这两种营销模式采用的主要方式

馈电动机调速系统控制优化及仿真 申请人 徐诚 学科 专业 电力系统及自动化 指导教师 吴江峰 2015 年 6 月 27 日 网网络络教教育育学学院院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 任任 务务 书书 专业班级 电力系统及其自动化 层次 专升本 姓名 徐 诚 学号 113090483090031 一 毕业设计 论文 题目 馈电动机调速系统控制优化及仿真 二 毕业设计 论文 工作自 2015 年 6 月 日起至 年 月 日止 三 毕业设计 论文 基本要求 毕业论文是对三年来学业的综合考核 是培养学生综合运用所学知识 在实践过程中发现问题 分析和解决问题 提高学生 综合素质的一个重要环节 也是对学生实际工作能力的系统训练和考察过程 1 时间安排 按照进程要求 抓紧时间 遇到问题主动和老师联系 1 根据本人兴趣和研究方向选择论文题目 提出选题的初步设想阅读相关书 籍 文章 做读书笔记 搜集 整理与论文有关的资料 与指导教师联系 在指导 教师指导帮助下确定论文题目 2 构思论文框架 编写论文提纲 扩充有关的信息资料 调查研究 撰写 论文初稿 论文初稿完成后 将电子版文初稿提交给指导教师审阅 3 指导教师对论文初稿提出具体的修改意见 学生根据导师指导意见修改初 稿 交来二稿 交指导老师审阅 4 根据指导老师意见修改二稿 其间若有问题可进行三稿甚至四稿的修改 2 在撰写毕业论文过程中要求态度端正 认真对待 1 论文写作可以在参考 借鉴若干篇文献资料的基础上进行 但不允许抄袭 他人成果 2 坚持理论联系实际的原则 论文选题要切合实际 充分发挥自身优势 应根据自己平时学习 工作较感兴趣的问题来选择题目 3 论文结构设计合理 论述清楚 尽可能应有一定的个人独立见解 4 写作要求符合规范 保证质量 按时完成毕业论文 指导教师 吴江峰 III 网网络络教教育育学学院院 毕毕业业设设计计 论论文文 考考核核评评议议书书 指导教师评语 建议成绩 指导教师签名 年 月 日 答辩小组意见 负责人签名 年 月 日 答辩小组成员 毕业设计 论文 答辩委员会意见 负责人签名 年 月 日 21 论文题目 馈电动机调速系统控制优化及仿真论文题目 馈电动机调速系统控制优化及仿真 学科 专业 电力系统及其自动化学科 专业 电力系统及其自动化 申申请请人人 徐诚 徐诚 指导教师 吴江峰指导教师 吴江峰 摘 要 目前 双馈电机最大的优点在于可以将转差功率馈送至电网中 或 者是由电网馈入 双馈电动机调速系统由于具有可靠性高 成本低等优点 并且能够通过调节转子侧变频器的幅值 相位以及频率来调节双馈电动机 定子侧无功功率 因此被广泛应用于交流电机调速领域 本文主要研究双馈电动机调速系统控制策略及其仿真 本文首先简单 地介绍了双馈电动机调速系统的工作原理 讨论了双馈电动机在不同工况 下运行时的功率流动关系 接着详细地推导出双馈电动机在三相静止坐标 系上的数学模型 也采用定子磁链定向 推导出双馈电动机在同步旋转坐 标系 M T 上的模型 双馈电动机转速与定子侧无功功率作为外环控制目 标 转子电流在 M T 轴上的分量作为内环控制目标的双闭控制系统 该 控制策略能够独立地控制和调节双馈电动机转速与定子侧无功功率 且能 够实现双馈电动机在次同步 超同步状态下运行 然后在 LAB 中的 simulink 系统环境下搭建了双馈电动机调速系统的仿真模型并进行仿真 分析 验证了所用控制策略的可行性 关键词 关键词 双馈电动机 矢量控制 仿真 西安交通大学网络教育学院论文 6 Research on the control of the speed control system of the induction motor Discipline Major power system and its automation Applicant Xu Cheng Instructor Wu Jiangfeng Abstract CNC lathe as a typical mechatronic products in manufacturing industry plays a huge role solve the modern machinery manufacturing complex structure precision small production part variety of processing problems processing quality high and stable quality of the products Improve production efficiency But from the current situation is that the unit is facing due to the more expensive CNC lathe a one time investment of the ambassador of my unit is not enough In current situation of current domestic lathe lathe with huge amount production CNC lathe with respect to ordinary lathe of the more obvious advantages and because of the high price of CNC lathe I think is necessary to ordinary lathe numerical control reformation and modification can complete CNC lathe to complete the production task is an attempt I boldly put forward the C6132 lathe numerical control transformation plan Key words numerical control lathe machining parts precision feeding system electrical system 21 目 录 摘 要 3 Abstract 3 1 绪论 5 1 1 研究背景 6 2 双馈电机的数学模型及其功率流程分析 6 2 1 双馈电机调速的工作原理 6 2 2 变频器 8 2 3 双馈电机调速的运行工况分析 9 2 3 1 电机在次同步转速下作电动运行 9 2 3 2 电机在超同步转速下作电动运行 9 2 4 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 10 2 5 坐标变换 11 2 5 1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换 11 3 双馈电机的矢量控制技术 14 3 1 矢量控制简介 14 3 2 定子磁链定向下的双馈电机矢量控制 16 3 2 1 定子磁链定向下的数学模型 16 3 3 基于定子磁链定向的双馈电机的控制策略 20 3 4 双馈电机整个系统的控制策略 22 4 双馈电机调速系统的仿真 24 4 1 Simulink 下仿真模型的搭建 24 4 2 仿真结果及分析 25 5 总结 28 致谢 29 参考文献 29 毕业论文知识产权权属声明 30 西安交通大学网络教育学院论文 8 1 contents 1 Introduction 2 1 1 research background 2 2 mathematical model of doubly fed induction motor and its power flow analysis 2 2 1 the working principle of doubly fed induction motor 3 2 2 frequency converter 4 2 3 double fed induction motor 5 2 3 1 motor in synchronous speed under electric operation 6 2 3 2 motor under super synchronous speed electric operation 6 2 4 three phase induction motor with multi variable nonlinear mathematical model 6 2 5 coordinate transformation 7 2 5 1 three phase stationary coordinate system to two phase stationary coordinate system 7 3 1 vector control 7 3 2 stator flux orientation 8 3 3 control strategy of doubly fed induction motor based on stator flux orientation 8 3 4 control strategies for the whole system of double fed induction motor 8 4 Simulation of the speed control system of doubly fed induction motor 9 4 1 the construction of the simulation model of Simulink 9 4 2 simulation results and analysis 10 5 Summary 11 Thank 12 Reference 13 Declaration of intellectual property right of the thesis 14 2 绪 论 中国作为世界上第二大能源消费国 把节能减排当成一个重要的战略来选 21 择 并在十一五规划中提出了具体的目标和要求 电能具有明显的优越性 它 适于大量生产 集中管理 远距离传输和自动控制 人类生活中获得广泛的应 用 作为与电能生产 输送和应用有关的能量转换装置电机 在国防 科学文 化及日常生活等方面都是重要的设备 风机 水泵等机械设备的耗电量都非常 大 采用变频调速技术后 风机和泵类负载可节约大量电能 平均 30 左右 因此开发高效率的交流调速系统节约电能 对应对当前能源紧张和实践国家节 能要求都有着很好的现实意义 随着电力电子技术 控制理论的发展 交流电 机调速在电力电子与电气传动领域得到了广泛的应用 从而逐步取代了直流电 机调速的地位 所谓双馈电机是指将异步电机的定子绕组 转子绕组都与交流 电网或含电动势的回路相连接 使它们可以进行能量的双向流动 双馈电机也 称交流励磁电机 它是由本体与交流励磁自动控制系统构成的 双馈电机是电 机技术 电力电子与电传动技术 以及现代控制技术发展而来的产物 双馈电 机的定子端与 50Hz 的大电网直接相连接 而转子端与幅值 相位以及频率均可 调节的交流电源相连接 通过调节转子端励磁电流幅值大小 相位以及频率 可以使得双馈电机在 电动状态或发电状态下运行 同时转速的大小也可以调节 且定子端输出的电 压和频率可以保持不变 因此 它在提高系统的稳定性时又可以调节电网的功 率因数 双馈电机同时具备同步电机的特点与异步电机的特点 可以在同步速上下 运行 而且能够有效地调节无功功率 在双馈调速系统中 由于通过变频器的 转差能量只是被控能量的一部分 所以所需变频器的容量可以小于电机的容量 这样可以大大地提高双馈调速系统的效率 节约成本 双馈电机的调速范围可 以达到 12 至 60 因此具备提高系统的工作效率 节约电能等优点 当其作 为电动机运行时 在不同的带载情况下 可以灵活地调节系统的无功功率和转 速 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经制造了 一系列的双馈电动机 已经大量运用于各种交流调速传动领域中 如风机 水泵 西安交通大学网络教育学院论文 10 等负载 双馈电机既可以实现变速恒频恒压发电 又能够实现调节功率因数 因此 被广泛地应用于电力工业中 1982 原苏联发明了一台 50MW 水轮双馈发电机与 一台 200MW 的汽轮双馈电机 它能够被应用在实际生活中 在 1980 初 日立 公司与东芝公司开发出不同种类的大功率的双馈发电机 并且已经投入到大型 抽水蓄能电站中运用 另外 国外也研究了风能电站 潮汐电站双馈发电机 1 1 研究背景 双馈电机的转子绕组三相电流由转子感应电势 E2 与 Ef 共同产生 Sf 电 源可强制性向电机输入 PS 且三相电流的相序可加以控制 在调速传动中 线 饶型电动机的应用并不少见 但作双馈应用并不多 这是采用双馈虽可获得比 单馈更好的调速性能和技术 经济指标 但需要增加一套独立的双向变频电源 Sf 且控制系统复杂 随着电力电子技术的发展 数控技术和微机控制技术的 渗透 双馈调速也日益成熟 并得到推广应用 选用定子磁链定向的矢量控制 双馈电动机转速与定子侧无功功率作为外 环控制目标 转子电流在 M T 轴上的分量作为内环控制目标的双闭环控制系统 双馈电机最大的优点在于可以将转差功率馈送至电网中 或者是由电网馈入 2 双馈电机的数学模型及其功率流程分析 2 1 双馈电机调速的工作原理 双馈 指把绕线式转子异步电机的定子绕组和转子绕组分别接在交流 电网或其他含电动势的电路上 使它们的能量可以进行双向流动 电机运行在 不同的工况下 决定着电功率是馈入定子绕组或转子绕组 还是从定子绕组或 转子绕组馈出 当双馈电机以电动状态运行时 它从电网获得电功率 负载的 运行主要依靠在轴上输出的机械功率来承担 在双馈调速时 双馈电机的定子 端直接接在 50Hz 的工频电网上 转子端直接接在幅值大小 相位以及频率可 21 调节的变频器上 双馈电机的结构类似于绕线式异步电机 由定子绕组 转子绕组组成 定 子端直接接入三相工频电网 转子端接入幅值 频率 相位可调的变频器 双 馈电机的主电路如下图 2 1 所示 图 2 1 双馈电机的主电路 当双馈电机在稳态运行时 定子旋转磁势与转子旋转磁势是相对静止的 根据电机基本原理 对双馈电机有 2 1 12 2 2 1 1 60 60 sfs n f n n f n p p 其中 为工频电网的频率 为转子励磁电流产生的频率 为转差率 1f2fs 为同步转速 为转子励磁电流产生的旋转磁场相对于转子的转速 1n2n 为双馈电机极对数 当时 双馈电机运行在次同步状态下 当 pn 1nn 时 双馈电机运行在超同步状态 其中为系统运行时的转速 1nn n 由此可见 双馈调速是通过改变转子侧的变频器的频率来改变转速 21nnn 如果适当地调节转子侧变频器的幅值 相位 可以使双馈电机运行在过励 欠 西安交通大学网络教育学院论文 12 励状态 并向电网发出或吸收无功功率 进一步改善功率因数 2 2 变频器 在双馈电机调速系统中 双馈电机最大的优点在于可以将转差功率馈送至 电网中 因此变频器的选型与控制方式十分重要 是双馈电机调速系统的核心部 分 由于双馈电机运行在不同的工况下 能量需要双向流动 这样对变频器的 要求就较高 目前常用的变频器有交 交变频器 交 直 交变频器等 开关损耗 降低 低压小容量变频器普遍采用的功率开 关器件是功率 MOSFET IGBT 绝 缘栅双极型晶体管 和 IPM 智能功率模块 中压大容量变频器采用的功率 开关器件有 GTO 门极可关断晶闸管 IGCT 集成门极换流晶闸管 SGCT 对称门极换流晶闸管 IEGT 注入增强栅晶体管 和高压 IGBT 由于 新型开关元件的应用 使开关频率不断提高 开关损耗进一步降低 变频器的主电路 目前 变频器主电路结构为 变频器的网侧变流器对于 低压 小容量的常采用 6 脉冲变流器 对中压 大容量的常采用多重化 12 脉 冲以上的变流器 负载侧变流器对低压 小容量的常采用两电平的桥式逆变器 对中压 大容量的采用多电平逆变器 值得注意的是 对于四象限运行的传动 系统 为实现变频器的再生能量向电网回馈而节约电能的目的 变频器同时也 应满足能量的可逆流动 双 PWM 控制变频器 其可实现功率的双向流动 通过 适当的控制策略可使输入电流接近正弦波 并使系统的功率因数接近于 1 从 而减少系统对电网的公害 脉宽调制变压变频器的控制方法 脉宽调制变压变频器的控制方法可以采 用正弦波脉宽调制 SPWM 控制 消除指定次数谐波的 PWM 控制 电流跟踪控 制 电压空间矢量控制 磁链跟踪控制 交流电动机变频调速控制方法 交流电动机变频调速控制方法的进展主要 体现在 由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展 开发无速 度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统等方面 交交变频器不经过直流环节 将一种频率和电压的交流电变换成另一种频 率和电压的交流电 交交变频器采用自然换流方式的晶闸管进行控制 并且可 靠性高 工作稳定 交交变频器适合在大功率低频范围内应用 输出的最大频 率是电网频率的 1 3 1 2 交 直 交变换器就是把工频交流电先通过整流器把 交流电整流成直流电 接 着再通过变换器 将直流电逆变成可以调节频率的交流电 交直交变频器 主要由整流器 滤波电路以及逆变器 3 个部分组成 且比较常用 整流器有由 晶闸管组成的全控整流器或由二极管组成的不控整流器 逆变器与整流器相反 21 它是将恒定的直流电变换为电压 频率均可调节的交流电 它可以是晶体管组 成的三相桥式电路 中间的滤波环节是对整流后得到的电压或电流进行滤波 采用的是电容器或者电抗器 根据中间直流滤波环节的不同 交直交变频器主 要有电压型与电流型两种类型 目前 因为控制方法 硬件设计等因素的影响 电压型变频器的应用比较广泛 电网侧变换器主要有以下两个任务 第一 使输入电流的波形接近于正弦 波 谐波含量少 功率因数满足要求 第二 使直流母线电压稳定 两个 PWM 变换器正常工作首先需要保证直流母线电压稳定 因此本文采用的是交直交的 变频器 2 3 双馈电机调速的运行工况分析 在绕线转子异步电机转子侧引入一个可控的附加电动势并改变其大小 就 能够实现对电机转速的调节 由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同 因此电机有五种运行工况 电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转 速下作电动运行 电机在反转时作倒拉制动运行 电机在超同步转速下作回馈 制动运行 电机在次同步转速下作回馈制动运行 下面主要介绍了前两种运行 工况下的功率流程关系 2 3 1 电机在次同步转速下作电动运行 设双馈电机直接接在三相工频电网上 如果在转子侧每相接上与转子0rE 开 路电动势 同向的附加电动势 则转子回路产生电流 如果对应此电 addE 流的电磁转矩足够大 那么可以使电机启动 随着转速升高 转差率 s 减小 转子电流也减小 当转子电流所对应的电磁转矩与负载转矩平衡时 且满足式 时 电动机就在此转速下稳定运行 若继续增大或减小 Eadd 时 2 0 2 0 2 r r addr r xsR EsE I 则电机转速将升高或降低 并在新的平衡状态下稳定运行 当电机作电动运行 时 转差率 s 的范围为 0 s 1 由于 其中 Pm 是电机 mmmsPPsP 1 定子侧流向转子侧 或从转子侧流入定子侧 的电磁功率 由此可知 在这个 状态下运行时 电机的输入功率来自定子侧 从轴上输出机械功率 且在除去 转子损耗以后 转差功率从转子侧馈送至电网 2 3 2 电机在超同步转速下作电动运行 假设电机作电动运行 转子侧串入了同相的附加电动势 Eadd 轴上拖动恒 转矩的反抗性负载 我们知道 只要不断增加 Eadd 就能够增大电机的转速 当电机运行在接近额定转速时 如果继续增大 Eadd 电机将加速到 s 0 的新 的平衡状态下运行 即电机在超过其同步转速下稳定运行 此时电机转速虽然 西安交通大学网络教育学院论文 14 超过了其同步转速 但它仍然拖动着负载作电动运行 由于 Pm sPm 1 s Pm 由此可知 电机轴上的输出功率是由定子侧输入功率 转子侧输入功率两部分 合成的 此时电机工作在定子 转子同时输入的状态 其功率流程图如下图 2 3 所示 其中 CU 为功率变换单元 2 4 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 双馈电机的电机本体是三相异步电动机 在研究异步电动机的多变量数 学模型时 为了研究的方便 常作以下的假设 1 忽略空间谐波和齿槽效应 三相绕组对称 在空间上互差 120 度的 电角度 所产生的磁势沿气隙圆周按正弦规律分布 2 忽略磁路的饱和 各绕组的自感系数都是恒定的 3 忽略铁心损耗 4 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 无论电动机的转子是绕线型的还是笼型的 都将它等效成三相绕线转 子 并折算到定子侧 折算后的定子和转子绕组匝数都相等 电动机绕组等效 为如下图 2 4 所示的物理模型 定子三相绕组轴线 A B C 在空间上是固定的 以 A 轴为参考轴 转子绕组轴线 a b c 随转子旋转 转子 a 轴和定子 A 轴间 的电角度 为空间角位移变量 转子本体相对于定子本体的规定定子 转子绕 组的电压 电流 磁链的正方向按照右手螺旋定则规定 并采用电动机惯例 认为正向电压产生正向电流 而正向电流产生正向磁链 这时 异步电动机的 数学模型由下述电压方程 磁链方程 转矩方程和运动方程 由此可见 在三相静止坐标系上 双馈电机的数学模型是一个具有多个变 量 强耦合的 非线性的高阶复杂系统 对这个非线性的复杂高阶系统 直接 求解是很麻烦的 为了使双馈电机数学模型呈可控性 可观性的特点 对其进 行简化 解耦控制使其成为一个解耦的线性系统 因此 可以采用坐标变换方 法将其简化 解耦 2 5 坐标变换 2 5 1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换 3s 2s 下图 2 5 表示双馈电机定子三相绕组 A B C 各相磁势矢量的空间位置以 及可以将其等效为两相定子绕组 中各相磁势矢量 为了便于分析 令三 相绕组的 A 轴与两相绕组的 轴重合 定子绕组在不同坐标系下磁势的空间矢量位置 B B A siN2AiN3 siN2 CiN3 BiN3 60 60 21 如果假定磁势波形只计基波分量或按正弦分布 在这两者的旋转磁场完全 等 效时 合成磁势在相同轴向的分量一定相等 也就是说沿 轴以及 轴 上三相绕组和两相绕组的瞬时磁势的投影值应该是相等的 则有下列式子成立 3 4 3 3 2 332coscoscBAsiNiNiNiN 2 7 3 4 3 3 2 32sinsin0cBsiNiNiN 2 8 其中 N2 为两相电动机的每相定子绕组的实际匝数 N3 为三相电动机的每 相定子绕组的实际匝数 然后依据电流变换矩阵为正交矩阵的原则 推导过程 略 则可以确定两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵为 2 1 2 3 2 1 2 1 2 3 2 1 2 1 01 3 2 C 2 9 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 1T CC 2 10 2 5 2 两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换 2s 2r 按照上述的思路 同理 d q 轴系到 轴系的坐标变换矩阵为 rr r C r cossin sincos 2 11 其中 为 d 轴与 轴之间的夹角 则 轴系到 d q 轴系的坐标 r 变换矩阵为 2 rr r C r cossin sincos 1 西安交通大学网络教育学院论文 16 12 2 5 3 双馈电机在 d q 坐标系下的数学模 前面我们已经推导出双馈电机在三相静止坐标系下的数学模型 通过 坐标变 换 可以得出双馈电机在 d q 坐标系下的数学模型 推导过程略 下面 继续讨 论双馈电机在 d q 坐标系下的数学模型 1 磁链方程 双馈电机在 d q 坐标系下的磁链方程为 1222 1222 2111 2111 qmqq dmdd qmqq dmdd iLiL iLiL iLiL iLiL 其中 分别为 dq 坐标系下定子电流和磁链的分量 1di1qi1d 1q 分别为 dq 坐标系下转子电流和磁链的分量 L1 L2 2di2qi2d 2q 分别是定子绕组和转子绕组在 dq 坐标系中的自感 Lm是定子绕组 转子绕组 之间在 dq 坐标系中的互感系数 2 电压方程 双馈电机在 d q 坐标系下的电压方程为 222222 222222 111111 111111 dqqq qddd dqqq qddd piRu piRu piRu piRu 其中 Ud1 Uq1为别为 dq 坐标系下的定子电压的分量 1 等于定 子电压频率的同步角速度 是 dq 坐标系相对于定子 A 相轴线的旋转角速度 Ud2 Uq2分别为 dq 坐标系下的转子电压的分量 为转差角速度 r 12 是 dq 坐标系相对于转子的角速度 3 双馈电机的矢量控制技术 3 1 矢量控制简介 矢量控制理论由德国的 F B1aschke 于 1971 年提出 矢量控制技术的目的 是为了使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性能 在异步电动机中 21 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 通 AiBiCi 过 3 2 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 i i 换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 MiTi 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织就 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 Mi 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 异 Ti 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 定向矢量是指将坐标系的实轴与某一电磁量的合成矢量相重合后所对应的 合成矢量 在双馈电机中定共有六个基本的矢量可以作为定向矢量 它们分别 是定子电压 转子电压 定子电流 转子电流 定子磁链 surusiris 转子磁链 定向矢量在所选的空间坐标系下是相对静止的 而且它在虚轴 r 上的投影等于 0 因此所选定向矢量的不同决定着控制结构与控制性能的 su 不同 下面分析双馈电机定子电压 转子电压 定子电流 转子电流 rusiri 定子磁链 转子磁链作为定向矢量的特点 s r 1 采用定子电压作为定向矢量 su 采用定子电压作为定向矢量 其缺点是在主通道中 存在着负的或正 su 的交叉耦合量 转矩表达式复杂 为 2 个矢量的叉乘 且定子磁链的表达 s 式非常繁琐 在电网电压的波动比较大的情况下 控制效果会很不理想 2 采用转子电压作为定向矢量 ru 采用转子电压作为定向矢量时 其缺点是在主通道中 存在着负的或 ru 正的交叉耦合量 转矩表达式复杂 是两个矢量的乘积 定子磁链的表达式 s 也很复杂 而且当电网电压发生较大改变时 控制效果会很不理想 其缺点与 采用定子电压作为定向矢量一样 su 3 采用定子电流作为定向矢量 si 采用定子电流作为定向矢量 其优点是交叉耦合量比采用定子电压 si 转子电压作为定向矢量时的很少 并且电流交叉耦合量不存在 转矩公式很简 洁 是 2 个标量相乘 不过转子磁链表达式非常繁琐 4 采用转子电流作为定向矢量 ri 把转子电流当作定向矢量时 它的优缺点与采用定子电流作为定向 risi 矢 量时的情况一样 但是转子电流作为定向矢量很少应用在双馈调速 ri 系统中 5 采用定子磁链作为定向矢量 s 把定子磁链作为定向矢量时 它具有最少的交叉耦合量是它的优势 s 西安交通大学网络教育学院论文 18 且转矩表达式较简洁 是 2 个标量相乘 在直接通道中 仅有一个磁链分量 表达式简单 并不存在非线性表达式 即使电网电压发生改变时 仍然能够较 好地控制转矩量 6 采用转子磁链作为定向矢量 r 采用转子磁链作为定向矢量 它的优点与采用定子磁链作为定向矢 r s 量一样 但是因为转子磁链是直接控制量 通常变化较大 这样就影响到对转 子磁链的准确观测 最终会影响到实际的控制效果 分析并比较了以上六个量作为定向矢量的一些特点 为了达到控制性能的 要求并以最简单的控制结构为准则 常见的是采用定子磁链作为定向矢量 s 3 2 定子磁链定向下的双馈电机矢量控制 3 2 1 定子磁链定向下的数学模型 本文应用按定子磁链定向的矢量控制 它的优点是 交叉耦合量少 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 根据上一章异步电动机在两相同 步旋转坐标系上的数学模型 把 M 轴与 d 轴重合 M 轴为定子磁链的方向 则 可以得到双馈电机在 MT 坐标系下的数学模型 1 电压方程 11111 11111 1 1 MTT TMM T M dt d iRu dt d iRu 3 1 3 22222 22222 2 2 MTT TMM T M dt d iRu dt d iRu 2 2 磁链方程 3 211 211 TmTsT MmMsM iLiL iLiL 3 112 122 TmTrT MmMrM iLiL iLiL 21 3 4 3 电磁转矩方程 1111MTTMemiiPT 3 5 其中 下标 M 和 T 表示各量在 M 轴和 T 轴上的分量 其它各标示与 dq 坐标系下数学模型相同 MT 轴坐标系具体矢量与静止轴系矢量的关系如下图所示 图 3 1 MT 轴坐标系具体矢量与静止轴系矢量的关系 在实际应用中 考虑到定子电阻上的压降较定子电抗上的压降相比很 小 忽 略定子绕组电阻时 R1 O 定子电压U1超前于90 度 因此按照 MT 坐标 1 分解有 11 10 uu u T M 3 6 因为 MT 坐标系与定子磁链矢量重合 T 轴 M 轴正交 必然有 01 11 T M 3 7 因定子绕组接于无穷大电网 所以 U1 恒定不变 可得电压方程 1 1 1 1 11 uuT M 3 8 U1恒定不变 为同步速度 所以为常数 1 1 A C c T b B M 1 MA Ma 1 a 西安交通大学网络教育学院论文 20 综合以上两式 3 7 3 8 由式 3 3 3 4 可以推导出 21 2 1 1 T s m T M s m s M i L L i i L L L i 3 9 将上式及值带入式 3 5 转矩方程可得 21 T s m emi L L pT 3 10 由上式矢量分解后表达式可以看出 只要控制转子电流 就 2Mi2Ti 可以 达到控制定子电流 的目的 因为常数 故调节 1Mi1Ti 111 u 可以调节转矩 从而可以控制转速 2Ti 电机定子侧输入的有功功率 P 和无功功率 Q 在脚坐标系中可以表示为 1111 1111 TMMT TTMM iuiuQ iuiuP 3 11 因为 代入式 3 11 可得 0 1 Mu11uuT 2 1 111 2111 M s m s M T s m T i L L L uiuQ i L L uiuP 3 12 由式 3 12 可以看出 控制转子电流的 T 轴分量就可以控制有功功率 而控制转子电流的 M 轴分量就可以控制无功功率 3 2 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 即它相对于定子 A 相的相位 一般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 本文采用的是定子电压模 型的定 子磁链观测器 原理如下图 3 2 所示 忽略定子绕组电阻时 定子01 R 21 电压超前90 度电角度 所以只要确定与静止 A 相之间的夹角 就1U 1 1U 可以由下图得 而 定子电压在坐标变换时可求得90 MA MAMa 值 图 3 2 定子磁链的位置矢量图 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 电压的检测比较容易实现 3 3 基于定子磁链定向的双馈电机的控制策略 无功功率这一部分的控制对象为双馈电机定子侧输出的无功功率或 1Q 功率因数 有功功率这一部分的控制对象为双馈电机定子侧有功功率 s 1P 转速 电磁转矩 所以 在双馈电机运行时 双馈电机的数学模型如 r emT 下图 3 2 所示 A a M T 1u 1i 1 Ma MA 西安交通大学网络教育学院论文 22 图 3 3 双馈电机的数学模型 通过坐标变换以及采用定子磁链定向的方案后 转子电压与转子电流是呈 一阶惯性环节的关系 并且双馈电机定子侧有功功率 无功功率与转子电流在 同步旋转坐标系 MT 轴上的分量是呈比例关系的 图 3 5 双馈电机转速的控制框图 在图 3 4 图 3 5 中 两个量是交叉耦合2 1 2 22 r L mL iL 2 1 2 22 M L mL iL 量 是定子电压在旋转的转子绕组中产生的反电动势 视作扰动项 1 12 L Lm s L L LR m 1 1 2 22 1 1 L LUm 2Ti1P 2 1 2 2 1 12M mm i L L L L L 1 1 L LUm 1 1 L LUm r LT emT P I s L L LR m 1 1 2 21 r 2 1 2 2 1 12 M mm i L L L L L P II 1 1 L LUm 2Tu 2Ti 2 T i JsD np P II emT LT 2 1 2 2 1 12 M mm i L L L L L 21 双馈电机在基定子磁链定向的控制策略中 对交叉耦合量 反电动势在电 流内环中进行前馈补偿 以提高系统的动态特性 并且通过对转子电流的 d 轴 q 轴分量进行解耦处理后实现了转速与无功功率的独立控制 3 4 双馈电机整个系统的控制策略 在实际的系统中 需要对无功功率进行实时控制 通过实时地控制 将定子侧的相电压 以及相电流 经过 1au1bu1cu1ai1bi1ci 11 ABC 的坐标变换得出其在两相静止坐标系下的电压 以及电流 1 u 1 u1 i1 i 根据以下的计算式可得到 1 1 1111 1111 iuiuQ iuiuP 3 19 其中 为 M 轴与转子 a 轴之间的夹角 通过极坐 Ma AaMaMa 标变换可以得到夹角 是定子电压与定子 A 轴之间的夹角 本 2 sMas 文中由定子电压模型的定子磁链观测器得到 为转子旋转的角度 很容易 Aa 测量计算 由此 可以得到双馈电机整个系统的控制框图如下图所示 西安交通大学网络教育学院论文 24 图 3 6 双馈电机整个系统的控制框图 在图 3 6 中 给出了速度模式控制和电流模式控制的基于定子磁链定 向的双馈电机控制策略 在这两种模式控制下 内外环均为电流环 并且都采 用 PI 控制器 内环反馈信号转子电流 是通过电流传感器将检测得到2Mi2Ti 的转子电流通过一定坐标变换得到的 外环采用定子侧无功功率 转速作为控 制目标 使用的是 PI 控制器 外环反馈信号无功功率 是通过 DSP 实 1Qr 时地计算得到的 转子旋转的角度是通过位置传感器检测得到的 采用这种 r 双闭环控制有利于提高整个系统的精确度 P I 2 r 3s 坐 标 变 换 P I 逆 变 器 P I P I P I 功率计 算及 定子电 流检测 s pwm 转子速 度和 位置检 测 Ma 角计算 A B C C MA 1Q 1Q Ma 2 M I 2 TI MA aI2 bI2 cI2 ai2 bi2 ci2 21 4 双馈电机调速系统的仿真 4 1 Simulink 下仿真模型的搭建 根据上章双馈电机控制框图在 MATLAB 中的 simulink 下搭建双馈电机调速 系统的仿真模型 所给定双馈电机参数如下 额定功率 11000W 定子额定nP 电压 380V 定子频率 50Hz 定子阻抗 1 115 定子漏感nU nfsR 0 005974H 转子阻抗 1 083 转子漏感 0 005974H 互感lsLrRlrL 0 2537H 电机极对数 P 4 转动惯量 J 0 1kgm 各模块如下图 mL 2 图 4 6 3s 2r 封装图 4 2仿真结果及分析 由以上波形可以看出 双馈电机能在次同步 超同步状态下运行 并且响 应迅速 在次同步状态工作时 从双馈电机定子端输入功率 转差功率由转子 侧馈送到电网 在超同步状态工作时 双馈电机的输入功率由定子侧 转子侧 共同提供 在系统达到稳态时 并且无功功率实际值也基本接近于0 由于速度 环 PI 调节器的作用 转子电流在 d q 轴的分量能够快速地响应外环的变化 转子侧电流在0 2s 时换向一次 接着在1s 时又换向一次 并结合以上波形可以 看出 转子电流的变化影响着转速 定子侧有功功率 定子侧无功功率等的变