畢業(yè)論文雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略的研究及其仿真設(shè)計(jì)

1、摘要 目前，雙饋電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將轉(zhuǎn)差功率饋送至電網(wǎng)中，或者是由電網(wǎng)饋入。雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由于具有可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的幅值、相位以及頻率來(lái)調(diào)節(jié)雙饋電動(dòng)機(jī)定子側(cè)無(wú)功功率，因此被廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域。 本文主要研究雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略及其仿真。本文首先簡(jiǎn)單地介紹了雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理，分析、討論了雙饋電動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)的功率流動(dòng)關(guān)系，接著詳細(xì)地推導(dǎo)出雙饋電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。然后采用定子磁鏈定向，推導(dǎo)出雙饋電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MT上的數(shù)學(xué)模型。本文采用雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與定子側(cè)無(wú)功功率作為外環(huán)控制目標(biāo)、轉(zhuǎn)子電流在M

2、、T軸上的分量作為內(nèi)環(huán)控制目標(biāo)的雙閉控制系統(tǒng)。該控制策略能夠獨(dú)立地調(diào)節(jié)雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與定子側(cè)無(wú)功功率，且能夠?qū)崿F(xiàn)雙饋電動(dòng)機(jī)在次同步、超同步狀態(tài)下運(yùn)行。然后在 MATLAB 中的 simulink 環(huán)境下搭建了雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所用控制策略的可行性。關(guān)鍵詞：雙饋電動(dòng)機(jī)，矢量控制，仿真AbstractAt present, the biggest advantage of doubly-fed electric machine is that it can make the slip power feed to the grid, or eed it from gr

3、id. The double-fed electric machine speed control system has high reliability and low cost advantages, and it can change the double-fed electric machine stator side reactive power by adjusting the amplitude, phase and frequency of the rotor side converter, so it is widely used in the field of motor

4、control. This paper mainly studies the control strategy of double-fed electric machine speed control system and its simulation.This paper first briefly describes the basic working principle of the double-fed electric machine speed control system, analyzes and discusses the power flow of the doubly-f

5、ed electric machine in the run-time under different conditions ,then deduces the mathematical model of the doubly-fed electric machine in three-phase stationary coordinatesystem in detail.It uses the double-loop control system of using the speed of the double-fed electric machine and reactive power

6、of the stator-side s control targets in the outer ring and the component of rotor current in the M, T-axis as inner control objectives. And this control method can independently adjust the motor speed and the reactive power of the stator side of double-fed electric machine ,and double-fed electric m

7、achine can achieve running in the sub-synchronous and super-synchronous state.Then it builds a double-fed electric machine speed control system simulation model in MATLAB simulink environment, simulation results are analyzed to verify the feasibility of the control strategy used.Key Words: doubly-fe

8、delectric machine, field oriented control, simulation 目 錄1緒論11.1雙饋電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r11.2雙饋電機(jī)控制策略21.3本文的主要內(nèi)容32雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其功率流程分析42.1雙饋電機(jī)調(diào)速的工作原理42.2 變頻器52.3雙饋電機(jī)調(diào)速的運(yùn)行工況分析62.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型72.5坐標(biāo)變換113雙饋電機(jī)的矢量控制技術(shù)153.1矢量控制簡(jiǎn)介153.2定子磁鏈定向下的雙饋電機(jī)矢量控制163.3 基于定子磁鏈定向的雙饋電機(jī)的控制策略203.4 雙饋電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的控制策略224雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真244.1 Simul

9、ink下仿真模型的搭建244.2仿真結(jié)果及分析265總結(jié)30致謝31參考文獻(xiàn)321緒論1.1雙饋電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 目前，隨著電力電子技術(shù)、控制理論的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速在電力電子與電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從而逐步取代了直流電機(jī)調(diào)速的地位。所謂雙饋電機(jī)是指將異步電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組都與交流電網(wǎng)或含電動(dòng)勢(shì)的回路相連接，使它們可以進(jìn)行能量的雙向流動(dòng)。雙饋電機(jī)也稱交流勵(lì)磁電機(jī)，它是由電機(jī)本體與交流勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成的。雙饋電機(jī)是電機(jī)技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)、以及現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展而來(lái)的產(chǎn)物。雙饋電機(jī)的定子端與50Hz的大電網(wǎng)直接相連接，而轉(zhuǎn)子端與幅值、相位以及頻率均可調(diào)節(jié)的交流電源相連接。通

10、過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子端勵(lì)磁電流幅值大小、相位以及頻率，可以使得雙饋電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)速的大小也可以調(diào)節(jié)，且定子端輸出的電壓和頻率可以保持不變，因此，它在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)又可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。 雙饋電機(jī)同時(shí)具備同步電機(jī)的特點(diǎn)與異步電機(jī)的特點(diǎn)，可以在同步速上下運(yùn)行，而且能夠有效地調(diào)節(jié)無(wú)功功率，因此用途非常地廣泛。在雙饋調(diào)速系統(tǒng)中，由于通過(guò)變頻器的轉(zhuǎn)差能量只是被控能量的一部分,所以所需變頻器的容量可以小于電機(jī)的容量,這樣可以大大地提高雙饋調(diào)速系統(tǒng)的效率、節(jié)約成本。雙饋電機(jī)的調(diào)速范圍可以達(dá)到 10%至60%，因此具備提高系統(tǒng)的工作效率、節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)其作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在不同的帶載

11、情況下，可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率和轉(zhuǎn)速。德國(guó)西門子、日本東芝和三菱、俄羅斯哈爾科夫電機(jī)制造公司已經(jīng)制造了一系列的雙饋電動(dòng)機(jī)，例如：哈爾科夫公司已經(jīng)生產(chǎn)了315kW 至 2000kW 的不同種類的雙饋電動(dòng)機(jī)，而且已經(jīng)大量運(yùn)用于各種交流調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中(如風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載)。目前，美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)家在創(chuàng)造無(wú)刷雙饋電機(jī)，并能應(yīng)用于交流調(diào)速或其他電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域。 雙饋電機(jī)既可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電，又能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，因此被廣泛地應(yīng)用于電力工業(yè)中。80年代中期，前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)50MW水輪雙饋發(fā)電機(jī)與一臺(tái)200MW 的汽輪雙饋電機(jī)，并分別能夠被應(yīng)用在實(shí)際生活中。在80年代末90

12、年代初，日本日立公司與東芝公司開(kāi)發(fā)出不同種類的大功率的雙饋發(fā)電機(jī)，并且已經(jīng)投入到大型抽水蓄能電站中運(yùn)用。另外，國(guó)外也研究了風(fēng)能電站、潮汐電站雙饋發(fā)電機(jī)。1.2雙饋電機(jī)控制策略 雙饋電機(jī)控制策略是雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。雙饋電機(jī)主要有以下幾種控制策略：矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、直接功率控制等。 （1）采用矢量控制 雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量復(fù)雜系統(tǒng)。如果不對(duì)其進(jìn)行解耦控制，而在三相靜止坐標(biāo)系下直接對(duì)交流電流進(jìn)行閉環(huán)控制，效果很不理想。因此，很多學(xué)者開(kāi)始對(duì)矢量控制進(jìn)行研究。在雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，矢量控制的基本方法是通過(guò)對(duì)雙饋電機(jī)的定子電流進(jìn)行分解，即分解為勵(lì)磁電流與

13、轉(zhuǎn)矩電流，同時(shí)對(duì)這兩個(gè)量的幅值與相位獨(dú)立地控制，從而實(shí)現(xiàn)定子電流矢量的控制。通俗地說(shuō)，矢量控制為了達(dá)到對(duì)雙饋電機(jī)高性能的調(diào)速，因此將磁鏈與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦控制，這樣很容易設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器。矢量控制成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的耦合的難題，從而實(shí)現(xiàn)了可以實(shí)時(shí)地控制交流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，急劇地提高了交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。目前，交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美，甚至超過(guò)了直流調(diào)速的性能。在雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中可以作為定向矢量的主要有定子電壓矢量、轉(zhuǎn)子電壓矢量、定子電流矢量、轉(zhuǎn)子電流矢量、定子磁鏈?zhǔn)噶俊⑥D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，?6 個(gè)基本矢量。其中，

14、定子電壓定向和定子磁鏈定向比較常用。 （2）采用直接轉(zhuǎn)矩控制 與矢量控制不一樣的在于直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過(guò)控制磁鏈、電流等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩的，它是把轉(zhuǎn)矩直接作為需要控制的量，并結(jié)合定子磁鏈定向控制，實(shí)現(xiàn)直接控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的。此策略不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是在定子坐標(biāo)軸上直接計(jì)算磁鏈的大小和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制、提高系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。此方法缺點(diǎn)是低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。 （3）采用直接功率控制 在直接功率控制中，轉(zhuǎn)子側(cè)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是依靠檢測(cè)定子側(cè)的量來(lái)控制的，但沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓進(jìn)行積分，并且該方法不需要使用位置傳感器，因此該控制方法可使系統(tǒng)穩(wěn)

15、定工作，魯棒性強(qiáng)。直接功率控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)有功和無(wú)功的 PI 調(diào)節(jié)器來(lái)跟蹤參考值，從而控制發(fā)電機(jī)輸出的有功和無(wú)功。但也存在著一些不足之處，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)會(huì)影響其控制的動(dòng)態(tài)性能；在輕載時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，并且擾動(dòng)觀測(cè)法，即便在穩(wěn)態(tài)時(shí)其功率的平滑度也會(huì)受到影響；有功功率判斷的準(zhǔn)確性會(huì)影響到對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。 根據(jù)以上分析及作者所學(xué)知識(shí)影響，決定采用矢量控制技術(shù)。1.3本文的主要內(nèi)容在文中，選用定子磁鏈定向的矢量控制，采用雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與定子側(cè)無(wú)功功率作為外環(huán)控制目標(biāo)、轉(zhuǎn)子電流在M、T軸上的分量作為內(nèi)環(huán)控制目標(biāo)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙饋電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將轉(zhuǎn)差功率饋送至電網(wǎng)中，或者是由電網(wǎng)饋入

16、。第二章首先介紹了雙饋電機(jī)的工作原理，分析了雙饋電機(jī)在不同工況下的的功率分布情況。然后在此基礎(chǔ)上建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，最后推導(dǎo)出在dq坐標(biāo)系下雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為后面研究控制策略奠定了基礎(chǔ)。第三章首先通過(guò)分析對(duì)比采用不同的量作為定向矢量時(shí)對(duì)雙饋電機(jī)控制策略的影響，為了選擇簡(jiǎn)單的、最佳的控制策略，于是采用定子磁鏈定向矢量控制策略對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，然后推導(dǎo)出雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MT上的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算出雙饋電動(dòng)機(jī)的有功功率、無(wú)功功率、轉(zhuǎn)速與定子電流、轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系，得出雙饋電動(dòng)機(jī)控制框圖。最后在Simulink下搭建系統(tǒng)的仿真模型，得到波形，驗(yàn)證控制策略的

17、可行性。2雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其功率流程分析2.1雙饋電機(jī)調(diào)速的工作原理顧名思義，“雙饋”就是指把繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別接在交流電網(wǎng)或其他含電動(dòng)勢(shì)的電路上，使它們的能量可以進(jìn)行雙向流動(dòng)。雙饋電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，決定著電功率是饋入定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組，還是從定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組饋出。當(dāng)雙饋電機(jī)以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)吸收電功率，負(fù)載的運(yùn)行主要依靠在軸上輸出的機(jī)械功率來(lái)承擔(dān)。在雙饋調(diào)速時(shí)，雙饋電機(jī)的定子端直接接在 50Hz 的工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子端直接接在幅值大小、相位以及頻率可調(diào)節(jié)的變頻器上。雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機(jī)，由定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組組成。定子端直接接入三相工頻電

18、網(wǎng)，轉(zhuǎn)子端接入幅值、頻率、相位可調(diào)的變頻器。雙饋電機(jī)的主電路如下圖 2.1 所示。圖2.1雙饋電機(jī)的主電路 當(dāng)雙饋電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)是相對(duì)靜止的。根據(jù)電機(jī)基本原理，對(duì)雙饋電機(jī)有： (2-1)其中， 為工頻電網(wǎng)的頻率，為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的頻率，為轉(zhuǎn)差率， 為同步轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，為雙饋電機(jī)極對(duì)數(shù)。當(dāng)時(shí)，雙饋電機(jī)運(yùn)行在次同步狀態(tài)下，當(dāng)時(shí)，雙饋電機(jī)運(yùn)行在超同步狀態(tài)，其中為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn)，雙饋調(diào)速是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器的頻率來(lái)改變轉(zhuǎn)速。如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的幅值、相位，可以使雙饋電機(jī)運(yùn)行在過(guò)勵(lì)、欠勵(lì)狀態(tài)，并向電網(wǎng)發(fā)出或吸收

19、無(wú)功功率，進(jìn)一步改善功率因數(shù)。2.2 變頻器 在雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,雙饋電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將轉(zhuǎn)差功率饋送至電網(wǎng)中，或者是由電網(wǎng)饋入,因此變頻器的選型與控制方式十分重要，是雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，由于雙饋電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，能量需要雙向流動(dòng)，這樣對(duì)變頻器的要求就較高。目前常用的變頻器有交-交變頻器、交-直-交變頻器等。交交變頻器不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)，將一種頻率和電壓的交流電變換成另一種頻率和電壓的交流電。交交變頻器采用自然換流方式的晶閘管進(jìn)行控制，并且可靠性高、工作穩(wěn)定。交交變頻器適合在大功率低頻范圍內(nèi)應(yīng)用，輸出的最大頻率是電網(wǎng)頻率的 1/3-1/2。交交變頻器沒(méi)有直流儲(chǔ)能電路，具有較高的

20、效率，采用簡(jiǎn)單的主電路，沒(méi)有包含濾波電路以及直流電路，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)、以及有功功率的回饋。雖然大功率交交變頻器應(yīng)用非常廣泛，由于它具有輸出功率因數(shù)不高、諧波含量多、輸出頻率不高、較窄的變化范圍、以及需要使用的元器件數(shù)量較多等不足使它的應(yīng)用受到了一定范圍內(nèi)的限制。它比較適合應(yīng)用在傳統(tǒng)的大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。交-直-交變換器就是把工頻交流電先通過(guò)整流器把交流電整流成直流電，接著再通過(guò)變換器，將直流電逆變成可以調(diào)節(jié)頻率的交流電。交直交變頻器主要由整流器、濾波電路以及逆變器 3 個(gè)部分組成，且比較常用。整流器有由晶閘管組成的全控整流器或由二極管組成的不控整流器，逆變器與整流器相反，它是將恒定的

21、直流電變換為電壓、頻率均可調(diào)節(jié)的交流電，它可以是晶體管組成的三相橋式電路。中間的濾波環(huán)節(jié)是對(duì)整流后得到的電壓或電流進(jìn)行濾波，采用的是電容器或者電抗器。根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，交直交變頻器主要有電壓型與電流型兩種類型。目前，因?yàn)榭刂品椒ā⒂布O(shè)計(jì)等因素的影響，電壓型變頻器的應(yīng)用比較廣泛。 電網(wǎng)側(cè)變換器主要有以下兩個(gè)任務(wù)：第一，使輸入電流的波形接近于正弦波，諧波含量少，功率因數(shù)滿足要求；第二，使直流母線電壓穩(wěn)定，兩個(gè)PWM變換器正常工作首先需要保證直流母線電壓穩(wěn)定。因此本文采用的是交直交的變頻器。2.3雙饋電機(jī)調(diào)速的運(yùn)行工況分析 在繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)并改變其大小，就

22、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動(dòng)勢(shì)極性和大小的不同，因此電機(jī)有五種運(yùn)行工況：電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行、電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行、電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行、電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行、電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。下面主要介紹了前兩種運(yùn)行工況下的功率流程關(guān)系。 （1）電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行 設(shè)雙饋電機(jī)直接接在三相工頻電網(wǎng)上，如果在轉(zhuǎn)子側(cè)每相接上與轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)）同向的附加電動(dòng)勢(shì)，則轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生電流，如果對(duì)應(yīng)此電流的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大，那么可以使電機(jī)啟動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)差率s減小，轉(zhuǎn)子電流也減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，且滿足式時(shí)，電動(dòng)機(jī)

23、就在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。若繼續(xù)增大或減小Eadd時(shí)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將升高或降低，并在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s的范圍為 0s1，由于，其中，Pm 是電機(jī)定子側(cè)流向轉(zhuǎn)子側(cè)（或從轉(zhuǎn)子側(cè)流入定子側(cè)）的電磁功率，由此可知，在這個(gè)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸入功率來(lái)自定子側(cè)，從軸上輸出機(jī)械功率，且在除去轉(zhuǎn)子損耗以后，轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)，其功率流程圖如下圖 2.2 所示,其中 CU為功率變換單元。 CU 圖 2.2 功率流程圖 （2）電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行 假設(shè)電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)串入了同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd，軸上拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩的反抗性負(fù)載。我們知道，只要不斷增加+Eadd，

24、就能夠增大電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如果繼續(xù)增大+Eadd，電機(jī)將加速到 s0 的新的平衡狀態(tài)下運(yùn)行，即電機(jī)在超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速雖然超過(guò)了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍然拖動(dòng)著負(fù)載作電動(dòng)運(yùn)行。由于 Pm-sPm=(1-s)Pm，由此可知，電機(jī)軸上的輸出功率是由定子側(cè)輸入功率、轉(zhuǎn)子側(cè)輸入功率兩部分合成的，此時(shí)電機(jī)工作在定子、轉(zhuǎn)子同時(shí)輸入的狀態(tài)。其功率流程圖如下圖 2-3 所示，其中 CU 為功率變換單元。 CU圖 2.3 功率流程圖2.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 雙饋電機(jī)的電機(jī)本體是三相異步電動(dòng)機(jī)，在研究異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了研究的方便，常作

25、以下的假設(shè)： （1)忽略空間諧波和齒槽效應(yīng)，三相繞組對(duì)稱(在空間上互差120度的電角度)，所產(chǎn)生的磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。 (2)忽略磁路的飽和，各繞組的自感系數(shù)都是恒定的。 (3)忽略鐵心損耗。 (4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。 無(wú)論電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是繞線型的還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。電動(dòng)機(jī)繞組等效為如下圖2.4所示的物理模型。定子三相繞組軸線A、B、C在空間上是固定的，以A軸為參考軸，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軸間的電角度為空間角位移變量，轉(zhuǎn)子本體相對(duì)于定子本體的旋轉(zhuǎn)電角速度。ACbaB

26、c圖2.4三相異步電機(jī)物理模型示意圖 規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子繞組的電壓、電流、磁鏈的正方向按照右手螺旋定則規(guī)定，并采用電動(dòng)機(jī)慣例，認(rèn)為正向電壓產(chǎn)生正向電流，而正向電流產(chǎn)生正向磁鏈。這時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。 (1)電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程和三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程寫(xiě)為矩陣形式為： (2-2)其中： 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； 定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻； 各相繞組的全磁鏈； (2)磁鏈方程 （2-3）其中： 由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過(guò)氣隙，磁阻相同，故認(rèn)為定子繞組最大互感與轉(zhuǎn)子繞組

27、最大互感相同。式中：定、轉(zhuǎn)子繞組的互感最大值；定子繞組的自感；轉(zhuǎn)子繞組的自感；轉(zhuǎn)子位置。(3)轉(zhuǎn)矩方程傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為: (2-4) (4)運(yùn)動(dòng)方程 傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為: (2-5) 式中：負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；J機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； D與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)； K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)； P極對(duì)數(shù)。 對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，D=0，K=0，則上式可變?yōu)?2-6) 由此可見(jiàn)，在三相靜止坐標(biāo)系上，雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)具有多個(gè)變量、強(qiáng)耦合的、非線性的高階復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)這個(gè)非線性的復(fù)雜高階系統(tǒng)，直接求解是很麻煩的。為了使雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型呈可控性、可觀性的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化、解耦控制使其成為一個(gè)解耦的線性系統(tǒng)。因此，

28、可以采用坐標(biāo)變換方法將其簡(jiǎn)化、解耦。2.5坐標(biāo)變換2.5.1三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換（3s/2s）BB下圖2.5表示雙饋電機(jī)定子三相繞組A、B、C各相磁勢(shì)矢量的空間位置以及可以將其等效為兩相定子繞組、中各相磁勢(shì)矢量，為了便于分析，令三相繞組的A軸與兩相繞組的軸重合。 圖2.5 定子繞組在不同坐標(biāo)系下磁勢(shì)的空間矢量位置 如果假定磁勢(shì)波形只計(jì)基波分量或按正弦分布，在這兩者的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全等效時(shí)，合成磁勢(shì)在相同軸向的分量一定相等，也就是說(shuō)沿 軸以及 軸上三相繞組和兩相繞組的瞬時(shí)磁勢(shì)的投影值應(yīng)該是相等的，則有下列式子成立： (2-7) (2-8) 其中，N2為兩相電動(dòng)機(jī)的每相定子繞組的實(shí)

29、際匝數(shù)，N3為三相電動(dòng)機(jī)的每相定子繞組的實(shí)際匝數(shù)。然后依據(jù)電流變換矩陣為正交矩陣的原則（推導(dǎo)過(guò)程略），則可以確定兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為： (2-9) 三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為： (2-10)2.5.2兩相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換(2s/2r) 按照上述的思路，同理，d-q 軸系到、軸系的坐標(biāo)變換矩陣為： （2-11）其中，為 d 軸與軸之間的夾角，則、軸系到 d-q 軸系的坐標(biāo)變換矩陣為： （2-12）2.5.3 雙饋電機(jī)在d-q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模前面我們已經(jīng)推導(dǎo)出雙饋電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以得出雙饋電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下

30、的數(shù)學(xué)模型（推導(dǎo)過(guò)程略），下面繼續(xù)討論雙饋電機(jī)在 d、q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 （1）磁鏈方程 雙饋電機(jī)在 d、q 坐標(biāo)系下的磁鏈方程為： （2-16）其中、分別為dq坐標(biāo)系下定子電流和磁鏈的分量；、 分別為dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流和磁鏈的分量；L1、L2分別是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在dq坐標(biāo)系中的自感；Lm是定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間在 dq 坐標(biāo)系中的互感系數(shù)。 （2）電壓方程雙饋電機(jī)在 d、q 坐標(biāo)系下的電壓方程為：（2-17） 其中，Ud1、Uq1為別為dq坐標(biāo)系下的定子電壓的分量；1等于定子電壓頻率的同步角速度，是dq坐標(biāo)系相對(duì)于定子A相軸線的旋轉(zhuǎn)角速度；Ud2、Uq2分別為dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電

31、壓的分量；為轉(zhuǎn)差角速度，是dq坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度，是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。 （3）轉(zhuǎn)矩方程雙饋電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程為： （2-18）其中，Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 （4）運(yùn)動(dòng)方程 雙饋電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程為： （2-19）其中，TL為負(fù)荷轉(zhuǎn)矩;J 為電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D 為運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)。 （5）有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算 雙饋電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下的定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算如下： （2-20） 以上計(jì)算式為雙饋電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3雙饋電機(jī)的矢量控制技術(shù)3.1矢量控制簡(jiǎn)介 矢量控制理論由德國(guó)的F.B1aschke于1971年提出，

32、矢量控制技術(shù)的目的是為了使得交流調(diào)速獲得如同直流調(diào)速同樣優(yōu)良的理想性能。在異步電動(dòng)機(jī)中，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系下定子電流的，通過(guò)32變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換可以等效成同步坐標(biāo)系下的直流電流，。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī)，原交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通織就是等效直流電機(jī)的磁通，M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。異步電機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了

33、。 定向矢量是指將坐標(biāo)系的實(shí)軸與某一電磁量的合成矢量相重合后所對(duì)應(yīng)的合成矢量。在雙饋電機(jī)中定共有六個(gè)基本的矢量可以作為定向矢量，它們分別是定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈。定向矢量在所選的空間坐標(biāo)系下是相對(duì)靜止的，而且它在虛軸上的投影等于 0，因此所選定向矢量的不同決定著控制結(jié)構(gòu)與控制性能的不同。下面分析雙饋電機(jī)定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈作為定向矢量的特點(diǎn)。 （1）采用定子電壓作為定向矢量 采用定子電壓作為定向矢量，其缺點(diǎn)是在主通道中，存在著負(fù)的或正的交叉耦合量，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式復(fù)雜，為 2 個(gè)矢量的叉乘，且定子磁鏈的表達(dá)式非常繁瑣，在電網(wǎng)電

34、壓的波動(dòng)比較大的情況下，控制效果會(huì)很不理想。 （2）采用轉(zhuǎn)子電壓作為定向矢量 采用轉(zhuǎn)子電壓作為定向矢量時(shí)，其缺點(diǎn)是在主通道中，存在著負(fù)的或正的交叉耦合量，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式復(fù)雜，是兩個(gè)矢量的乘積，定子磁鏈的表達(dá)式也很復(fù)雜，而且當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生較大改變時(shí)，控制效果會(huì)很不理想。其缺點(diǎn)與采用定子電壓作為定向矢量一樣。 （3）采用定子電流作為定向矢量 采用定子電流作為定向矢量，其優(yōu)點(diǎn)是交叉耦合量比采用定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓作為定向矢量時(shí)的很少，并且電流交叉耦合量不存在，轉(zhuǎn)矩公式很簡(jiǎn)潔，是2個(gè)標(biāo)量相乘，不過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式非常繁瑣。 （4）采用轉(zhuǎn)子電流作為定向矢量 把轉(zhuǎn)子電流當(dāng)作定向矢量時(shí)，它的優(yōu)缺點(diǎn)與采用定子電流作為

35、定向矢 量時(shí)的情況一樣，但是轉(zhuǎn)子電流作為定向矢量很少應(yīng)用在雙饋調(diào)速系統(tǒng)中。 （5）采用定子磁鏈作為定向矢量 把定子磁鏈作為定向矢量時(shí)，它具有最少的交叉耦合量是它的優(yōu)勢(shì)，且轉(zhuǎn)矩表達(dá)式較簡(jiǎn)潔，是2個(gè)標(biāo)量相乘，在直接通道中，僅有一個(gè)磁鏈分量，表達(dá)式簡(jiǎn)單，并不存在非線性表達(dá)式，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生改變時(shí)，仍然能夠較好地控制轉(zhuǎn)矩量。 （6）采用轉(zhuǎn)子磁鏈作為定向矢量 采用轉(zhuǎn)子磁鏈作為定向矢量，它的優(yōu)點(diǎn)與采用定子磁鏈作為定向矢量一樣，但是因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)侵苯涌刂屏浚ǔＷ兓^大，這樣就影響到對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)，最終會(huì)影響到實(shí)際的控制效果。 分析并比較了以上六個(gè)量作為定向矢量的一些特點(diǎn)，為了達(dá)到控制性能的要求并以

36、最簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)則，常見(jiàn)的是采用定子磁鏈作為定向矢量。3.2定子磁鏈定向下的雙饋電機(jī)矢量控制3.2.1定子磁鏈定向下的數(shù)學(xué)模型 本文應(yīng)用按定子磁鏈定向的矢量控制，它的優(yōu)點(diǎn)是：交叉耦合量少；轉(zhuǎn)矩公式簡(jiǎn)單，是兩個(gè)標(biāo)量之積；磁鏈表達(dá)形式簡(jiǎn)單，只有一個(gè)分量，在另一個(gè)軸上的值為零。另外，由于轉(zhuǎn)矩可表示為兩個(gè)標(biāo)量之積，即使在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)的情況下仍然能夠保證對(duì)轉(zhuǎn)矩的良好控制。根據(jù)上一章異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，把M軸與d軸重合，M軸為定子磁鏈的方向，則可以得到雙饋電機(jī)在MT坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 (1)電壓方程： （3-1） （3-2） (2)磁鏈方程： （3-3） （3-4）(3)

37、電磁轉(zhuǎn)矩方程： （3-5） 其中：下標(biāo)M和T表示各量在M軸和T軸上的分量，其它各標(biāo)示與dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型相同。ACcTbBMaMT軸坐標(biāo)系具體矢量與靜止軸系矢量的關(guān)系如下圖所示: 圖3.1 MT軸坐標(biāo)系具體矢量與靜止軸系矢量的關(guān)系 在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到定子電阻上的壓降較定子電抗上的壓降相比很小，忽略定子繞組電阻時(shí)R1=O，定子電壓U1超前于90度。因此按照MT坐標(biāo)分解有： （3-6） 因?yàn)镸T坐標(biāo)系與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希琓軸M軸正交，必然有： （3-7）因定子繞組接于無(wú)窮大電網(wǎng)，所以U1恒定不變?？傻秒妷悍匠蹋?（3-8）U1恒定不變，為同步速度，所以為常數(shù)綜合以上兩式（3-7）、（3-8），

38、由式（3-3）、（3-4）可以推導(dǎo)出 （3-9） 將上式及值帶入式（3-5）轉(zhuǎn)矩方程可得： （3-10） 由上式矢量分解后表達(dá)式可以看出，只要控制轉(zhuǎn)子電流，就可以達(dá)到控制定子電流，的目的。因?yàn)槌?shù)，故調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，從而可以控制轉(zhuǎn)速。 電機(jī)定子側(cè)輸入的有功功率P和無(wú)功功率Q在腳坐標(biāo)系中可以表示為： （3-11）因?yàn)?，代入式?-11）可得: （3-12）由式（3-12）可以看出，控制轉(zhuǎn)子電流的T軸分量就可以控制有功功率，而控制轉(zhuǎn)子電流的M軸分量就可以控制無(wú)功功率。3.2.2 定子磁鏈觀測(cè)器定子磁場(chǎng)定向時(shí)，需要測(cè)出實(shí)際定子磁鏈的位置，即它相對(duì)于定子A相的相位。一般多采用間接觀測(cè)的方法，即檢測(cè)出

39、電壓、電流或轉(zhuǎn)速等容易測(cè)得的物理量，利用定子磁鏈觀測(cè)器實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的相位。本文采用的是定子電壓模型的定子磁鏈觀測(cè)器。原理如下圖3.2所示，忽略定子繞組電阻時(shí)，定子電壓超前90度電角度。所以只要確定與靜止A相之間的夾角。就可以由下圖得，而。定子電壓在坐標(biāo)變換時(shí)可求得值。AaMT 圖3.2 定子磁鏈的位置矢量圖采用電壓模型的磁通觀測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）定子接于無(wú)窮大電網(wǎng)，所以定子電壓是穩(wěn)定的工頻電壓，諧波小，電壓的檢測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)。 （2）電壓模型整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。在得到、后，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到，與，之間的關(guān)系表達(dá)式，列寫(xiě)其變換矩陣如下： (3-13) (3-14)其中，為M軸與轉(zhuǎn)子a相軸

40、線之間的夾角。由此求得相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流，由控制電路計(jì)算出相應(yīng)的觸發(fā)角，進(jìn)而得到晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。3.3 基于定子磁鏈定向的雙饋電機(jī)的控制策略 無(wú)功功率這一部分的控制對(duì)象為雙饋電機(jī)定子側(cè)輸出的無(wú)功功率或功率因數(shù)，有功功率這一部分的控制對(duì)象為雙饋電機(jī)定子側(cè)有功功率、轉(zhuǎn)速 、電磁轉(zhuǎn)矩，在采用定子磁鏈定向的基礎(chǔ)上，下面列出這些量與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系式如下所示： （3-15） （3-16） （3-17） （3-18） 所以，在雙饋電機(jī)運(yùn)行時(shí)，雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下圖3.2 所示：_圖3.3 雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由圖 3.2 可以看出，通過(guò)坐標(biāo)變換以及采用定子磁鏈定向的方案后，轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子電流是呈一階慣性環(huán)

41、節(jié)的關(guān)系，并且雙饋電機(jī)定子側(cè)有功功率、無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 MT 軸上的分量是呈比例關(guān)系的，在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上可以得到基于定子磁鏈定向的雙饋電機(jī)的矢量控制框圖如圖3.4、3.5 所示。 PIPI_ 圖3.4 雙饋電機(jī)定子側(cè)的無(wú)功功率控制框圖PII_PII_PI圖3.5 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制框圖 在圖3.4、圖3.5 中，、兩個(gè)量是交叉耦合量，是定子電壓在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，視作擾動(dòng)項(xiàng)。雙饋電機(jī)在基定子磁鏈定向的控制策略中，對(duì)交叉耦合量、反電動(dòng)勢(shì)在電流內(nèi)環(huán)中進(jìn)行前饋補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并且通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的d軸、q軸分量進(jìn)行解耦處理后實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與無(wú)功功率的獨(dú)立控制

42、。3.4 雙饋電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的控制策略在實(shí)際的系統(tǒng)中，需要對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過(guò)實(shí)時(shí)地控制，將定子側(cè)的相電壓、以及相電流、經(jīng)過(guò) 的坐標(biāo)變換得出其在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓、以及電流、，根據(jù)以下的計(jì)算式可得到：（3-19）根據(jù)/MT 的坐標(biāo)變換公式，可以得實(shí)際所需要的轉(zhuǎn)子電流、。這里規(guī)定與軸重合， 超前90，則有： （3-20） 其中，為M軸與轉(zhuǎn)子a軸之間的夾角，通過(guò)極坐標(biāo)變換可以得到夾角 (是定子電壓與定子A軸之間的夾角，本文中由定子電壓模型的定子磁鏈觀測(cè)器得到)，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度，很容易測(cè)量計(jì)算。由此，可以得到雙饋電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖如下圖所示：PI2r/3s坐標(biāo)變換PI逆變器PIPIP

43、I功率計(jì)算及定子電流檢測(cè)spwm轉(zhuǎn)子速度和位置檢測(cè)角計(jì)算ABCC_ 圖3.6雙饋電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖 在圖3.6中，給出了速度模式控制和電流模式控制的基于定子磁鏈定向的雙饋電機(jī)控制策略，在這兩種模式控制下，內(nèi)外環(huán)均為電流環(huán)，并且都采用 PI 控制器。內(nèi)環(huán)反饋信號(hào)轉(zhuǎn)子電流、是通過(guò)電流傳感器將檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)子電流通過(guò)一定坐標(biāo)變換得到的。外環(huán)采用定子側(cè)無(wú)功功率、轉(zhuǎn)速作為控制目標(biāo)，使用的是PI控制器。外環(huán)反饋信號(hào)無(wú)功功率、是通過(guò)DSP實(shí)時(shí)地計(jì)算得到的，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度是通過(guò)位置傳感器檢測(cè)得到的，采用這種雙閉環(huán)控制有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的精確度。4雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1 Simulink下仿真模型的搭建

44、根據(jù)上章雙饋電機(jī)控制框圖在MATLAB中的simulink下搭建雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。所給定雙饋電機(jī)參數(shù)如下：額定功率=11000W，定子額定電壓=380V,定子頻率=50Hz,定子阻抗=1.115,定子漏感=0.005974H，轉(zhuǎn)子阻抗=1.083,轉(zhuǎn)子漏感=0.005974H，互感=0.2537H，電機(jī)極對(duì)數(shù) P=4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.1kgm。各仿真模塊如下圖： 圖4.1雙饋電機(jī)主電路仿真圖 圖4.2 控制回路仿真模型圖根據(jù)3.2.2節(jié)的內(nèi)容及式3-13，3-14，得到定子磁鏈觀測(cè)器的模型： 圖4.3定子磁鏈觀測(cè)器仿真圖根據(jù)2.5.3節(jié)中的式2-20，建立定子側(cè)功率計(jì)算模型： 圖4

45、.4功率計(jì)算仿真圖根據(jù)2.5節(jié)中的式2-9、2-11，可得到如下的2r/3s封裝圖： 圖4.5 2r/3s仿真模型根據(jù)2.5節(jié)中的2-10、2-12，可得如下的3s/2r封裝圖： 圖4.6 3s/2r封裝圖4.2仿真結(jié)果及分析圖4.7 轉(zhuǎn)速 圖4.8 定子側(cè)功率因數(shù)、無(wú)功功率、有功功率（由上自下）圖4.9 轉(zhuǎn)子電流d軸、q軸分量給定值（由上自下）圖4.10 轉(zhuǎn)子電流d軸、q軸分量實(shí)際值（由上自下）圖4.11 定子電流仿真波形圖圖4.12 轉(zhuǎn)子電流仿真波形圖由以上波形可以看出，雙饋電機(jī)能在次同步、超同步狀態(tài)下運(yùn)行，并且響應(yīng)迅速。在次同步狀態(tài)工作時(shí)，從雙饋電機(jī)定子端輸入功率，轉(zhuǎn)差功率由轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)。在超同步狀態(tài)工作時(shí)，雙饋電機(jī)的輸入功率由定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)共同提供。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，并且無(wú)功功率實(shí)際值也基本接近于0。由于速度環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用，轉(zhuǎn)子電流在d、q 軸的分量能夠快速地響應(yīng)外環(huán)的變化。轉(zhuǎn)子側(cè)電流在0.2s時(shí)換向一次，接著在1s時(shí)又換向一次，并結(jié)合以上波形可以看出，轉(zhuǎn)子電流的變化影響著轉(zhuǎn)速、定子側(cè)有功功率、定子側(cè)無(wú)功功率等的變化過(guò)程，與上章分析雙饋電機(jī)在d、q軸上的數(shù)學(xué)模型的關(guān)系式是相吻合的，而且輸出轉(zhuǎn)子電流諧波含量少。5總結(jié) 所謂雙饋電機(jī)是指將異步電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組都與交流電網(wǎng)或含電動(dòng)勢(shì)的回路相連接，使它們可以進(jìn)