（电机与电器专业论文）双馈电动机矢量控制研究.pdf

双馈电动机矢量控制研究 d o u b l y 亿d m a c h i n e f r e q u e n c y c o n 臼l s y s a e md e s i 弘 a t 伍斌，l i sa r t i c l ei n 昀d l l l h eb 蠲i sa 虹锄o fd o u b l y f b dm h i i l ea l l ds p e e d g i l l a t i o n ：t h m u g hc h a n g el h e 自眦n c y 鲫l b e l 仃i c u r c et o c o l 仃o lt h en u m b 盯o f n 珀c h i n e “：v o l u d 1 km a i 锄姐酊cm o d e lo f 曲u b l 舛酣m a c h i ：i sa6 s t 印e q u a l i 砌c hi s h i g h 斑i c r 舯u p l i n g 觚d o i l l 砌触盯i n l r o d u c o m p l c 】【o rm a n i p l l l a 虹锄d 鲫) c e e d c o m p l o rm a n i 叫a l i t oc l e c i 工i c 删i 咖o f 删曲i n e 锄de l e c 劬m 印e t i cs h j ge q 删o n ， w ec 缸g c tt h em 砒嘲n a t i cm o d c lo f d o u b l y f 酣m a 池t h u g hc o m p l e x o f 姗i p u l a t i o f s t a t o re l e c 仃0 联l 髓e 缸d i r e c t i f i 础n g ，m 抽锄a l i cn 斌l c l 晰ug e taf 删h e fs i m p l i c 时n w i l lm a k eav e f t i c a l 枷t i l d eo fs 协t 0 i rf l u xl i n i 【a g e 柚ds t a _ t o rc l e c t r i ca l 枷lf i n a l l y 既c i t a t i e l e = c t r i c 叫l i e n t sc o m l 瑚l e 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y 伽咀扛o lb r i d 萨锄dt h ed c 曲o - 伽咀v c r t e r u 坤m i g b t c o n n o lc h a i na d o p t1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pt ob c 胧l i nc o n 缸d u e r m a i nd i 眄 o fd s p1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i sd a ：t aa o q l l i s i t i o n ，s p dd e t e c t i ，e 舯rp r _ 慨t i o n 缸d 1 1 l e s y s t c i nl l h o l 乜c i e l n tt 0c h e c km l l i s 呲o re l e c t r i cc u 玳斌，锄da f i e rs l l i t a t l ec l l a i l g e w e 湖ti tt o 加p o nt 0 删c h a n g c 粕d 丘n a l l yw c 、】l ，i ug e tt h e 仃u ed i g i t a l 呻l n m s y s t e mu 辩h o l t ze l 咖e n tt oc h e c km 戤b _ i n es t 龇o re l e c t r i ca 舶崩n t ，觚d 加s l l i t a b l e 妇g e 眦蚓i tt d 加p 耐t o 删c h a n g ca n d 丘n a l l yw e 砌g e tt b em 砖d i g i t a ii 1 1 删 n u m e r a l i z a 畸o fs t a 衄f l 呱l i n l 【a g c sc o n l p l 麟o r 眦l n i p l d a 虹谢l l 姗ei n t ob e i n g 沈阳工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：d u o b 妙f b dm a c h i n e ， d s p ，v 曩r i a b l es p ds y s t 哪 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 日弓f 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：毕 导师签名：垒l 日期： ( 7 7 弓， 沈阳工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 调速系统的发展史 电力拖动系统发展到今天，已经不单是电动机拖动系统，还必须与高性能的控制系 统相结合来满足生产机械提出的各种工艺要求。随着人类社会文明的进步和发展，人们 对现代工业及生活设备的性能要求也越来越高。在这样的环境下，性能优良的自动电力 拖动系统是必不可少的。调速系统正是电机拖动技术和自动控制技术相结合的产物【1 1 。 自从1 8 3 4 年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中 得到了广泛的应用。它的主要优点在于调速范围宽广、静差小、稳定性好以及具有良婷 的动态性能。交流电动机本身有着直流电动机不具备的优点：没有电刷和换向器，结构 简单，坚固而寿命长【2 】。然而交流电动机在1 8 8 5 年出现后，由于一直没有理想的调速 方案，只被应用于恒速拖动领域。本世纪3 0 年代起，不少国家才开始提出各种交流电 动机调速的原始方案。晶闸管元件的出现使交流电动机调速的发展出现了一个飞跃，使 得采用半导体变流技术的交流调速得以实现 3 l 。 根据1 9 9 5 年全国第三次工业普查公布的统计资料，我国风机、水泵总装机容量约 为1 6 亿w ，年耗电量约3 2 0 0 亿w h ，占全国发电量的l 3 左右。变工况运行的风机、 水泵，如果能够采用调速控制，可大幅度节约能源。以一台风机负载为例，如果实际工 况要求风量降低到7 0 ，则电机转速要降低到额，则电机转速要降低到额定转速的7 0 ，此时电动机的功率降低到额定功率的4 9 ，节能效果非常显著。节约能源是我国 的一项长期的国策，研究开发更好的交流电机调速方案有较大的意义【4 】。 由于大部分的风机、水泵负载调速范围较小，一般为1 加7 额定转速，采用双馈电 机调速系统能够满足工艺要求的调速范围，而调速容量却比全范围调速的定子侧直接高 压交频器减小了2 3 ，同时由于采用了矢量控制技术及数字控制技术，双馈电机调速系 统具有良好的控制精度和动态响应，其应用范围可扩大到如轧钢控制的高控制性能的电 气传动领域。 双馈电动机矢量控制研究 1 2 双馈电机的技术发展状况 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【6 】。交流调速控制技术可归纳为：相位控制：变压变频( 、r 、n ，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l o 御，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己系列化生产双馈电动机，如哈尔科夫公司系列 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) 【刀。法国a 1 s i 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，并己在工 业电力传动领域应用i s l 。 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 0 m 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，并己在大型抽水蓄能电站投入使用唧。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。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 双馈电机的技术优势 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【1 0 1 。 ( 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1 5 七0 。另外，在中大型交流调速系统中，双馈电机 定子绕组直接接6 k v ，l o k v 的工频电网，而转予绕组可设计为低压，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。 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，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【1 。 ( 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，送电距离日益增长，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。吸收和发出无功功率的能力 双馈电动机矢量控制研究 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。 由于双馈发电机的技术优势已逐步在工业应用领域体现，目前国外正在进一步对大 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 4 双馈电机的工业应用前景 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、压缩机等机械的调速传动，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，条件的进一步成熟， 双馈电机必将在我国得到很好的推广应用。 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 理的调速方案，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【1 2 1 。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 5 需解决的技术问题 ( 1 ) 电机定、转子绕组与励磁变频装置匹配的研究a 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。 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 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。 1 6 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介绍 了矢量控制技术，对矢量交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 r 上的数学模型。给出矢量控制方程和基于定子磁场定向矢 量控制框图。 ( 2 ) 简要介绍了变频器和s p w m 技术，主要讲述了变频调速的原理及s p w m 波的 生成方法。 、( 3 ) 对双馈电机调速系统进行硬件设计。描述了该系统的交一直一交变频器主电路及 其控制系统的组成环节。 ( 4 ) 用d s p ( 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 控制器芯片为主控制器实现了控制系统的硬件设计及 软件设计。 双馈电动机矢量控制研究 2 双馈电机和矢量控制技术 2 1 双馈电机运行的基本原理 绕线式感应电机交频调速的一种方法，是将定子绕组由工频电源供电而将其转子绕 组由变频电源供电，调节转予电源的频率就可以调速。线绕式感应电机的变频调速方法， 与鼠笼式感应电机变频调速时单由定予侧供电不同，它是由定子侧和转子侧双方馈电 的，因此称为双馈感应电机【1 3 1 。如图2 1 所示。 图2 1 双馈电机调速系统简图 f 唔2 1s 吼p l i 矗e d 掣a p ho f d o 、烈舛hm 勰l l i l 碍锄ds p e e d g l l l a l i 硼s y s i e m 电网 双馈电机的基本原理可简述如下，由电机学知，在稳态运行时，任何旋转电机的定、 转子磁场都是相对静止的。对于绕式感应电机，如将转子绕组开路，单独在定子绕组中 通以频率为正的三相交流电，则形成一个相对于定子其电角速度为鳓= 2 顽；的旋转磁 场，而转子静止不动；如果将定子绕组开路，单独在转子绕组中通以频率为厶的三相交 流电，则形成一个对于转子其电角速度为国，= 2 矾的旋转磁场，转子也静止不动。现在， 如果将定、转子绕组同时通以频率为，。的三相交流电，并且使定、转子磁场同向旋 转，则两个磁场将像同步电机的定、转子磁场那样n 、s 极相互吸引并保持同步( 即两磁 场相对静止) ，而转子本身仍保持静止不动。然而，如果降低转子电源的频率，则转子 一6 一 沈阳l 业丈学硕士学位论文 磁场相对于转子的电角速度也降低。但是，只要定、转子两个磁场足够强，则两个磁场 的n 、s 极间吸引力将使转子本身以及它拖动的负载开始转动并且加速，而转子磁场电 角速度降低的部份将由转子的电角速度，补足，从而使两个磁场仍然保持为同步。如果 逐步将转子电源的频率厶降低至零，则转子的转速将达到定子磁场的同步速。这时如果 将转子电源的频率厶变为负值( 即改变转子电源的相序) 以使转子磁场反向旋转，则转子 转速将超过定子磁场的同步速。此外，如果在开始时是将转子电源频率由正= z 而增大， 即使厶) 五，则转子一开始就将沿着定子磁场相反的方向加速，因而电机反彬1 4 j 。 双馈电机的转速可以用下式表示： q 2 q + 埘， ( 2 1 ) 式中乱定子旋转磁场在空间的角速度； 彩。转子旋转磁场对转子的角速度； ，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。 2 2 双馈电机的多变量数学模型 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、强祸合的多变量系统。在研究双馈电机数学模型时 为了便于研究，在工程上允许的条件下，常作如下假设： ( 1 ) 忽略空间谐波。认为三相绕组是对称的，空间互差1 2 0 电角度，故所产生的磁 动势沿气隙圆周按正弦规律分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。s 双馈电动机矢量控制研究 ( 3 ) 忽略铁芯损耗【1 5 】。， 这样可以得到： ( 1 ) 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为： 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： 上式若以微分算子p 代替d d t ，且用矩阵形式表示则可以写成： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 ) 磁链方程式 每个绕组的磁链是它本身自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可表达为： 上船 三 k 上柚 l c b 工 上w 厶、c 上葩 上 k 一8 工加 工鼬 工。 上甜 k k 舯 肋 三 曲 上曲 k 三月f 三雎 k k k k ( 2 5 ) 一 厅一 c 一 帆百帆百监出 + + + r r r “ b k = = = 幻 妇 配 毗百毗百毗百 + + + z 2 2 r r 足 0 b 0 = = = 如 如 以 虬眈 bkkb o o o o 0 如 o o o o 砭o o o 0 如o o o o 墨o o o o 墨o o o o 墨o o o o o 卿卿比如绯以 0b0kh0助助助助助幻 虬饥 沈阳j ：业大学硕 学伊论文 其中，甜，“口，甜c ，甜。，“6 ，“c 定子和转子相电压的瞬时值； ，如，t ，定子和转子相电流的瞬时值； r i ，r2 定子和转子绕组电阻。 厶。，由漏磁通产生的定子和转子漏感。 k = 三。= k ：定子和转子互感。 由于每相绕组所交链的磁通是互感磁通与漏磁通之和，所以可以得到定子各相自感 为： 4 = 工口且= c c = 三。l + 三f 1 转子各相自感为： 三。= 三拈= 三。= m i + 厶2 两相绕组之间只有互感，互感分为两类。一类是定子三相彼此之间和转子三相彼此 之间的互感，由于位置是固定的，故互感为常值；另一类是定子任一相和转子任一相之 间的互感，由于位置是变化的，故互感是角位移毋的函数。对于第类互感，由于三胡 绕组的轴线在空间的相位差是1 2 0 度，在气隙磁通为正弦分布的假定下，互感值为 lc o s l 搿= 一1 2 0 p ) = - 1 2 于是可以得到： 。= 三。= 厶，= 上。= 三。：工。：一三 如= k = 乞= 乞= k = 乞：一每 ( 2 6 ) 而第二类互感，与角位移口有关，分别为： l = 乙= = k = k = k = 厶。c o s ( 回 k = 毛= k = 岛= 乞= k = 0 0 6 妒+ l 那) k = 毛= = 如= 如= k = 厶。c o s ( 口一1 2 矿) ( 2 7 ) 将磁链方程代入电压方程则： 9 一 舣馈电动机矢肇控制研究 渊帅c 妒眦苦+ 苦揪斗工罟+ 刎等 亿s ， 式中：三d 拙是电磁感应电动势中的脉变电动势； 嚣捌是电磁感应电动势中与转速啡成正比的旋转电动势。 ( 3 ) 运动方程 在一般情况下，电气传动系统的运动方程是： 疋却丢鲁+ 昙+ 鲁p 眨。， 式中：死负载阻转矩； ，机组的转动惯量： 卜与转速成正比的阻转矩阻尼系数； 酪一扭转弹性转矩系数； ，扩一极对数【1 6 l ； 对于恒转矩负载，d = o ，k = o ，则： = 瓦+ 妄苦 ( 2 1 0 ) ( 4 ) 转矩方程 按照机电能量转换原理，可以求出电磁转矩l 的表达式如下： 互= 嘛 ( 弛+ 砚+ 弛) s 岫p + ( 编+ 弛+ 砚) s 吐舢1 2 0 d ) + ( 骐+ 弛+ 瓴) s 醢口一1 2 0 0 ) ( 2 1 1 ) 由以上方程式可知，双馈电机的强藕合性主要表现在磁链和转矩方程中，既有三相 绕组之间的耦合，又有定、转子电流之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电 感矩阵。通常需要用坐标转换的方法加以改造，最后得出与三相双馈电机等效的直流电 机模型f 1 7 l 。 2 3 矢量控制系统的构想 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 1 矢量控制的引出 矢量控制理论由德国的f bl 髂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，目前己达到成熟阶段。 直流电动机具有优越的调速性能。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 l 。】。 下面分析双馈电动机的情况： ( 1 ) 定子通三相正弦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 ) 双馈电机的转子是绕线型的，接变频器，则定子和转予都可调节电流，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【1 9 1 。 双馈电机调速性能不够好，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，就要使用矢量控制。 2 3 2 异步电机的坐标转换结构图和等效直流电机模型 矢量控制技术首先应用于异步电机，对异步电机的矢量控制加以研究，便可直接用 于双馈电机之上。 在异步电动机中，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下定子电流的 ，如，屯通过3 尼变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流，通过旋转变换， 双馈电动机矢量控制研究 可以等效成同步坐标系下的直流电流“，。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋 转，他所看到的便是一台直流电机，原交流电机的转子总磁通欢就是等效直流电机的磁 通，m 绕组相当于直流电机的励磁绕组、“相当于励磁电流，t 绕组相当于伪静止的 电枢绕组、相当于与转矩成正比的电枢电流。 2 3 3 矢量控制的构想 异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制方法，求 得直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了踟。 由于进行坐标变换的是电流( 代表磁动势) 的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现 的控制系统就叫矢量变换控制系统( 1 h 璐v c c t o rc o n 们ls y s 钯m ) 或矢量控制系统( 、，e c t o r c o 曲ls y s t e m ) ，所设想的结构图如图2 4 所示。图中给定和反馈信号经过类似于直流 调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号“和电枢电流的给定信号。经过 反旋转变v r r 得到屯。，l 小，再经过2 3 交换得到，+ ，屯。把三个电流控 制信号和由控制器直接得到的频率控制信号m 加到带电流控制的变频器上，就可以输出 异步电机调速所需的三相交频电流。 在设计矢量控制系统时可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器v r 。1 与电机 内部的旋转变换环节v r 抵消，2 3 变换器与电机内部的3 ，2 变换环节抵消，如果再忽略 变频器中可能产生的滞后，剩下的部分就和直流调速系统非常相似了。可以想象，矢量 控制交流变压变频调速系统的静、动态性能应该完全能够与直流调速系统相媲美。， 2 4 坐标变换 2 4 1 从三相到两相的静止坐标变换( 3 s 2 s ) 由简单的三角函数关系推导出由静止b ，c 系到口，系的变换矩阵【c 】，：( 推导 从略) 沈刖i ：业大学硕七学位论文 阮：= 存 l一三一! o 鱼一鱼 22 lll 压矗厄 ( 2 ，1 2 ) 若为三相平衡系统，甜。+ “。+ 材c = o 则式( 2 1 2 ) 矩阵的第三行系数为零r 于是可 写为： 阮：= 存 l一三一三 22 。巫一笪 2 2 可得到两相静止电流，与三相静止电流，f c 之间的关系式 对( 2 1 3 ) 进行逆变换，得到两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵 【c 】3 ，：- l - ：、厍 yj l0 1 3 22 13 2 2 2 4 2 从两相静止到两相旋转得坐标变换( 2 s 2 r 变换) 两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为： ，= 离； 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： ，地f k = 鞠 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 1- k b k 。l 2b c 【 = 1j k l 舣馈电动机久缱控制研究 从而得到0 ，和，之间的关系式 讣，园 将 c 】3 。与 c 】：。，合并可得： ，= 存 其反变换式为【2 1 】： c 。s 口 c 。s ( 口一昙万) 一s i n p s i n ( 口一丌) 11 压压 扩：，1 - 、厍 yj c o s 曰一s i n 口 c o s ( p 一丌) c o s ( 口+ 万) “n ( p 一昙万) j “n ( 曰+ 罢万) j 2 5 双馈电机在两相坐标系上的数学模型 l i 1 i l 压 2 5 1 双馈电机在两相任意旋转坐标系( d q 坐标系) 上的数学模型 变换后得到的数学模型如下： ( 1 ) 电压方程： 甜讥 材州 “j 2 甜口2 + l s p l l 上， 工。p 1 2 上m qj 上， + 三，p 彩1 2 三m 工。p l 。p q l 。 r 2 + 三，p 1 2 m q 1 三。 三，p q 2 三， r 2 + l r p i d l l 们 f d 2 i q 2 式中，定子各量均用下角标l 表示，转子各量用2 表示。 k - d q 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感，l = 昙k 三，d q 坐标系定子等效绕组的自感。；= 工。+ ，。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ，御：p 一：压 沈阳工业大学硕士学位论文 1 d q 坐标系转子等效绕组的自感，上，= + 厶： 应该注意，两相绕组互感k 是原三相绕组中任意两相间最大互感( 当轴线图重合时) 厶：的3 陀倍，这是因为用两相取代了三相的缘故 ( 2 ) 磁链方程 缈以 致l y d 2 缈口2 ( 2 2 0 ) 由于变换到面坐标系上以后，定子和转子等效绕组都落在两根轴上，而且两轴互 相垂直，它们之间没有互感的耦合关系，互感磁链只在同轴绕组之间存在，所以式中的 每个磁链分量只剩下两项了。可是，由于定、转子绕组与坐标轴之间都有相对运动，它 们都属于伪静止绕组，每轴磁通在与之垂直的绕组中还要产生旋转电动势，这些电动势 项都与相对转速q ，q ：成正比，可在( 2 1 9 ) 所示的电压方程中找到。 ( 3 ) 转矩和运动方程 t 邗，“：吨。户瓦+ 丢鲁 ( 2 2 ” 电压方程( 2 。1 9 ) 等号右侧的系数矩阵中，含r 项表示电阻压降，含三。项表示电感 压降( 即脉变电动势) ，冶国项表示旋转电动势。为了使物理概念更清楚，可以把他们分 开来写，考虑到( 2 5 ) 的磁链方程，即得： “扪 材一 甜一2 材口2 置 o o o 蜀 o o o 是 ooo o q i q i o oo 0o 令“= k 。蚴： o o o 足2 0 l l 一 l d 2 2 oo o0 o 一鳓2 q 2 o j 7 + i 矾 l 1 l d 2 l 口2 ( 2 2 2 ) + o 0 o k o o o t o k 厶o k o o k o 厶 k o o o t o 0 t o k o 双馈电动机矢量控制研究 r = 旋转电动势矢量 则式( 2 1 7 ) 变成 蜀 o o o 0 墨 o 0 o o 震2 o o o o 盂2 0 一q l oo q i ooo ooo 一卿2 oo q 2 0 铲暖j + 印f + p ， l 0 l o 妒以 妒口l 缈d 2 y 4 2 o l o k 瓦 o o q l 0 l q l l l c ，棚 一q 2 2 q 2 2 o 厶 o l ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 式( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 表明双馈电机的数学模型具有以下性质： ( 1 ) 双馈电机可以看作一个双输入双输出系统，输入量是电压矢量簦和定子d q 坐标 轴的相对角速度q ，输出量是磁链矢量妒和转子角速度国。电流矢量可以看作状态矢 量，它和磁链矢量之间有由式( 2 1 9 ) 确定的关系。 ( 2 ) 非线性因素存在于产生旋转电动势和电磁转矩的两个环节上。此外，系统其它 部分都是线性关系。这和直流电机弱磁控制的情况相似。 ( 3 ) 多变量之间的耦合关系主要体现在旋转电动势上。如果忽略旋转电动的影响， 系统便容易简化成单变量系统了。 2 5 2 双馈电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 在m t 同步坐标系上的数学模型是任意旋转坐标系d q 上数学模型的一个特例，对 双馈电机的仿真建模有十分重要的作用。它的突出优点是，当a ，b ，c 坐标系中得变量 为正弦函数时，m r 坐标系中的变量是直流。只要旋转角速度( 坐标系相对于定子的角速 度) 等于定子频率的同步角速度q ，而转速为国，m 轴相对转子的角速度 q ：= 叻- 啡= 蛾，即转差，就可得到同步坐标系a 将坐标轴的角速度关系带入( 2 1 9 ) 的同 步旋转坐标系上的电压方程： 沈阳i ：业人学硕t 学侥论文 r l + 三。p qj ， 。p q 2 。 一q i ， r 、+ l 。p 峨2 工。 l m p 。p q 1 。 r 2 + 三，p q 2 。 一劬l 。 l 。p 一嘶2 上， r 2 + 上，p l z 7 哳2 f r 2 ( 2 2 5 ) 磁链方程，转矩方程和运动方程保持不变，只要将相应得下角标变动即可。 吖i 矿r 1 l f ， 彳2 r 2 m t 轴上得电磁转矩方程为： t o o ， 三。 o o 工。 k o 0 。 工 o o 三。 疋2 n ，三，( l0 2 。0 lf r 2 ) 式( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 就是双馈电机的数学模型。 2 6 定子磁场定向的双馈电机矢量控制调速系统 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 双馈电机可以按以定子磁场，转子磁场，或气隙磁场中的某一旋转的空间矢量为参 考坐标，其效果是一样的【2 3 1 ，本文应用按定子磁场定向的矢量控制。 2 6 1 双馈电机按定子磁场定向的矢量控制原理 前面介绍了双馈电机在m t 坐标系下的数学模型，用方程组形式表示如下： 电压方程： “l 。置0 l + p l 。蚧iq “丌= r lf 九+ p 妒丌+ y m l l “ f 2 = r 2 啊2 叶- p 2 。r 2 国， “，2 = 岛2 p 妒，2 + 耐2 吐0 磁链方程： l ，m 2 l s t m + l 。i m l 妒n 。tf r l + 工。r 2 双馈电动机欠量控制研究 转矩方程 妒m 2 = l ? i m 2 + l m i m 眇r 2 = ，f r 2 + 工。f 丌 疋2 行，上。( 啊0 2 。0 - f 2 ) 彩，2 q 。， m ，t 轴系具体矢量与静止轴系的关系如图2 2 所示 b 口l j 。 | k 心 r 图2 2 、m t 轴系中的矢量图与静止轴系的关系 f i g 2 2t h er e l a t d m h i po f 蛐r 鲫h 锄ds 协t i o n a 叫a x l ei nm ts h 世i n g 忽略定子绕组电阻时蜀= 0 ，定子电压【，。领先于y 。9 0 。时间电角度。因此 甜吖l = o“九= 甜t 因定子绕组接于无穷大电网，所以“l 恒定不变。p ：o ，= q = 常数。 所以 f ；生f 丌 工，7 2 一1 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 。拧，三，( 岛1 2 0 1 2 ) 聆p 巳y l 彳r 2 所以，只要控制转子电流0 2 ，：就可以达到控制定子电流量0 。，啊的目的。因 = 嘞，q = 常数，故调节如可以调节转矩。 由于= 卿= 常数，即0 。+ 0 2 = 常数。则可令0 ，= o ，让0 ：提供全部励磁，这样 定子电流不产生无功功率，提高了响应速度。 由于0 。= o ，则= ，定子电流的转矩分量和转子电流的转矩分量大小相等，方向 相反，知道定子电流便可求得f 2 在t 轴上的分量：。 在确定0 ：，2 之后，由坐标变换到转子二相尾坐标系，再经2 3 变换得到三相 转子电流乇，f 。，。坐标式如下： 黔 1 螂 一锄“万 酬一；万，一砸一詈万) 击 c o + 詈力一酬+ 詈石) 击 )j 2 将所求得的三相转子电流，f 。，作为给定值送到p w m 调制器作为调制信号， 得到p w m 波形，进而得到i g b t 的触发信号。 2 6 2 定子磁链观测器 定子磁场定向时，需要测出实际定子磁链的位置，即它相对于定予a 相的相位。现 在使用的系统中，多采用间接观测的方法，即检测出电压，电流或转速等容易测得的物 理量，利用定子磁链观测器实时计算磁链的相位。本文采用电压模型的定子磁链观测器 原理如图2 3 ，忽略定子绕组电阻时焉= o ，定子电压u 领先于奶9 0 。电角度。所以只要 确定值，则有纸。= 卢一9 0 。定予电压在坐标变换时可求得值。 双馈电动机矢量控制研究 t a 图2 3 定子磁链的位置矢量图 f 弛2 3c 咖p l e x 啊g f a p ho f m es i t l i 撕o f s 啪rn 强l i n k a g e 采用电压模型的磁通观测器具有以下优点： ( 1 ) 定子接于无穷大电网，所以定子电压是稳定的工频电压，谐波小。 ( 2 ) 电压模型结构简单，工作可靠洲。 2 6 3 双馈电机控制系统框图 图2 4 是按定子磁场定向的双馈电机矢量控制变频调速系统的原理框图。通过转速 q 构成的外环，把速度调节转换为相应的：调节。：调节与给定的0 2 通过坐标变换 得到转子三相电流的给定值，然后通过p i 控制环节，将转子电流作为控制内环。最终 得到转子电流控制信号，控制主回路的变频器产生转子的输入电流。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 4 按定子磁场定向的双馈电机矢量控制变频调速系统的原理框图 f 嘻2 4a 菇伽鲫ho f d o u b 蛳酣础时l i l l e s湖p l c x 盯c o f m d i 姗r d i i l g 幻s 扭t 叫e l e c 仃。脚印鲥c d 枷i i l g 一2 l 一 双馈电动机矢量控制研究 3 变频器与s p w m 技术 3 1 变频调速的基本原理 异步电机的同步转速，即旋转磁场的转速为 7 碣：盟( 3 1 )瑞= o 【3 1 ) 拧， 式中，l l 同步转速( r ，i n i l l ) z 定子频率( h z ) 疗。磁极对数 而异步电动机的轴转速为 甩：啊( 1 一j ) ：盟( 1 s ) ( 3 2 ) 行， 式中r 异步电机的转差率，产( 伪1 ) 啊。 改变电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行【2 5 1 。 异步电动机的交频调速必须按照一定的规律，同时改变其定子电压和频率，即必须 通过变频装置获得电压，频率均可调节的供电电源，实现所谓的、n ，、，f ( v 硝a b l ev o l t a g e v a l i a b l e 矗鹎e n c e ) 的调速。通用变频器可适应这种异步电动机变频调速的基本要求。对 异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。下面说明怎样才能 使气隙磁通保持恒定。 由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： l = 4 4 4 工。丸 ( 3 3 ) 式中e 定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值( v ) ； 五定子频率( h z ) ； l 定子相绕组有效匝数； 九每极磁通量( w b ) 沈阳工业大学硕士学位论文 由上式可见，丸的值是由置和石共同决定的，对z 和岛进行适当的控制，就可以 使气隙磁通九保持额定值不变。异步电动机变频调速的基本控制方式如图3 1 所示。异 步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频 装置获得电压，频率均可调节的供电电源，实现所谓的、n ，、，f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e 五c e q e n c c ) 的调速控制。通用变频器可适应这种异步电动机变频调速的基本要求。 图3 1 异步电动机变频调速时的控制特性 f i 孚3 1 n 灯o l l e dc t l a m 晰o f 鹤y i l c h 砌：i i z 鲥m 越h i l l e 缸q 删姗仃0 l 3 2s p w m 技术