矩阵的第三行系数为零， ( 3 - 2 ) ， o 。一压 ，l 巨怕 i j k c 可得到两相静止电流i 。、i p 与三相静止电流i 。、i b 、i c 之间的关系式： 盼q ，：吲 l0 13 22 13 22 ( 3 - 3 ) 3 2 2 从两相静止到两相旋转得坐标变换( 2 s 2 r 变换) 图3 5 表示两种坐标系，口一p 为两相静止坐标系( 2 s ) ，m t 为两相旋转 坐标系( 2 r ) ，m 、t 绕组在空间垂直放置，且分别加上直流电压“。，虬产生磁 动势f 相对绕组是静止的。如果让m 、t 坐标以同步角速度“旋转，则产生得 磁动势与口一p 坐标系等效。m 、t 和口、p 轴得夹角0 ( 亦即m 轴和a 轴夹 角) 是一个变量，随负载、转速而变，不同时刻有不同的值。必须注意，这里 的电压是空间矢量，而不是时间相量。 两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为： 。柱1 2 ；叫c o 髫sl 4 ， 1s i 拶i 对上式进行逆变换，可得两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵为： 一 c c ，：。，：，= c c ，：，：，一= i i c 。o i s n o 目：芝；f c ，s ， 从而得到i 。、和屯、f 。之间的关系式 阡i m 旧。捌 将 c 】。：，、 c ：。，合并可得 c o s ( a 一2 z 3 1 一s i n ( o 一2 z 3 、 l 4 2 c o s p + 2 z 3 ) 一s i n ( o4 - 2 n - 3 1 1 4 2 ( 3 6 ) 一 一 p。l，矧0 = c i | c 础半万誊彳西 ，日时0 =c 3 2 3 直角坐标到极坐标的坐标变换( k i p 变换) 在图3 - 5 中令矢量i ( f ) 和m 轴的夹角为0 1 ，已知i 。、i ，求ob ，就 是直角坐标、极坐标变换，简称k p 变换。显然，其变换式应为： i 。= 廊 ( 3 - 7 ) 0 1 = a r c t a n t , ( 3 8 ) 7 ” 当鼠在0 。9 0 。之间变化时，t a n 0 ，的变化范围是0 o 。，这个变化幅度太大， 很难在实际变换器中实现，因此常改用下列方式来表示鼠值： t a n 0 。i n 鱼曳 2 、2 7 c o s 鲁争 s i n 0 1i f 一一 1 + c o s b + i 。 b = 2 a r c t a n _ z r + z 式( 3 - 9 ) 可用来代替式( 3 8 ) ，作为鼠的变换式。 ( 3 9 ) 3 3 双馈电机的数学模型 3 3 1 双馈电机的基本方程式1 4 , 15 异步电动机双侧馈电构成双馈电动机，因此可按照分析异步电机的方式分 析双馈电机。双馈电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究双 馈电枧数学模型时常作如下假设： ( 1 ) 设三相绕组对称，空间互差1 2 0 。电角度，所产生的磁动势沿气隙 圆周正弦分布：一 ( 2 ) 忽略磁路饱和，绕组的自感和互感都是线性的： ( 3 )忽略铁耗的影响。 这样。实际电动机被等效为图3 - 6 ，所示的三相双馈电机的物理模型。图 中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。 设a 轴为参考坐标轴，转予以甜角速度旋转，转子绕组轴线为a 、b 、c 随转子 旋转。a 轴和定子a 轴间的电角度差为目= i 础，称为空间角位移。 j 互感的情况较为复杂，定子和转子的六个绕组之间的互感可考虑有两类： 一类是a 、b 、c 相绕组及a 、b 、c 相绕组之间因位置固定，故互感为常数； 另一类是定子任一相和转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移0 的函 数。互感的变参数是造成系统非线性的根源。 q一2一日一2 咖一咄 j l 图3 - 6 中的符号： “、u b 、“( 、“。、u c 一一定子和转子相电压的瞬时值。 i 。、i 。、i 。、i 。、i 6 、i c 一一定子和转子相电流的瞬时值。 兄、r ，一一定子和转子电阻。 厶、厶：一一由漏磁通产生的定子和转子漏感。 l 。= l 。= 。：