《双馈电动机调速系统控制策略的研究及其仿真毕业设计(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双馈电动机调速系统控制策略的研究及其仿真毕业设计(1)（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业设计（论文）专用纸 目 录1绪论11.1双馈电机的发展状况11.2双馈电机控制策略21.3本文的主要内容32双馈电机的数学模型及其功率流程分析42.1双馈电机调速的工作原理42.2 变频器52.3双馈电机调速的运行工况分析62.4 三相异步电动机的多变量非线性数学模型72.5坐标变换113双馈电机的矢量控制技术153.1矢量控制简介153.2定子磁链定向下的双馈电机矢量控制163.3 基于定子磁链定向的双馈电机的控制策略203.4 双馈电机整个系统的控制策略224双馈电机调速系统的仿真244.1 Simulink下仿真模型的搭建244.2仿真结果及分析265总结30致谢31参考文献32 1
2、绪论1.1双馈电机的发展状况 目前，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，它是由电机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、电力电子与电力传动技术、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
3、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，因此用途非常地广泛。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 10%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
4、科夫电机制造公司已经制造了一系列的双馈电动机，例如：哈尔科夫公司已经生产了315kW 至 2000kW 的不同种类的双馈电动机，而且已经大量运用于各种交流调速传动领域中(如风机、泵类等负载)。目前，美国、俄罗斯、澳大利亚等国家在创造无刷双馈电机，并能应用于交流调速或其他电力电子与电力传动领域。 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。80年代中期，前苏联开发了一台50MW水轮双馈发电机与一台200MW 的汽轮双馈电机，并分别能够被应用在实际生活中。在80年代末90年代初，日本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
5、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。1.2双馈电机控制策略 双馈电机控制策略是双馈电机调速系统的关键技术之一。双馈电机主要有以下几种控制策略：矢量控制、直接转矩控制、直接功率控制等。 （1）采用矢量控制 双馈电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统。如果不对其进行解耦控制，而在三相静止坐标系下直接对交流电流进行闭环控制，效果很不理想。因此，很多学者开始对矢量控制进行研究。在双馈电机调速系统中，矢量控制的基本方法是通过对双馈电机的定子电流进行分解，即分解为励磁电流与转矩电流，同时对这两个量的幅值与相位独立地控制，从而实现定子电流矢量的控制。通俗地
6、说，矢量控制为了达到对双馈电机高性能的调速，因此将磁链与转矩进行解耦控制，这样很容易设计两者的调节器。矢量控制成功地解决了交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合的难题，从而实现了可以实时地控制交流电动机的电磁转矩，急剧地提高了交流电动机变压变频调速系统的动态性能。目前，交流电动机矢量控制系统的性能已经可以与直流调速系统的性能相媲美，甚至超过了直流调速的性能。在双馈电机调速系统中可以作为定向矢量的主要有定子电压矢量、转子电压矢量、定子电流矢量、转子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，共 6 个基本矢量。其中，定子电压定向和定子磁链定向比较常用。 （2）采用直接转矩控制 与矢量控制不一样的在
7、于直接转矩控制不是通过控制磁链、电流等量来间接控制转矩的，它是把转矩直接作为需要控制的量，并结合定子磁链定向控制，实现直接控制定子磁链和电磁转矩的。此策略不需要复杂的坐标变换，而是在定子坐标轴上直接计算磁链的大小和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪来实现 PWM 脉宽调制、提高系统的高动态性能。此方法缺点是低速性能较差，调速范围受到限制。 （3）采用直接功率控制 在直接功率控制中，转子侧的开关动作是依靠检测定子侧的量来控制的，但没有对转子侧电压进行积分，并且该方法不需要使用位置传感器，因此该控制方法可使系统稳定工作，鲁棒性强。直接功率控制可以通过调节有功和无功的 PI 调节器来跟踪参考值，
8、从而控制发电机输出的有功和无功。但也存在着一些不足之处，电网电压的波动会影响其控制的动态性能；在轻载时容易产生振荡，并且扰动观测法，即便在稳态时其功率的平滑度也会受到影响；有功功率判断的准确性会影响到对双馈发电机运行状态的判断。 根据以上分析及作者所学知识影响，决定采用矢量控制技术。1.3本文的主要内容 在文中，选用定子磁链定向的矢量控制，采用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。第二章首先介绍了双馈电机的工作原理，分析了双馈电机在不同工况下的的功率分布情况
9、。然后在此基础上建立双馈电机的数学模型，利用坐标变换简化数学模型，最后推导出在dq坐标系下双馈电机的数学模型，为后面研究控制策略奠定了基础。第三章首先通过分析对比采用不同的量作为定向矢量时对双馈电机控制策略的影响，为了选择简单的、最佳的控制策略，于是采用定子磁链定向矢量控制策略对双馈电机进行双闭环控制，然后推导出双馈电机在同步旋转坐标系MT上的数学模型，并计算出双馈电动机的有功功率、无功功率、转速与定子电流、转子电流的关系，得出双馈电动机控制框图。最后在Simulink下搭建系统的仿真模型，得到波形，验证控制策略的可行性。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 顾名
10、思义，“双馈”就是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。双馈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，它从电网吸收电功率，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
11、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)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， 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，为双馈电机极对数。当时，双馈电机运行在次同步状态下，当时，双馈电机运行在超同步状态，其中为系统运行时的转速。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。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
12、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,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。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。交交变频器没有直流储能电路，具有较高的效率，采用简单的主电路，没有包含滤波电路以及直流电路，容易实现无功功率的调节
13、、以及有功功率的回馈。虽然大功率交交变频器应用非常广泛，由于它具有输出功率因数不高、谐波含量多、输出频率不高、较窄的变化范围、以及需要使用的元器件数量较多等不足使它的应用受到了一定范围内的限制。它比较适合应用在传统的大功率电机调速系统中。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，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
14、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
15、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。 （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，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 0s1，由于，其中，Pm 是电机定子侧流向转子侧（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，其功率流程图如下图 2
