（电力系统及其自动化专业论文）双馈变速凸极同步电机及其励磁控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a ce x c i t e dg e n e r a t o rh a sm a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a si t sv a r i a b l es p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y , i tm a yi m p r o v et h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，i tc a nn o tl o s es t e pe v e nw h e n o p e r a t e d i n d e e p i e a d p h a s e ，i t i s e s p e c i a l l ya p p l i e d i nw i n dp o w e rg e n e r a t o r sa n d p u m p e d - s t o r a g eh y d r a u l i cp o w e rp l a n t a san e w k i n do fa ce x c i t e dg e n e r a t o r , d o u b l yf e d v a r i a b l es p e e ds a l i e n tp o l es y n c h r o n o u sm a c h i n ea d o p ts p l i ts a l i e n tp o l ea n do r t h o g o n a l w i n d i n g v a r i a b l ef r e q u e n c y c o n v e r t e ra tr o t o rs u p p l i e st h ee x c i t a t i o nw i n d i n g i t se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c sm o s t l yd e p e n do i lt h ea ce x c i t a t i o n s y s t e m f i r s t l y , t h e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l eo fd o u b l yf e dv a r i a b l es p e e ds a l i e n tp o l es y n c h r o n o u s m a c h i n ei sa n a l y z e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e li nt h es y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m ei sa l s oe s t a b l i s h e d ，a n di tw i l tb e t h eb a s eo f t h er e s e a r c h t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em a c h i n ei sa n a l y z e d i ts h o w s t h a ta ce x c i t a t i o nc a p a c i t yo fi n d u c t i o nm o t o r d e p e n d s o n s l i pso f e l e c t r i cm a c h i n e s w i t l l t h ev a r i a b l es p e e do fr o t o r , t r a c i n gm a x i m a lw i n de n e r g ya n do p t i m u ml o a df e g l l l a t i o i li s r e a l i z a b l e t h e ns t a t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o li su s e dt oc o n t r o la c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ro f d o u b l yf e dv a r i a b l es p e e ds a l i e n tp o l es y n c h r o n o u sm a c h i n e ，t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l t o nt h es o f t w a r ep a c k a g eo fm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h e v a l i d i t yo ft h ee x c i t a t i o nc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h ee l e m e n t a r ye x c i t a t i o ns y s t e mm a d eu po f p w mc o n v e r t e ra n dd s pi sd e s i g n e d k e y w o r d s ：s a l i e n tp o l es y n c h r o n o u sm a c h i n e a ce x c i t e d d o u b l y f e dv e c t o rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孝蟛 瑚l 年够月曰日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者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论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密留。 ( 请在以上7 5 - 框内打“”) 学位论文作者签名：李炜 z 舶年坤月1 f 日 指导教师签名：尜蔓露_ 油中年牛月2 7 日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1交流励磁发电机研究的背景和意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高，电力系统运行的可靠性和安全性要求将 不断提高。抽水蓄能电站与常规电站相比，以其独具的填谷蓄能作用和机组快速“爬 坡”、灵活启停的特性，使它成为系统中主要承担调峰、调频、负荷跟踪、调相、调 压和备用作用的重要手斟“。我国在9 0 年代便大规模兴建抽水蓄能电站【2 1 ，有三个主 要原因，首先是7 0 年代和8 0 年代电量短缺的问题，由于大批大容量火电机组投产而 基本上得以解决。为了能源多样化和燃煤带来的环境问题，许多电网开始兴建核电站， 这些机组的投产增加了基荷容量，在负荷低谷时，如何压荷成为电网调度的难题：随 着城市现代化水平的提高和农村城镇化发展趋势加快，电力负荷峰谷差更大，而高、 精、尖企业和人民日常生活对用电质量( 如周波、电压) 要求也在提高，供电可靠水平 也要求提高，迫使电网寻求更好、更可靠的调频、调相和负荷备用电源；沿海地区可 开发的水电资源，尤其是能兴建大水库可调节的水电站几乎开发已尽，常规水电调峰 也受到防洪、供水等综合利用部门的制约，所以我国各大电网都迫切要求兴建抽水蓄 能电站，以解决电网调峰填谷及调频、调相等问题。 一 近年来，我国的抽水蓄能电站建设取得了很大成绩，到2 0 0 2 年底，全国已建成 抽水蓄能电站5 7 0 万千瓦，在建抽水蓄能电站7 5 0 万千瓦。抽水蓄能电站的比例虽有 所提高，但除湖北、拉萨外，可调峰的水电( 含抽水蓄能) 只占电网总容量的3 7 ， 仍难满足调峰和紧急事故备用的需求。 水力发电系统中，由于发电机是同步电机，为使发电频率保持恒定，水轮机一发 电机组也必须采取恒速恒频运行方式。但是对应于不同的水头和出力，水轮机都有不 同的最佳转速。在这个转速下，水轮机把水流能量转化为机械能的效率最高，而且水 流对水轮机的气蚀作用也最小。由于系统对转速的限制，使水轮机经常不能工作在最 佳状念，这样不仅浪费了大量的水流能量，而且有时为使水轮机免遭损坏，不得不关 闭水轮机。抽水蓄能电站和普通电站相比水头变化问题更加突出3 卅，而且电动和发 电两种工7 兕型想转速要求不致，恒速工作不但效率降低，水耗增加，气蚀震动都会 1 华中科技大学硕士学位论文 增大，机组运行工况恶化。 在我国潘家口抽水蓄能电站由于水头变化范围大( 3 6 m 8 6 m ) ，水泵水轮机特别是 在水泵2 0 2 必, 须使用多速分段或变速运行，才能高效率、低气蚀的平稳运转【5 j 。因此， 由a b b 公司制造的发电电动机选定了4 8 4 2 极的变极结构( 在此之前，a b b 曾为瑞士 的阿斯华宾、挪威的尤卡拉，奥地利的马尔他等抽水蓄能电站成功地制造3 种不同容 量的1 6 1 2 极双速变极电机) 。在发电工况，只接成4 8 极( 对应转速1 2 5 r m i n ) ；而在水 泵工况则有两种极数；高水头时采用较高的转速，接成4 2 极( 1 4 2 8 6 r r a i n ) ，低水头时 采用较低的转速，接成4 8 极。变极变速为解决这个问题提出了一种方案，但这种方 法限于固定的几档，不能连续平滑的适应水头交化，特别是当交极变速运行时，需要 停机再启动。 - 如果在抽水蓄能机组中采用能连续变速的交流励磁发电机，可使水轮机无论水头 高低都可工作在最佳工况，大大减少水轮机叶片气蚀与泥沙磨损，既提高了机组效率， 叉延长了机组寿命，这已成为当今国际上抽水蓄能机组的发展方向【6 】【7 】f 8 l 。 风能是大自然中取之不尽、用之不竭而且无污染的能源，在全世界电力需求量急 剧增长的条件下，有机燃料的非再生性和有限开采性，以及生态等原因，利用风能具 有特别的现实意义。在风能利用中，最完善的方案是把风能转换为电能，并且送到电 网中去。从世界范围看，欧洲和北美在开发和利用风能发电方面处于世界领先地位。 尤其是欧洲的丹麦德国和英国以及北美的美国。美国世界能源观察所最近发表的研究 报告表明，当前风力发电发展迅猛；同时世界能源发展的趋势是，石油产量持平，风 力发电增加，核电逐渐增加，太阳能电池增长减缓，天然气产量扩大，煤炭消费减少。 由此可见，风力发电已在诸多能源方式尤其是在再生能源方式中独树一帜，成为对常 规能源最具有竞争力的新能源发电方式。 在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率和电网频率保持 一致，即风电频率保持恒定，因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系统( c s c f 系统) 和变速恒频发电机系统( v s c f 系统) f 9 ) 。恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保 持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频系统( c s c f 系统) 一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者运 行于由电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度运行。变 速恒频发电机系统( v s c f ) ，是指在眦力发电过程中发电机的转速可以随风速变化而通 2 华中科技大学硕士学位论文 过其它的控制方式柬得到和电网频率一致的恒频电能。 从风力机的运行原理可知，风力机的风能利用系数c p ，亦即风力机将风能转化 为机械能的效率与时尖转速比是密切相关的【l 州。只有风力机的转速正比于风速变化， 并保持在最佳的叶尖转速比，风力机才能在很大的风速范围内按最佳效率运行。在恒 速恒频系统中，由于风机的转速不变而风速经常在变化，因此叶尖转速比不可能经常 保持在最佳值( 即使是采用变桨距叶片) ，c p 也就往往与其最大值相差很大，使风力机 常常运行于低效状态。 为了使风力机转速随风变化，保持很高的特性系数，并能额外地获得一部分c s c f 系统所失去的能量，在七十年代中期人们开始研究v s c f 系统。其特点是；在此系统 中安装适当的发电输出控制装置，以使叶尖转速与风速之比保持不变来达到的最佳 c p 。这样使整个运行范围内都可以获得较高的功率输出。此外，还可以依靠v s c f 系 统的某些独特的功能，获得c s c f 系统所失去的一部分能量，而且，发电机的转速和 负荷可以在很大的范围内变化而不影响其输出电压和频率的恒定。因此，和c s c f 系 统相比v s c f 系统的主要优点是： ( 1 ) v s c f 系统可以使风轮机在很大的风速范围内保持很高的风轮利用系，从而可 比c s c f 系统有较高的年发电量。 ( 2 ) v s c f 系统可以简化c s c f 系统的速度调节机构，只需采取适当的限速措施即 可，并且在限速运行区也可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机械部分的 造价，并能提高运行可靠性。 ( 3 ) v s c f 系统可以很方便的和电力系统并网，操作简单，运行可靠，不会发生振 荡和失步问题。 ( 4 ) 由于需要功率电子机构，v s c f 系统电气部分的成本高于c s c f 系统，但是 由于v s c f 系统有较多的电能输出和较低的机械部分成本，同时由于电气部分的成本 在大、中型风力发电机组中所占比例不大，因此v s c f 系统可以有较低的发电成本。 对于v s c f 这一新型的风力发电系统，目前采用的技术方案主要有三种i i ：是 利用异步发电机实现变速恒频发电，由于异步机自身的特性，其变速范围较窄；二是 利用大功率电力电子装置将风能发电机组的不稳定频率变化成稳定频率的电能，但装 置容量和电机容量为1 ：1 成本过高。三是利用交流励磁发电机直接实现变速恒频发电， 该系统由于变速范围宽，可使得风机叶尖转速与风速之比保持不变来达到最佳的风能 一一 、 华中科技大学硕士学位论文 机的利用系数，使得在较宽的风速变化范围内都可以得到较高的功率输出同时其谐 波污染较小，是目前风能发电的发展方向。因而发展大中型交流励磁发电机的变速恒 频风力机组受到很多国家的重视。 近年来，我国的电力工业已进入大电网、大机组、交直流混合远距离输电、跨区 域联网的新阶段。但随着单机容量的迅速增加和巨型电站的不断涌现，随着这些向山 区和坑口方向的逐渐转移和地区电网的互联，长距离输电和快速励磁的使用以及电网 结构的复杂话带来的电力系统稳定性问题和无功过剩问题加突出，由于系统失稳而造 成的局部性电网瓦解事故我国也有发生，电网的长时间低频振荡也有报道，严重影响 了我国电力系统的安全运行。 发电机组的励磁控制一直是作为改善电力系统稳定性的主要措旖之一，从最基本 的按电压偏差调节的常规调节器到基于现代控制理论的非线性最优励磁控制，从强励 措施到p s s ，各式各样的励磁控制系统在改善系统运行工况方面起了重要的作用，但 是，由于同步发电机的结构特点，使得其维持系稳定运行得能力仍然有限，在承受大 的系统扰动而使其功率角超出稳定极限后，同步电机将失去稳定而解列，进一步激发 和扩大事故范围，造成大面积停电等严重事故。交流励磁发电技术是解决以上问题的 有效办法。 当输电线路传输功率低于其自然功率时，输电线路将出现过剩得无功功率，从而 导致线路持续工频过电压，危及线路的绝缘寿命，使线路损耗增加，严重时使发电机 无法并网远行。目前解决输电线路无功过剩的主要措施是采用同步调相机、并联电抗 器、静止无功补偿装置或使同步发电机进相运行等。同步调相机投资较大，能量损失 较大且维护较复杂，使其应用受到了一定限制。并联电抗器方法能够限制高压线的工 频过电压和操作电压，从而降低线路和母线连接设备的绝缘水平，其造价较高，且不 能连续平滑地调节，调节能力也显得不足。静止无功补偿器是近年来新发展的一种无 功功率补偿和电压调节设备，主要结构形式是采用晶闸管切换电容器与晶闸管控制电 抗器形式。但其投资十分昂贵，并且容量到目前为止也做的不大。发电机调相运行是 调节无功的最直接最有效的方法，但是一般的同步发电机进相能力有限，主要是受定 子和转子绕组发热条件的限制和静态稳定条件的限制，交流励磁发电机的； 入，可大 大提高发电机的进相能力，是无功补偿的最有效的方法之一。 传统的同步发电机，一般在转予上安放励磁绕组，励磁绕组为直流绕组，电机，t 4 华中科技大学硕士学位论文 隙中的同步旋转磁场频率只取决于转子的速度，即在定子侧的感应电势频率取决于转 子的实际旋转速度。当发电机并网后，定子电压频率固定，因此转速也就固定了。在 交流励磁发电机中，发电机的转子绕组为两相或三相对称交流励磁绕组，转子实际转 速加上交流励磁产生的旋转磁场的转速( 方向可以相同或相反) 等于同步转速。在电机 气隙中形成的同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，它 与直流励磁的转子以同步转速旋转时形成的同步旋转磁场是等效的。如果按电机转予 的转速是否与同步转速一致来区分异步化发电机或同步化发电机，则交流励磁发电机 应当被称为异步发电机。但是，从性能上看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发 电机相似，异步发电机通过定子从电网吸收无功励磁，本身无独立的励磁绕组：交流 励磁同步发电机电机与同步发电机样，有独立的励磁绕组，可以从电网吸收容性无 功功率，也可以向电网提供滞后的无功功率。异步发电机转速随负荷变化而变化：交 流励磁变速电机可以与同步发电机样，负荷改变时，转速却保持不变。 传统同步电机直流励磁的可调量只有一个，即励磁电流的幅值。而交流励磁发电 机，可调量有三个i l 习：一个与同步电机一样，即可调节励磁电流的幅值；二是调节励 磁频率；三是可调相位。正是由于上述特性，使交流励磁发电机在变速恒频发电、最 优运行、提高电力系统稳定性和扩大发电机进相能力方面有着相当的应用前景。 1 2 交流励磁发电机的国内外发展现状 由于交流融磁可变速发电机与常规电机相比具有更优越的特点和广阔的应用前 景t 因此它已成为国内外的关注焦点。许多国家都在进行交流励磁电机的研制工作， 但不论是研究的深度还是广度前苏联和日本的成果是处于领先地位的。 前苏联的研究方案采用的是双轴励磁方式发电机，也被成为异步化发电机o “】。它 在转子的直轴( d 轴) 和横轴( q 轴) 上装有两个互相垂直、参数相等的励磁绕组。通过灵 活地调节两个励磁绕组的励磁电流来改变转子磁势，以改变发电机的电势与系统电压 向量间的夹角，即功角，使机组运行在稳定的范围内。对于小型交流励磁同步发电机 组，研究的主要方案是：通过施加频率可控的交流励磁电压，使交流励磁同步发电机 的转子转速与变化的原动力矩相适应，而定子电压、电流与系统同频。为了使转子结 构对称，一般小犁交流励磁问步发电机的转子采用三励磁绕组南式，3 个励磁绕组： 恻位置互差1 2 0 度。励磁装置有3 个逆变电源，分别作用于3 个励磁绕组。励磁调节 s 华中科技大学硕士学位论文 器测量电压、电流、有功功率、转速、相角等变量，根据控制规律计算出各励磁电压 的控制量。前苏联从5 0 年代初期开始，经过几十年的不獬的努力，对双轴励磁发电 机组的理论分析、结构设计、励磁控制等方面取得了举世瞩目的成就，并已进入工业 实用阶段，设计出了小至几百k w 的异步化风力发电机和大至8 0 0 m w 的异步化汽轮 发电机1 1 5 1 。 图1 1 可变速发电系统结构框图 1 主变压器2 可调速发电电动机3 水轮机水泵4 变频器5 控制器 6n i q 控n7 微型计算机8 调速器9 相位传感器1 0 速度传感器 随着大功率器件与微电子技术的发展，日本从2 0 世纪8 0 年代开始研究三相交流 励磁发电技术，并在抽水蓄能电站取得了成功的应用。日立公司与关西电力公司合作， 于 9 8 7 年投运了世界上第一台变速发电电动机( 2 2 m w ) ，并在1 9 9 3 年投运了4 0 0 m w 的可变速抽水蓄能电站1 1 ”。高见电站、冲绳发电站与东京电力蛇尾川电站都相继采 一一_ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 用了三相交流励磁发电技术，运行表明：通过水轮机变速运行可以提高水轮机的运行 效率，增加水泵运行工况下的自动调频能力，并可以通过有功、无功的快速调节提高 系统的稳定性i l “。 日本的可变速发电一电动机的结构与绕线式感应电动机相似，定子和转子均为三 相式分布绕组。在矢木泽发电厂2 号机组励磁系统中，向转子绕组提供变频励磁电流 的双向变频器采用非循环电流方式的1 2 脉冲7 2 支路大容量光控晶闸管，并利用纯水 循环冷却方式。机组控制系统利用d s p ( 数字信号处理器) 和微处理器的高速处理能力 对有功功率和无功功率进行分别控制。图l - l 为日立可变速发电系统结构框图。 1 9 9 2 年第3 4 届国际大电网会议上，前苏联、日本等国学者就新型变速同步屯机 作了专题报告，在国内引起有关研究所、高校及制造厂的关注【1 9 。我国对交流励磁( 包 括两相、三相励磁) 发电技术的研究剐刚起步，由于国外对此技术的保密，使得研究工 作碰到不少问题。哈尔滨大电机研究所与浙江大学、清华大学、沈阳工业大学等单位 共同合作研制了3 8 0 k w 交流励磁发电机样机，对水轮发电机交流励磁变速运行进行 研究，对交流励磁发电机的运行方式及波形、交流励磁发电机的运行特性及稳定性问 题、机组起动、仿真程序、微机控制、交一交变频器等方面进行研究1 2 0 1 2 。到目前为 止国内还没有商业化的实用机组的制造和投运。 可以说日本日立公司的双馈交流励磁电机，代表了当今的国际先进水平。但实质 上它是绕线式异步电机，依靠滑差功率进行调运。在大型蓄能机组中，由于其转予直 径很大，达十几米，转速高，离心力大，致使转予绕组的端部固定十分困难。为此， 日本学者提出了一系列的发明专利技术，在转子结构上采取了一系列措施。另外，从 大河内电站的考察分析，机组变频装置、控制系统设备极其庞大复杂，变频装置容量 大，设备昂贵，为此厂房要多增加一层控制层，机组成本增加3 0 4 0 ，而且日本不 同意向我国转让技术。 为解决以上难题，华中科技大学宁玉泉教授提出了双馈变速凸极同步电机，并申 报了国家发明专利m 1 ，这是一种新型的交流励磁可变速凸极同步电机。在结构上，定 子与传统交流电机相同，转子为典型凸极结构。由于转子具有两相2 p 对极绕组，两 相转子绕组通以交流变频电流，转子形成两相正交绕组，产生圆形旋转磁场，将气隙 磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离，以实现转子变速。该种电机采用传统同步电 机的结构t 克服了双馈绕线式电机转子绕组端部固定的凼雄和结构的复杂性的问题， 7 华中科技大学硕士学位论文 它与曰立型可变速绕线式电机进行对比见表l 一1 。 表1 1 各种电机特点对比 双馈变速凸极日立型双馈 传统同步 名称 备注 同步电机( 1 )变速电机( 2 )电机( 3 ) 电机型式凸极同步电机绕线式异步电机 凸极同步电机三者均不同 定子结构交流电机电抠交流电机电枢交流电机电枢( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 相同 转子结构凸极磁极绕线式隐极凸极磁极( 1 ) 与( 3 ) 相同 励磁绕组鲫两相低压绕组a b e 三相高压绕组直流绕组三者均不同 两相交流励磁、三相交流励磁、 励磁电源低压大电流高压大电流直流励磁三者均不同 变频电源变频电源 转子端部 机械强度转子结构一般转子结构一般( 1 ) 与( 3 ) 相同 固定困难 控制系统复杂复杂般( 1 ) 与( 2 ) 类似 制造工艺性一般复杂般( 1 ) 与( 3 ) 相同 逛仃住琵优良优良般( 1 ) 与( 2 ) 相同 制造成本贵更贵般 综合性能优 良一股 1 3 本文的主要工作和章节安排 本文结合参加的国家8 6 3 计划课题双馈变速凸极同步电机( 2 0 0 1 a a 5 1 2 0 5 0 ) 所 作的工作，开展研究：对交流励磁双馈变速凸极同步电机的结构原理，数学模型，运 行特性和样机试验结果进行了深入的分析，在全面系统地总绣现有成果的基础上，提 出了基于定子磁链定向的矢量控制方法，并对这种控制策略进行系统分析和仿真研 究，并对交流励磁系统进行了初步设计，为后续研究提供平台和基础。 全文的章节安排如下： 第章绪论，简要分析交流励磁可变速电机的特点，介绍交流励磁可变速发电机 研究的背景和意义，并对交流励磁可变速发电机的研究现状分别作了简单的综述。 第二章双馈变速凸极同步电机的基本理论，阐明了其结构原理，建立了电机在同 步坐标系下的数学模型。该模型能精确体现交流电机运行于各种l ：况下的情况如电机 8 华中科技大学硕士学位论文 磁链、电流的变化，它将作为后续章节分析和解决问题的基础。 第三章双馈变速发电机稳态运行特性，在对电机等效电路分析的基础上，推导出 其功率和转矩表达式，确定了励磁容量与转差之间的关系，明确了双馈凸极同步发电 机变速运行，进而在风机上实现最大风能捕捉和水轮机上实现负荷优化调节的方法。 第四章双馈变速凸极同步电机励磁控制与仿真，提出了基于定子磁链定向矢量控 制的有功、无功控制策略，通过s i m u l i n k 的建模与仿真，验证了控制策略能够实 现有功、无功功率的解耦调节。 第五章交流励磁系统的初步设计，在分析电机样机试验的基础上，提出了采用功 率可双向流动的全控双p w m 变频器，和以d s p 作为控制核心的励磁系统。 第六章全文总结。 _ 9 华中科技大学硕士学位论文 2 双馈变速凸极同步电机的基本理论 2 ，1双馈变速凸极同步电机的结构与原理 新型可变速凸极同步电机双馈变速凸极同步电机僻j ，它吸纳了双馈原理，在 结构上，具有典型的凸极同步电机结构。定子具有p 对极，由正常工频电源馈电，与 普通交流电机相同。转子采用分裂凸极转子结构，具有2 p 对磁极，其上装有励磁绕 组，转子2 p 对磁极绕组构成两相( 或四相) p 对极正交绕组。转子两相绕组在空间上， 两者按相差9 0 。电角度分布，在时间上，相差9 0 4 电角度。转子两相绕组形成正交绕组， 产生圆形旋转磁场。磁极绕组由低频交流变频电源供电。双馈正交分裂磁极变速凸极 同步电机的结构，详见图2 1 。 2 图2 1双馈变速凸极同步电机馈电图 1 一定子( 2 p = 2 ) 2 - - 转子：。，s 。为转子a 相绕组的磁极n 。，s 。为转子相绕组的磁极 为了分析研究电机方便，对于定子坐标系，设定子a 相绕组的轴线作为坐标原点， 定子空间沿圆周分布的坐标轴为目，对于转予坐标系，设转子第对磁极a ，。的轴线作 1 0 华中科技大学硕士学位论文 为坐标原点，转子空间沿圆周分布的坐标轴为x ，转子以d ，的速度在空间旋转，转予 磁极绕组通以，频率的电流，厂为转子旋转坐标系相对于定予坐标系的相对位置，其 坐标系如图2 - 2 。 o x 图2 - 2 双馈变速凸极同步电机定转予坐标系 l 一定子坐标系2 一转子旋转坐标系 其中a 为定子a 相绕组的轴线；口为定子空间沿圆周分布的坐标轴；，为时间变量： ，为转子旋转坐标系相对于定子坐标系的相对位置。 由定转子坐标系的关系，可以得到表达式，0 = x + y ，y = f ( o r d t + y 。凡为转 i 子第一对磁极a 0 轴线在，= 0 时的电角度，即在r = 0 时的转子初始位置角，一般可以 假定认为，o = 0 。当转子以均匀速度旋转时，= 国，p = x + y = x + o a ，。 当电机定子三相绕组通过的电流为i ，其幅值相等为西，其角频率为。，即 i = - 2 1 s i n c o ：，对于定予三相绕组合成磁势，根据付里叶级数分析，可以得到定子三 相绕组合成磁势的表达示： ，c ( 0 ，r ) = es i n ( 国，卜v o ) c = 半各，乩s s i , d 陋， 石啪 、7 l y ：6 k - + l ：1 , 2 3 其中为定予绕组每相每条支路串联绕组匝数；，为定子电流的有效值；p 为电机的 极对数：v 为谐波的级次：女。，为电机r 次谐波的绕组系数：f 为电机磁势v 次谐波的 幅值。 一 _ i i 华中科技大学硕士学位论文 对于转子励磁绕组的磁场分析，它由口相的磁极n o ，叉及卢相的磁极。，s p 绕 组组成t 磁极励磁绕组为集中绕组t 相应的磁极励磁绕组的匝数为吆，并且口， 两相绕组的匝数均相等为n r ，即n 。= = 哆，相应的通过两相绕组的电流为， 0 ，它们是低频交流电流，其有效值相等为，其角频率为吩，其相位差为口= 以。 li k 2 2 i 缸s i n c o j t = q 2 j fs i n r d f t 2 2 ，伊s i n ( o & t 一口) = 2 0s i n ( c o d 一口)( 2 2 ) l 口= 对于转子绕组的磁势，口相绕组的磁势为= 叱以= ，压ls i n d o t 。对于相 绕组的磁势为易= 腰妇= ，巧s i n ( t o j 一口) 。转子口，两相绕组磁势的基波磁 势分布图形如图2 - 3 所示。 图2 - 3 双馈正交分裂磁极变速凸极同步电机转子磁势波形图 图2 3 中c ( t ，) 为转子口相绕组的磁势波形，( z f ) 为转子p 相绕组的磁势波形。 对于口相绕组的磁势为： 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = # = # = = s ；= = = = = # = = ；= 2 = = = 日 对于口相绕组的磁势为： f k ( x ，1 ) = f 口，c o s p x s i n 0 ) 1 1 f 扩一4 一n i r s 叭( 冬万) ( 2 - 3 ) 厅憎 z v = 1 , 3 ，5 g ，f ) = ，s 矿( r 一争s i n ( ( o i t - - 口) f 归v - - 昙等s i n v c c ：卅 y = 1 , 3 5 转子d ，口两相绕组的合成磁势为： ff ，( 矗f ) = s i n ( o ) ，t v x ) 矗；!盟sin“-生2马2-(2-5)7v91 。 【y = 1 , 3 ，5 - 根据定转子坐标系两者的关系，x = 0 一c o ，t ，将其代入转子a ，p 两相绕组的合 成磁势，得到关系式： f ，( 护，) = 乃，s i n ( c o i + 呦，) ，一v o r ：! 业s i 。，( 厅) ( 2 - 6 ) 7 坳2 v = 1 , 3 5 - 根据机电能量转换的基本原理和定转子气隙磁场相对静止的概念，对于气隙磁场 基波而言，即v = 1 时，瞬时功率p m 及电磁转矩t 唧为： 只吒鲁以q( 2 - 7 ) l 。= ，c o 当a = 要时，虬= 。，+ ，即为正号。当蹬= 一詈时，略= 创，一脚，即为负号。 当电力系统频率恒定不变时，即删。= c o n s t 。因此，当改变，或由，时，其彩，或，也 十h 应的变化。即为，= d ，、一国，或m ，= 、一，当改变口萨负时，即可实现改变转 子绕组产生的气隙旋转磁场曲，的转向，即可实现转子转速能够在定予绕组产生的旋 华中科技大学硕士学位论文 转磁场旋转速度甜。的上下变化。从而实现凸极同步电机的调速，达到机电能量转换和 功率传递。 当c o ，= 0 时，且口= 0 时，即对转子绕组馈入直流电源时，与传统同步电机类似， ，= 。，电机转子转速为同步转速。同样它也可实现凸极同步电机的机电能量转换 和功率传递。即当转予交流变频装置的逆变桥出现故障，而整流桥尚可工作时，或转 子暂时仅有励磁整流装置时，电机尚可运行，但不能调速。 双馈变速凸极同步电机的结构。突破了传统概念。定转子绕组产生的气隙磁场。 仍然保持相对静止，但将气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离，以实现转子变 速。它属于同步电机范畴，有别于传统的方法，是新的变速理论和方法，这是理论上 和结构上的的创新。 值得指出的是，该双馈正交分裂磁极变速凸极同步电机，与传统的凸极同步电机 相比，具有典型的凸极结构，但在本质上和性能上有根本的区别。由于转予具有两相 2 p 对极绕组。两相转子绕组通以交流变频电流，转子形成两相正交绕组，产生圆形旋 转磁场，将气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离，以实现转子变速。重要的是 变速凸极同步电机的结构和性能，它能克服上述双馈交流励磁电机和双馈无刷电机的 一些问题，如绕线式双馈交流励磁电机转子绕组端部固定的困难和结构的复杂性，双 馈无刷磁阻电机转子为特殊的鼠笼套( n e s tl o o p ) 结构，产生d 、q 轴磁导的不同， 而采用的一些特殊的结构，要使它在大型水电机组上实旌，是十分困难的。专利所提 出的电机它采用传统同步电机的结构，能够在结构上克服上述电机的问题，关键是它 能适合大型水电机组，特别是抽水蓄能电站的特点和要求。 对于一般情况，定子具有p 对极，由正常工频电源馈电。转子采用分裂凸极结构， 其上装有励磁绕组，当具有r l l 相励磁绕组时，则具有r n p 对磁极，它由交流变频电源 供电。转子m 相励磁绕组在空间上，两者按相差3 6 0 。r n 电角度分布。在时间上，通 以低频交流变频电流，两者时间上相差3 6 0 。卅电角度。转子r n 相绕组构成对称分部 的绕组，产生合成圆形旋转磁场。上述两相绕组，它相当于半四相绕组，即转予具有 2 p 对磁极，两相绕组在时间上和空间上按相差9 0 。电角度分布，产生正交的圆形旋转 磁场。 当交流励磁双馈变速凸极l 司步发电机空载时，其气隙旋转磁场的形成类似同步发 电机，仅决定于转子侧励磁电流，佃当发电机并网带负载后，由定子电流引起的电枳 14 华中科技大学硕士学位论文 反应将影响气隙磁场，并且由于电机转予的旋转速度不等同于同步速度，使得描述电 机行为特性的数学模型就成为一组多变量、时变系数的微分方程组。要对此电机进行 控制，必须分析其数学模型，从而找出比较合适的励磁控制方法和策略。 2 _ 2 双馈变速凸极同步电机的原始方程 为了便于分析，常采用以下的简化假设l ： ( 1 ) 忽略磁路饱和、磁滞、涡流等的影响，认为电机铁芯部分的导磁系数为常数， 因为而可以应用重叠原理： ( 2 ) 电机转予在结构上对于纵轴和横轴分别对称； ( 3 ) 定子a 、b 、c 三相绕组的空间位置互差1 2 0 。电角度，在结构上完全相同，它 们均在气隙中产生正弦分布的磁动势； ( 4 ) 电机空载，转子恒速旋转时，转子绕组的磁动势在定子绕组所感应的空载电 势是时间的正弦函数； ( 5 ) 定子和转子的槽和通分沟不影响定予和转子的电感，即认为电机的定子和转 子具有光滑的表面。 在具备上述理想条件的双馈变速凸极同步发电机中，共有5 个有电磁耦合关系的 线圈。在定子方面有静止的三相绕组和，在转子方面有两个励磁绕组五、厶，这两 个转子绕组都随转子起旋转。并且口p 两相绕组在时间上及空间上相差n 2 电角 度，即口户两相绕组之间不存在互感，定予a b c 三相绕组与转子各绕组之间存在互感。 在建立这些回路的电压方程式和磁链方程式时，先要规定回路中的磁链、电势、 电流和电压等量的正方向。各绕组轴线正方向也就是该绕组磁链的正方向，对本绕组 产生正向的磁链的电流取为该绕组的正电流。定子回路中，定子电流的正方向即为由 绕组中性点流向端点的方向，各相感应电势的正方向与电流方向相同，向外电路送出 的正向电流的极端电压是正的。在转子方面，各个绕组感应电势的正方向与本绕组电 流的正方向相同，向励磁绕组提供正向励磁电流的外加励磁电压是正的。定转子各相 对称，有： _ 2 2 _ 2 t ( 2 8 ) 。啊。“ ( 2 9 1 1 5 华中科技大学硕士学位论文 i ! = 一 喜喜量面墓 一p 三! c 。一z 。， 阱m 盼p 嘲 亿 由于绕组之间相互耦合，与各绕组相交链的磁通将包括本绕组电流所产生的磁通 f ，m y 栅 甜 y 血 毕瑶 三 上h 出 上。 三k 三伽 l s 三6 ：掂 l c m 。 三， l 油； l 。 三6 ：岱 上。， 三伽 l i , a s l m 上6 卯 咖 确 l 忡 ( 2 一1 2 ) 其中三一为绕组a 的自感系数；上。为绕组a 和绕组b 之间的互感系数；其余类 推。定子各相绕组的自感系数为： l o s = i a + i 2 c o s 2 8 厶。= ，0 + l zc o s 2 ( 8 - 1 2 0 。) 厶n ，= l o + 1 2c o s 2 ( 8 + 1 2 0 6 ) 定子之间互感系数为： m a s , b s = 厶。= 1 + m 2c o s 2 ( 0 + 3 0 。) 】 二h 。= t 。“= 一 ，? 0 + m 2c o s 2 ( 0 9 0 。) 】 。，= 。，。，= 一 m o + 埘2c o s 2 ( 8 + 1 5 0 。) 】 定转子之间的互感系数为： l ，。h = l = m 。l ，c o s o ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 、 r 2 1 9 ) 一 1 6 okk切够泖印缈柳 脚彬彬缈桫 华中科技大学硕士学位论文 0 6 m o 扣一 扣l ”，r n 、 工删。；上，簖；= 坍c 啦c o s ( o + 1 2 0 ) f 2 2 1 ) 根据转子口口两项空间差9 0 。可推知： l o , y p 。三伽2 埘咖s i n 口 f 2 2 2 ) 删= 上伪s = m 泓s i n ( 8 一1 2 0 。) r 2 2 3 上劬。2m 卿s i n ( b + 1 2 0 。) f 2 2 4 ) 由于定子的内缘呈圆柱形，不管转子位置如何，凸极机和隐极机一样，对于转子 绕组电流产生的磁通，其磁路的磁阻总是不变的，因此各转子绕组的自感系数工肋、 都是常数，并改记为上， 正在口的纵轴上，厶在口的横轴上，互相垂直之间互感系数为零，即： 2 三伽2 0 f 2 2 5 ) 由式( 2 - 1 2 ) 上面可知，在磁链方程中许多电感系数都是随转子角口而周期变化的， 转子角秽又是时间的函数，一些自感系数和互感系数也将随时间而周期变化。若将磁 链方程代入电势方程式，则电势方程式将成为一组以时间的周期函数为系数的微分方 程。这类方程的求解颇为困难，为了解决这个难题，可以通过矢量变换在新坐标系下 的变量代替原来变量，将变系数的微分方程换成常系数的微分方程，然后求解。 2 3 矢量变换技术 2 3 1 3 s 2 s 坐标变换 静止3 2 交换又叫c l a r k e 变换，它是以空间位置固定的两相静止坐标系中的绕组 来等效三相a - b - c 系统。两相系统中的口，轴位置如图2 - 4 所示，其盯轴与定子a 相轴线重合，轴超前口轴9 0 。按照三相系统和两相系统总磁势相等且功率不变得 原则可以得到静止3 s 2 s 变换矩阵如下： 华中科技大学硕士学位论文 c 2 s = c 嚣= 1 7 3 】 4 2 ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) 换简称2 s 2 r 变换。其中，s 所示。 1 0 图2 - 52 s 2 r 坐标变换 1 8 ，一：拈一：，一压 1 o 1 一正也 上压上压上压 。笪2笪： 0 ，一22 一， ，：。： 阴污 葶莨 换 丽僚 变 蚓璇 慧一 埘 舢濠 华中科技大学硕士学位论文 出图可见，、 如和、之间存在着下列关系 j 口= 0c o s 妒一，4s l n p 声= i ds i n 妒+ f 口c o s 妒 ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 乏 。c 。o 。s p ( p - 。s i 。n p 妒。 。 b i a 。：一，。， 故： c ：m r2 篙：鬻jp s 一， 是两相旋转换到两相静止坐标系的变换矩阵。 ，一c ：m ，。l 墨罴；j c 凇， 上述变换矩阵同样适用于电压和磁链的变换。 2 3 3 3 s 2 r 坐标变换 要从三相静止坐标系a b c 变换到两项旋转坐标系哟o ，其中“0 ”是为了凑成方阵 而假想的零轴，可以利用前已导出的变换阵，先将a b c 坐标系变换到静止的叩o 坐标系( 取口轴与a 轴一致) ，然后再从q 坐标系变换至由o 坐标系，综合上述两个 变换矩阵可得变换式c 3 。，为： 其反变换式为 广 fc o s 目 c 3 , 1 2 r ：、周“。口 v l 1 【压 c o s ( a 一妄_ 7 ) 一s i n ( o 一疗) j 1 2 c o s ( 8 + 三万) 一s i n ( o + 善万) l 4 2 ( 2 3 3 ) 一一 1 9 华中科技大学硕士学位论文 c ：。，：。蛾：，= 周c o s 伊c o s 扣 i8 b p + 扣 一s i n 毋_ 1 2 一s i n ( e - 扫疆1 s 岬+ 和