交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的矢量控制

關(guān)于交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的矢量控制22-5交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：定子繞組接在電網(wǎng)上，工頻轉(zhuǎn)子三相繞組由交-交變頻器供電，頻率、相位、相序可調(diào)性能特點(diǎn)

1.變速。0～2n1

范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速可調(diào)

2.穩(wěn)定性好

3.可以深吸收無功功率。具有調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無功的能力，解決無功過剩問題。第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3二.數(shù)學(xué)模型空間向量法電壓方程、磁鏈方程和等效電路同前向量圖用I’r(I’2)和I’r落后于U1的角度φ為自變量表示的電壓、電流和電磁轉(zhuǎn)矩取U1方向?yàn)閰⒖驾S第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4電磁轉(zhuǎn)矩令得第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天6電磁功率第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天在穩(wěn)態(tài)情況下，定子電流角頻率為

1，轉(zhuǎn)子電流角頻率為

2，

在定子坐標(biāo)系在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系電壓方程和磁鏈方程第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天得向量圖第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天-ē1式中其余類推第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天10向量圖

從電網(wǎng)端看進(jìn)去，-U1與I1同向，向電網(wǎng)發(fā)出電功率，若是感性功率，則滯后

1角在電動機(jī)慣例下，U、I之間相位差<90，吸收功率，相位差>90，發(fā)出功率取U1為參考向量第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天三.有功功率的傳遞定子輸出有功功率

參見第二章35jAA*AA*ab－bjA＋j第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天12轉(zhuǎn)子輸入有功功率第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天13發(fā)電機(jī)軸上輸入的凈機(jī)械功率P’mecPesPe=P2-pcu2S<0S>0按能量守恒定律，應(yīng)有第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天14比較可以發(fā)現(xiàn)：s=0時(shí)(同步)，P2=pcu2,轉(zhuǎn)子輸入的電功率只用于供給轉(zhuǎn)子銅耗。s>0時(shí)(亞同步），P’mec+sPe=Pe，轉(zhuǎn)子輸入的電功率除供給轉(zhuǎn)子銅耗外，其余以轉(zhuǎn)差功率sPe的形式與軸上輸入的凈機(jī)械功率合并成為電磁功率，由轉(zhuǎn)子通過氣隙傳送到定子。s<0時(shí)(超同步），P2可為正、為0或?yàn)樨?fù)。當(dāng)|s|大于某值時(shí)(sPe>pcu2)，能量回饋給變頻器。這時(shí)軸上輸入的凈機(jī)械功率，一部分以電磁功率的形式通過氣隙傳送到定子，另一部份以轉(zhuǎn)差功率（-sPe）的形式，扣除轉(zhuǎn)子銅耗后，成為轉(zhuǎn)子的輸出功率（-P2）第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天15四.無功功率的傳遞定子輸出的無功功率轉(zhuǎn)子輸入的無功功率

s>0時(shí)取正號，s<0時(shí)取負(fù)號感性無功沒有負(fù)號？第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天16由等效電路寫出無功功率平衡關(guān)系即或定轉(zhuǎn)氣隙第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天17由上式可見當(dāng)運(yùn)行在同步速時(shí)當(dāng)運(yùn)行在亞同步或超同步速時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子都有可能輸出或輸入無功功率，Q1、Q2可為正、為0或?yàn)樨?fù)：當(dāng)定子功率因數(shù)cos

1’=1（Q1=0)時(shí)，|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等無功功率由轉(zhuǎn)子方輸入的無功功率（Q2>0）單獨(dú)提供。第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天18當(dāng)定子方功率因數(shù)cos

1’落后（Q1>0，發(fā)出感性無功)，轉(zhuǎn)子方輸入的無功功率除了提供|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等無功功率外，還要提供|s|Q1的無功功率當(dāng)定子方功率因數(shù)cos

1’超前（Q1<0，吸收感性無功)，|s|Qm、|s|Qx1σ及Qx2σ等無功功率通常由定子、轉(zhuǎn)子輸入的無功功率聯(lián)合提供，當(dāng)定子方深吸收無功功率時(shí)，轉(zhuǎn)子方有可能輸出無功功率（Q2<0)第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天19由上式還可知，當(dāng)|s|較小時(shí)，轉(zhuǎn)子方只要輸入較小的無功功率，可以控制定子方輸入或輸出較大的無功功率。當(dāng)|s|=0時(shí)，轉(zhuǎn)子輸入直流，不輸入無功，也同樣可以實(shí)現(xiàn)對定子方無功功率的控制。

第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天20五.運(yùn)行方式可求出以U’2和s為自變量表達(dá)式

由等效電路寫出定轉(zhuǎn)子方的電壓方程，得第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天21式中：

第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天22從式中可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩包含三個分量：

1．Tas∝U12/A*(r′2/s)為異步轉(zhuǎn)矩。它是轉(zhuǎn)子繞組短路，在定子電壓單獨(dú)作用下產(chǎn)生的，其特性與一般的異步電機(jī)相同。該分量與s有關(guān)，并且在亞同步（s>0）時(shí)表現(xiàn)為電動轉(zhuǎn)矩，在超同步（s<0）時(shí)表現(xiàn)為發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩。

2.Tar∝U2’2/A*(r1/s2)也為異步轉(zhuǎn)矩。它是定子繞組短路，在轉(zhuǎn)子電壓作用下產(chǎn)生的，其特性總是表現(xiàn)為發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩。

3．Tsyn∝U2’U1/s(…)sin(δ+θ1)為同步轉(zhuǎn)矩。是在定、轉(zhuǎn)子電壓相互作用下產(chǎn)生的，其特性近似于同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩分量不管電機(jī)在亞同步還是超同步運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)子電壓相位的不同，均可表現(xiàn)為電動轉(zhuǎn)矩或者制動轉(zhuǎn)矩。第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天231.它控工作方式（又稱同步工作方式）發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是接到變頻器上的，根據(jù)變頻器的控制方法的不同，可分為它控式和自控式兩種控制方式。在它控工作方式下，變頻電源的輸出頻率是獨(dú)立給定的，與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。因此，對應(yīng)一個給定的變頻電源輸出頻率，即確定了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組的頻率f2，也就確定了一個發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且這個轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的負(fù)載無關(guān)。因此，他控式變速交流勵磁發(fā)電機(jī)具有同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天24a)功角特性由轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，s=常數(shù)，U’2*=常數(shù)，Te是功角θi的函數(shù)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，s一定，Tas、Tar是一固定值，Tsyn在負(fù)載變化時(shí)，可以通過自動調(diào)節(jié)θi，使制動的總電磁轉(zhuǎn)矩與原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩相平衡，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于同步工作方式。與同步發(fā)電機(jī)相類似，為了分析交流勵磁發(fā)電機(jī)的功角特性，將其電磁功率，有功功率和無功功率用功角來表示。令交流勵磁發(fā)電機(jī)的空載電壓為，其中θ即為發(fā)電機(jī)的功角。由交流勵磁發(fā)電機(jī)的等效電路圖可知，U0在向量圖中畫出（尚未）第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天25電磁功率的功角特性為

代入電磁功率表達(dá)式，得=90°時(shí)，達(dá)靜穩(wěn)定極限第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天26第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天27根據(jù)以上發(fā)電機(jī)的電磁功率的功角特性，他控式交流勵磁發(fā)電機(jī)存在著靜態(tài)穩(wěn)定極限。dPe/dθ>0

（0<θ<180-α1）為發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行范圍dPe/dθ<0（θ>180-α1）為發(fā)電機(jī)靜態(tài)不穩(wěn)定運(yùn)行范圍dPe/dθ=0（θ=180-α1）為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行極限點(diǎn)。可見他控式交流勵磁發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)有相同靜態(tài)穩(wěn)定性問題。第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天28靜態(tài)不穩(wěn)定運(yùn)行范圍：在此范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載突變引起轉(zhuǎn)速波動時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電流頻率不變，轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場不同步，會引起振蕩，甚至不穩(wěn)定。第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天29b)同步工作方式下無功功率的調(diào)節(jié)與U形曲線用U0=xmI’2和Φ=90o-θ代入(18)，(22)式中,得當(dāng)考慮定子電壓U1不變和不計(jì)定子電阻r1時(shí)，有第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天30上式中發(fā)電機(jī)參數(shù)xm、x1不變，定子端電壓U1不變。因此，當(dāng)在調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子輸出無功功率的過程中，要保持輸出有功功率不變，即P1=常數(shù)，就有又有mm’nn’oo’第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天31發(fā)電機(jī)定子電壓方程可簡化得由此可畫出發(fā)電機(jī)發(fā)出某一有功功率時(shí)的矢量圖在發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的矢量圖為（下頁）。第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天32矢量圖過勵欠勵正常勵磁發(fā)出感性無功發(fā)出容性無功第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天33運(yùn)行狀態(tài)1：定子電流與電壓同相位（φ1=0）。發(fā)電機(jī)只輸出有功功率，不輸出無功功率。這時(shí)定子電流最小。轉(zhuǎn)子勵磁電流是，為“正常勵磁”狀態(tài)。√運(yùn)行狀態(tài)2：轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值增大為，相位角Φ增加，U0增大為U02

，定子電流滯后電壓（φ1>0）。發(fā)電機(jī)不僅輸出有功功率，還輸出感性無功功率。此時(shí)發(fā)電機(jī)處于“過勵”狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位角繼續(xù)增大，從矢量圖可見，定子電流的幅值和滯后相位角也同時(shí)增大，發(fā)電機(jī)輸出更多的感性無功功率，同時(shí)功角減小，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。增加感性無功功率的輸出，受轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流和定子繞組電流的限制。

第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天34運(yùn)行狀態(tài)3：轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值減小為，相位角Φ也減小，定子電流較電壓超前（φ1<0），發(fā)電機(jī)除輸出有功功率外，還輸出容性無功功率。此時(shí)發(fā)電機(jī)處于“欠勵”狀態(tài)。定子電流增大。運(yùn)行狀態(tài)4：當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值繼續(xù)減至最小，U0也減至最小。定子電流繼續(xù)增至，發(fā)電機(jī)輸出更多的容性無功功率，而此時(shí)功角Φ增至900，發(fā)電機(jī)處于靜態(tài)穩(wěn)定的極限。因此，發(fā)電機(jī)增加容性無功功率的輸出，受定子繞組電流和發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的限制。第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天35當(dāng)P1等于某個常數(shù)，給出一組包含滯后和超前的cosφ’1值，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算，可以算出考慮定子電阻時(shí)I1與I2關(guān)系的U型曲線第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天36U型曲線當(dāng)P1等于某個常數(shù)，給出一組包含滯后和超前的cosφ’1值，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算，可以算出考慮定子電阻時(shí)I1與I2關(guān)系的U型曲線第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天372.自控工作方式（又稱異步工作方式）轉(zhuǎn)子繞組是由自控式可變頻交流勵磁電源供電，其頻率是通過控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)的，以使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場保持同步而不受負(fù)載的影響。因此，交流勵磁發(fā)電機(jī)在異步工作方式時(shí)，其轉(zhuǎn)差率s是變化的。如轉(zhuǎn)矩式所示，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是s的函數(shù)。

第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天38由轉(zhuǎn)矩式，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓和δ（U2滯后U1角）保持不變時(shí)，Te是s的函數(shù)。取一組不同的和δ值，得到一組的曲線族，如后圖所示。對于每一條曲線，都有一個理想空載轉(zhuǎn)差率。令轉(zhuǎn)矩式中的Te=0，可求得的表達(dá)式為第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天39異步工作方式下交流勵磁發(fā)電機(jī)的曲線族亞同步超同步電動（驅(qū)動）發(fā)電（制動）P1=2000wcosφ’1=0.8(滯后）S=-0.22U’2*=0.248δ=142.30s0=-0.167S=0U’2*=0.152δ=68.30s0=0.054S=0.22U’2*=0.337δ=23.30s0=0.284TNU’2、δ為參量第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天40（s-s0）隨負(fù)載變化而變化：s0一定時(shí)，s（即ω)隨負(fù)載變化而變化，異步特性s（ω)一定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)s0，使s0隨負(fù)載變化而變化。與異步發(fā)電機(jī)不同之處，在于其無功功率是可調(diào)的，可以輸出或吸收無功功率。運(yùn)行在這種方式下，不受同步方式下下靜穩(wěn)定極限的限制，θ≥1800－α1，仍可穩(wěn)定運(yùn)行。因此可以深吸收無功功率，滿意地解決電力系統(tǒng)因過剩無功引起的電網(wǎng)過電壓問題。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性好，適用于負(fù)載變化大的場合。第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天41令r1=0，α1=900，z1=x1，則P1、Q1可簡化為：∴當(dāng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)確定了，即已知需要發(fā)電機(jī)輸出一定的P1、Q1、，并運(yùn)行在一定的轉(zhuǎn)速下（ω或s）下，可以通過分別獨(dú)立的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的有功分量I’2cosΦ和無功分量I’2sinΦ來實(shí)現(xiàn)，第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天42已知P1、Q1→I’2cosΦ、I’2sinΦ→→U’2∠δ→s0定，Te曲線定可通過矢量控制實(shí)現(xiàn)。已知s，由U’2向量表達(dá)式矢量控制第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天六.交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的矢量控制直流電動機(jī)有良好的調(diào)速特性，電磁轉(zhuǎn)矩Te=CmΦIa，因?yàn)榇磐ê碗姌须娏鳎姌写艅荩┦钦坏?，互不影響，Φ和Ia是兩個獨(dú)立變量，可以單獨(dú)控制。Te∝ΦIa，可以分別調(diào)節(jié)If和Ia，以控制Φ、Te和n。感應(yīng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te=KTΦmI2cosΨ2，是由Φm和轉(zhuǎn)子電流有功分量I2cosΨ2相互作用產(chǎn)生的，其中Φm是由I1和I2共同磁化的，隨負(fù)載的變化而變化，也隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。因此，Φm和I2不是兩個獨(dú)立變量。與cosΨ2一起，都是s的函數(shù)，不能分別調(diào)節(jié)Φm和I2來控制Tm和n。通過坐標(biāo)變換，可以實(shí)現(xiàn)像直流電機(jī)那樣的調(diào)速和控制第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天定向：dq坐標(biāo)系只規(guī)定了兩軸的垂直關(guān)系和旋轉(zhuǎn)角速度，若對dq軸系的取向加以規(guī)定，稱為定向。磁場定向：選擇電機(jī)某一旋轉(zhuǎn)磁場作為特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，則稱為磁場定向。顧名思義，矢量控制系統(tǒng)也稱為磁場定向控制系統(tǒng)。按定子磁鏈定向的MT坐標(biāo)系：在異步電動機(jī)中，定子繞組接變頻電源，常用的是轉(zhuǎn)子磁鏈定向。在交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子接變頻電源，采用的是定子磁鏈定向。將復(fù)平面實(shí)軸與定子磁鏈重合，稱為M軸，相應(yīng)的虛軸稱為T軸。便成