交流励磁感应发电机的矢量控制.ppt

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1、交流励磁感应发电机的矢量控制 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望22-5 交流励磁感应发电机的分析交流励磁感应发电机的分析结构特点：结构特点：定子绕组接在电网上，工频定子绕组接在电网上，工频 转子三相绕组由交转子三相绕组由交-交变频器供电，频率、相位、交变频器供电，频率、相位、相序可调相序可调性能特点性能特点 1.1.变速。变速。0 02n2n1 1 范围内转速可调范围内转速可调 2.2.稳定性好稳定性好 3.3.可以深吸收无功功率。具有调节电力系统无

2、功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。的能力，解决无功过剩问题。3二二.数学模型数学模型空间向量法空间向量法电压方程、磁链方程和电压方程、磁链方程和等效电路等效电路同前同前向量图向量图用用I Ir r(I(I2 2)和和I Ir r落后于落后于U U1 1的角度的角度为自变为自变量表示的电压、电流和电磁转矩量表示的电压、电流和电磁转矩取取U U1 1方向为参考轴方向为参考轴4电磁转矩令令得得6电磁功率电磁功率在稳态情况下，定子电流角频率为在稳态情况下，定子电流角频率为 1 1，转子电流角频，转子电流角频率为率为 2 2，在定子坐标系在定子坐标系在转子坐标系在转子坐

3、标系电压方程和磁链方程电压方程和磁链方程得向量图得向量图-1式中式中其余类推其余类推10向量图向量图 从电网端看进去，从电网端看进去，-U-U1 1与与I I1 1同向，向电同向，向电网发出电功率，若网发出电功率，若是感性功率，则滞是感性功率，则滞后后 1 1角角在电动机惯例下，在电动机惯例下，U U、I I之间相位差之间相位差909090，发，发出功率出功率取取U1为参考向量为参考向量三三.有功功率的传递有功功率的传递定子输出有功功率定子输出有功功率 参见第二章参见第二章35jAA*AA*abbjAj12转子输入有功功率转子输入有功功率13发电机轴上输入的净机械功率发电机轴上输入的净机械功率

4、PmecPesPe=P2-pcu2S0按能量守恒定律，应有按能量守恒定律，应有14比较可以发现比较可以发现：1.1.s=0 s=0 时时(同步同步)，P P2 2=p=pcu2cu2 ,转子输入的电功率只用转子输入的电功率只用于供给转子铜耗。于供给转子铜耗。2.2.s0 s0 时时(亚同步），亚同步），PPmecmec+sP+sPe e=P=Pe e，转子输入的转子输入的电功率除供给转子铜耗外，其余以转差功率电功率除供给转子铜耗外，其余以转差功率sPsPe e的形式与轴上输入的净机械功率合并成为电磁功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。率，由转子通过气隙传送

5、到定子。3.3.s0 sppcu2cu2)，能量回馈给变频器。这，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形式通过气隙传送到定子，另一部份以转差功率（-sP-sPe e）的形式，扣除转子铜耗后，成为转子的）的形式，扣除转子铜耗后，成为转子的输出功率（输出功率（-P P2 2）15四四.无功功率的传递无功功率的传递定子输出的无功功率定子输出的无功功率转子输入的无功功率转子输入的无功功率 s0 s0时取正号，时取正号，s0s00）单独提供。）单独提供。18b)b)当定子方功率因数当定子方功率因

6、数coscos 1 1落后（落后（Q Q1 100，发出感性，发出感性无功无功)，转子方输入的无功功率除了提供，转子方输入的无功功率除了提供|s|Q|s|Qm m、|s|Q|s|Qx1x1及及Q Qx2x2等无功功率外，还要提供等无功功率外，还要提供|s|Q|s|Q1 1的的无功功率无功功率c)c)当定子方功率因数当定子方功率因数coscos 1 1超前（超前（Q Q1 100，吸收感性，吸收感性无功无功)，|s|Q|s|Qm m、|s|Q|s|Qx1x1及及Q Qx2x2等无功功率通常等无功功率通常由定子、转子输入的无功功率联合提供，当定子由定子、转子输入的无功功率联合提供，当定子方深吸收无

7、功功率时，转子方有可能输出无功功方深吸收无功功率时，转子方有可能输出无功功率（率（Q Q2 20)00）时表现为电动转矩，在）时表现为电动转矩，在超同步（超同步（s s000 （00180-180-1 1）为发电机静态稳为发电机静态稳定运行范围定运行范围dPdPe e/d/d0 180-180-1 1）为发电机为发电机静态不稳定静态不稳定运行范围运行范围dPdPe e/d/d=0=0（=180-=180-1 1）为发电机稳定运行为发电机稳定运行极限点。极限点。可见他控式交流励磁发电机与同步发电机有相同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。静态稳定性问题。28静态不稳定运行范

8、围：在此范围内，当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，场与定子旋转磁场不同步，会引起振荡，甚至不稳定。甚至不稳定。29b)b)同步工作方式下无功功率的调节与同步工作方式下无功功率的调节与U U形形 曲线曲线用用U U0 0=x=xm mI I2 2和和=90=90o o-代入代入(18)(18)，(22)(22)式中式中,得得当考虑定子电压当考虑定子电压U U1 1不变和不计定子电不变和不计定子电阻阻r r1 1时，有时，有3

9、0上式中发电机参数上式中发电机参数x xm m、x x1 1不变，定子端电压不变，定子端电压U U1 1不变。因不变。因此，当在调节发电机定子输出无功功率的过程中，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，即要保持输出有功功率不变，即P P1 1=常数，就有常数，就有又有又有mmnnoo31发电机定子电压方程发电机定子电压方程可简化得可简化得由此可画出发电机发由此可画出发电机发出某一有功功率时出某一有功功率时的矢量图的矢量图在发电机不同运行状在发电机不同运行状态下的矢量图为态下的矢量图为 （下页）。（下页）。32矢量图矢量图过励过励欠励欠励正常正常励磁励磁发出感性发出

10、感性无功无功发出容性发出容性无功无功33运行状态运行状态1 1：定子电流与电压同相位（：定子电流与电压同相位（1 1=0=0）。发）。发电机只输出有功功率，不输出无功功率。这时定子电机只输出有功功率，不输出无功功率。这时定子电流最小。转子励磁电流是电流最小。转子励磁电流是 ，为，为“正常励磁正常励磁”状态。状态。运行状态运行状态2 2：转子励磁电流幅值增大为：转子励磁电流幅值增大为 ，相，相位角位角增加，增加，U U0 0增大为增大为U U0202 ，定子电流，定子电流 滞后电压滞后电压（1 10 0）。发电机不仅输出有功功率，还输出感）。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

11、处于性无功功率。此时发电机处于“过励过励”状态。如果状态。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，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，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。输出，受转子绕组励磁电流和定子绕组电流的限制。34运行状态运行状态3 3：转子励磁电流幅值减小为：转子励磁电流幅值减小为 ，相，相位角位角也

12、减小，定子电流较电压超前（也减小，定子电流较电压超前（1 100），），发电机除输出有功功率外，还输出容性无功功率。发电机除输出有功功率外，还输出容性无功功率。此时发电机处于此时发电机处于“欠励欠励”状态。状态。定子电流定子电流增大。增大。运行状态运行状态4 4：当转子励磁电流幅值继续减至最小：当转子励磁电流幅值继续减至最小 ，U U0 0也减至最小。定子电流继续增至也减至最小。定子电流继续增至 ，发电，发电机输出更多的容性无功功率，而此时功角机输出更多的容性无功功率，而此时功角增至增至90900 0，发电机处于，发电机处于静态稳定的极限。静态稳定的极限。因此，发电因此，发电机增加容性无功功率

13、的输出，受定子绕组电流和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。发电机静态稳定性的限制。35当当P P1 1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的coscos1 1值，进行稳态工作点计算，可以算出值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时考虑定子电阻时I I1 1与与I I2 2关系的关系的U U型曲线型曲线36U U型曲线型曲线当当P1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的的cos1值，进行稳态工作点计算，可以算出值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时考虑定子电阻时I1与与I2关系

14、的关系的U型曲线型曲线372.2.自控工作方式（又称异步工作方式）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、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转子产生的旋转磁场保持同步而不受负载的影响。影响。因此，交流励磁发电机在异步工作方式时，因此，交流励磁发电机在异步工作方式时，其转差率其转差率s s是变化的。如是变化的。如转矩转矩式所示，发电式所示，发电机的电磁转矩是机的电磁转矩是s

15、s的函数。的函数。38由转矩式，当转子电压由转矩式，当转子电压 和和（U U2 2滞后滞后U U1 1角）角）保持不变时，保持不变时，T Te e是是s s的函数。取一组不同的的函数。取一组不同的 和和值，得到一组的曲线族，如后图所示。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。令对于每一条曲线，都有一个理想空载转差率。令转矩式中的转矩式中的T Te e=0=0，可求得的表达式为，可求得的表达式为39异步工作方式下交流励磁发电机的异步工作方式下交流励磁发电机的曲线族曲线族亚亚同同步步超超同同步步电动电动（驱动）（驱动）发电发电（制动）（制动）P1=2000w co

16、s1=0.8(滞后）滞后）S=-0.22 U2*=0.248 =142.30 s0=-0.167S=0 U2*=0.152 =68.30 s0=0.054S=0.22 U2*=0.337=23.30 s0=0.284TNU2、为参量为参量40（s-ss-s0 0）随负载变化而变化：）随负载变化而变化：s s0 0一定时，一定时，s s（即（即)随负载变化而变化，随负载变化而变化，异异步特性步特性s s（)一定时，可通过调节一定时，可通过调节s s0 0，使，使s s0 0随负载随负载变化而变化。变化而变化。与异步发电机不同之处，在于其无功功率是与异步发电机不同之处，在于其无功功率是可调的，可以

17、输出或吸收无功功率。运行在可调的，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这种方式下，不受同步方式下下静稳定极限的限制，的限制，1801800 01 1，仍可稳定运行。因，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。机稳定性好，适用于负载变化大的场合。41令令r r1 1=0=0，1 1=90=900 0，z z1 1=x=x1 1，则，则P P1 1、Q Q1 1可简化为：可简化为：当发电机的运行工作点确定

18、了，即已知需要发电机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输出一定的P P1 1、Q Q1 1、，并运行在一定的转速下（、，并运行在一定的转速下（或或s s）下，可以通过分别独立的调节转子电流的有功）下，可以通过分别独立的调节转子电流的有功分量分量II2 2coscos和无功和无功分量分量II2 2sinsin来实现，来实现，42已知已知P P1 1、Q Q1 1 I I2 2coscos 、I I2 2sinsin U U2 2ss0 0定，定，T Te e曲线定曲线定可通过矢量控制实现。可通过矢量控制实现。已知已知s，由，由U2向量表达式向量表达式矢量控制矢量控制六六.交流

19、励磁感应发电机的矢量控制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，电磁转矩直流电动机有良好的调速特性，电磁转矩T Te e=CmI=CmIa a，因为磁通和电枢电流（电枢磁势）是正交的，互不影响，因为磁通和电枢电流（电枢磁势）是正交的，互不影响，和和I Ia a是两个独立变量，可以单独控制。是两个独立变量，可以单独控制。T Te e I Ia a，可以分别调节可以分别调节I If f和和I Ia a，以控制，以控制、T Te e和和n n。感应电动机的电磁转矩感应电动机的电磁转矩T Te e=K=KT T m m I I2 2coscos2 2，是由，是由m m和和转子电流有功分

20、量转子电流有功分量I I2 2coscos2 2相互作用产生的，其中相互作用产生的，其中m m是是由由I I1 1和和I I2 2共同磁化的，随负载的变化而变化，也随着电共同磁化的，随负载的变化而变化，也随着电机转速的改变而改变。因此，机转速的改变而改变。因此，m m和和 I I2 2不是两个独立变不是两个独立变量。与量。与coscos2 2一起，都是一起，都是s s的函数，不能分别调节的函数，不能分别调节m m和和I I2 2来控制来控制TmTm和和n n。通过坐标变换，可以实现像直流电机那样的调通过坐标变换，可以实现像直流电机那样的调速和控制速和控制定向：定向：dqdq坐标系只规定了两轴的

21、垂直关系和旋转角速坐标系只规定了两轴的垂直关系和旋转角速度，若对度，若对dqdq轴系的取向加以规定，称为轴系的取向加以规定，称为定向定向。磁场定向：选择电机某一旋转磁场作为特定的同步旋磁场定向：选择电机某一旋转磁场作为特定的同步旋转坐标轴，则称为转坐标轴，则称为磁场定向磁场定向。顾名思义，矢量控制系统。顾名思义，矢量控制系统也称为磁场定向控制系统。也称为磁场定向控制系统。按定子磁链定向的按定子磁链定向的MTMT坐标系：坐标系：在异步电动机中，定子绕组接变频电源，常用的是在异步电动机中，定子绕组接变频电源，常用的是转子磁链定向。转子磁链定向。在交流励磁感应发电机中，转子接变频电源，采用在交流励磁

22、感应发电机中，转子接变频电源，采用的是的是定子磁链定向定子磁链定向。将复平面实轴与定子磁链重合，称为将复平面实轴与定子磁链重合，称为M M轴，相应的轴，相应的虚轴称为虚轴称为T T轴。便成为定子磁链定向的矢量控制系统。轴。便成为定子磁链定向的矢量控制系统。称为按定子磁链定向的称为按定子磁链定向的MTMT坐标系。坐标系。定子按发电机惯例，转子按电动机惯例，转子已经定子按发电机惯例，转子按电动机惯例，转子已经折算到定子，折算到定子，x x=1 1。其中其中转子方类似转子方类似TM1（1）定向情况下，定向情况下，不计电阻不计电阻r r1 1时，定子电压方程简化为时，定子电压方程简化为若定子电压的幅值

23、和频率保持不变，若定子电压的幅值和频率保持不变，u u1 1恒速旋转，恒速旋转，u uM1M1、u uT1T1=常数，由常数，由u uT1T1式可得，式可得，保持不变，保持不变，所以所以定子磁链方程改写为定子磁链方程改写为（3）（4）定子输出功率定子输出功率（5）给定给定P P1 1、Q Q1 1，由式（，由式（5 5）可以求出）可以求出i iT1T1、i iM1M1，由（，由（4 4）可得可得i iT2T2、i iM2M2，即控制发电机输出功率也就是调节转，即控制发电机输出功率也就是调节转子电流子电流i iT2T2、i iM2M2。求得求得i iT2T2、i iM2M2后，通过旋转变换，将其变换到转子后，通过旋转变换，将其变换到转子的的2 2、2 2后，再经后，再经2/32/3变换后，即得转子三相电流变换后，即得转子三相电流i ia2a2、i ib2b2、i ic2c2。或直接由以下变换式获得：。或直接由以下变换式获得：式中式中为为M M轴与转子轴与转子a a相轴线的夹角。相轴线的夹角。定子磁链定向定子磁链定向TM转子转子a相相定子定子A相相不计不计r r1 1时，时，由装在转子轴上的编码器测得转子由装在转子轴上的编码器测得转子a a相轴线空间相位相轴线空间相位得