交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機矢量控制

1、關(guān)于交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機的矢量控制第1頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四22-5 交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機的分析結(jié)構(gòu)特點： 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 1.變速。02n1 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，2022年，5月20日，18點12分，星期四3二.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Ir(I2)和Ir落后于U1的角度為自變量表示的電壓、電流和電磁轉(zhuǎn)矩取U1方向為參考軸第3頁，共50頁，2022年，5月20日

2、，18點12分，星期四4電磁轉(zhuǎn)矩令得第4頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四第5頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四6電磁功率第6頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四在穩(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，2022年，5月20日，18點12分，星期四得向量圖第8頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四-1式中其余類推第9頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四10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

3、率，若是感性功率，則滯后1角在電動機慣例下，U、I之間相位差90，發(fā)出功率取U1為參考向量第10頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四三.有功功率的傳遞定子輸出有功功率 參見第二章35jAA*AA*abbjAj第11頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四12轉(zhuǎn)子輸入有功功率第12頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四13發(fā)電機軸上輸入的凈機械功率PmecPesPe=P2-pcu2S0按能量守恒定律，應(yīng)有第13頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四14比較可以發(fā)現(xiàn)：s=0 時(同步)，P2=pcu2 ,轉(zhuǎn)子輸入的電功

4、率只用于供給轉(zhuǎn)子銅耗。s0 時(亞同步），Pmec+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械功率合并成為電磁功率，由轉(zhuǎn)子通過氣隙傳送到定子。spcu2) ，能量回饋給變頻器。這時軸上輸入的凈機械功率，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，2022年，5月20日，18點12分，星期四15四. 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 s0時取正號，s0）單獨提供。第17頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四

5、18當(dāng)定子方功率因數(shù)cos1落后（Q10，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| Qx1及Qx2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)cos1超前（Q10，吸收感性無功) ，|s|Qm、 |s| Qx1及Qx2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，轉(zhuǎn)子方有可能輸出無功功率（Q20）時表現(xiàn)為電動轉(zhuǎn)矩，在超同步（s0 （ 0180-1）為發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定運行范圍dPe/d180-1）為發(fā)電機靜態(tài)不穩(wěn)定運行范圍dPe/d=0 （ =180-1）為發(fā)電機穩(wěn)定運行極限點。可見他控式交流勵磁發(fā)電機與同步發(fā)電機有相同靜態(tài)穩(wěn)定性

6、問題。第27頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四28靜態(tài)不穩(wěn)定運行范圍：在此范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載突變引起轉(zhuǎn)速波動時，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，2022年，5月20日，18點12分，星期四29b)同步工作方式下無功功率的調(diào)節(jié)與U形 曲線用U0=xmI2和=90o-代入(18)，(22)式中,得當(dāng)考慮定子電壓U1不變和不計定子電阻r1時，有第29頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四30上式中發(fā)電機參數(shù)xm、x1不變，定子端電壓U1不變。因此，當(dāng)在調(diào)節(jié)發(fā)電機定子輸出無功功率的過

7、程中，要保持輸出有功功率不變，即P1=常數(shù)，就有又有mmnnoo第30頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四31發(fā)電機定子電壓方程可簡化得由此可畫出發(fā)電機發(fā)出某一有功功率時的矢量圖在發(fā)電機不同運行狀態(tài)下的矢量圖為 （下頁）。第31頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四32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，2022年，5月20日，18點12分，星期四33運行狀態(tài)1：定子電流與電壓同相位（1=0）。發(fā)電機只輸出有功功率，不輸出無功功率。這時定子電流最小。轉(zhuǎn)子勵磁電流是 ，為“正常勵磁”狀態(tài)。運行狀態(tài)2：轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值增大為

8、，相位角增加，U0增大為U02 ，定子電流 滯后電壓（ 10 ）。發(fā)電機不僅輸出有功功率，還輸出感性無功功率。此時發(fā)電機處于“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增大，發(fā)電機輸出更多的感性無功功率，同時功角減小，提高了發(fā)電機運行的穩(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，2022年，5月20日，18點12分，星期四34運行狀態(tài)3：轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值減小為 ，相位角也減小，定子電流較電壓超前（10），發(fā)電機除輸出有功功率外，還輸出容性無功功率。此時發(fā)電機處于“欠勵”狀態(tài)。 定子電流增大

9、。運行狀態(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)電機輸出更多的容性無功功率，而此時功角增至900，發(fā)電機處于靜態(tài)穩(wěn)定的極限。因此，發(fā)電機增加容性無功功率的輸出，受定子繞組電流和發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的限制。第34頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四35當(dāng)P1等于某個常數(shù)，給出一組包含滯后和超前的cos1值，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工作點計算，可以算出考慮定子電阻時I1與I2關(guān)系的U型曲線第35頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四36U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cos1值，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工作點計算，可以算出考慮定子電阻

10、時I1與I2關(guān)系的U型曲線第36頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四372.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)電機在異步工作方式時，其轉(zhuǎn)差率s是變化的。如轉(zhuǎn)矩式所示，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩是s的函數(shù)。 第37頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四38由轉(zhuǎn)矩式，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓 和（U2滯后U1角）保持不變時，Te是s的函數(shù)。取一組不同的 和值，得到一組的曲線族，如后圖所示。 對于每一條曲線，都有

11、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，2022年，5月20日，18點12分，星期四39異步工作方式下交流勵磁發(fā)電機的曲線族亞同步超同步電動（驅(qū)動）發(fā)電（制動）P1=2000w cos1=0.8(滯后）S=-0.22 U2*=0.248 =142.30 s0=-0.167S=0 U2*=0.152 =68.30 s0=0.054S=0.22 U2*=0.337 =23.30 s0=0.284TNU2、為參量第39頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四40（s-s0）隨負(fù)載變化而變化：s0一定時，s（即)隨負(fù)載變化而變化，異步特性s （)

12、一定時，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。運行在這種方式下，不受同步方式下下靜穩(wěn)定極限的限制，18001，仍可穩(wěn)定運行。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)電機穩(wěn)定性好，適用于負(fù)載變化大的場合。第40頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四41令r1=0，1=900，z1=x1，則P1、Q1可簡化為：當(dāng)發(fā)電機的運行工作點確定了，即已知需要發(fā)電機輸出一定的P1、Q1、，并運行在一定的轉(zhuǎn)速下（或s）下，可以通過分別獨立的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的有功分量I2cos和無功分量I2

13、sin來實現(xiàn)，第41頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四42已知P1、Q1 I2cos 、 I2sin U2s0定，Te曲線定可通過矢量控制實現(xiàn)。已知s，由U2向量表達(dá)式矢量控制第42頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四六.交流勵磁感應(yīng)發(fā)電機的矢量控制直流電動機有良好的調(diào)速特性，電磁轉(zhuǎn)矩Te=CmIa，因為磁通和電樞電流（電樞磁勢）是正交的，互不影響，和Ia是兩個獨立變量，可以單獨控制。Te Ia，可以分別調(diào)節(jié)If和Ia，以控制、Te和n。感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te=KT m I2cos2，是由m和轉(zhuǎn)子電流有功分量I2cos2相互作用產(chǎn)生的，其中m是由

14、I1和I2共同磁化的，隨負(fù)載的變化而變化，也隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。因此，m和 I2不是兩個獨立變量。與cos2一起，都是s的函數(shù)，不能分別調(diào)節(jié)m和I2來控制Tm和n。 通過坐標(biāo)變換，可以實現(xiàn)像直流電機那樣的調(diào)速和控制第43頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四定向：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

15、機中，轉(zhuǎn)子接變頻電源，采用的是定子磁鏈定向。 將復(fù)平面實軸與定子磁鏈重合，稱為M軸，相應(yīng)的虛軸稱為T軸。便成為定子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。稱為按定子磁鏈定向的MT坐標(biāo)系。第44頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四定子按發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子按電動機慣例，轉(zhuǎn)子已經(jīng)折算到定子，x=1。 其中轉(zhuǎn)子方類似第45頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四TM1（1）定向情況下，不計電阻r1時，定子電壓方程簡化為若定子電壓的幅值和頻率保持不變，u1恒速旋轉(zhuǎn)，uM1、uT1=常數(shù)，由uT1式可得，保持不變，所以第46頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四定子磁鏈方程改寫為（3）（4） 定子輸出功率（5） 第47頁，共50頁，2022年，5月20日，18點12分，星期四 給定P1、Q1，由式（5）可以求出iT1、iM1，由（4）可得iT2、iM2，即控制發(fā)電機輸出功率也就是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流iT2