双馈电机控制.ppt
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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。
12
2.1.3 运动方程和转矩方程
Tl Temn Jp g
dDgKg
dt np np
Tl为原动机提供的拖动转矩；Jg为发电机的转动惯量；Dg与转 速成正比的阻转矩阻尼系数；Kg为扭转弹性转矩系数；ω为电 机转子的电角速度； np为电机的极对数
T em 0.5np(irTd drL si1is Td dsL rir)
Байду номын сангаас
u
s
d
d sd dt
sq
rs i sd
u
s
q
d sq dt
sd
rs isq
u
r
d
d rd dt
r
rq
rr ird
u
r
q
d rq dt
r
rd
rr irq
2.2.2 磁链方程
sd L sisd L m ird
sq
L sisq
L m irq
rd
L m isd
L rird
r q L m i s q L r i r q
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
14
2.2.1 电压方程
3
1.2 双馈电机系统的结构
双馈电机系统一般由双馈电机、BacktoBack功率变换器、变压器等构成
4
1.3 双馈电机系统的功率平衡关系和运行状态
忽略定子电路和转子电路的损耗，只考虑定子回路功率（转差功率）Ps、 机械功率Pmec和转子回路功率Pr， 则有：
P m e c P s P r (1 s)P s
9
2.1.1 电压方程
定子电压方程
uA RsiAddtA
uB RsiBddB t
uC
RsiC
dC
dt
转子电压方程
ua
Rria
da
dt
ub
Rrib
db
dt
uc
Rric
dc
dt
10
2.1.2 磁链方程
A LAA LAB LAC LAa LAb LAciA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LB
ciB
Te
3 2
np
isd sq isq sd
3 2
np
Lm Ls
isq rd sdirq
19
2.2.4 功率方程
20
2.3 双馈电机定子磁场定向数学模型
若让d、q坐标轴的旋转速度ω等于定子磁链的同步角速度ω1，且规定d 轴沿着定子总磁链矢量Ψs的方向，而q轴为逆时针垂直于矢量Ψs，这样dq 坐标系即成为按定子磁链定向的旋转坐标系。
Ca
LLCaAA
LCB LaB
LCC LaC
LCa Laa
LCb Lab
LCc Lac
iiCa
b
Lb
A
LbB
LbC
Lba
Lbb
Lb
c
ib
c LcA LcB LcC Lca Lcb Lcc ic
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的 互感磁链之和
11
自感
L A AL B BL C C L 1 m L 1 l
irq
16
将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程 （3）
dsd
dt
rs Ls
sd
sq
Lmrs Ls
ird
usd
dsq
dt
rs Ls
sq
sd
Lmrs Ls
irq
usq
17
将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）
urdLrd d irtd L L 2 m 2 srsrr ird r LrirqL L m 2 srs sdL rL sm sqL L m susd
urqLrd d irtq L L 2 m 2 srsrr irq r
LrirdL L m 2 srs sqL rL sm sdL L m susq
Ls Lr L2m
Ls Lr
为电机的总漏磁系数
18
2.2.3 运动方程和电磁转矩方程
Tl Temn Jp g
dDgKg
dt np np
L a a L b b L c c L 2 m L 2 l
互感
LABLBALCB12L1m
LabLba Lcb12L2m
L A aL aA L cC L 1 m cos
L A cL c A L bC L 1 m co 1 s ( 2 ) 0
L A bL b A L aC L 1 m co 1 s (2 ) 0
Pr sPs
s n1 n n1
功率的正方向规定：（1）定子回路向电网输出电功率为正； （2）转子回路从电网吸收电功率为正；（3）转子从外部吸收 机械功率机械功率为正；（4）反之皆为负
5
1.3.1 双馈电机亚同步运行状态
当双馈电机转子转速低于同步转速时（即0<s<1），电机运行于 亚同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
8
（二）双馈电机的数学模型
2.1 双馈电机三相静止坐标下的数学模型
定子三相绕组轴线A、B、C 在空间是固定的，以A轴为 参考坐标轴，转子绕组轴线 a、b、c随转子旋转，转子 a轴和定子A轴间的电角度θ 为空间角位移变量。定子绕 组采用发电机惯例，转子绕 组采用电动机惯例。
双馈电机（绕线感应电机）的物理模型
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
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）
isd
1 Ls
sd Lm ird
isq
1 Ls
sq Lm irq
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
Lm 2 Ls
ird
rq
Lm Ls
sq
Lr
Lm 2 Ls
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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。
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2.1.3 运动方程和转矩方程
Tl Temn Jp g
dDgKg
dt np np
Tl为原动机提供的拖动转矩；Jg为发电机的转动惯量；Dg与转 速成正比的阻转矩阻尼系数；Kg为扭转弹性转矩系数；ω为电 机转子的电角速度； np为电机的极对数
T em 0.5np(irTd drL si1is Td dsL rir)
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2.2.2 磁链方程
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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
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2.2.1 电压方程
3
1.2 双馈电机系统的结构
双馈电机系统一般由双馈电机、BacktoBack功率变换器、变压器等构成
4
1.3 双馈电机系统的功率平衡关系和运行状态
忽略定子电路和转子电路的损耗，只考虑定子回路功率（转差功率）Ps、 机械功率Pmec和转子回路功率Pr， 则有：
P m e c P s P r (1 s)P s
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2.1.1 电压方程
定子电压方程
uA RsiAddtA
uB RsiBddB t
uC
RsiC
dC
dt
转子电压方程
ua
Rria
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ub
Rrib
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2.1.2 磁链方程
A LAA LAB LAC LAa LAb LAciA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LB
ciB
Te
3 2
np
isd sq isq sd
3 2
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Lm Ls
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2.2.4 功率方程
20
2.3 双馈电机定子磁场定向数学模型
若让d、q坐标轴的旋转速度ω等于定子磁链的同步角速度ω1，且规定d 轴沿着定子总磁链矢量Ψs的方向，而q轴为逆时针垂直于矢量Ψs，这样dq 坐标系即成为按定子磁链定向的旋转坐标系。
Ca
LLCaAA
LCB LaB
LCC LaC
LCa Laa
LCb Lab
LCc Lac
iiCa
b
Lb
A
LbB
LbC
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Lb
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c LcA LcB LcC Lca Lcb Lcc ic
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的 互感磁链之和
11
自感
L A AL B BL C C L 1 m L 1 l
irq
16
将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程 （3）
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将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）
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为电机的总漏磁系数
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2.2.3 运动方程和电磁转矩方程
Tl Temn Jp g
dDgKg
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L a a L b b L c c L 2 m L 2 l
互感
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LabLba Lcb12L2m
L A aL aA L cC L 1 m cos
L A cL c A L bC L 1 m co 1 s ( 2 ) 0
L A bL b A L aC L 1 m co 1 s (2 ) 0
Pr sPs
s n1 n n1
功率的正方向规定：（1）定子回路向电网输出电功率为正； （2）转子回路从电网吸收电功率为正；（3）转子从外部吸收 机械功率机械功率为正；（4）反之皆为负
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1.3.1 双馈电机亚同步运行状态
当双馈电机转子转速低于同步转速时（即0<s<1），电机运行于 亚同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
8
（二）双馈电机的数学模型
2.1 双馈电机三相静止坐标下的数学模型
定子三相绕组轴线A、B、C 在空间是固定的，以A轴为 参考坐标轴，转子绕组轴线 a、b、c随转子旋转，转子 a轴和定子A轴间的电角度θ 为空间角位移变量。定子绕 组采用发电机惯例，转子绕 组采用电动机惯例。
双馈电机（绕线感应电机）的物理模型
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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
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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）
isd
1 Ls
sd Lm ird
isq
1 Ls
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将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）
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Lm Ls
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Lr
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