【正文】 矢量控制，采用雙饋電動機(jī)轉(zhuǎn)速與定子側(cè)無功功率作為外環(huán)控制目標(biāo)、轉(zhuǎn)子電流在 M、 T 軸上的分量作為內(nèi)環(huán)控制目標(biāo)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙饋電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將轉(zhuǎn)差功率饋送至電網(wǎng)中，或者是由電網(wǎng)饋入。 第二章首先介紹了雙饋電機(jī)的工作原理，分析了雙饋電機(jī)在不同工況下的的功率分布情況。然后在此基礎(chǔ)上建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換簡化數(shù)學(xué)模型，最后推導(dǎo)出在 dq 坐標(biāo)系下雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為后面研究控制策略奠定了基礎(chǔ)。 第三章首先通過分析對比采用不同的量作為定向矢量時對雙饋電機(jī)控制策略的影響，為了選擇簡單的、最佳的控制策略，于是采用定子磁鏈定向矢量控制策略對雙饋電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，然后推導(dǎo)出雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 MT 上的數(shù)學(xué)模型，并計算出雙饋電動機(jī)的有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)速與定子電流、轉(zhuǎn) 子電流的關(guān)系，得出雙饋電動機(jī)控制框圖。最后在 Simulink 下搭建系統(tǒng)的仿真模型，得到波形，驗證控制策略的可行性。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 4 2 雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其功率流程分析 雙饋電機(jī)調(diào)速的工作原理 顧名思義，“雙饋”就是指把繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別接在交流電網(wǎng)或其他含電動勢的電路上，使它們的能量可以進(jìn)行雙向流動。雙饋電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，決定著電功率是饋入定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組，還是從定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組饋出。當(dāng)雙饋電機(jī)以電動狀態(tài)運(yùn)行時，它從電網(wǎng)吸收電功 率，負(fù)載的運(yùn)行主要依靠在軸上輸出的機(jī)械功率來承擔(dān)。在雙饋調(diào)速時，雙饋電 機(jī)的定子端直接接在 50Hz 的工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子端直接接在幅值大小、相位以及頻率可調(diào)節(jié)的變頻器上。 雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電 機(jī)，由定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組組成。定子端直接接入三相工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子端接入幅值、頻率、相位可調(diào)的變頻器。雙饋電機(jī)的主電路如下圖 所示。 圖 當(dāng)雙饋電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，定子旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢是相對靜止的。根據(jù)電機(jī)基本原理，對雙饋電機(jī)有： 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 5 1222116060sfsnfnnfnpp??? (21) 其中， 1f 為工頻電網(wǎng)的頻率， 2f 為轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的頻率， s 為轉(zhuǎn)差率， 1n 為同步轉(zhuǎn)速， 2n 為轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， pn 為雙饋電機(jī)極對數(shù)。當(dāng) 1nn? 時，雙饋電機(jī)運(yùn)行在次同步狀態(tài)下，當(dāng) 1nn? 時，雙饋電機(jī) 運(yùn)行在超同步狀態(tài)，其中 n 為系統(tǒng)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速。 21 nnn ?? 由此可見，雙饋調(diào)速是通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器的頻率來改變轉(zhuǎn)速。如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的幅值、相位，可以使雙饋電機(jī)運(yùn)行在過勵、欠勵狀態(tài)，并向電網(wǎng)發(fā)出或吸收無功功率，進(jìn)一步改善功率因數(shù)。 變頻器 在雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 ,雙饋電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將轉(zhuǎn)差功率饋送至電網(wǎng)中，或者是由電網(wǎng)饋入 ,因此變頻器的選型與控制方式十分重要，是雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心部分， 由于雙饋電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，能量需要雙向流動，這樣對變頻器的要求就較高。目前常用的變頻器有交 交變頻器、交 直 交變頻器等。 交交變頻器不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，將一種頻率和電壓的交流電變換成另一種頻率和電壓的交流電。交交變頻器采用自然換流方式的晶閘管進(jìn)行控制，并且可靠性高、工作穩(wěn)定。交交變頻器適合在大功率低頻范圍內(nèi)應(yīng)用，輸出的最大頻率是電網(wǎng)頻率的 1/31/2。交交變頻器沒有直流儲能電路，具有較高的效率，采用簡單的主電路，沒有包含濾波電路以及直流電路，容易實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)、以及有功功率的回饋。雖然大功率交交 變頻器應(yīng)用非常廣泛，由于它具有輸出功率因數(shù)不高、諧波含量多、輸出頻率不高、較窄的變化范圍、以及需要使用的元器件數(shù)量較多等不足使它的應(yīng)用受到了一定范圍內(nèi)的限制。它比較適合應(yīng)用在傳統(tǒng)的大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。 交 直 交變換器就是把工頻交流電先通過整流器把交流電整流成直流電，接 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 6 著再通過變換器，將直流電逆變成可以調(diào)節(jié)頻率的交流電。交直交變頻器主要由 整流器、濾波電路以及逆變器 3 個部分組成，且比較常用。整流器有由晶閘管組成的全控整流器或由二極管組成的不控整流器，逆變器與整流器相反，它是將恒定的直流電變換為電壓、 頻率均可調(diào)節(jié)的交流電，它可以是晶體管組成的三相橋式電路。中間的濾波環(huán)節(jié)是對整流后得到的電壓或電流進(jìn)行濾波，采用的是電容器或者電抗器。根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，交直交變頻器主要有電壓型與電流型兩種類型。目前，因為控制方法、硬件設(shè)計等因素的影響，電壓型變頻器的應(yīng)用比較廣泛。 電網(wǎng)側(cè)變換器主要有以下兩個任務(wù)：第一，使輸入電流的波形接近于正弦波，諧波含量少，功率因數(shù)滿足要求；第二，使直流母線電壓穩(wěn)定，兩個 PWM變換器正常工作首先需要保證直流母線電壓穩(wěn)定。因此本文采用的是交直交的變頻器。 雙饋電機(jī)調(diào)速 的運(yùn)行工況分析 在繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢并改變其大小，就能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢極性和大小的不同，因此電機(jī)有五種運(yùn)行工況：電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行、電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行、電機(jī)在反轉(zhuǎn)時作倒拉制動運(yùn)行、電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運(yùn)行、電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運(yùn)行。下面主要介紹了前兩種運(yùn)行工況下的功率流程關(guān)系。 （ 1）電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行 設(shè)雙饋電機(jī)直接接在三相工頻電網(wǎng)上，如果在轉(zhuǎn)子側(cè)每相接上與 0rE 轉(zhuǎn)子開 路電動勢）同向的附加電動勢 addE ，則轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生電流，如果對應(yīng)此電流的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大，那么可以使電機(jī)啟動。隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)差率 s減小，轉(zhuǎn)子電流也減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，且滿足式20202 rraddrr xsR EsEI ??? 時，電動機(jī)就在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。若繼續(xù)增大或減小 Eadd時，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將升高或降低，并在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)作電動運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率 s的范圍為 0s1，由于 mmm sPPsP ??? )1( ，其中， Pm 是電機(jī)定子側(cè)流向轉(zhuǎn)子側(cè)（或從轉(zhuǎn)子側(cè)流入定子側(cè)）的電磁功率，由此可知，在這個狀態(tài)下運(yùn) 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 7 行時，電機(jī)的輸入功率來自定子側(cè)，從軸上輸出機(jī)械功率，且在除去轉(zhuǎn)子損耗以后，轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)，其功率流程圖如下圖 所示 ,其中 CU為功率變換單元。 圖 功率流程圖 （ 2）電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行 假設(shè)電機(jī)作電動運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)串入了同相的附加電動勢 +Eadd，軸上拖動恒轉(zhuǎn) 矩的 反抗性負(fù)載。我們知道，只要不斷增加 +Eadd，就能夠增大電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在接近額定轉(zhuǎn)速時，如果繼續(xù)增大 +Eadd，電機(jī)將加速到 s0 的新的平衡狀態(tài)下運(yùn)行，即電機(jī)在超過其同步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。此時電機(jī)轉(zhuǎn)速雖然超過了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍然拖動著負(fù)載作電動運(yùn)行。由于 PmsPm=(1s)Pm，由此可知，電機(jī)軸上的輸出功率是由定子側(cè)輸入功率、轉(zhuǎn)子側(cè)輸入功率兩部分合成的，此時電機(jī)工作在定子、轉(zhuǎn)子同時輸入的狀態(tài)。其功率流程圖如下圖 23 所示，其中 CU 為功率變換單元。 圖 功率流程圖 三相異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 雙饋電機(jī)的電機(jī)本體是三相異步電動機(jī)，在研究異步電動機(jī)的多變量非線性 CU mP msP mPs)1( ? CU mP msP mPs)1( ? 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 8 數(shù)學(xué)模型時，為了研究的方便，常作以下的假設(shè)： （ 1)忽略空間諧波和齒槽效應(yīng)，三相繞組對稱 (在空間上互差 120 度的電角度 )，所產(chǎn)生的磁勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。 (2)忽略磁路的飽和，各繞組的自感系數(shù)都是恒定的。 (3)忽略鐵心損耗。 (4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。 無論電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是繞線型的還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到 定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。電動機(jī)繞組等效為如下圖。定子三相繞組軸線 A、 B、 C在空間上是固定的，以 A軸為參考軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線 a、 b、 c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a軸和定子 A軸間的電角度θ為空間角位移變量，轉(zhuǎn)子本體相對于定子本體的旋轉(zhuǎn)電角速度 )/( srad? 。 圖 規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子繞組的電壓、電流、磁鏈的正方向按照右手螺旋定則規(guī)定， 并采用電動機(jī)慣例，認(rèn)為正向電壓產(chǎn)生正向電流，而正向電流產(chǎn)生正向磁鏈。這 時，異 步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組 成。 (1)電壓方程 三相定子繞組的電壓平衡方程和三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程寫為矩陣形式為： A C b a B c ai au Ai Au ? ? 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 9 ?pRiu ?? (22) 其中： ? ?TcbaCBA uuuuuuu ? 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； ? ?TcbaCBA iiiiiii ? 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值； ? ?222111 RRRRRRd ia gR ? 定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻； ? ?TcbaCBA ??????? ? 各相繞組的全磁鏈； (2)磁鏈方程 ???????????????????rsrrrssrssrsiiLLLL?? （ 23） 其中： ? ?TCBAs ψψψ?? ? ?Tbbar ???? ? ? ?TCBAs iiii ? ? ?Tcbar iiii ? ????????????????????111211211211112112112111lmmmmlmmmmlmSSLLLLLLLLLLLLL ????????????????????211211211212112112112121lmmmmlmmmmlmrrLLLLLLLLLLLLL 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 10 ?????????????????????????????????????????c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s1msrTrs LLL 由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且 各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻 相同，故認(rèn)為定子繞組最大互感與轉(zhuǎn)子繞組最大互感相同。 式中： 1mL —— 定、轉(zhuǎn)子繞組的互感最大值； 1lL —— 定子繞組的自感； 2lL —— 轉(zhuǎn)子繞組的自感； ? —— 轉(zhuǎn)子位置。 (3)轉(zhuǎn)矩方程 傳動系統(tǒng)的運(yùn)動方程為 : )(21 ssrrrsrsem iLiiLiT TT ?? ?????? (24) (4)運(yùn)動方程 傳動系統(tǒng)的運(yùn)動方程為 : ??? PKPDdtdPJTT lem ???? (25) 式中： lT —— 負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩； J—— 機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量； D—— 與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)； K—— 扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)； P—— 極對數(shù)。 對于恒 轉(zhuǎn)矩負(fù)載， D=0， K=0，則上式可變?yōu)? dtdPJTT lem ??? (26) 由此可見，在三相靜止坐標(biāo)系上，雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個具有多個變量、強(qiáng)耦合的、非線性的高階復(fù)雜系統(tǒng)。對這個非線性的復(fù)雜高階系統(tǒng)，直接求解是很麻煩的。為了使