電機控制 課件 第三章 繞線轉子異步電機的控制

第三章繞線轉子異步電機的控制11、變轉差調速原理

(1)變s速調速功率本質——控制繞線異步電動機轉差功率消耗多少的調速方式

功率分配

定子輸入功率

進入氣隙電磁功率

軸上輸出機械功率

轉子回路轉差功率一.繞線轉子異步電動機的調速

功率關系

T—電磁轉矩，—氣隙磁場同步（機械）角速度，

—轉子機械角速度。

一.繞線轉子異步電動機的調速結論一定（恒轉矩負載時），改變轉子內的消耗，改變，調節(jié)；設法使消耗越多，速度可調節(jié)越低，但運行效率越低；只適合于運行有轉差的異步電機。一.繞線轉子異步電動機的調速2、轉子串電阻調速系統(tǒng)

轉子回路外接三相附加電阻

定子電壓不變

，但

隨↑→與負載轉矩交點處↑→↓（反之亦然）一.繞線轉子異步電動機的調速

從轉差功率消耗看：

—轉子銅損，不可逆消耗

—轉子外接“電阻”上損耗，兩種消耗方式：當為真實電阻時，不可逆地“真實”消耗——轉子串電阻調速

當為“虛擬”電阻（電勢形式），“假”消耗?！凹傧摹边_到不真實消耗轉差功率，又實現(xiàn)調速目的——串級調速一.繞線轉子異步電動機的調速3、串級調速系統(tǒng)

串級調速思想：在轉子回路中引入與轉子同頻（轉差頻率）的附加電勢，以吸收或補充轉差功率，從而達到調速的一種方法關鍵部件——產生附加電勢的裝置，要求：（A）能“吸收”或“補充”轉差功率——必須與轉子電勢同頻，使與轉子電流可構成

確定相位關系變轉差調速方法—串級調速與反相位，吸收功率當

從同步速向下調速——亞同步串級調速變轉差調速方法—串級調速與同相位，向轉子輸出功率

當送入

從同步速向上調速——超同步串級調速變轉差調速方法—串級調速（B）能將

能量返回/送出電網——電力電子變流裝置（C）頻率跟蹤問題

因必須與轉子電流同頻，調速時頻率為，變化很難跟蹤

將整成直流（），只需直流

直流來源

（a）直流電機反電勢——電機型串級調速系統(tǒng)（b）直—交變流器（逆變器）直流電勢——晶閘管型串級調速系統(tǒng)變轉差調速方法—串級調速變轉差調速方法—串級調速

晶閘管、恒轉矩、亞同步串級調速系統(tǒng)

結構串級調速裝置

電機側為不控整流橋*將轉子電流變成直流，只需直流，解決轉子頻率跟蹤問題

*轉差功率

只能從轉子流出，被消耗——亞同步串級調速變轉差調速方法—串級調速電網側為可控整流器，工作在有源逆變狀態(tài)，作用：

*提供直流，吸收轉差功率

*將吸收的直流能量逆變?yōu)榻涣?，返回電網*電機軸上輸出功率電機軸上轉矩——恒轉矩傳動（與s、n無關）變轉差調速方法—串級調速

速度調節(jié)機理*調速控制量為逆變超前角

變化→變化

變化→s變→n變變轉差調速方法—串級調速*規(guī)律：

(a)運行于轉子短接的自然特性上→最高速

(b)降速(c)為防止逆變顛覆，限定，即限定了最低速變轉差調速方法—串級調速逆變變壓器作用：(a)使電機轉子電壓與電網電壓匹配，使SCR移相觸發(fā)角不過大；(b)使逆變器與交流電網隔離，減小SCR移相導通中電流諧波對電網的污染。變轉差調速方法—串級調速運行（A）變流器容量限制了運行速度范圍

串級調速裝置設置在轉子側，只需處理轉差功率，故容量小，但直接與調速范圍有關，運行時應，否則變流器過載。

[例]亞同步串級調速系統(tǒng)拖動風機/水泵時，，變流裝置容量僅為電機額定功率的1/3。變轉差調速方法—串級調速（B）起動問題

起動時s=1，，串級調速裝置將承受額定功率而過載燒毀，故不允許采用串級調速裝置直接起動電機。

采用起動電阻（如頻敏變阻器）起動至高速后，再投入串級調速運行變轉差調速方法—串級調速變轉差調速方法—串級調速機械特性

思路：分析串級調速裝置直流環(huán)節(jié)電壓平衡關系，（1）獲得轉速公式。

電機側不控整流橋（2）

式中

——轉子靜止（s=1）輸出整流電壓——轉子側整流器內部壓降，包括

折算至直流側的轉子回路電阻壓降：

二只管壓降：

換流重疊壓降：（低頻下?lián)Q流重迭角大）

——折算至轉子側、下電機總漏抗變轉差調速方法—串級調速

電網側逆變橋（3）——電網側逆變器內部壓降（按功率流向為+

）包括：

折算至直流側變壓器內阻壓降：

二只管壓降：

換流重疊壓降：

——折算至逆變變壓器輔邊、下變壓器漏抗變轉差調速方法—串級調速變轉差調速方法—串級調速

機械特性式（2）、（3）代入式（1），解出s,n機械特性曲線機械特性為一族下斜，有最大轉矩Tm限制的直線，較軟（K2大）；過大負載下，更軟，且Tm減??；改變，改變空載轉速，實現(xiàn)調速應采用速度、電流雙閉環(huán)控制，提高調速精度和限制電流變轉差調速方法—串級調速變轉差調速方法—串級調速

速度、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)變轉差調速方法—串級調速

功率因數(shù)問題晶閘管亞同步串級調速系統(tǒng)主要缺點為功率因數(shù)低變轉差調速方法—串級調速

串級調速系統(tǒng)功率因數(shù)低下的原因逆變器晶閘管換流需要落后的感性無功電流。異步電機和逆變電路均需要無功功率，QW=Q1+Qβ；而串級調速系統(tǒng)中的逆變器可以實現(xiàn)轉差功率Pβ向電網的回饋，即PW=P1-Pβ。這樣，串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)則為：比電機本身的功率因數(shù)低得多變轉差調速方法—串級調速

串級調速系統(tǒng)功率因數(shù)低下的原因

變轉差調速方法—串級調速

減少有源逆變器對無功的需求的措施改變晶閘管的換流方式，由電網電壓自然換相改為電容強迫換相，使其不僅無需感性無功，甚至可以產生感性無功。為此須采用高功率因數(shù)的串級調速裝置。對于采用電網電壓自然換流的逆變器，使晶閘管保持較小的逆變角β。為此可采用改變逆變器抽頭來變化變壓器次級電壓Uβ，以滿足小逆變角下工作的條件。在轉子直流回路中加入斬波器調壓以縮小逆變角變化范圍。

系統(tǒng)構成

晶閘管、亞同步、恒轉矩串級調速系統(tǒng)中，電機側采用不控整流器，轉差功率sPM只能從轉子流出、被電網吸收，故只能亞同步運行

將電機側改為可控整流器并工作在逆變狀態(tài)，而電網側有源逆變器工作在整流狀態(tài)，則可使轉差功率sPM可從電網補充進電機轉子，運行在同步速以上。一.繞線轉子異步電動機的調速4、雙饋調速系統(tǒng)

變轉差調速方法—雙饋調速

此時實現(xiàn)定、轉子雙向饋電，稱雙饋調速系統(tǒng)

速度調節(jié)通過調節(jié)橋Ⅰ、橋Ⅱ移相觸發(fā)角

實現(xiàn)。

依據(jù)：理想空載下，直流環(huán)節(jié)電壓平衡關系

（）

調節(jié)均可調速

為保持電網側高輸入功率因數(shù)，固定為小值（），

調節(jié)調速。變轉差調速方法—雙饋調速

當橋Ⅱ整流、橋Ⅰ逆變時，轉差功率sPM反流→→超同步運行

由于橋Ⅰ、橋Ⅱ均可工作在整流/逆變狀態(tài)，只需控制移相角或范圍,可使兩橋工作狀態(tài)有多種組合，形成四象限運行變轉差調速方法—雙饋調速變轉差調速方法—雙饋調速

四象限運行控制轉向不變，按，T正、負劃分(A)亞同步電動（）

橋I：，整流；橋Ⅱ：，逆變

sPM從橋Ⅰ流向橋Ⅱ，電網吸收sPM

，，亞同步運行

能量分配：P1進入定子，

電動；分配至轉子軸

（1-s）PM

,轉子內sPM

。變轉差調速方法—雙饋調速（B）超同步電動（

）

橋Ⅰ：

逆變；橋Ⅱ：，整流

sPM從橋Ⅱ流向橋Ⅰ，電網補充sPM至電機，

超同步運行

電網通過定子PM、轉子

雙饋送入電機后，全作

機械功率（1+|s|）PM輸出，加速轉子至超同步速變轉差調速方法—雙饋調速（C）亞同步制動（

）

橋Ⅰ：

逆變；橋Ⅱ：

，整流

sPM從橋Ⅱ流向橋Ⅰ，電網補充sPM至電機（尚未使s<0）

外部負載拖動電機，使機械功率、轉差功率

sPM均經定子送入電網（發(fā)電）

電機作發(fā)電（制動）運行，

T<0（外部負載拖動）變轉差調速方法—雙饋調速（D）超同步制動（

）

橋Ⅰ：整流；橋Ⅱ：，逆變

sPM從橋Ⅰ流向橋Ⅱ，電網吸收sPM

外部負載拖動電機，使機械功率從定子側、轉子側（經變流器）輸出

電機作發(fā)電（制動）運行，T<0（外部負載拖動）變轉差調速方法—雙饋調速

雙饋調速優(yōu)點

可在同步速上、下運行。如調速范圍為，則雙饋比串級調速節(jié)省一半裝置容量

亞同步串級調速：裝置容量按算

雙饋調速：裝置容量按算，但變流裝置應有功率雙向流動能力

有制動能力，系統(tǒng)起、制動響應快變轉差調速方法—雙饋調速

超同步轉速運行時，系統(tǒng)功率因數(shù)高變轉差調速方法—雙饋調速

電壓型雙PWM變換器供電雙饋調速系統(tǒng)變轉差調速方法—雙饋調速

雙饋電機應用

雙饋變頻調速傳動

變頻器放轉子側，減少裝置容量

高壓電機變頻調速

變速恒頻風力/水力（可再生能源）及變速發(fā)電

轉子側交流勵磁，實現(xiàn)變速恒頻

同步速上（超同步）、下（亞同步）制動（發(fā)電）

組成：網側變流器+機側變流器，通過直流母線解耦控制對象：交流勵磁變頻器控制效果：

變速恒頻運行、最大風能追蹤二.繞線轉子異步發(fā)電機矢量控制二.繞線轉子異步發(fā)電機矢量控制1、網側變流器及其控制

三相電壓型兩電平PWM整流器

優(yōu)點：

功率可雙向流動。

輸入電流正弦且諧波含量少。

功率因數(shù)可調，可運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

在輸入電網電壓固定的情況下可獲得大小可調的直流電壓，且抗負載擾動的穩(wěn)定性好。

通過有效控制可降低直流環(huán)節(jié)儲能電容容量。網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型

三相靜止坐標系下：基爾霍夫電流定理+開關函數(shù)用相電壓表示網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型

在電網電壓波動、三相不平衡、電壓波形畸變（存在諧波）等各種情況下該方程均能有效適用網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型

兩相靜止αβ坐標系下：網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型

同步速旋轉dq坐標系下：網側變流器及其控制

網側變流器的數(shù)學模型

坐標系的d軸定向于電網電壓矢量時：

ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，Ug為電網相電壓幅值矢量形式網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

穩(wěn)態(tài)運行時，各狀態(tài)變量的導數(shù)等于0穩(wěn)態(tài)方程網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性網側變流器穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量圖網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

網側變流器直流母線電壓Vdc的下限：在相同的輸出負載igd下：

若輸入交流電流中包含超前分量(igq>0)，則需要較高的直流母線電壓；

若輸入交流電流中包含滯后分量(igq<0)，所需的直流母線電壓要低一些。

當工作在功率因數(shù)為1的情況下（圖3-12(b)），輸出負載越大所需最低直流母線電壓就越高，即使空載條件下也不能低于交流電網線電壓幅值，原因：PWM變流器的Boost電路升壓特性。網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

網側變流器向電網輸出的有功功率和無功功率：

在d軸定向于電網電壓矢量的同步速旋轉坐標系統(tǒng)：網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

小于0：網側變流器工作于整流狀態(tài)，從電網吸收能量

大于0：網側變流器處于逆變狀態(tài)，能量從直流側回饋到電網網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

小于0：網側變流器呈感性，從電網吸收滯后的無功功率

大于0：網側變流器呈容性，從電網吸收超前的無功功率網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

將代入

調節(jié)網側變流器交流側電壓矢量的d、q分量，就可調節(jié)變流器從電網吸收的有功和無功功率，從而可使變流器在不同的有功、無功狀態(tài)下實現(xiàn)四象限運行網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

網側變流器運行在單位功率因數(shù)時的功率流動情況(a)整流運行(b)逆變運行網側變流器及其控制

網側變流器的穩(wěn)態(tài)特性

網側變流器直流側與交流側的功率平衡關系：

只要能控制交流側輸入的有功電流，就可控制變流器有功功率的平衡，從而保持直流母線電壓的穩(wěn)定網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

網側變流器的主要功能：1.保持直流母線電壓的穩(wěn)定2.輸入電流正弦3.控制輸入功率因數(shù)網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

網側變流器控制系統(tǒng)結構網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

基于d軸電網電壓定向、dq分量形式的交流側電壓：

為了解除d、q軸電流間耦合和消除電網電壓擾動，令：網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

為了消除控制靜差，引入積分環(huán)節(jié)，設計出如下電流控制器

則網側變流器交流側電壓參考值為：

引入電流狀態(tài)反饋量ω1Lgigq、ω1Lgigd來實現(xiàn)解耦，引入電網擾動電壓項和電阻壓降項Rgigd、Rgigq進行前饋補償，從而實現(xiàn)了d、q軸電流的解耦控制，有效提高了系統(tǒng)的動態(tài)控制性能網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

直流環(huán)節(jié)電壓控制器：

輸出為d軸電流的參考值網側變流器及其控制

網側變流器的運行控制

基于d軸電網電壓定向的網側變流器直流電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖網側變流器及其控制

理想電網條件下的鎖相環(huán)原理

作用：獲取電網電壓的頻率、相位和幅值

矢量關系圖：

電網電壓的相角跳變?θ1可用同步速旋轉dq坐標系中電網電壓q軸分量usq來描述網側變流器及其控制

理想電網條件下的鎖相環(huán)原理

原理框圖：

理想電網電壓條件下，電網電壓矢量的d、q分量usd、usq為直流量，采用PI調節(jié)器對usq實現(xiàn)無靜差調節(jié)即可準確跟蹤電網電壓空間矢量二.繞線轉子異步發(fā)電機矢量控制2、機側變流器及其控制

機側變流器的主要控制目標

是變速恒頻前提下實現(xiàn)最大風能追蹤，關鍵是繞線轉子異步發(fā)電機轉速或者有功功率的控制。

其次是繞線轉子異步發(fā)電機輸出無功功率的控制，以保證所并電網的運行穩(wěn)定性。機側變流器及其控制

機側變流器數(shù)學模型

同步速旋轉dq坐標系中矢量形式的繞線轉子異步發(fā)電機電壓方程和磁鏈方程：

網側、機側變流器與繞線轉子異步發(fā)電機兩等效電路相結合就可進行機側變流器或繞線轉子異步發(fā)電機系統(tǒng)的運行控制研究。

根據(jù)上面的方程，可以導出矢量形式的繞線轉子異步發(fā)電機等效電路，如下圖所示。機側變流器及其控制

機側變流器數(shù)學模型

繞線轉子異步發(fā)電機轉子電流控制->有功功率和無功功率的控制繞線轉子異步發(fā)電機定子磁鏈矢量的定義如下：

上式中的Ims為定子的等效勵磁電流，且有下式

上式可以修改成為

機側變流器及其控制

機側變流器的運行控制

上面的方程可以化簡為下式

，表明繞線轉子異步發(fā)電機的漏磁系數(shù)

將上面的方程進行歸納總結得出下式

機側變流器及其控制

機側變流器的運行控制

并網運行中繞線轉子異步發(fā)電機定子直接掛網，定子電壓Us即為電網電壓Ug。理想電網條件下電壓幅值、頻率和相位均可認為不變，故在同步速旋轉坐標系中電壓矢量Us的的d、q分量應為恒定的直流，并且定子磁鏈矢量也是恒定的也就是

。

機側變流器及其控制

機側變流器的運行控制

將上述的簡化應用，就可以得出如下的結果

機側變流器及其控制

機側變流器的運行控制

在變速恒頻發(fā)電運行中，繞線轉子異步發(fā)電機可控量是轉子電壓，被控制對象是轉子電流。上式中轉子電壓矢量方程正好給出了這兩者之間的關系。因此可以作為下一節(jié)中所介紹的繞線轉子異步發(fā)電機傳統(tǒng)矢量控制策略中電流內環(huán)控制器的設計依據(jù)。機側變流器及其控制

機側變流器的運行控制當同步旋轉坐標系的d軸定向于定子磁鏈矢量

，

在理想電網電壓條件下它們均可看作為常量機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

定子磁鏈幅值

和坐標變換用空間位置角度

，可通過定子磁鏈矢量

的

分量來計算。

機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

根據(jù)定子磁鏈定向下繞線轉子異步發(fā)電機定子有功、無功功率表達式，即

可以計算繞線轉子異步發(fā)電機定子輸出有功、無功功率與轉子轉子dq軸電流之間的關系，即

機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

由以上兩式可以看出，采用定子磁鏈定向后，控制轉子電流q軸分量就可以控制定子輸出有功功率，控制轉子電流d軸分量就可控制繞線轉子異步發(fā)電機向電網輸出的無功功率，實現(xiàn)了繞線轉子異步發(fā)電機有功和無功功率的解耦控制。所以繞線轉子異步發(fā)電機的控制主要是通過機側變流器電流矢量的變換控制來實現(xiàn)。機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

轉子電流的閉環(huán)控制器可以根據(jù)左式來設計將其中的轉子電壓矢量方程

寫成d、q分量形式，就可以得出右式。

式中，轉子磁鏈可用定子磁鏈和轉子電流來表示，即

機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

將轉子磁鏈帶入轉子電壓方程中可以得到下式

因此可得到基于定子磁鏈定向矢量控制的轉子電流閉環(huán)控制框圖機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制基于定子磁鏈定向矢量控制的DFIG轉子電流閉環(huán)控制框圖機側變流器及其控制

定子磁鏈定向矢量控制

定子電壓矢量與定子磁鏈矢量之間存在如下近似關系：

當同步速旋轉坐標系的dq軸定向于定子電壓矢量Us上時，有

機側變流器