（电力系统及其自动化专业论文）双馈交流励磁电动机的矢量控制系统研究.pdf

a b s t r a c t d o u b l ef e dm a c h i n e s ( d f m ) a l ea k i n do fv a r i a b l es p e e dd r i v es y s t e m st h a th a n d l e db y r o t o ra ce x c i t a t i o n ，w h i c ha l ec o m p o s e d o fm a c h i n e sa n da ce x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m s t h em a c h i n e si n c l u d eb r u s ha n db r u s h l e s sm a c h i n e s t h ee x c i t a t i o ns y s t e mp o w e r o fd f m i so n l yt h ep o w e ro fs l i pp o w e r s ot h ep o w e ro f t r a n s d u c e rc a nb er e d u c e dm u c h ，a n ds a v e m u c hc o s t c o m p a r e dt oo r d i n a r y v a r i a b l e s p e e d d r i v e sw i t h s i n g l e f e di n d u c t i o n m a c h i n e s ，t h es l i pp o w e rr e c o v e r ys y s t e m c a r lr e d u c ep o w e rc o n v e r t e rr a t i n g f u r t h e r m o r e ， t h ed o u b l ef e dm a c h i n eh a sg r e a t e rp o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n si nv 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 yp o w e rg e n e r a t i o n f i r s t l y ，b a s e d o nt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ed f m ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mi se s t a t ，l i s h e di n 也ea - b - cr e f e r e n c ef r a m e c o n c l u d et h em 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 sm tr e f e r e n c ef r a m eb yc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o no r i e n t e db yt h es t a t o rf i e l di nt h i sp a p e r , a n db u i l dt h ea ce x c i t e dc o n t r o l s y s t e mm o d e i o fd f m t h e nt h em c ( m a t r i xc o n v e r t e r li ss e l e c t e dt os u p p l yt h ed o u b l ef e d w o u n dr o t o ri n d u c t i o nm a c h i n e u n d e rt h eb a s eo f k n o w i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g ya b o u tt h e m c ，t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l to 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 da s e to fs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e du n d e rt h ep o s s i b i l i t yo ft h es p e e dr e g u l a t i o n p r o j e c t t h es i m u l a t i o nr e s u r si n d i c a t et h ev a l i d i t yo f t h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo ft h e d o u b l ef e dw o u n dr o t o ri n d u c t i o nm a c h i n e s ot h ea ce x c i t a t i o nc o n t r o l s t r a t e g y i s p o s s i b l e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ee x c i t a t i o ns y s t e mo f d f mb a s e do no p t i m a lc o n t r o la t l a s t k e y w o r d s ：d o u b l ef e dm a c h i n ea ce x c i t a t i o nv e c t o rc o n t r o l c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 = ；= 自；g = ；口；= ；目；= = = = 目= 目l 目= _ 目；= = 目口l 目 1绪论 1 1双馈交流励磁电动机研究的背景和意义 风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据 有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约3 5 0 0 0 m w ，耗电量约占全国 电力消耗总量的4 0 左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖 掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节 能潜力可达( 3 0 0 5 0 0 ) 亿k w h 年，相当于6 1 0 个装机容量为1 0 0 0 m w 级的 大型火力发电厂的年发电总量。 在火力发电厂中，风机和水泵也是最主要的耗电设备，加上这些设备都是长期连 续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。据统计：全国火力发 电厂八种风机和水泵( 送风机、引风机、一次风机、排粉风机、锅炉给水泵、循环水 泵、凝结水泵、灰浆泵) 配套电动机的总容量为1 5 0 0 0 m w ，年总用电量为5 2 0 亿k w 电， 占全国火电发电量的5 8 。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系剐厂用电率的高 低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂 用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。 我国火电机组的平均煤耗为o 4 k g k w h ，比发达国家高o 0 7 o 1 k g k w h ，而 厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之。国产3 0 0 m w 机组的厂 用电率平均为4 7 1 ，丽进口( g e 公司) 机组为3 、8 1 。国产机组比进口机纽约高 2 0 左右。国产机组厂用电率偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题 和差距。 国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采用 汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其它风机和水泵基本上都采用定速驱动。这 种定速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节 流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率 降低。调查表明：我园5 0 m w 以上机组锅炉风机运行效率低于7 0 的占一半以上， l 华中科技大学顽士学位论文 低于5 0 f f l , 占1 5 左右。有的甚至不到3 0 ，结果是白白地浪费掉大量的电能，已经 到了非改不可的地步。 造成我国火电机组大都处于低负荷或变负荷运行的原因主要有： 近年来由于装机容量的迅速增长，全国基本上摆脱了电力供应紧张的局面，电 力供应有了盈余，火电机组不得不压低负荷运行； 由于负荷结构的变化，电网负荷的峰谷差加大，其值一般达到电网最高负荷的 3 0 ，有的电网甚至高达5 0 ； 由于目前电网还缺少专门带尖峰负荷的机组( 例如坝库式水电机组，抽水蓄能 机组，燃气轮机组等) ，所以般电网的尖峰负荷和低谷负荷都要求火电机组来承担， 火电机组不得不作调峰变负荷运行。 我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因 之一是风机的调速性能差，二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计 规程s d j 一7 9 规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5 和5 1 0 ，风压 裕度分别为1 0 和1 0 1 5 。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻 力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风 压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不 到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送引风机的风量和风压富 裕度达2 0 3 0 是比较常见的。与风机一样，除由于设计中层层加码，留有过大的 富裕量，造成大马拉小车的现象之外，还由于为满足生产工艺上的要求，采用节流调 节，造成更大的能源浪费现象。 采用变速调节传动是解决问题的最好方法。辅机采用调速驱动后，机组的可控性 提高了，响应速度加快，控制精度也提高了。从而使整个机组的控制性能大大改善， 不但改善了机组的运行状况，还可以大大节约燃料，进一步节约能源。同时，采用变 速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大 大改善起动性能，而且工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。 然而，由于调速传动装置价格贵，推广应用受限制。特别是大功率的风机和泵传 动，由于缺少简单、可靠、经济的中压电机调速装置，节能调速基本没推开。因此对 华中科技大学硕士学位论文 于风机和泵的调速，合理的方案应是绕线电机串调或双馈。电机定子绕组为低压，易 和电力电子器件相匹配。在串调或双馈调速时，转子电路的功率为滑差功率，风机和 泵所需的调速范围小，一般3 0 左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的3 0 或1 5 。但绕线电机有滑环和碳刷，维护麻烦，在很多地方不受欢迎。现国内外都在 开发无刷双馈电机，该电机特性与绕线电机相同，定子两套绕组，一套接中压电网， 另一套控制绕组，相当于绕线机的转子绕组，接串调或双馈装置，实现调速，是理想 的中压节能调速方案，在俄罗斯和澳大利亚已有成功经验，效果很好”3 。 双馈电机作电动机运行可以在各种不同负荷下灵活地调节无功功率和转速，调速 范围达到3 0 5 0 ，显著提高传动系统的效率，有很好的节能效果。由于双馈电机 不仅能在同步速上下变速运行，而且和传统的定子变频调速交流电机相比较，能对励 磁电压的频率、大小和相位进行调节，从而实现变速运行。同时还能调节电机的功率 因数，进行无功调节。 由于双馈电机的存在，使建立旋转统一理论成为了可能，异步电机、同步电机、 直流电机均可视作由双馈电机演变而来，它们都是双馈电机的特例。 当双馈电机的转子绕组不再有外来电源的限制而自行短路时，转子的角速度决定 于负载的大小，转子中的电流频率为转差频率，两磁轴之夹角0 由转子电路的特性所 决定，这时双馈电机转化为异步电动机。 当双馈电机的转予电流频率为零，则转子变成了直流励磁，不再传送电磁功率， 两磁轴夹角0 由负载决定，这时双馈电机转化为传统的同步的电动机。 当双馈电机定子电流频率为零，变成了直流产生固定的直流磁场，这时转子上应 产生交变电势和通入交变电流，联接转子绕组的变频装置换向器，将经电刷通入 的直流变成了转子电枢中的交流，其频率决定于换向的交变速度。由于没有外加电源 的频率限制，这时励磁磁场的磁轴与电枢反应磁场的磁轴正交，0 = 9 0 。，定转子之间 产生可能的最大转矩，这时双馈电机转化为直流电动机。 双馈电机概括了异步、同步、直流电机的统一形式，从而有可能建立起旋转电机 的统一理论。创立电机统一理论的工作是在1 9 3 2 年由克朗( k r o n ) 应用张量微积分 等数学工具首先完成的。克朗提出了两种原型电机，也都是双馈电机的修正形式。对 3 华中科技大学硕士学位论文 = _ 自= ；= 目；= # = = = = = g ；= 目= ；目l 目口= 。= 自目j ；= = = 原型电机的分析研究。使旋转电机理论分析得到统一，为解决许多复杂问题提供了系 统的途径。 这种电机在以下几个方面具有很广泛的前景： 双馈电机可作为交流调速电机用于电气传动系统，特别是风机泵类调速系统 它可以在各种不同负载下灵活地调节无功功率和转速，调速范围可达3 0 5 0 ， 显著提高传动系统的效率，有很高的节能效果。与常规交流调速方法相比，其变频器 的容量只需转差功率”，因此可降低功率变换器的容量，从而大大的降低系统成本。 作为大型抽水蓄能同步发电电动机可控异步化运行，可满足蓄能电站调速需 要。抽水蓄能电站以其独有的调峰填谷、调相调频等功能和良好的动态经济性，在国 际上，特别是一些发达国家得到了大力发展。我国随着电力工业的发展，也即将大力 发展抽水蓄能电站，然而我国目前建成的大中型蓄能电站机组几乎都是全套进口的， 为此，国家发展计划委员会已发布关于实旌“大中型抽水蓄能机组国产化开发及产业 化专项”计划，即将大力开展蓄能机组的开发研究。其中大中型抽水蓄能机组的调速 方法是关键技术之一。交流励磁异步化同步电机在蓄能机组调速技术中具有广阔的发 展前景。 适用于风力发电机变速恒频运行。风力发电作为2 1 世纪的绿色能源，将得到 大力发展。自然界的风力，伴随着巨大的能量，但却变化无常，具有很大的随机性。 因此，风力发电机与电网之间如何联接一直是人们十分关注的关键技术问题。双馈电 机可以变速恒频运行，即在不同风力风速情况下均可保持发出的电压、频率不变，从 而可实现风力发电机与电网的柔性联接。我国的风能资源非常丰富，风力资源的开发 研究具有特别重要的意义。 广泛用于电力系统柔性供电技术。利用双馈电机构成机电变频器连接电力系统 的各个部分后，可以将目前电力系统的刚性连接变为柔性连接，从而可以大大改善电 力系统的稳定性。此项技术对现代电力系统向大容量、高电压及远距离输电的方向发 展具有重要意义。同时它在低负荷时可以大量吸收无功功率，其进相运行为电力系统 提供无功功率的能力也远远超过传统的同步发电机，为电力系统提供了有力的调压手 段。 4 华中科技大学硕士学位论文 ：_ # 目l 自目目 = # = ；= 自2 e 口= 目= 目l = 目 i 1 日t i z 由此可见，双馈电机是有着广阔发展前途的高薪技术产品。对于我国来说，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的调速方案，因而预 计该项目首先会在该类机械交 n , 嗣g 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 电机可做到变速恒频发电。因此，其在风力发电方面也具有广泛应用前景“3 。 1 2 双馈电机的国内外发展现状 近十多年来，德国、俄罗斯、法国等先进工业国家对无刷双馈电机进行广泛的研 究，并在电气传动中得到应用。德国西门子、日本东芝和三菱、前苏联哈尔科夫电机 制造联合公司已系列化生产双馈电动机。例如俄罗斯哈尔科夫公司系列化生产3 1 5 2 0 0 0 k w 的各种双馈电机调速传动系统，并广泛应用火电站及其他部门的各种交流调 速传动装置中( 如电厂送风机、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。 我国对双馈电机的研究始于9 0 年代，目前有重庆大学、福州大学、浙江大学、 华中科技大学、沈阳工业大学等对于此技术有一定研究。其中，沈阳工业大学做了一 台无刷双馈电机的试验样机进行研究，但是到目前为止，研究工作还仅限于实验室， 没有研制出实用化的样机，因而我国对双馈电机的研究及应用与国外有较大的差距。 随着功率电子技术的发展和交流传动技术的广泛应用，无刷双馈电机得到进一步的迅 速发展，但是大功率双馈电机仍然以有刷结构为主。 1 3 双馈电机控制系统的发展状况 双馈电机控制系统中，变频器的选择和控制方式很重要，是整个控制系统的核心。 由于双馈电机工作在不同的工况下能量要实现双向流动，如果考虑到要提高电机的功 率因数，改善电网输入电流波形等等因素，变频器要满足以下几个基本要求： 5 华中科技大学硕士学位论文 = 自自自= ；目；目自= = = 目= ；= = 目= = = = ；= j ；= ；= = = # 必须能够输出低频电流甚至直流。双馈电机工作在接近同步转速时要求转子 绕组输入低频电流甚至直流电。 变频器能够进行能量双向流动，以满足双馈电机不同工况的能量顺利流动。 改善电网输入电流波形，控制谐波，不对电网造成较大的谐波污染。 变频器输入端功率因数要高，应接近于1 0 。 目前，有三种变频器适合双馈电机调速控制系统中：传统的交- 交变频器、矩阵变 换器和交流直流交流p w m 变频器。传统的交交变频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，能量转换效率高。它的缺 点在于主电路所使用的品闸管元件数量较多。个单向交- 交变频器如果采用三相桥式 接线方式，则需要1 2 只晶闸管，那么三相交- 交变频器就需要3 6 只。这较一般的交 流直流交流变频器所用的1 2 支晶闸管为多，在小容量中使用不经济，另外这种变频 器由于受到输出电压波形的影像，一般其输出电压的频率调节范围控制在输入电源频 率的l 3 以下，最高也不超过1 ，2 ，而且功率因数低，从而使它的应用受到了限制。一 般认为，交交变频器主要适用于一些低速、大功率的传动系统中。如初轧机、球磨机、 低频辊道等。对于一些特殊的场合，例如船舶或者机车上的传动控制，如果配合中频 发电机组，则交交变频器也是一种理想的方案。 而矩阵变换器输出电量的频率可以较高，具有诸多优点。例如矩阵变换器可以提 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。但是其输出波形谐波分量较严重，难 以得到理想的正弦波形。 交流，直流，交流p w m 变频器是目前应用最广泛的变频器，它覆盖的功率范围非 常广，从几瓦的微型电机到几万千瓦的高压电机都采用这种电路结构。根据直流侧的 储能方式不同，可分为电压源和电流源两种。电压源型是在直流侧并联一个电容，利 用电容来存储能量，其直流电压不能突变。电流源型是在直流侧串联一个电感，利用 电感来存储能量，其直流电流不能突变。在实际应用中，电压源型较为普遍。交流， 直流交流p w m 变频器的输入和输出的波形畸变很小而且功率因数很高，但由于中间 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = j 目；= j j 目= ；= ；= # = 2 = ；= 自= # ；= = 目i z 目目 存在直流环节能量转换效率相对较低。 由此可见三种变频器均各有优缺点，适合于不同的场合，设计时应根据不同的需 要进行选择。 双馈电机的绕组是接到变频电源上的，根据变频电源频率控制方法的不同，双馈 电机调速可分为他控式和自控式两种控制方式。 他控式方式又称为同步工作方式。在这种工作方式中由专门的频率给定装置独立 的控制交频器的输出频率。通常转子侧的变频器是由一个独立的频率可调的低频三相 正弦信号发生器产生给定信号，每个控制信号的给定值都对应个确定的频率五，也 就对应着一个确定的转速。这个转速与负载无关只和正的值有关。他控式双馈调速的 感应电机具有同步电机的特点但是与之不同的是速度可调。他控式控制方式的双馈电 机在突加负载、快速调节转速或其他参数突变的情况下，保持稳定和防止震荡是一个 比较复杂的问题。因此他控式双馈调速适用于负载平稳，对调速的快速性要求不高的 场合，如风机、泵类负载。 自控工作方式又称为异步工作方式。这种控制方式中双馈电机转子侧变频电源的 频率是通过系统内的调节环节，根据电机的运行状态自动控制。这个频率要跟踪电机 的转差频率。自控式双馈电机具有感应电机的特点，即使转速达到同步转速也仍然具 有感应电机的特点，即转速随着轴上的负载而变化。与感应电机不同的是定子侧的无 功功率是可调的。这时电机的功率因数可调，也可以对电网呈现容性。自控式双馈电 机稳定性较好，适用于轧钢机之类具有冲击性负荷的场合。 近十年来，随着现代控制理论、电力电子技术的发展，双馈电机的控制技术逐渐 得到了发展和完善。目前，控制策略主要采用矢量控制技术，对电机进行解耦控制和 相位控制，能方便的进行自控式的工作方式，达到很好的动态响应效果。 矢量控制技术的理论基础是磁场定向原理，选取不同的矢量作为定向矢量就会得 到不同的控制效果，般大都选取同步旋转坐标系，以定子磁链或者气息磁链为定向， 也有选取电压矢量或电流矢量定向的。进行坐标变换后，实现了电磁转矩和无功功率 的解耦控制。从而使交流电机具有和直流电机样的调速性能，同时可以对有功无功 进行调节。 华中科技大学硕士学位论文 f 目黼r i i i i l lp i l l l 自e ；目= = = = 4 = ；= = = = 目= ；= = = = 盘 1 4 本文主要工作 本文的主要目的是在综合了解国内外双馈交流励磁电动机的基础上，对双馈交流 励磁电动机的控制策略进行深入研究，为该种电机的励磁系统开发，建立良好的理论 基础。本文的主要内容为； 利用坐标变换技术，建立双馈电机的数学模型，并在对励磁系统的解耦控制基 础上，建立双馈电机的矢量控制。 根据系统模型，对双馈交流励磁电动机的励磁系统进行动态仿真研究。 基于线性最优的控制方法对双馈电机的励磁控制进行了探讨。 华中科技大学硕士学位论文 一= _ ；目目l l 口目；= # = ；= ；i 目l l _ _ t t ；= g l = = 目目；e 。= = 2 双馈电机的基本理论与控制方法 2 1 概述 双馈电机，也称交流励磁电机。它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机 本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机的定予接5 0 h z 工频电网， 转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频 率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调 节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以 提高系统的稳定性。 根据电机运行理论，电机在稳态运行时，定转子电流产生的旋转磁场在空间上必 定相对静止，所以 1 2 眈+ ， 其中，。为定子旋转磁场在空间的角速度，2 为转子旋转磁场相对转子的角速 度，协为转子的角速度。当通过定转子绕组的电流频率 和正相等且同相序时，即 j = o j 2 = 2 z 弧，则必定o ) r = 0 ，即转子不动。若转子电流频率五劬，且同相序时，则转子 旋转角速度i ( l ，称亚同步。工作在异步电动机状态，降低转子电流频率直至a = o ， 则转子角速度m r - - o j l ，即：工作在同步电动机状态，转子为直流励磁，若转子电流与 定子电流反相序，则转子角速度沿正转方向超过同步角速度，当转子电流正相序且 五铆时，转子会反转。可见，当调节送入转子的电流相序和频率时，双馈电动机可以 运行在亚同步、同步及超同步状态，也可以运行在反转状态饽1 。 双馈交流励磁电机与传统的串级调速有着本质的差别，主要表现在以下的几个方 面： 常规串级调速是单馈的，电功率只从定子馈入。从定子馈入的功率一部分由 电机轴输出，一部分变为转差功率由转子绕组输出：而双馈感应电机则是从定转子双 方馈电，因此轴输出功率可以超过由定子馈入的功率。 串级调速时绕线式感应电机本质上是异步电机，转子电流由定子磁场感应而 华中科技大学硕士学位论文 = e _ _ 目目e ；t = ；= = = = _ # = 目 = ；l = = 目g ；目e ；= = = 口 来；而双馈电机的转子电流是由外部电源提供，具有同步发电机的性质 串级调速是靠改变转子中附加电势的数值来调速，附加电势的频率则相应于 转差频率的变化而变化。此外，负载变化时也要发生变化；而双馈电机转子转速只能 随转子电源的频率变化而变化，负载变化时，只要在电机的过载能力允许范围内，电 机的转速不发生变化。 双馈电机目前主要有两种：有刷双馈电机和无刷双馈电机“”。 有刷双馈电机在定子和转子上各有一套绕组，在工作时，定子绕组与工频电网相 联，承担电机大部分的功率转换，转予绕组则通过电力电子变换器( 通常是变频电源) 与电网联接。其定子绕组电源固定，转子绕组的输入信号的大小、频率、相位均可调， 由循环变流器控制调节从而实现转速调节及功率因素调节，也就是有功和无功调节。 其结构如图2 1 a 所示。 工频 ( a ) 有刷双馈电机结构简图 ( b ) 无届4 双馈电机结构简图 图2 1 双馈电机结构图 华中科技大学项士学位论文 ；目_ _ i _ g 。= = ；= ；自= = ；目= 自= = # 目- 目_ 无刷双馈电机的两套绕组都放在定子上，转子无绕组，结构图如图2 1 b 所示。其 基本结构为一个定子，一个转子，一套公共磁路1 。定子绕组有两套对应不同极对 数的出线端，一套出线端接工频三相对称电源作为功率绕组( 尸p 对极) ，另一套接到 变频器作为控制绕组( p c 对极) 。在两种极对数确定的情况下，通过改变与控制绕组 相连的变频器的输出来调节转速实现无级调速，调速的范围与极对数和两套电源的 输出频率有关。定子绕组不同极对数之和。即( p p + p c ) 与电机的转速关系为： 疗= 糕x 6 0 m i n ， 2 - - 1 ) 式中，二、工分别为工频和变频电源的频率；分子中的正负号由控制电源与功率电 源的相序关系确定，相序相同时为“+ ”，相反时为“一”。该电机的运行条件是：( 1 ) 由功率绕组和控制绕组产生的磁场在转子导条中分别感应的电流的频率应相等；( 2 ) 以上2 种电流各自在相邻转子导条中的相位移应相等或相差3 6 0 。的整数倍。这样2 套定子绕组才能通过转子相互作用。其笼型转子绕组同时耦合着具有不同极数的2 套 定子绕组，在电机中起着“极数转换器”的作用。电机稳定运行时，主、副绕组中分 别流过不周频率的三相对称电流，因此，将会有不同极数、不同转速的2 个旋转磁场 同时共存于同一电机中，在它们的作用下，主、副绕组中将分别产生与本绕组中电流 同频率的互感电动势( 旋转电动势) ，即主绕组中频率为 的定予电流通过转子的磁 耦合作用会在副绕组中产生与副绕组中电流岛同频率( 7 主) 的运动电动势。同理，副绕组 的电流将在主绕组中产生频率为石的运动电动势，从而产生机电能量转换。 由于目前我国仍有大量绕线式电机，只需稍加改造即可成为有刷双馈电机，加上 我国现在对于双馈电机的研究还刚刚起步，所以本文主要仍是对有刷双馈交流励磁电 动机的研究。 2 2a - b c 三相坐标系中的数学模型 有刷双馈电机在结构上与绕线型感应电动机相同，因此可以从绕线型感应电机知 道双馈电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究双馈电机的数学模型 时作如下的假设 1 2 1 电机是台极对数为1 的绕线式感应电机，且电机没有阻尼绕组 设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 。的电角度) ，所产生的磁势沿气隙圆周 按正弦规律分布。 忽略磁路的饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的 忽略铁心损耗的影响。 不考虑频率和温度对绕组电阻的影响。 图2 2 双馈电机的物理模型 由此，我们可以得到如图2 2 所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三 相绕组轴线a s 、b 。、c 。在空间上是固定的，以a s 轴为坐标参考轴，转子绕组轴线a r 、 b ，、c 。随转子旋转，转子a f 轴和定子a s 轴间的电角度0 为空间角位移变量。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，定子、转子各相绕组的电阻分别相等，即 r 。f b 严r 。尸h ( 2 2 ) r 一i r 严h ( 2 3 这样在实际的a - b - c 三相坐标系下，我们可以得到电机的数学模型，并将三相转子 绕组折算到定子侧后有下面的方程。 电压方程式： 一各绕组端电压； p 一各绕组电流； 旷一各绕组合成磁链： r 一各绕组电阻： 厂微分算子丢； 下标广定子侧参数： 下标r 一转子侧参数。 磁链方程式： _ l f ，出 矿b 矿廿 vd r 打 y 盯 00 0 0 00 0r 0 + p 巨 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中，对角线元素三。甜、缸b 、三。l 。l b ，6 ，、l 。是各有关绕组的自感， 其余各项则是绕组间的互感。，其中 l m flbsh=lcs。=l。寸lb(2-6) 上。a r = l h b r = l 。c ，吒w 斗p ( 2 7 ) 协，协：妇妒：o o o 0 0 o 0 缸盼跏如 kkkoo =oooooooooooo皿 盯 盯 矿 盯如如“加“ 打 打 打 打 打 如如如b “如 酊 甜 甜 盯如如如如“ 曲 订 付 出 甜“缸如“知b 打 加 苦 穹 h 苦缸k 如知“ 甜 田 田 甜 甜 甜“如“知如 三。广定子互感： “一定子漏感； 上。厂一转予互感； 工f ，_ 一转子漏感。 由于三相绕组轴线在空间的相位差是_ 2 _ r ，在假定气隙磁通为正统分布的条件 下，互感值为 k c 。s 等= l m ，c o s ( 一争一三k q q 所以： 三m 。：k 。= = k 。= 。k = 三一一l ，l 。 ( 2 9 ) 三。6 ，= 三= 工。= o 。；工，= 三一，= 一吉厶， ( 2 1 0 ) 又由于定子任一相与转子任一相间的位置是变化的，互感是角位移0 的函数，所 以 ；= ，= ：= 三，= 三。= 三= c o s 0 ( 2 一1 1 ) l m ：k 。：k 广上。= k 。= k 。= l = c o s ( 0 + 等) ( 2 叫2 ) k 。：k 。：k 。：k 。= k 。= k 。= l , 。c o s ( a 一等) ( 2 一1 3 ) 可以看出定转子间互感与转子位置0 有关是系统非线性的一个根源m 3 。为了把 参数转换成常参数需要利用坐标变换，这个问题将于下面讨论。 转矩方程式： t ：咿。峨屯，屹s i n p + ( i “，+ i b 。i 。, + i c f i , ) s i n ( 等) + ( i a , i c r + k f 。+ j 。0 ) s i n ( p 一习2 l ( 2 1 4 ) 巧一电磁转矩。 厂电机极对数。 i 4 华中科技大学硕士学位论文 一_ # = 目= l = 口= l = ；= = = ；4 l _ _ 日_ j 目= l ；_ _ _ 目 运动方程式： 正= 瓦十孝警 q 1 5 ) 死一负载转矩： 卜转动惯量。 以上各式构成了双馈电动机瞬态和稳态特性所需的全部方程式，也就是交流励磁 电动机的数学模型。 2 3 矢量变换技术 由于电感矩阵异常复杂，影响磁链和受磁链影响的因素太多，所以对于a - b c 三 相坐标下的交流励磁电机数学模型不说，要分析和求解这组非线性方程显然是十分困 难的。因此，为了要简化数学模型，必须从简化磁链的关系着手h 4 。 对于直流电机而言，它的数学模型比较，如图2 3 所示为二极直流电机的物理模 型，图中f 为励磁绕组，a 为电枢绕组，c 为补偿绕组。f 和c 都在定子上，只有a 在转子上。把f 的轴线称作直轴或d 轴，主磁通妒的方向就在d 轴上；a 和c 的轴线 则称为交轴或q 轴。虽然电枢本身是旋转的。但其绕组通过换向器电刷接到端接板上， 电刷将闭合的电枢绕组分成两条支路，一条支路的导线经过正电刷后归入另一条支路 中去，在负电刷下又有一条导线补回来。这样，每条支路中导线的电流方向永远是相 同的，因此，电枢磁势的轴线始终被电刷限定在q 轴位置上，好像一个在q 轴上静止 绕组的效果一样。但它实际上是旋转的，会切割d 轴的磁通而产生旋转电势，这又和 真正的静止绕组不样，通常把这种等效的静止绕组叫做“伪静止绕组”。电枢磁势 的作用可以用补偿绕组磁势抵消，或者由于其作用方向与d 轴垂直而对主磁通影响甚 微，所以直流电机的主磁通基本上难一地由励磁电流决定，这是直流电机的数学模型 及控制系统比较简单的根本原因。 如果能将交流励磁电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控 制问题就可以大为简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模型 彼此等效的原则是在不同坐标系下所产生的磁势完全一致。 为了控制转子电压的幅值、频率和相位，实现对双馈电机的转速、有功和无功的 控制，我们一般采用矢量控制技术，而矢量控制技术的基础就是坐标变换。其方法是 通过一定的坐标变换，将在a - b c 相坐标系下的带有耦合性的非线性方程变为解耦的 方程，最后得到与三相异步电动机等效的直流电机模型，从而达到控制电机简单明确 的目的。 jl q 六j = ： 、 o l 、f m 8 k 口_ ；c 图2 3 二极直流电机的物理模型 本文所做变换是三相静止坐标系a - b c 坐标系与两相旋转坐标系m t 坐标系之间 的变换。其中，m 轴与电机中定子总磁链方向一致，此时转予磁链与m 轴n 5 3 。这是 因为在双馈电机中，转予方为受控对象，且转速是变化的，并且考虑到只要控制转子 侧的量就可以调节电机定子侧的量，所以选择m - t 同步坐标系，并建立其数学模型 坐标系间关系如图2 4 所示。 弋 k 忒 t c _ ， 1 6 华中科技大学硕士学位论文 _ | _ 目i _ _ _ 目# 目自= # 目l ；自_ _ 目= 目目4 目；目 图2 4m - t 坐标系 臼。m - t 旋转坐标系m 轴和定子a s 相的夹角； 良一m - t 旋转坐标系m 轴和转子a r 相的夹角； 故可得定子三相变换到m t 坐标系的变换矩阵： c o s 幺 d c 脚= 1 _ s i n o ， 。3 1 1 l 疆 c 。s ( 见一_ 2 x ) j “n ( 只一马 j 1 4 2 。屯字 2 4m 丁坐标系中的数学模型 c 。s ( 见+ _ 2 n ) 一s i n ( 0 , + _ 2 x ) j l 2 ( 2 】6 ) ( 2 1 7 ) 在m t 坐标系中，可以把电流中的有效转矩分量和磁通分量分离成独立的两个变 量，便于实现对转矩和磁通的有效控制，改进传动系统中异步电机的控制特性。要实 现a - b c 坐标系向m t 坐标系的变换，可以利用( 2 - - 1 6 ) 和( 2 - - 1 7 ) 式所示的变换 矩阵得到双馈交流励磁电动机在m t 坐标系下的方程，分别为： “m s = o + p 杪舢一妒“c o o( 2 1 8 ) 【u “。r , i b + p g t “+ 妒。s c o o 甜m ，2 ，+ p g z r y 一。( q ) ( 2 - - 1 9 ) h ，= o i ，+ p 妒p + y 。，( c o o 一r ) 电磁转矩为： t|=一n秽|ri，(2-20) 卜。m 峨_ ( 2 - - 2 1 ) ly 。= t i 。+ l 。0 1 7 纷，纷， + + 1 2m 蛳上压 宝 专 华中科技大学硕士学位论文 j l _ _ l l _ _ _ e _ 目； = ；t 目= _ 目； ；_ _ e 目l _ ；_ x 妒m r5lmims+lr1mr(2-22) ly 。= l m 屯+ 三，o 其中，l k ，为电机定子电压；u m r ，为电机转子电压：0 9 0 为电机旋转磁场角 速度；，为电机转子角速度；p 为微分算子 一般来说，双馈电机在调速过程中的目的有三种“”： 全部补偿定子的无功功率，使o ：o ，称之为全补偿工作方式，从而可以改善 定子边的功率因数。根据资料，在此种情况下，对于5 0 1 0 0 k w 的电机，转子电流 比额定电流增加1 0 1 2 ，对于3 0 0 0 k w 的电机，转子的电流增加不超过2 3 。因 而在此种情况下，对双馈电机应增加转子绕组的容量。 最小损失工作方式，即是合理地分配定子电流和转子电流，使得在任何负载 情况下都能保证双馈调速的感应电动机的铜耗最小。根据资料，对于5 0 0 3 5 0 0 k w 的 感应电动机，在额定负载下，铜耗约减小1 5 3 0 。 第三种是转子电流最小的工作方式，可达到q 产o 。在此种情况下，变频器只 需提供电阻损耗和转差功率等有功功率，从而可以降低变频器的容量。 在本系统中我们选择第三种工作方式，在使电机的转速能够控制的前提下，忽略 电机转子的漏感的情况下使电机转子的无功功率q r i o ，从而使变频器的容量尽可能的 小，达到降低调速系统成本的目的，因而可以保持厶圹- o 来实现。 2 5 控制方法的选取 对于双馈电机来说，为了达到直流电动机的控制性能，必须将实际的交流量分解 成为有功分量和无功分量，进行双馈电机的矢量控制，并分别对有功和无功两个分量 进行闭环控制，这就构成了双通道从属调节的控制结构。 在前面选择的同步旋转m t 坐标系下，可以建立电机的双馈调速系统。在该系统 中，从式( 2 1 5 ) 可以看出通过调节双馈电机电磁转矩可以对电机的转速进行控制， 而由式( 2 2 0 ) 可以知道电磁转矩受0 的控制。通过控制l t r 就可以对双馈电机的转 速进行控制。所以选择双馈电机的转速作为被调节量，以转速调节为外环，以电磁转 矩调节为内环，通过p i 调节器构成双馈调速的t 的调节通道。在内环中，转矩是 1 8 通过转矩电流0 间接控制的，选择0 为受控量为控制量。从式( 2 1 9 ) 可以看出， 有一个交叉耦合信号，因而，可以通过前馈补偿的方式消除m 轴对t 轴的耦合影 响，从而可以达到m 轴对t 轴的解耦。因而在控制量中，即由式( 2 1 9 ) 变为 。一2 ，= r ，f ， 此时的传递函数的框图为图2 5 。 ( 2 2 3 ) 图2 5 t 通道进行解耦后的传递函数框图 在建立双馈调速系统的第二个调节通道时，选择转子的无功电流为调节量，“。 为控制量。通过p i 调节器，得到控制量，后对双馈电机的电流。进行控制，从而 达到控制电机无功的目的。其中，上标表示给定值。 2 6 矢量控制策略 在交流电机中，共有七个基本矢量：定子电压蜥、转子电压定子电流0 、转 子电流f r 、定子绕组总磁链、转子绕组总磁链坪、气隙合成磁链。选择不同的 定向矢量，所得的控制结构和控制性能也不相同。在同步电机矢量控制中，通常采用 的是以气隙合成磁链定向，但是，在交流励磁电动机的情况下，这种定向方法不 太合适。因为在电动机中，若以气隙磁链定向，则定子电压矢量与控制参考轴之间会 有一定的相位差。这样，有功、无功电流分量的计算就会变得相当复杂，使控制系统 复杂化，将影响控制系统实时性处理。因此，本文中的参考矢量选择为定子绕组总磁 链蛾。 将m t 坐标系的m 轴与定子磁链只的方向重合，此时，定子磁链在t 方向没有 分量，即= e 。在忽略绕组电阻时，则定子电压地在t 轴上，如图2 6 所示。 少 y ， b 卜 t 图2 6 交流励磁矢量图 将电机的有功功率p 和无功功率9 用m - t 坐标轴上的分量表示，则 户；u 。i 一+ 吼t( 2 2 4 ) q = u n i m s u 。i 。 由于k = 0 ，产以，故有 l p = u “j n = u s i “ ( 2 2 5 ) 旧= i 。，= u ，。i m ， 即电机定子侧有功功率p 与如成正比，而无功功率9 与k 成正比，所以在定子 电压以定向后，有功电流珏和无功电流k 分别决定了电机的有功功率和无功功率。 在以定子电压定向时，有y 。= 虬，= 0 ，于是由式( 2 2 1 ) 得： 肛5 ，。i m , 十三m i m ，( 2 2 6 ) 0 = l l i t s + l i ， 忽略定子绕组电阻时，由式( 2 - - 1 8 ) 可得： j “m2p，(2-27) i 。= 矿。， rr 若定子电压保持不变，则有以= “f 常数，虬= = 三= 常