（电机与电器专业论文）变速恒频双馈异步电机的控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ed o u b l e - f e dc o n t r o ls t r a t e g yf o rw o u n d - r o t o ri n d u c t i o nm a c h i n e i si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r n ed o u b l e f e dm a c h i n e sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e c o n t r o lo f t h ed o u b l e - p w mc o n v e r t e ra r ea l s os t u d i e d t l l es t a t o rs i d eo ft h ed o u b l y - f e dg e n e r a t o rd i r e c t l yc o n n e c tt ot h e 鲥d t h er o t o r s i d ec o n n e c tt ot h eg r i db yt h ed u a l p w mc o n v e r t e r t h er o t o rs i d ei n v e r t e ru s et h e s t a t o r sf l u xf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt oa c h i e v et h eg e n e r a t o rs p e e d sr e g u l a t i o n a n dt h e 妒dr e c t f i e ru s et h eg r i d sc o l t a g ef i e l do r i e n t e ds y n c h r o n o u sp ic o n t r o lt o a c h i e v et h ep u r p o s e so fd c v o l t a g ec o n s t a n ta n dp o w e rf a c t o ru n d e ru n i t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mo p e r a t i o na n dc o n t r o lo b j e c t , f i r s t l y c a r r yo nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h ea u t h o r e s t a b l i s hai n t e g r a lm o d e lo ft i m i n gs y s t e mw i t hd o u b l y - f e da s y n c h r o n o u sm o t o rt o s i m u l a t et h es y s t e mi nd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s 1 h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n t r o ls y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f a s tr e s p o n s e , a n dt h e d o u b l y - f e dm o t o rc a na c h i e v ep o w e rd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 i no r d e rt or e s e a r c ht h et i m i n gs y s t e mi nl a b o r a t o r y , t h i st h e s i s d e s i g n sa l l e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt or e s e a r c ht h ew o r kp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fd o u b l y - f e d m o t o r a nw o u n ds y n c h r o n o u sm o t o ri su s e dt os i m u l a t et h ed o u b l y - f e ds y n c h r o n o u s m o t o ra n di ts u p p o r t e db yt h ed o u b l e p w mc o n v e r t e ra n dt h ec o n t r o ls y s t e mw i t hd s p a st h ec o r e o nt h i sp a l t f o r mt h et h e s i sc o m p l e t e st h ee x p e r i m e n tt l l a tu n d e rt h e n o n - l o a dc o n d i t i o nt os i m u l a t et h ew h o l ep r o c e s so ft h es u p e r - s y n c h r o n o u sa n d u n d e r - s y n c h r o n o u se l e c t i c a lr u n n i n go fd o u b l y - f e ds y n c h r o n o u sm o t o r e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mp l a t f o r mc a nb eu s e dt oa c h i e v ev a r i a b l es p e e da n d c o n s t a n tf r e q u e n c yo p e r a t i o nf o rd o u b l y - f e da s y n c h r o n o u sm o t o r , t i m i n gr e s u l ti s o b v i o u s ，r u n n i n gi ss t a b l e k e y w o r d s ：v a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y ( v s c f ) ；d o u b l y - f e dm a c h i n e ； v e c t o rc o n t r 0 1 c l a s s n o ：t m 315 ；t m 3 4 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授和林飞副教授的悉心指导下完成的。 林飞老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心，他的悉心指导使我能够顺利完成科研课题，在 此表示衷心的感谢! 郑琼林教授对我的论文完成也给予了很大的帮助。郑老师渊博 的知识、正直的人品、力求完美的做事风格和对待工作的兢兢业业为我树立了科 学工作者的榜样。 在论文的研究过程中，得到了游小杰教授、杨中平副教授、郝瑞祥老师、孙 湖老师、黄先进老师、张立伟博士后的指导及帮助，同时还得到了乔明、訾振宁、 杨晓峰、马亮、王瑞、黄泳均、冉旺等同学在试验室工作上的鼎力相助。在此向 他们表示诚挚的谢意。 最后，感谢我的父母及所有的亲人朋友，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近十年来人类社会的发展已经步入了飞速发展的新时期，全球经济一体化的 趋势日益明显。信息、能源和材料三大支柱产业是二十一世纪人类走向新文明的 重要基石，而其中的能源产业不仅对发达国家产生着深远的影响，而且也是制约 着发展中国家能否实现经济快速发展的一个重要因素。近年来，国内大范围出现 电力短缺问题，不仅在一定程度上影响了我国经济的快速发展和人民生活水平的 不断提高，同时也反映出能源问题对于中国这样的一个发展中大国，其影响更是 深远而重大。我国政府充分认识到能源问题的重要性，并在“十五”发展计划中将机 电一体化制造技术与能源建设列为首要发展的重点项目之一，以确保国民经济持 续稳定、健康快速发展，实现可持续发展的长远战略目标。 电气传动系统作为能源体系的一个重要的组成部分，是机电一体化能源建设 和先进制造技术的一个重要方面，它是以电能作为动力的机械和设备的组成部分， 是从电网到生产机械的一个完整的系统，是以调节电动机的转速或者位置为目的， 进而满足现场工艺的各种要求，例如：轧机控制系统对于动、静态性能的要求， 风机、水泵类调速控制系统对于节能的要求等。 电气传动控制技术是随着整个工业生产和科技进步的发展而不断发展的，电 力传动调速技术发展初期是以直流电机调速技术的不断成熟和完善为代表的。由 于直流调速具有数学模型简单、控制系统易于实现等诸多优点，在十九世纪三十 年代n - - 十世纪七十年代期间得到了广泛的应用，尤其是在机械制造领域中，对 控制系统的动、静态品质具有较高要求的情况下，直流传动控制系统一直是首选 的电气传动方式。然而，直流电机由于具有电刷和换向器等机械结构，存在着固 有的“换向”这一理论和技术上的实际困难，限制了其应用范围，特别是在大功率和 高电压条件下的应用。另外，直流电机维护困难，易产生火花也使得提高电机转 速和极限容量受到了限制；转子转动惯量大、动态响应较慢、效率低等不足也使 其发展和应用受到了很大的限制【l 】。二十世纪八十年代末期，随着交流异步电动机 的产生，特别是随着新型大功率电力电子元器件的不断涌现以及微电子技术和智 能芯片等新技术的迅猛发展，电气传动进入了交流调速传动的快速发展时期，从 而开辟了电气传动的新时代。交流传动较之直流传动具有不可比拟的优点：机械 结构简单，减少了维修工作，突破了直流电动机的转速、容量限制，转动惯量减 少、动态响应提高，节水、节电效果显著，电机体积、重量大幅度降低，造价进 一步得到降低。 随着市场需求的大量增加，变频器也作为比较成熟的控制设备，被广泛的应 用到机械、纺织、化工、冶金、食品等行业以及风机、水泵等有节能控制要求的 场合并取得了显著的经济效益。随着各种高压、大电流功率器件( 如：s c r 、g t o 、 i g b t 、i g c t 、i p m ) 锘i j 造技术的快速发展以及倍压、倍流技术的发展应用，使得高 压、大功率变频器产品逐步成熟并进入实用化阶段。矢量控制、磁通轨迹控制、 直接转矩控制、模糊控制、智能控制等新的控制理论的发展，也为高性能的变频 器制造和广泛应用提供了坚实的理论基础。随着现代微电子技术的飞速发展，3 2 位高速微处理器将不可避免的逐步取代1 6 位处理器而成为主流。数字信号处理器 ( d s p ) 和电机控制专用集成电路的出现，为实现变频器的高精度、多功能化提供了 硬件支持和保障。就在学术界为传统的交流电机：同步电机和感应电机( 包括鼠笼 型电动机和绕线型电动机1 开发各种形式的变频器时，人们逐步发现：为了提高性 能和可靠性，传统电机控制系统中采用的控制策略往往十分复杂而效果却不够理 想。随着控制对象功率容量的不断提高，相应电控设备的制造成本亦快速增加， 为得到理想的控制性能，花费的代价相当昂贵。如今，用户迫切需要的是高性能， 高可靠性，节能又无污染，价格更便宜的电气传动调速系统。目前在学术界基本 达成一个共识，即从电网到电源变换和电动机工况以及负载对象等都应该作为一 个整体来考虑，从整体优化的角度开发出新型电机及其相应的控制系统，发挥整 体的优势而不仅仅对电机本体或者是控制器进行优化【2 1 。 目前广泛使用的交流电机一般分为同步电机和感应电机两大类，其中同步电 机主要应用在电动机转速需要与电网频率严格同步的场合。相比而言，感应电机 由于有转差，运行在转速不要求与电网严格同步的场合，因而使用更为广泛。传 统的异步电动机主要分为两类：鼠笼式感应电动机( s q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm o t o r ) 和绕线型感应电动机( r o t o r - w o u n di n d u c t i o nm o t o r ) 。双馈电动机正是利用绕线型感 应电动机自身的结构特点，将电动机的定子直接联接到三相对称工频电网上，而 绕线型转子采用交流变频电源供电，并采用相应的控制策略来控制转子电流的幅 值、频率、相位和相序。由于电机的定、转子同时独立供电并进行调速控制，故 称之为电机双馈调速。双馈电机调速的出现及发展可望有效的解决制约传统交流 电机及其调速系统发展的某些关键技术问题，以及水力、风力发电系统中的变速 恒频运行的问题。因此对双馈电机进行更加深入的研究，掌握其特殊的运行规律， 对于国民经济和特别是在工业领域内的广泛应用，都具有十分重要的意义。 具体来说有以下几点： ( 1 ) 双馈电机作为变频调速电动机，应用于大容量电气传动系统时，由于双 馈电机系统所使用的转子侧的变频电源只调节转差能量，在调速范围比较小的情 2 况下，转差能量相对于整个电机的容量是比较小的，和定子侧直接变频的系统比 较，所需变频器的容量较普通变频调速系统相比得到大幅减少，可显著降低调速 系统的成本。 ( 2 ) 感应电动机由于具有结构简单、运行可靠、制造容易和价格低廉的优点 所以广泛的应用于工农业生产中，例如工业中大量的机床、水泵、冶金、矿山设 备与轻工业机械等都用它作为原动机，其容量从几千瓦到几千千瓦，甚至日益普 及的家用电器领域。感应电机的固有缺点是：它必须从电网吸收滞后的无功功率。 双馈调速系统不但能对双馈电机进行从次同步速至超同步速的较大范围内的调 速，而且更为可贵的是，它还能同时对定子侧的功率因数进行有效的调节，使得 电机可以在高功率因数状态下运行，甚至向电网发出无功功率，这对于整个电网 的稳定运行和提高系统的效率都是十分有利。 ( 3 ) 双馈调速系统中采用绕线型感应电机作为双馈控制系统的电机本体，充 分利用已经掌握的传统绕线型感应电动机的成熟制造技术，既降低了开发成本， 又充分利用了绕线型感应电机的结构特点，拓展了它在双馈条件下的应用，改善 了系统整体性能。 一 ( 4 ) 双馈电机集中了同步电动机和感应电动机的特点，作为变速恒频交流发 电机应用于水力或风力发电系统时，由于能在次同步速至超同步速的较大范围内 都能发出频率稳定的交流电，与电网的联接属于柔性联接，因此大大提高电力系 统的稳定性和可靠运行。在电网发生扰动时，双馈电机系统可以通过快速改变转 子侧频率的方法来迅速改变转速，充分利用转子动能，以达到释放或吸收能量， 补偿电网扰动的目的。 基于以上几点，有理由相信，双馈电机系统的应用具有广阔的发展前景，对 双馈电机控制技术的研究，亦具有巨大的理论和应用价值。 1 2 国内外双馈电机控制技术的发展历史与现状 对于感应电动机双馈控制系统的研究最早可追朔到上世纪三十年代，但由于 变流技术的限制，最初只能采用电动机组来实现双馈调速控制，其中以采用电动 机式变换器的克雷默( k r a m e r ) 蝤1 变换器为代表。由于局限于只能进行稳态性能的研 究，克雷默变换器的实际应用并不广泛。其后随着变流技术的发展，人们提出了 利用水银整流器作为变换器进行调速控制，即整流子式交流电动机的谢尔比乌斯 ( s c h e r b i u s ) 7 8 1 式变换器。由于可以进行一些简单的动态性能的研究，谢尔比乌斯式 变换器的应用情况较克雷默变换器的应用稍好一些。总的来说，克雷默式和谢尔 比乌斯式这两种类型的双馈变换器由于结构复杂、价格昂贵、换相不可靠、维护 3 工作量大等问题，并不适合于广泛的应用，因而逐步被其阀式串级调速所取代， 它们可以认为是双馈调速控制系统发展中的一个特例【5 1 。 随后，直至二十世纪八十年代，绕线型感应电机的串级调速控制作为在当时 各种综合条件限制下的一种可实现的方案，曾得到了学术界的广泛青睐，在工程 领域也得到了一定程度的应用，并一直被列为重点发展的科研项目之一【4 】。随着研 究的深入和应用推广，串级调速控制本身固有的缺陷日益阻碍了它的发展。采用 串级调速控制的绕线型感应电动机功率因数低、效率不高。在该类控制方式下， 电动机只能在同步转速以下的范围运行，达不到同步转速更不可能使电动机在超 同步转速状态下运行【3 l 。虽然有学者提出利用自整角机作为主电路晶闸管的触发电 路、内反馈技术以提高功率因数等措施来提高控制系统的可靠性及取消整流变压 器，但是最终都无法克服串级调速本身所固有的不足，这些都在很大的程度上制 约了串级调速控制的发展和应用【4 一。 随着电力电子技术及变流技术的不断发展、大功率交一交变频器的出现，逐 步产生了双馈电动机调速控制系统。日本、前苏联和美国等国家开展双馈控制技 术的研究起步较早，其中日本开展的最早。日本在研究的初期对风机、水泵类负 载传动调速控制进行了简单研究，近年来推广应用于飞轮储能发电对电网无功功 率进行调节，以及在扬水电站发电机组利用其转子转速可变而定子发电频率不变 这一特点来进行恒频发电，吸收负荷冲击。由文献 8 】可看到日本是世界上当时在 双馈应用上研究较早、机组较多以及容量较大的国家之一。 相比而言，国内对于双馈电机的研究和应用起步较晚，借鉴已掌握的串级调 速控制的经验，以及双馈调速控制的新理论，逐步发展成为双馈调速控制系统。 文献 1 5 】对复合型双馈调速系统( 逆双馈电动机) 进行了研究，在串级调速的基础上， 当电机的转速超过工频3 0 时，将定子相序反接，使得定子磁场反向，与转子磁 场转向一致，完成了逆串级调速控制向双馈调速控制的转化，实现了复合型双馈 感应电动机调速控制。 目前，国内外对于双馈电机的电气传动控制系统的研究主要在以下的一些方 面： 1 新型双馈电机结构( 包括有刷及无刷电机) 及其相应的控制策略的研究； 2 自适应控制和模糊控制等现代控制理论在双馈控制中的应用； 3 简化控制策略，实现更加精确定位的无位置传感器的控制策略及磁链观察 器的研究，提高控制系统的可靠性； 4 双馈发电机的运行及并网发电运行的研究。 4 1 3 本文研究的内容 针对双馈电机的控制技术的特点，本文做了以下方面的研究： 1 ) 双馈异步电机调速系统的控制策略 本文对双馈异步电机调速系统中双边背靠背p w m 变流器的控制策略进行了 研究。电机转子侧采用定子磁链定向的矢量控制，实现电机转速和功率的调节。 网侧逆变器采用网侧电压定向的同步p l 控制方法，保持直流电压稳定，同时实现 网侧单位功率因数。- 2 ) 双馈调速系统的仿真分析 本文根据系统运行和控制对象的特点，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了完整 的双馈调速系统仿真模型，包括网侧及转子侧两套变流器的控制模块，以及定子 磁通观测器的模型，模拟了系统在不同工况下的运行，仿真结果表明控制系统具 有良好的动、静态特性，响应速度快，可以实现电机功率的解耦控制。 - 3 ) 双馈调速系统试验平台的组建 。 本文选用一台2 2 k w 的绕线式异步电机初步搭建了双馈调速系统试验平台， 实现了双馈电机超同步转速和亚同步转速的运行工况以及二者间过渡的全过程。 试验平台中共使用了两台容量为3 7 k v a 的变流器( 整流、逆变) ，使用基于t i 公 司的d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制板，并编写了逆变器的控制程序，并完成 了相关控制策略的验证。 - 。 本文的工作为今后高压大功率双馈异步调速及风力发电系统的研制积累了经 验。 5 2 双馈电机的运行原理及数学模型 2 1 双馈电机的运行原理 随着新能源的开发和风力发电技术的发展，双馈异步电机得到了越来越多的 重视。顾名思义，“双馈”就是分别从电机的定、转子双向馈电，由于双馈电机由转 子提供交流励磁，因而也被称为交流励磁同步电机或者异步化同步电机。它的结 构和绕线型异步电机具有很多相似之处，这也为其研究提供了方便。 在概述双馈电机运行原理之前，首先介绍双馈调速系统的工作原理。双馈调 速是将双馈电机的定子绕组直接接到工频电源上，转子绕组接到一个频率、幅值、 相位和相序都可以调节的变频电源上，如图2 1 所示【l 2 1 。 相 电 网 定子 图2 - l 双馈异步电机调速系统 f i g 2 - 1t h et i m i n gs y s t 豇nw i t ht h ed o u b l y - f e dm o t o r 因变频电源控制方式的不同，双馈调速可分为他控式和自控式两种方式。他 控工作方式又称为同步工作方式，在他控工作方式中，通过专门频率给定装置独 立控制变频器的输出频率。自控工作方式又称为异步工作方式，在自控工作方式 中，转子侧逆变器的频率是通过系统的调节，根据运行状态自动控制的【1 6 】。本文 讨论的双馈调速系统属于自控工作方式。 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 q = 哆+ q ( 2 - 1 ) 其中，q 为定子旋转磁场在空间的基波电角速度，鸱为转子旋转磁场相对转 子的基波电角速度，哆为转子的基波电角速度。当通过定转子绕组的电流频率一和 z 相等且同相序时，即q = c a 2 = 2 a f ，则必定q = 0 ，即转子不动。若转子电流 6 频率疋 石，且同相序时，则转子旋转角速度缉 石，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。 由此可见，按照一定的控制策略，通过调节转子电流的频率、幅值、相位和 相序，即可实现对电机转速蛾的控制和功率调节，并且可以采用较小容量的变频 装置( 稍大于转差功率容量) 来控制较大功率容量的电机，同时也使得双馈电机 能在从次同步速至超同步速的较大范围内平滑调速，达到经济节能的目的。 对于双馈电机而言，电机定子回路与转子回路没有直接的电路联系，旋转的 转子只是通过气隙磁场与定、转子磁场的相互作用实现机电能量的转换。根据电 机学的基本原理，只有转子侧的频率以及绕组匝数与定子侧相同时，才有可能把 定、转子之间磁的联系转化为电的联系，从而用统一的等效电路进行分析。因此 必须对转子侧进行频率折算以及绕组折算之后，并以静止的转子来代替旋转的转 子，最终将定子回路和转子回路统一到一个等效电路中来计算。这里折算的前提 条件是必须保证折算前后定、转子之间电磁效应不变、能量关系不变，即折算前 后对电网而言是等效的 1 3 , t 4 l 。 根据以上原则，得到双馈电机的等值电路如图2 2 所利”l 。在双馈电机的转子 绕组中总是作用着两个频率都为转差频率的电源，一个是转子绕组的感应电动势， 另一个是转子绕组的外加电压。独立调节转子侧的附加电势矿，就可以控制双馈 电机的有功功率和无功功率。 r i ) 【。 蠢r i 】【。f ， 西r l l 图2 2 双馈异步电机的等值电路 f i g 2 - 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fd o u b l y - f e ；c la s y n c h r o n o u sm o t o r 根据不同的转速区域和转子侧转差功率的传递方向，双馈电机可以分为四种 工作状况：超同步速发电，亚同步速发电，超同步速电动，亚同步速电动。不同 工况下的双馈调速的能量关系如图2 3 所示。 7 l + i ( 1 一，) 毋 s 0+ io - s ) g 高口茴而口 叫 c d 明。 1 a 超同步速发电b 超同步速电动c 同步速发电d 亚同步速电动 图2 - 3 不同上况下双馈调速的能量关系 f i g 2 - 3t h ee n e r g yr e l a t i o n s h i po fd o u b l y - f e dt i m i n gi nd i f f e r e n tw o r k i n g s t a t e 当双馈交流励磁电机处于稳定发电状态时，电机由定子侧向电网输送电能，通 过电动机定转子侧磁场的相互作用，将机械能量转化成电能，返回给电网。在整个能 量变换的过程中，一部分能量交换发生在电动机定子侧，向电网输送电能，另一 部分能量交换发生在电动机转子侧，通过转子侧励磁变频器吸收( s 0 ) 或发出 ( s 0 ) 电能，并通过转子轴由原动机拖动旋转。电机的转速通过自动控制装置 改变转子侧励磁变频器提供的交流电压的频率、相位和幅值来获得，以达到各种 不同的工况要求。 当j 0 ，电机通过转轴吸收的机械 能以及转子上的转差功率都以电磁功率的形式馈入电网，此时电机中的能量关系 为： 输入机械能= ( 定子侧输出电能+ 定子铜耗) 一( 转子侧输入电能一转 子铜耗) + ( 机械损耗+ 附加损耗) 当双馈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，将电能转化成机械能量，供给负载。在整个能 量变换的过程中，一部分能量交换发生在电动机定子侧，通过电网吸收电能，另 一部分能量交换发生在电动机转子侧，通过转子侧励磁变频器吸收( s 0 ) 电能，最后通过转子轴向负载输出机械能。电机的转速通过自动控制 装置改变转子侧励磁变频器提供的交流电压的频率、相位和幅值来获得，以达到 各种不同的工况要求。 当s 0 ，电机通过转子侧励磁变频器从 电网吸收与滑差功率等额的电能，此时电机中的能量关系为： 输出机械能= ( 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s 0 时，如图d 所示，电机处于亚同步速电动运行状态，即电机的实际转 速低于其同步转速，此时转子侧提供的滑差功率只 0 ，电机将通过转子侧励磁变 频器向电网回馈与滑差功率等额的电能，此时电机中的能量关系为： 输出机械能= ( 定子侧输入电能一定子铜耗) 一( 转子侧输出电能+ 转 子铜耗) 一( 机械损耗+ 附加损耗) 上述几种运行工况下，输入电能与输出机械能均保持平衡，而且与普通绕线 式异步电机存在明显不同，此时电机的转子电路参与了系统能量转换，电机通过 定转子两条通道进行能量的转换，“双馈”的含义就是由此而来。 2 2 双馈电机的数学模型 和鼠笼式异步电机一样，双馈异步电机从本质上来讲是一个非线性、强耦合、 多变量的系统。研究双馈电机转子侧逆变器的控制，必须要从双馈电机的数学模 型入手。 由于双馈电机内部绕组采取了分布、短距、斜槽等设计措施，使得其气隙磁 场谐波分量得到有效抑制。在一般分析时，主要考虑气隙磁场的基波分量。为了 简化数学模型，本文对双馈电机的磁链、电压、电流等物理量都是取基波分量进 行研究，即有以下假设【1 0 】： 9 定转子的三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分 布，只考虑气隙基波磁场的作用，气隙谐波磁场只是在差漏抗中加以 考虑，认为定子、转子具有光滑表面而忽略齿谐波作用； 忽略铁损和铁磁的非线性； 忽略绕组的集肤效应，忽略定、转子绕组的温升； 双馈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。 图2 4 双馈电机定转子三相坐标 f i g 2 - 4t h et h r e e - p h a s ec o o r d i n a t e so ft h ed o u b l y - f e dm o t o r ss t a t o ra n dr o t o r 图2 4 所示是双馈发电机定、转子三相坐标，双馈电机的定子三相对称绕组轴 线在空间上是固定的，以a 相轴线为参考坐标轴，转子三相对称绕组轴线以角速度 q 转子a 轴和定子a 轴之间夹角o r 是一个空间角，随时间变化而变化。在上面的电 机模型假设和参数折合的基础上，双馈发电机的基本电磁关系如式( 2 2 ) 所示： u = r i + p e r 其中： ( 2 2 ) i l = u s a ，u s b ，g r a ，u r b ，甜。】r 是定子和转子相电压瞬时值向量； i = 乙，s 。，t ，如，t r 是定子和转子相电流瞬时值向量； r = d i a g r ，足，足，尽，b ，r 】是由定子和转子电阻组成的对角线矩阵； 缈= 盼( 盎) 警净子和将磁链瞬时值憾 因为电机转子是转动的，o r 在不断变化，所以由电压方程、磁链方程、转矩方程 和运动方程组成的三相异步电机的多变量数学模型为： l o = r i + l 差+ q 嚣r 抄嚣嘲+ 丢鲁 协3 ， d 9 ， q 2 言 其中z 是负载转矩，是电机的转动惯量。 由于在三相静止坐标下双馈发电机的模型方程中有一些系数随定转子的夹角 和转速变化，这造成了双馈发电机的数学模型十分复杂，进行分析和求解都十分 困难，一般需要采用坐标变换的方法对双馈电机的数学模型加以变换，使其分析 和求解变得相对容易一些。根据空间对称的绕组在通以相位对称的电流时，其合 成磁场都为一个幅值恒定的旋转磁场这一原理，可以假设电机定子由一个互差9 0 度的正交绕组构成，在其中通以幅值相同，但是相位互差9 0 度的交流电流，它也 可以产生和三相电机一样的旋转磁场。从另一方面来考虑，可以先通过在一对正 交绕组中通以直流电建立一个合成的静止磁场，然后再让这个正交绕组以同步速 旋转，这样也可以产生一个旋转磁场。就像我们以定子三相绕组作为电机数学模 型中的坐标系一样，可以分别以上述假设的正交定子绕组作为电机数学模型中的 坐标系，就建立了如下图所示的两相静止坐标系( 又称口一坐标系) 和两相旋转 坐标系( 又称d q 坐标系) 。以上就是坐标变换思想的出发点。 图2 - 5 两相静止坐标系和两相旋转坐标系 f i g 2 5t h et w o - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t e sa n dr o t a r yc o o r d i n a t e s 为了使矢量坐标交换尽量简单，通常将定子两相静止坐标系的口轴与定子三 相静止坐标系的a 轴重合，如图2 5 所示。 考虑变换前后电机的功率恒定原则，可以得到如下的变换矩阵1 ： 定子三相变换到d q 坐标系的变换矩阵为： ，压 酬够2 、了 删c o s w , - 扣 一s i n q s i n ( q 一亏万) ll 压压 酬q + 扣 一s i n ( b + 詈万) l 压 转子三相变换到d q 坐标系的变换矩阵为： 万 r 一匕 l 破。鄙一飞3 c 。s 0 2c 。s ( 晚一昙万) j s i n0 2 一s i n ( 幺一号万) 1l 压压 c o s ( 砬+ 扣 删岛+ 扣 l 压 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 当定子和转子侧都取电动机惯例时，在任意旋转坐标系下，双馈电机的基本 方程可化为： 电压方程： h 啊= r i 硪+ w s d v 蝈p 9 l i u s q = 足乞+ + 沙耐p q l “耐= 耳+ p 一p 岛 l “w = 耳0 + p 少叼+ y 耐p 岛 i = 厶岛+ 厶如 l = 厶岛+ 厶 l = 厶0 + 厶如 l 2 厶i s q + 乃= ( 岛一乙) 机电运动方程： z = 互+ ，鲁 将式( 2 6 ) 中3 式代入2 式，得： u s d “踯 u r d “呻 r s + p l s 魄t p l m ( ( o k c o ) l 一t l s r s + p l s 一( 魄一c o ) p l m p l 魄厶 r r + p l r ( ( o k c o ) l , 1 2 一啤厶 p l m 一( q q ) 厶 r r 七p l r l s d l s q z w ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中，“甜，材。分别为定子电压的d ，q 轴分量，“憎分别为转子电压的d ，q 轴分量， 0 ，乞分别为定子电流的d ，g 轴分量，如，分别为转子电流的d ，q 轴分量， 分别为定子磁链的d ，q 轴分量，沙一，分别为转子磁链的d ，g 轴分量，r ，厶分别 为定子绕组的电阻和自感，r ，t 分别为转子绕组的电阻和自感，乙为定、转子绕 组间的互感。魄= p o 是d q 系统的旋转速度，当婊= 致时为同步旋转坐标系统， 魄= 0 时为定子静止坐标系统。鳞= p o 为转子旋转角速度，织为同步旋转角速度， 魄一鳞= p ( e 一只) = p o , = 嫂，为转差角速度，n 。为电机极对数，p 为微分算子。 3 双馈电机定子磁链定向矢量控制 3 1 概述 矢量控制原理始于上世纪七十年代，德国西门子公司的f b l a s c h k 提出了“感应 电机磁场定向的控制原理”和美国e c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机 定子电压的坐标变换控制”为现在已经普遍应用的矢量控制变压变频调速系统奠 定了基础，目的在于解决交流电机转矩与磁链的耦合问题，通过解耦使系统更加 稳定以及获得更好的控制性能【1 6 1 。 众所周知，直流电机之所以在各种调速场合得到广泛的应用，主要原因是由 于直流电机结构上的特点，使得电枢电流在空间的分布是固定的，若考虑到补偿 绕组的作用，气隙主磁通可以看成等于定子励磁磁通。这样，电枢磁势的轴线可 以看成与主磁通相互垂直，而与转子旋转速度无关。其磁通和转矩能很容易的通 过分别调节励磁电流和电磁转矩电流( 电枢电流) 而分别得到控制，并呈现自然解耦 的关系。正是由于磁通和转矩可以分别控制，根据动力学方程，可以很容易的组 成直流调速系统，并获得良好的控制性能。 交流电机调速控制与直流电机调速相比则要复杂得多。根据经典的电机学基 本原理可知，交流电机的电磁转矩的大小不仅取决于磁通和转子电流的大小，可 见交流电动机的转矩控制是比较困难蒯2 ”。由上述对直流电机的控制过程的分析 可见，所考虑的电动机控制是建立在相对电动机定子静止的所谓静止坐标系上的， 如果将用静止坐标系所表示的电动机矢量控制变换到以定子磁链或转子磁链定向 的同步旋转坐标轴系上，就会发现电机稳态运行时各综合矢量：转子电流矢量、 电压矢量、磁链矢量等都是相对静止的，即由交流量变成了稳定的直流量，若按 照直流电机控制的思路去控制交流电机理论上可得到类似于直流电动机的控制性 能，这也是矢量控制的最终目的和意义。 对于双馈电机也不例外，其工况以及过渡过程也是非常复杂的，为了得到良 好的控制性能并简化控制过程，通过适当的矢量变换后也是可以达到满意的控制 效果的，下面就双馈电机的矢量控制进行深入的研究。 3 2 定子磁链定向的矢量控制策略 前述分析可知，在双馈电机调速系统中，不但要调节有功功率( 转速和转矩) ， 1 4 而且还要调节无功功率，即要求调节电机的主磁通。对于双馈调速的绕线型感应 电机来说，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。如图2 1 所示，双馈 电机的定子绕组直接由工频电网馈电输入电功率，转子直接连接变频器的输出端， 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。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，这就构成了双通道从属调节的控制结构。 独立的被调节量的个数应和独立的控制量的个数有关。对于双馈控制调速的 感应电动机，通常被调节量可以选择转速、转矩、定子电流、转子电流或无功功 率等【2 。根据实际应用的要求，本文选取电机转速鳞和定子侧的无功功率q 作为 最终的目标函数来构成双馈控制系统。 ， 通过第二章的研究已经知道，双馈电机的数学模型在经过坐标变换之后，由 于去掉了互感的耦合关系而变得简单了。一般的把d q 坐标系放在同步旋转坐标 系上，建立双馈电机的数学模型是比较合适的方法。同样的，当定子和转子侧都 取电动机惯例时，重写双馈电机的基本方程如下： 电压方程： t l 硪= r 3 记+ 弘l ，试一s q 2 足岛+ p + q ( 3 1 ) l u r d = r a , + p 沙坩一缈_ 【1 1 w = r + p | c ，矗+ 吼 磁链方程： f = 厶乙+ 厶 2 丘岛+ 厶k ( 3 - 2 ) i = l m 岛+ k k = 厶乞+ 戈 电磁转矩方程： 乏= l i p 厶( 岛一幺如) ( 3 - 3 ) 在交流电动机的数学模型方程中共有六个基本矢量：圪、咋、t 、虬和孵。 显而易见，选择不同的定向矢量，所得到的控制结构和控制性能也不相同，分析 如下【2 4 2 5 】： ( 1 ) 采用定子电压矢量作为定向矢量，缺点是：转矩表达式复杂，为两个矢 量之积；定子磁链甑的表达式也复杂；在电网电压发生较大波动时控制效果不太 理想，而只有在电网电压恒定时才能保证对电磁转矩的良好控制性能。 1 5 ( 2 ) 采用电流矢量f 。或作为定向矢量时，优点是：不存在电流的交叉耦合； 转矩公式简单，是两个标量之积；但是转子磁链表达式复杂。 ( 3 ) 若采用转子磁链矢量l f ，作为定向矢量时，转矩公式简单，是两个标量之积， 交叉耦合的量最少。但对于双馈电机来说，此时由于转子电流是被控制量，往往 变化剧烈，转子磁链的准确观测比较困难，较大的误差也将会影响到实际的控制 效果。 ( 4 ) 采用定子磁链矢量y 。作为定向矢量，优点是：交叉耦合的量同样最少；转 矩公式简单，是两个标量之积；磁链表达形式简单，只有一个分量，在另外一个 轴上的值为零。另外，由于转矩可表示为两个标量之积，即使在电网电压发生波 动的情况下仍然能够保证对转矩的良好控制。 综合考虑以上因素，以满足对控制性能的要求和控制结构最简单为原则，本 文采用定子磁链矢量y 。作为定向矢量。 a 图3 1 双馈电机定子磁链定向矢量图 f i g 3 - 1v e c t o rd i a g r a mo f d o u b l y - f e dm o t o r ss t a t o rf l u xo r i e n t e d 当把同步旋转d - q 坐标系的d 轴定向在定子磁链的方向上时( 如图3 1 ) ，定子 磁链的g 轴分量为0 。即有： j 2 虬( 3 4 ) l = 0 由磁链方程可以得到： j 虬d2 ，d + 乙o 2 虬2 厶o ( 3 5 ) 【2 丘岛十i 1 f _ = 0 一。 其中，为广义励磁电流； 故可以得到： 铲妒 6 ， 一鼍t 呵 1 6 则双馈电机的转子磁链方程改写为： 卜等“一缸 卜c 一铷2 由以上可以得到电磁转矩方程： z - - - - ? p 争o k 由于定子电阻上的压降相对于电网电压而言很小， 子磁链虮为常数，则由电机模型电压方程式可以得到： ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 可以忽略不计。且维持定 印2 职，( 3 - 9 ) i 哆= 哎虬= 虬 可以看出定子电压矢量的d 轴分量接近于0 ，此时定子磁链与定子电压矢量近 似垂直，由此可知当保持电网电压幅值和频率不变时，定子磁链恒定，定子广义 励磁电流k 大小不变。 定子侧的有功穰无功功率分别表示为： p 乙+ 岛2 虬岛 l q 一- - u tt 卵切一u t t 妇i 珂：一- - u tt，：(3-10) 可知可以通过控制定子电流来分别控制定子侧的有功和无功分量，又由于定 子电流和转子电流之间存在线性关系式( 3 6 ) ，可以通过控制转子电流来实现有功 和无功的解耦控制。 将式( 3 7 ) 代入电机模型转子电压方程中得： 1 = r 。竹鲁一心 k 盯鲁+ 唾以 。j 。 式中，仃2 l 一差若为漏磁系数，定义由反电动势引起的交叉耦合项为： f = 一鸭 爱( 3 1 2 ) l u r d c = 争乞+ 畋心 、7 定义p i 调节器的输出： 蜘姒毒) + 勺盱出( 3 - 1 3 ) l 吒= 砟( 一0 ) + 毫且一) 凌 1 7 不难看出，当定子广义励磁电流保持恒定时，电磁转矩正比于乙，而转子励磁由 决定。当定子侧功率因数被保持为1