交流励磁感应发电机的矢量控制

关于交流励磁感应发电机的矢量控制22-5交流励磁感应发电机的分析结构特点：定子绕组接在电网上，工频转子三相绕组由交-交变频器供电，频率、相位、相序可调性能特点

1.变速。0～2n1

范围内转速可调

2.稳定性好

3.可以深吸收无功功率。具有调节电力系统无功的能力，解决无功过剩问题。第2页,共50页，2024年2月25日，星期天3二.数学模型空间向量法电压方程、磁链方程和等效电路同前向量图用I’r(I’2)和I’r落后于U1的角度φ为自变量表示的电压、电流和电磁转矩取U1方向为参考轴第3页,共50页，2024年2月25日，星期天4电磁转矩令得第4页,共50页，2024年2月25日，星期天第5页,共50页，2024年2月25日，星期天6电磁功率第6页,共50页，2024年2月25日，星期天在稳态情况下，定子电流角频率为

1，转子电流角频率为

2，

在定子坐标系在转子坐标系电压方程和磁链方程第7页,共50页，2024年2月25日，星期天得向量图第8页,共50页，2024年2月25日，星期天-Ē1式中其余类推第9页,共50页，2024年2月25日，星期天10向量图

从电网端看进去，-U1与I1同向，向电网发出电功率，若是感性功率，则滞后

1角在电动机惯例下，U、I之间相位差<90，吸收功率，相位差>90，发出功率取U1为参考向量第10页,共50页，2024年2月25日，星期天三.有功功率的传递定子输出有功功率

参见第二章35jAA*AA*ab－bjA＋j第11页,共50页，2024年2月25日，星期天12转子输入有功功率第12页,共50页，2024年2月25日，星期天13发电机轴上输入的净机械功率P’mecPesPe=P2-pcu2S<0S>0按能量守恒定律，应有第13页,共50页，2024年2月25日，星期天14比较可以发现：s=0时(同步)，P2=pcu2,转子输入的电功率只用于供给转子铜耗。s>0时(亚同步），P’mec+sPe=Pe，转子输入的电功率除供给转子铜耗外，其余以转差功率sPe的形式与轴上输入的净机械功率合并成为电磁功率，由转子通过气隙传送到定子。s<0时(超同步），P2可为正、为0或为负。当|s|大于某值时(sPe>pcu2)，能量回馈给变频器。这时轴上输入的净机械功率，一部分以电磁功率的形式通过气隙传送到定子，另一部份以转差功率（-sPe）的形式，扣除转子铜耗后，成为转子的输出功率（-P2）第14页,共50页，2024年2月25日，星期天15四.无功功率的传递定子输出的无功功率转子输入的无功功率

s>0时取正号，s<0时取负号感性无功没有负号？第15页,共50页，2024年2月25日，星期天16由等效电路写出无功功率平衡关系即或定转气隙第16页,共50页，2024年2月25日，星期天17由上式可见当运行在同步速时当运行在亚同步或超同步速时，定子和转子都有可能输出或输入无功功率，Q1、Q2可为正、为0或为负：当定子功率因数cos

1’=1（Q1=0)时，|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等无功功率由转子方输入的无功功率（Q2>0）单独提供。第17页,共50页，2024年2月25日，星期天18当定子方功率因数cos

1’落后（Q1>0，发出感性无功)，转子方输入的无功功率除了提供|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等无功功率外，还要提供|s|Q1的无功功率当定子方功率因数cos

1’超前（Q1<0，吸收感性无功)，|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等无功功率通常由定子、转子输入的无功功率联合提供，当定子方深吸收无功功率时，转子方有可能输出无功功率（Q2<0)第18页,共50页，2024年2月25日，星期天19由上式还可知，当|s|较小时，转子方只要输入较小的无功功率，可以控制定子方输入或输出较大的无功功率。当|s|=0时，转子输入直流，不输入无功，也同样可以实现对定子方无功功率的控制。

第19页,共50页，2024年2月25日，星期天20五.运行方式可求出以U’2和s为自变量表达式

由等效电路写出定转子方的电压方程，得第20页,共50页，2024年2月25日，星期天21式中：

第21页,共50页，2024年2月25日，星期天22从式中可以看出，电磁转矩包含三个分量：

1．Tas∝U12/A*(r′2/s)为异步转矩。它是转子绕组短路，在定子电压单独作用下产生的，其特性与一般的异步电机相同。该分量与s有关，并且在亚同步（s>0）时表现为电动转矩，在超同步（s<0）时表现为发电制动转矩。

2.Tar∝U2’2/A*(r1/s2)也为异步转矩。它是定子绕组短路，在转子电压作用下产生的，其特性总是表现为发电制动转矩。

3．Tsyn∝U2’U1/s(…)sin(δ+θ1)为同步转矩。是在定、转子电压相互作用下产生的，其特性近似于同步电机的电磁转矩。该转矩分量不管电机在亚同步还是超同步运行，随着转子电压相位的不同，均可表现为电动转矩或者制动转矩。第22页,共50页，2024年2月25日，星期天231.它控工作方式（又称同步工作方式）发电机的转子绕组是接到变频器上的，根据变频器的控制方法的不同，可分为它控式和自控式两种控制方式。在它控工作方式下，变频电源的输出频率是独立给定的，与发电机的转速无关。因此，对应一个给定的变频电源输出频率，即确定了发电机转子励磁绕组的频率f2，也就确定了一个发电机的转速，且这个转速与发电机的负载无关。因此，他控式变速交流励磁发电机具有同步发电机的特点。第23页,共50页，2024年2月25日，星期天24a)功角特性由转矩表达式可知，s=常数，U’2*=常数，Te是功角θi的函数。稳态运行时，s一定，Tas、Tar是一固定值，Tsyn在负载变化时，可以通过自动调节θi，使制动的总电磁转矩与原动机的拖动转矩相平衡，使发电机运行于同步工作方式。与同步发电机相类似，为了分析交流励磁发电机的功角特性，将其电磁功率，有功功率和无功功率用功角来表示。令交流励磁发电机的空载电压为，其中θ即为发电机的功角。由交流励磁发电机的等效电路图可知，U0在向量图中画出（尚未）第24页,共50页，2024年2月25日，星期天25电磁功率的功角特性为

代入电磁功率表达式，得=90°时，达静稳定极限第25页,共50页，2024年2月25日，星期天26第26页,共50页，2024年2月25日，星期天27根据以上发电机的电磁功率的功角特性，他控式交流励磁发电机存在着静态稳定极限。dPe/dθ>0

（0<θ<180-α1）为发电机静态稳定运行范围dPe/dθ<0（θ>180-α1）为发电机静态不稳定运行范围dPe/dθ=0（θ=180-α1）为发电机稳定运行极限点。可见他控式交流励磁发电机与同步发电机有相同静态稳定性问题。第27页,共50页，2024年2月25日，星期天28静态不稳定运行范围：在此范围内，当负载突变引起转速波动时，由于转子电流频率不变，转子电流所产生的旋转磁场与定子旋转磁场不同步，会引起振荡，甚至不稳定。第28页,共50页，2024年2月25日，星期天29b)同步工作方式下无功功率的调节与U形曲线用U0=xmI’2和Φ=90o-θ代入(18)，(22)式中,得当考虑定子电压U1不变和不计定子电阻r1时，有第29页,共50页，2024年2月25日，星期天30上式中发电机参数xm、x1不变，定子端电压U1不变。因此，当在调节发电机定子输出无功功率的过程中，要保持输出有功功率不变，即P1=常数，就有又有mm’nn’oo’第30页,共50页，2024年2月25日，星期天31发电机定子电压方程可简化得由此可画出发电机发出某一有功功率时的矢量图在发电机不同运行状态下的矢量图为（下页）。第31页,共50页，2024年2月25日，星期天32矢量图过励欠励正常励磁发出感性无功发出容性无功第32页,共50页，2024年2月25日，星期天33运行状态1：定子电流与电压同相位（φ1=0）。发电机只输出有功功率，不输出无功功率。这时定子电流最小。转子励磁电流是，为“正常励磁”状态。√运行状态2：转子励磁电流幅值增大为，相位角Φ增加，U0增大为U02

，定子电流滞后电压（φ1>0）。发电机不仅输出有功功率，还输出感性无功功率。此时发电机处于“过励”状态。如果转子励磁电流的幅值和相位角继续增大，从矢量图可见，定子电流的幅值和滞后相位角也同时增大，发电机输出更多的感性无功功率，同时功角减小，提高了发电机运行的稳定性。增加感性无功功率的输出，受转子绕组励磁电流和定子绕组电流的限制。

第33页,共50页，2024年2月25日，星期天34运行状态3：转子励磁电流幅值减小为，相位角Φ也减小，定子电流较电压超前（φ1<0），发电机除输出有功功率外，还输出容性无功功率。此时发电机处于“欠励”状态。定子电流增大。运行状态4：当转子励磁电流幅值继续减至最小，U0也减至最小。定子电流继续增至，发电机输出更多的容性无功功率，而此时功角Φ增至900，发电机处于静态稳定的极限。因此，发电机增加容性无功功率的输出，受定子绕组电流和发电机静态稳定性的限制。第34页,共50页，2024年2月25日，星期天35当P1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的cosφ’1值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时I1与I2关系的U型曲线第35页,共50页，2024年2月25日，星期天36U型曲线当P1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的cosφ’1值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时I1与I2关系的U型曲线第36页,共50页，2024年2月25日，星期天372.自控工作方式（又称异步工作方式）转子绕组是由自控式可变频交流励磁电源供电，其频率是通过控制系统的调节环节，根据发电机转子转速的自动调节的，以使定、转子产生的旋转磁场保持同步而不受负载的影响。因此，交流励磁发电机在异步工作方式时，其转差率s是变化的。如转矩式所示，发电机的电磁转矩是s的函数。

第37页,共50页，2024年2月25日，星期天38由转矩式，当转子电压和δ（U2滞后U1角）保持不变时，Te是s的函数。取一组不同的和δ值，得到一组的曲线族，如后图所示。对于每一条曲线，都有一个理想空载转差率。令转矩式中的Te=0，可求得的表达式为第38页,共50页，2024年2月25日，星期天39异步工作方式下交流励磁发电机的曲线族亚同步超同步电动（驱动）发电（制动）P1=2000wcosφ’1=0.8(滞后）S=-0.22U’2*=0.248δ=142.30s0=-0.167S=0U’2*=0.152δ=68.30s0=0.054S=0.22U’2*=0.337δ=23.30s0=0.284TNU’2、δ为参量第39页,共50页，2024年2月25日，星期天40（s-s0）随负载变化而变化：s0一定时，s（即ω)随负载变化而变化，异步特性s（ω)一定时，可通过调节s0，使s0随负载变化而变化。与异步发电机不同之处，在于其无功功率是可调的，可以输出或吸收无功功率。运行在这种方式下，不受同步方式下下静稳定极限的限制，θ≥1800－α1，仍可稳定运行。因此可以深吸收无功功率，满意地解决电力系统因过剩无功引起的电网过电压问题。发电机稳定性好，适用于负载变化大的场合。第40页,共50页，2024年2月25日，星期天41令r1=0，α1=900，z1=x1，则P1、Q1可简化为：∴当发电机的运行工作点确定了，即已知需要发电机输出一定的P1、Q1、，并运行在一定的转速下（ω或s）下，可以通过分别独立的调节转子电流的有功分量I’2cosΦ和无功分量I’2sinΦ来实现，第41页,共50页，2024年2月25日，星期天42已知P1、Q1→I’2cosΦ、I’2sinΦ→→U’2∠δ→s0定，Te曲线定可通过矢量控制实现。已知s，由U’2向量表达式矢量控制第42页,共50页，2024年2月25日，星期天六.交流励磁感应发电机的矢量控制直流电动机有良好的调速特性，电磁转矩Te=CmΦIa，因为磁通和电枢电流（电枢磁势）是正交的，互不影响，Φ和Ia是两个独立变量，可以单独控制。Te∝ΦIa，可以分别调节If和Ia，以控制Φ、Te和n。感应电动机的电磁转矩Te=KTΦmI2cosΨ2，是由Φm和转子电流有功分量I2cosΨ2相互作用产生的，其中Φm是由I1和I2共同磁化的，随负载的变化而变化，也随着电机转速的改变而改变。因此，Φm和I2不是两个独立变量。与cosΨ2一起，都是s的函数，不能分别调节Φm和I2来控制Tm和n。通过坐标变换，可以实现像直流电机那样的调速和控制第43页,共50页，2024年2月25日，星期天定向：dq坐标系只规定了两轴的垂直关系和旋转角速度，若对dq轴系的取向加以规定，称为定向。磁场定向：选择电机某一旋转磁场作为特定的同步旋转坐标轴，则称为磁场定向。顾名思义，矢量控制系统也称为磁场定向控制系统。按定子磁链定向的MT坐标系：在异步电动机中，定子绕组接变频电源，常用的是转子磁链定向。在交流励磁感应发电机中，转子接变频电源，采用的是定子磁链定向。将复平面实轴与定子磁链重合，称为M轴，相应的虚轴称为T轴。便成