双馈电机控制 PPT课件

Ps
3 2
1
Lm Ls
irq s
Qs
3 2
1
s
s
Lmird Ls
28
功率外环的前向控制框图如下图所示
P* +
PI
i* rq
Q* +
-
-
P
Q
PI
i* rd
29
构造变流器电流内环时，需要将电流指令转化为电压指令，然后 进行SVPWM调制。在定子磁链定下下，双馈电机电流与电压的关 系如下所示：
urd
25
（三）双馈电机系统的控制
3.1 总体控制思路
双馈电机控制系统，无论是调速系统还是发电系统，其控制都是 通过变流器来实现的。
由于采用了back-to-back拓扑形式的变流器，因此，转子侧变流器 和网侧变流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影响。
转子侧变流器主要用于控制电机的功率，对发电系统而言，就是定 子侧的电功率；对电动系统而言，则是电机的电磁转矩。
－ +
ird
PI ir*q
PI
irq
接整流器
+
ur*d
+
2r/3s 驱动
u*
+
rq
+
s r
三相电 压型逆
变器
三相转子电流
3s/2r
－
r ∫
r
FBS
IM
－ +
s
sl + s
s PLL
usdq
瞬时功 率计算
isdq 3s/2r
三相定子电压
三相定子电流
32
3.2.2 双馈电动机转子侧变流器控制策略
双馈电动机转子侧变流器控制目的在于控制电机的转速和调节定子
网侧变流器的主要作用是维持直流侧电压的稳定和调节电网的功率 因数
26
控制有功功率 （电磁转矩）
控制直流电压和 网侧功率因数
27
3.2 转子侧变流器的控制策略 3.2.1 双馈发电机转子侧变流器控制策略
双馈发电机转子侧变流器的作用是控制定子侧发出的有功和无功功 率，根据第二部分推导的基于定子磁链定向的电机方程，可以看出： 定子有功、无功功率与转子q轴、d轴电流存在线性关系，因此转子 侧变流器采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略
9
2.1.1 电压方程
定子电压方程
uA
RsiA
d A
dt
uB
RsiB
d B
dt
uC
RsiC
d C
dt
转子电压方程
ua
Rria
d a
dt
ub
Rrib
d b
dt
uc
Rric
d c
dt
10
2.1.2 磁链方程
A LAA LAB LAC LAa LAb LAc iA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
侧的功率因数（无功功率），电动机转速的控制归根结底是对电磁 转矩的控制。双馈电机在定子磁链定向下，电磁转矩与转子q轴电 流有着线性关系，而定子无功功率与转子d轴电流有着一一对应的 关系。
Te
3 2
np
Lm Ls
irq s
Qs
3 2
1
s
s
Lmird Ls
33
因此，可以通过控制转子q轴电流控制电机的电磁转矩，进而控制转速； 通过控制转子d轴电流控制电机定子侧的无功功率，从而实现双馈电动 机转速和定子无功功率的独立控制
*
34
3.2.3 定子磁链观测
双馈电机矢量控制系统中需要对定子磁链矢量的幅值和相角进 行直接或者间接观测，磁链观测的精确定位对矢量控制系统的 性能有重要的影响。
定子磁链观测主要方法有： （1）磁敏式检测法 （2）探测线圈法 （3）电流模型法 （4）电压模型法 前两种方法属于直接检测法，但需要在电机内部安装检测元件， 比较复杂，不利于广泛应用；后两种方法属于间接检测法，是 通过检测电机的电压、电流量，来计算定子磁链的角度和幅值， 这里介绍的是电压模型法。
11
自感
LAA LBB LCC L1m L1l
Laa Lbb Lcc L2m L2l
互感
1 LAB LBA LCB 2 L1m
Lab Lba L
Lcb
1 2
L2m
LAa LaA LcC L1m cos
LAc LcA LbC L1m cos( 120 )
15
由定子磁链方程可得定、转子电流之间的关系，具体表达式如下
（1）
1
isd Ls
sd Lmird
isq
1 Ls
sq Lmirq
将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）
rd
Lm Ls
sd
Lr
Lm2 Ls
ird
rq
Lm Ls
sq
Lr
Lm2 Ls
irq
双馈电机控制 及其控制
1
主要内容
一、双馈电机及其控制系统结构 二、双馈电机的数学模型 三、双馈电机控制方法
2
（一）双馈电机及其控制系统结构
1.1 什么是双馈电机
双馈电机是一个绕线转子感应电机，它的定子绕组直接连接到 三相电网上，转子绕组通过一个背靠背功率变换器与电网相连接， 由于定、转子均与电网相连，因此叫双馈电机。 双馈电机既可以做电动机运行，也可以做发电机运行。 做电动机运行时，称作双馈调速系统；做发电机运行时，称作 双馈发电系统。
Lr
dird dt
rrird
1 r
Lrirq
urq
Lr
dirq dt
rrirq
1
r
Lrird
1
r
s
Lm Ls
上式表明，双馈电机转子d、q轴电流与电压之间存在交叉耦合关 系，因此需要进行d、q轴之间的解耦补偿控制。
30
电流内环解耦前向控制框图如下图所示
i* rq
+
-
i rq
37
3.3 网侧变流器控制策略
网侧变流器的目的是控制直流电压恒定和调节电网侧的功率 因数，当采用电网电压矢量定向控制时，电网的有功功率和 无功功率与网侧d、q轴电流有如下关系：
由上式可知，有功功率和无功功率是自然解耦的。一般条件下通 常认为电网电压是基本不变的，即U为常数。因此，通过分别控 制idc和iqc就可以分别控制整流器的无功功率和有功功率。
6
1.3.2 双馈电机超同步运行状态
当双馈电机转子转速高于同步转速时（s<0），电机运行于超同 步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
7
1.4 双馈电机系统的特点 所需变流器容量较小，主要由电机的转速范围决定 定子侧功率因数可控 作为电动系统运行时，可实现无级调速 作为发电系统运行时，可实现变速恒频发电
Tem
0.5np (irT
dLrs
d
i1
isT
dLsr
d
ir )
13
2.2 双馈电机在两相旋转坐标（d、q坐标系）下的数学 模型
三相坐标下的数学模型虽然能直观的表示双馈发电机的基本特性， 却不能反映控制参数与这些方程的直接关系，并且存在很强的耦合。 采用坐标变换，将三相坐标方程转化为两相旋转坐标方程，是对电 机进行矢量控制的前提条件
1
r
s
Lm Ls
PI
u u *' rq
+
* rq
+
1 r Lrird
i* rd
+
i rd
PI
u*' rd
u* rd
-
1 r Lrirq
31
双馈发电机转子侧变流器控制框图如下图所示
－ +
－ +
Ps*
Ps Qs*
Qs
sl Lrird
sl
Lr irq
Lm s Ls
us
PI ir*d
PI
－ +
35
电压模型法是从电动机的端电压中减去绕组的阻抗压降，而 将电机的反电动势进行积分运算，从而求得电机的磁通。
36
该模型构建的定子磁链观测器具有以下明显的优点： (1)由于双馈电机定子侧直接连在电网上，因而定子侧电压是 稳定的工频电网电压，电压谐波小，因此电压的检测、积分 都比较容易实现； (2)与普通感应电机调速相比，由于双馈电机通常在同步速附 近工作，不存在由于转速过低而使反电势过低，从而导致检 测反电势以及积分运算困难的问题； (3)该电压模型构建的定子磁链观测器，整体结构简单，工作 可靠、准确。
irq usq
s
Tms
Ls rs
定子电磁时间常数
22
urd
Lr
dird dt
L2m rs L2s
rr
ird
1 r
Lrirq
Lmrs L2s
s
Lm Ls
usd
urq
Lr
dirq dt
L2m rs L2s
rr
irq
1 r
Lrird
r Lm
Ls
s
Lm Ls
usq
23
1
r Lrird
1
r s
Lm Ls
Ps
3 2
1
Lm Ls
irq s
Qs
3 2
1
s
s
Lmird Ls
24
定子磁场向的重要意义：
Ps
Qs
3 2
1
Lm Ls
irq s
3 2
1
s
s
Lmird Ls