雙饋電機控制(共40張PPT)

雙饋電機控制第一頁，共40頁。一、雙饋電機及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、雙饋電機的數(shù)學(xué)模型三、雙饋電機控制方法主要內(nèi)容第二頁，共40頁。（一）雙饋電機及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1什么是雙饋電機雙饋電機是一個繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機，它的定子繞組直接連接到三相電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子繞組通過一個背靠背功率變換器與電網(wǎng)相連接，由于定、轉(zhuǎn)子均與電網(wǎng)相連，因此叫雙饋電機。雙饋電機既可以做電動機運行，也可以做發(fā)電機運行。做電動機運行時，稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)；做發(fā)電機運行時，稱作雙饋發(fā)電系統(tǒng)。第三頁，共40頁。1.2雙饋電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雙饋電機系統(tǒng)一般由雙饋電機、BacktoBack功率變換器、變壓器等構(gòu)成第四頁，共40頁。1.3雙饋電機系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系和運行狀態(tài)忽略定子電路和轉(zhuǎn)子電路的損耗，只考慮定子回路功率（轉(zhuǎn)差功率）Ps、機械功率Pmec和轉(zhuǎn)子回路功率Pr，則有：功率的正方向規(guī)定：（1）定子回路向電網(wǎng)輸出電功率為正；（2）轉(zhuǎn)子回路從電網(wǎng)吸收電功率為正；（3）轉(zhuǎn)子從外部吸收機械功率機械功率為正；（4）反之皆為負第五頁，共40頁。雙饋電機亞同步運行狀態(tài)當雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時（即0<s<1），電機運行于亞同步狀態(tài)，此時電機既可以是發(fā)電狀態(tài)，也可以是電動狀態(tài)第六頁，共40頁。雙饋電機超同步運行狀態(tài)當雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時（s<0），電機運行于超同步狀態(tài)，此時電機既可以是發(fā)電狀態(tài)，也可以是電動狀態(tài)第七頁，共40頁。1.4雙饋電機系統(tǒng)的特點所需變流器容量較小，主要由電機的轉(zhuǎn)速范圍決定定子側(cè)功率因數(shù)可控作為電動系統(tǒng)運行時，可實現(xiàn)無級調(diào)速作為發(fā)電系統(tǒng)運行時，可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電第八頁，共40頁。（二）雙饋電機的數(shù)學(xué)模型2.1雙饋電機三相靜止坐標下的數(shù)學(xué)模型雙饋電機（繞線感應(yīng)電機）的物理模型定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度θ為空間角位移變量。定子繞組采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子繞組采用電動機慣例。第九頁，共40頁。

電壓方程

定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程第十頁，共40頁。磁鏈方程每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和第十一頁，共40頁。自感

互感第十二頁，共40頁。運動方程和轉(zhuǎn)矩方程Tl為原動機提供的拖動轉(zhuǎn)矩；Jg為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；Dg與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；Kg為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ω為電機轉(zhuǎn)子的電角速度；np為電機的極對數(shù)第十三頁，共40頁。2.2雙饋電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標（d、q坐標系）下的數(shù)學(xué)模型三相坐標下的數(shù)學(xué)模型雖然能直觀的表示雙饋發(fā)電機的基本特性，卻不能反映控制參數(shù)與這些方程的直接關(guān)系，并且存在很強的耦合。采用坐標變換，將三相坐標方程轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標方程，是對電機進行矢量控制的前提條件第十四頁，共40頁。電壓方程磁鏈方程第十五頁，共40頁。由定子磁鏈方程可得定、轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系，具體表達式如下（1）將式上式代入的轉(zhuǎn)子磁鏈方程，可得轉(zhuǎn)子磁鏈表達式（2）第十六頁，共40頁。將式（1）代入定子電壓方程，可寫出定子磁鏈的狀態(tài)方程（3）第十七頁，共40頁。將式（2）和式（3）代入轉(zhuǎn)子電壓方程，可得（4）為電機的總漏磁系數(shù)第十八頁，共40頁。運動方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程第十九頁，共40頁。功率方程第二十頁，共40頁。2.3雙饋電機定子磁場定向數(shù)學(xué)模型若讓d、q坐標軸的旋轉(zhuǎn)速度ω等于定子磁鏈的同步角速度ω1，且規(guī)定d軸沿著定子總磁鏈矢量Ψs的方向，而q軸為逆時針垂直于矢量Ψs，這樣dq坐標系即成為按定子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系。第二十一頁，共40頁。，

當dq旋轉(zhuǎn)坐標系按定子磁鏈定向時,則電磁轉(zhuǎn)矩可簡化為：并可得：定子電磁時間常數(shù)第二十二頁，共40頁。第二十三頁，共40頁。因此，通過分別控制idc和iqc就可以分別控制整流器的無功功率和有功功率。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要用于控制電機的功率，對發(fā)電系統(tǒng)而言，就是定子側(cè)的電功率；雙饋電機矢量控制系統(tǒng)中需要對定子磁鏈矢量的幅值和相角進行直接或者間接觀測，磁鏈觀測的精確定位對矢量控制系統(tǒng)的性能有重要的影響。二、雙饋電機的數(shù)學(xué)模型2雙饋電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所需變流器容量較小，主要由電機的轉(zhuǎn)速范圍決定雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略第三十七頁，共40頁。第二十九頁，共40頁。3雙饋電機系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系和運行狀態(tài)第二十一頁，共40頁。雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制目的在于控制電機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)定子側(cè)的功率因數(shù)（無功功率），電動機轉(zhuǎn)速的控制歸根結(jié)底是對電磁轉(zhuǎn)矩的控制。做發(fā)電機運行時，稱作雙饋發(fā)電系統(tǒng)。雙饋電機超同步運行狀態(tài)雙饋電機超同步運行狀態(tài)雙饋電機系統(tǒng)一般由雙饋電機、BacktoBack功率變換器、變壓器等構(gòu)成在正常情況下，定子電壓的幅值、頻率和相位均可看作是不變的，定子磁鏈矢量也可認為是穩(wěn)定的，可忽略定子勵磁電流的動態(tài)過程，若再忽略定子電阻，可得到定子磁鏈定向的簡化模型第二十四頁，共40頁。定子磁場向的重要意義：通過上面的功率方程可以看出，經(jīng)過定子磁場定向，電機定子有功功率和無功功率分別與轉(zhuǎn)子q軸電流和轉(zhuǎn)子d軸電流有一一對應(yīng)的關(guān)系，這為有功、無功功率的解耦控制奠定了理論基礎(chǔ)第二十五頁，共40頁。（三）雙饋電機系統(tǒng)的控制3.1總體控制思路雙饋電機控制系統(tǒng)，無論是調(diào)速系統(tǒng)還是發(fā)電系統(tǒng)，其控制都是通過變流器來實現(xiàn)的。由于采用了back-to-back拓撲形式的變流器，因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影響。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要用于控制電機的功率，對發(fā)電系統(tǒng)而言，就是定子側(cè)的電功率；對電動系統(tǒng)而言，則是電機的電磁轉(zhuǎn)矩。網(wǎng)側(cè)變流器的主要作用是維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)第二十六頁，共40頁。控制有功功率（電磁轉(zhuǎn)矩）控制直流電壓和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)第二十七頁，共40頁。3.2轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用是控制定子側(cè)發(fā)出的有功和無功功率，根據(jù)第二部分推導(dǎo)的基于定子磁鏈定向的電機方程，可以看出：定子有功、無功功率與轉(zhuǎn)子q軸、d軸電流存在線性關(guān)系，因此轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略第二十八頁，共40頁。+-PI+-PI功率外環(huán)的前向控制框圖如下圖所示第二十九頁，共40頁。構(gòu)造變流器電流內(nèi)環(huán)時，需要將電流指令轉(zhuǎn)化為電壓指令，然后進行SVPWM調(diào)制。在定子磁鏈定下下，雙饋電機電流與電壓的關(guān)系如下所示：上式表明，雙饋電機轉(zhuǎn)子d、q軸電流與電壓之間存在交叉耦合關(guān)系，因此需要進行d、q軸之間的解耦補償控制。第三十頁，共40頁。電流內(nèi)環(huán)解耦前向控制框圖如下圖所示+-PI-+-PI++第三十一頁，共40頁。雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖如下圖所示第三十二頁，共40頁。雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制目的在于控制電機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)定子側(cè)的功率因數(shù)（無功功率），電動機轉(zhuǎn)速的控制歸根結(jié)底是對電磁轉(zhuǎn)矩的控制。雙饋電機在定子磁鏈定向下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子q軸電流有著線性關(guān)系，而定子無功功率與轉(zhuǎn)子d軸電流有著一一對應(yīng)的關(guān)系。第三十三頁，共40頁。因此，可以通過控制轉(zhuǎn)子q軸電流控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，進而控制轉(zhuǎn)速；通過控制轉(zhuǎn)子d軸電流控制電機定子側(cè)的無功功率，從而實現(xiàn)雙饋電動機轉(zhuǎn)速和定子無功功率的獨立控制第三十四頁，共40頁。定子磁鏈觀測雙饋電機矢量控制系統(tǒng)中需要對定子磁鏈矢量的幅值和相角進行直接或者間接觀測，磁鏈觀測的精確定位對矢量控制系統(tǒng)的性能有重要的影響。定子磁鏈觀測主要方法有：（1）磁敏式檢測法（2）探測線圈法（3）電流模型法（4）電壓模型法前兩種方法屬于直接檢測法，但需要在電機內(nèi)部安裝檢測元件，比較復(fù)雜，不利于廣泛應(yīng)用；后兩種方法屬于間接檢測法，是通過檢測電機的電壓、電流量，來計算定子磁鏈的角度和幅值，這里介紹的是電壓模型法。第三十五頁，共40頁。電壓模型法是從電動機的端電壓中減去繞組的阻抗壓降，而將電機的反電動勢進行積分運算，從而求得電機的磁通。第三十六頁，共40頁。該模型構(gòu)建的定子磁鏈觀測器具有以下明顯的優(yōu)點：(1)由于雙饋電機定子側(cè)直接連在電網(wǎng)上，因而定子側(cè)電壓是穩(wěn)定的工頻電網(wǎng)電壓，電壓諧波小，因此電壓的檢測、積分都比較容易實現(xiàn)；(2)與普通感應(yīng)電機調(diào)速相比，由于雙饋電機通常在同步速附近工作，不存在由于轉(zhuǎn)速過低而使反電勢過低，從而導(dǎo)致檢測反電勢以及積分運算困難的問題；(3)該電壓模型構(gòu)建的定子磁鏈觀測器，整體結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、準確。第三十七頁，共40頁。3.3網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器的目的是控制直流電壓恒定和調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，當采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制時，電網(wǎng)的有功功率和無功功率與網(wǎng)側(cè)d、q軸電流有如下關(guān)系：由上式可知，有功功率和無功功率是自然解耦的。一般條件下通常認為電網(wǎng)電壓是基本不變的，即U為常數(shù)。因此，通過分別控制idc和iqc就可以分別控制整流器的無功功率和有功功率。第三十八頁，共40頁。網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖（以單位功率因數(shù)為例）外環(huán)為直流電壓環(huán)，檢測的直流電壓與直流電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，作為有功電流分量的指令；本框圖中是網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制，因此無功電流分量的指令值為零。第三十九頁，共40頁。直流電壓穩(wěn)定的重要意義：直流電壓穩(wěn)定是實現(xiàn)back-to-back變流器能量雙向流動的關(guān)鍵所在。通過上圖可以看出直