交流励磁感应发电机的矢量控制PPT讲稿.ppt

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1、交流励磁感应发电机的矢交流励磁感应发电机的矢量控制量控制第1页，共49页，编辑于2022年，星期四22-6 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功的能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。力，解决无功过剩问题。第2页，共49页

2、，编辑于2022年，星期四3二二.数学模型数学模型空间向量法空间向量法电压方程、磁链方程和等效电路同前电压方程、磁链方程和等效电路同前向量图向量图用用 I I2 2和和I I2 2落后于落后于U U1 1的角度的角度为自变量，为自变量，表示的电压、电流和电磁转矩表示的电压、电流和电磁转矩取取U U1 1方向为参考轴方向为参考轴此处规定定子变量下标为1，转子变量下标为2第3页，共49页，编辑于2022年，星期四4电磁转矩令令得得第4页，共49页，编辑于2022年，星期四第5页，共49页，编辑于2022年，星期四6电磁功率电磁功率第6页，共49页，编辑于2022年，星期四在稳态情况下，定子电流角频

3、率为在稳态情况下，定子电流角频率为 1 1，转子电流角频率为，转子电流角频率为 2 2，在定子坐标系在定子坐标系在转子坐标系在转子坐标系电压方程和磁链方程电压方程和磁链方程第7页，共49页，编辑于2022年，星期四第8页，共49页，编辑于2022年，星期四得向量图得向量图1(1 r)-1isIris+Irj1 Mmj1(Ls-Mm)UsUrj1(Lr-Mm)RsRr1(1 r)电参数中下标s，r改为1,2第9页，共49页，编辑于2022年，星期四10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，向电网发同向，向电网发出电功率，若是感性功出电功率，若是感性功率

4、，则滞后率，则滞后 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，发出，发出功率功率取取U1为参考向量为参考向量第10页，共49页，编辑于2022年，星期四三三.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jAA*AA*abbjAj第11页，共49页，编辑于2022年，星期四12转子输入有功功率转子输入有功功率第12页，共49页，编辑于2022年，星期四13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PmecPesPe=P2-pcu2S0按能量守恒定律，应有按能量守恒定律，应有第13页，共49页，编辑于2

5、022年，星期四14比较可以发现比较可以发现：1.1.s=0 s=0 时时(同步同步)，P2=pcu2 ,转子输入的电功率只用于供给转子输入的电功率只用于供给转子铜耗。转子铜耗。2.2.s0 s0 时时(亚同步），亚同步），PPmecmec+sP+sPe e=P=Pe e，转子输入的电功转子输入的电功率除供给转子铜耗外，其余以转差功率率除供给转子铜耗外，其余以转差功率sPsPe e的形式与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。过气隙传送到定子。3.3.s0 sppcu2cu2)，能量回馈给变频器。这时轴上，能量回馈

6、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（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，成为转子的输出功率（的形式，扣除转子铜耗后，成为转子的输出功率（-P P2 2）第14页，共49页，编辑于2022年，星期四15四四.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。第17页，共49页，编辑于2022年，星期四18b)b)当定子方功率因数当定子

7、方功率因数coscos 1 1落后（落后（Q Q1 100，发出感性无，发出感性无功功)，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|s|Q 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的无功功率的无功功率v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，吸收感性无功，吸收感性无功)，|s|Q|s|Qm m、|s|Q|s|Qx1x1及及Q Qx2x2等无功功率通常由定子、转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，子输入的无功功率联合

8、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（转子方有可能输出无功功率（Q Q2 20)00）时表现为电动转矩，在超同步（）时表现为电动转矩，在超同步（s s000 （00180-180-1 1）为发电机静态稳定为发电机静态稳定运行范围运行范围dPdPe e/d/d0 180-180-1 1）为发电机为发电机静态不稳定运行静态不稳定运行范围范围dPdPe e/d/d=0=0（=180-=180-1 1）为发电机稳定运行极限点。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。态稳定性问题。第27页，共49页

9、，编辑于2022年，星期四28静态不稳定运行范围：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。第28页，共49页，编辑于2022年，星期四29b)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形曲线形曲线用用U0=xmI2和和 =90-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U1不变和不计定子电

10、阻不变和不计定子电阻r1时，有时，有第29页，共49页，编辑于2022年，星期四30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。因此，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，即输出有功功率不变，即P P1 1=常数，就有常数，就有又有又有mmnnoo第30页，共49页，编辑于2022年，星期四31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

11、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）。第31页，共49页，编辑于2022年，星期四32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感性无功无功发出容性发出容性无功无功第32页，共49页，编辑于2022年，星期四33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）。发电机只）。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

12、，相位角，相位角增增加，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 0 ）。）。发电机不仅输出有功功率，还输出感性无功功率。此发电机不仅输出有功功率，还输出感性无功功率。此时发电机处于时发电机处于“过励过励”状态。如果转子励磁电流的幅值状态。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，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。增加感性无同时功角减小，提高了发电机运行的稳定性。

13、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。制。第33页，共49页，编辑于2022年，星期四34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，相位角位角也减小，定子电流较电压超前（也减小，定子电流较电压超前（10），发电机除输出有功功率外，还输出容），发电机除输出有功功率外，还输出容性无功功率。此时发电机处于性无功功率。此时发电机处于“欠励欠励”状态。状态。定子电流增大。定子电流增大。运行状态运行状态4 4：当转子励磁电流幅值继续减至最：当转子励磁电流幅值继续减至最小小 ，U U0 0也减至最

14、小。定子电流继续增至也减至最小。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，发电机输出更多的容性无功功率，而此时功角角增至增至9090，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，发电机增加容性无功功率的输出，受定因此，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。子绕组电流和发电机静态稳定性的限制。第34页，共49页，编辑于2022年，星期四35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cos 1值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时电阻时

15、I I1 1与与I I2 2关系的关系的U U型曲线型曲线第35页，共49页，编辑于2022年，星期四36U 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的等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的 cos 1 值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时时I1与与I2关系的关系的U型曲线型曲线第36页，共49页，编辑于2022年，星期四372.2.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电，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，根据发电其频

16、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。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，其因此，交流励磁发电机在异步工作方式时，其转差率转差率s s是变化的。如是变化的。如转矩转矩式所示，发电机的式所示，发电机的电磁转矩是电磁转矩是s s的函数。的函数。第37页，共49页，编辑于2022年，星期四38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

17、。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，可求得的表达式为第38页，共49页，编辑于2022年，星期四39异步工作方式下交流励磁发电机的曲异步工作方式下交流励磁发电机的曲线族线族亚亚同同步步超超同同步步电动（驱电动（驱动）动）发电（制发电（制动）动）P1=2000w cos1=0.8(滞后）滞后）S=-0.22 U2*=0.248 =142.30 s0=-0.167S=0 U2*=0.152 =68.30

18、s0=0.054S=0.22 U2*=0.337=23.30 s0=0.284TNU2、为为参量参量第39页，共49页，编辑于2022年，星期四40（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，异步特性异步特性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随负载变化随负载变化而变化。而变化。与异步发电机不同之处，在于其无功功率是可调的，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，不可以输出或吸收无功功率。运行在这种方式下，不受

19、同步方式下下静稳定极限的限制，受同步方式下下静稳定极限的限制，1801800 01 1，仍可稳定运行。因此可以深吸收无功功率，满意，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。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。发电机稳定性好，适用于负载变化大的场合。第40页，共49页，编辑于2022年，星期四41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了，即已知需要发电机输出当发电机的运行工作点确定了

20、，即已知需要发电机输出一定的一定的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，）下，可以通过分别独立的调节转子电流的有功分量可以通过分别独立的调节转子电流的有功分量I I2 2coscos和无功分量和无功分量I I2 2sinsin来实现，来实现，第41页，共49页，编辑于2022年，星期四42已知已知P P1 1、Q Q1 1 I I2 2coscos 、I I2 2sinsin U U2 2s s0 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第42页，

21、共49页，编辑于2022年，星期四六六.交流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，因为磁通和电枢电流（电枢磁势）是正交的，互不影响，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 2cos

22、cos2 2，是由，是由m m和转子电和转子电流有功分量流有功分量I I2 2coscos2 2相互作用产生的，其中相互作用产生的，其中m m是由是由I I1 1和和I I2 2共同共同磁化的，随负载的变化而变化，也随着电机转速的改变而改变。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，因此，m m和和 I I2 2不是两个独立变量。与不是两个独立变量。与coscos2 2一起，都是一起，都是s s的函数，的函数，不能分别调节不能分别调节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速和控制通过坐标变换，可以实现像直流电机那样的调

23、速和控制第43页，共49页，编辑于2022年，星期四定向：定向：dqdq坐标系只规定了两轴的垂直关系和旋转角速度，坐标系只规定了两轴的垂直关系和旋转角速度，若对若对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转磁场定向：选择电机某一旋转磁场作为特定的同步旋转坐标轴，则称为坐标轴，则称为磁场定向磁场定向。顾名思义，矢量控制系统也称。顾名思义，矢量控制系统也称为磁场定向控制系统。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，常用的是转子磁链在异步电动机中，定子绕组接

24、变频电源，常用的是转子磁链定向。定向。在交流励磁感应发电机中，转子接变频电源，采用的在交流励磁感应发电机中，转子接变频电源，采用的是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，相应的虚轴，相应的虚轴称为轴称为T T轴。便成为定子磁链定向的矢量控制系统。称为轴。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按定子磁链定向的MTMT坐标系。坐标系。第44页，共49页，编辑于2022年，星期四定子按发电机惯例，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

25、似转子方类似第45页，共49页，编辑于2022年，星期四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，常数，由由u uT1T1式可得，式可得，保持不变，保持不变，所以所以第46页，共49页，编辑于2022年，星期四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）第47页，共49页，编辑于2022年，星期四 给定给定P P1 1、Q Q1 1，由式（，由式（5 5）可以求出

26、）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子电流，即控制发电机输出功率也就是调节转子电流i iT2T2、i iM2M2。求得求得i iT2T2、i iM2M2后，通过旋转变换，将其变换到转子的后，通过旋转变换，将其变换到转子的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。第48页，共49页，编辑于2022年，星期四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第49页，共49页，编辑于2022年，星期四