1、畢業設計（論文）專用紙 目 錄1緒論11.1雙饋電機的發展狀況11.2雙饋電機控制策略21.3本文的主要內容32雙饋電機的數學模型及其功率流程分析42.1雙饋電機調速的工作原理42.2 變頻器52.3雙饋電機調速的運行工況分析62.4 三相異步電動機的多變量非線性數學模型72.5坐標變換113雙饋電機的矢量控制技術153.1矢量控制簡介153.2定子磁鏈定向下的雙饋電機矢量控制163.3 基于定子磁鏈定向的雙饋電機的控制策略203.4 雙饋電機整個系統的控制策略224雙饋電機調速系統的仿真244.1 Simulink下仿真模型的搭建244.2仿真結果及分析265總結30致謝31參考文獻32 1

2、緒論1.1雙饋電機的發展狀況 目前，隨著電力電子技術、控制理論的發展，交流電機調速在電力電子與電氣傳動領域得到了廣泛的應用，從而逐步取代了直流電機調速的地位。所謂雙饋電機是指將異步電機的定子繞組、轉子繞組都與交流電網或含電動勢的回路相連接，使它們可以進行能量的雙向流動。雙饋電機也稱交流勵磁電機，它是由電機本體與交流勵磁自動控制系統構成的。雙饋電機是電機技術、電力電子與電力傳動技術、以及現代控制技術發展而來的產物。雙饋電機的定子端與50Hz的大電網直接相連接，而轉子端與幅值、相位以及頻率均可調節的交流電源相連接。通過調節轉子端勵磁電流幅值大小、相位以及頻率，可以使得雙饋電機在電動狀態或發電狀態下

3、運行，同時轉速的大小也可以調節，且定子端輸出的電壓和頻率可以保持不變，因此，它在提高系統的穩定性時又可以調節電網的功率因數。 雙饋電機同時具備同步電機的特點與異步電機的特點，可以在同步速上下運行，而且能夠有效地調節無功功率，因此用途非常地廣泛。在雙饋調速系統中，由于通過變頻器的轉差能量只是被控能量的一部分,所以所需變頻器的容量可以小于電機的容量,這樣可以大大地提高雙饋調速系統的效率、節約成本。雙饋電機的調速范圍可以達到 10%至60%，因此具備提高系統的工作效率、節約電能等優點。當其作為電動機運行時，在不同的帶載情況下，可以靈活地調節系統的無功功率和轉速。德國西門子、日本東芝和三菱、俄羅斯哈爾

4、科夫電機制造公司已經制造了一系列的雙饋電動機，例如：哈爾科夫公司已經生產了315kW 至 2000kW 的不同種類的雙饋電動機，而且已經大量運用于各種交流調速傳動領域中(如風機、泵類等負載)。目前，美國、俄羅斯、澳大利亞等國家在創造無刷雙饋電機，并能應用于交流調速或其他電力電子與電力傳動領域。 雙饋電機既可以實現變速恒頻恒壓發電，又能夠實現調節功率因數，因此被廣泛地應用于電力工業中。80年代中期，前蘇聯開發了一臺50MW水輪雙饋發電機與一臺200MW 的汽輪雙饋電機，并分別能夠被應用在實際生活中。在80年代末90年代初，日本日立公司與東芝公司開發出不同種類的大功率的雙饋發電機，并且已經投入到大

5、型抽水蓄能電站中運用。另外，國外也研究了風能電站、潮汐電站雙饋發電機。1.2雙饋電機控制策略 雙饋電機控制策略是雙饋電機調速系統的關鍵技術之一。雙饋電機主要有以下幾種控制策略：矢量控制、直接轉矩控制、直接功率控制等。 （1）采用矢量控制 雙饋電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量復雜系統。如果不對其進行解耦控制，而在三相靜止坐標系下直接對交流電流進行閉環控制，效果很不理想。因此，很多學者開始對矢量控制進行研究。在雙饋電機調速系統中，矢量控制的基本方法是通過對雙饋電機的定子電流進行分解，即分解為勵磁電流與轉矩電流，同時對這兩個量的幅值與相位獨立地控制，從而實現定子電流矢量的控制。通俗地

6、說，矢量控制為了達到對雙饋電機高性能的調速，因此將磁鏈與轉矩進行解耦控制，這樣很容易設計兩者的調節器。矢量控制成功地解決了交流電動機定子電流轉矩分量和勵磁分量的耦合的難題，從而實現了可以實時地控制交流電動機的電磁轉矩，急劇地提高了交流電動機變壓變頻調速系統的動態性能。目前，交流電動機矢量控制系統的性能已經可以與直流調速系統的性能相媲美，甚至超過了直流調速的性能。在雙饋電機調速系統中可以作為定向矢量的主要有定子電壓矢量、轉子電壓矢量、定子電流矢量、轉子電流矢量、定子磁鏈矢量、轉子磁鏈矢量，共 6 個基本矢量。其中，定子電壓定向和定子磁鏈定向比較常用。 （2）采用直接轉矩控制 與矢量控制不一樣的在

7、于直接轉矩控制不是通過控制磁鏈、電流等量來間接控制轉矩的，它是把轉矩直接作為需要控制的量，并結合定子磁鏈定向控制，實現直接控制定子磁鏈和電磁轉矩的。此策略不需要復雜的坐標變換，而是在定子坐標軸上直接計算磁鏈的大小和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤來實現 PWM 脈寬調制、提高系統的高動態性能。此方法缺點是低速性能較差，調速范圍受到限制。 （3）采用直接功率控制 在直接功率控制中，轉子側的開關動作是依靠檢測定子側的量來控制的，但沒有對轉子側電壓進行積分，并且該方法不需要使用位置傳感器，因此該控制方法可使系統穩定工作，魯棒性強。直接功率控制可以通過調節有功和無功的 PI 調節器來跟蹤參考值，

8、從而控制發電機輸出的有功和無功。但也存在著一些不足之處，電網電壓的波動會影響其控制的動態性能；在輕載時容易產生振蕩，并且擾動觀測法，即便在穩態時其功率的平滑度也會受到影響；有功功率判斷的準確性會影響到對雙饋發電機運行狀態的判斷。 根據以上分析及作者所學知識影響，決定采用矢量控制技術。1.3本文的主要內容 在文中，選用定子磁鏈定向的矢量控制，采用雙饋電動機轉速與定子側無功功率作為外環控制目標、轉子電流在M、T軸上的分量作為內環控制目標的雙閉環控制系統。雙饋電機最大的優點在于可以將轉差功率饋送至電網中，或者是由電網饋入。第二章首先介紹了雙饋電機的工作原理，分析了雙饋電機在不同工況下的的功率分布情況

9、。然后在此基礎上建立雙饋電機的數學模型，利用坐標變換簡化數學模型，最后推導出在dq坐標系下雙饋電機的數學模型，為后面研究控制策略奠定了基礎。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進行雙閉環控制，然后推導出雙饋電機在同步旋轉坐標系MT上的數學模型，并計算出雙饋電動機的有功功率、無功功率、轉速與定子電流、轉子電流的關系，得出雙饋電動機控制框圖。最后在Simulink下搭建系統的仿真模型，得到波形，驗證控制策略的可行性。2雙饋電機的數學模型及其功率流程分析 2.1雙饋電機調速的工作原理 顧名

10、思義，“雙饋”就是指把繞線式轉子異步電機的定子繞組和轉子繞組分別接在交流電網或其他含電動勢的電路上，使它們的能量可以進行雙向流動。雙饋電機運行在不同的工況下，決定著電功率是饋入定子繞組或轉子繞組，還是從定子繞組或轉子繞組饋出。當雙饋電機以電動狀態運行時，它從電網吸收電功率，負載的運行主要依靠在軸上輸出的機械功率來承擔。在雙饋調速時，雙饋電機的定子端直接接在 50Hz 的工頻電網上，轉子端直接接在幅值大小、相位以及頻率可調節的變頻器上。雙饋電機的結構類似于繞線式異步電機，由定子繞組、轉子繞組組成。定子端直接接入三相工頻電網，轉子端接入幅值、頻率、相位可調的變頻器。雙饋電機的主電路如下圖 2.1

11、所示。圖2.1雙饋電機的主電路 當雙饋電機在穩態運行時，定子旋轉磁勢與轉子旋轉磁勢是相對靜止的。根據電機基本原理，對雙饋電機有： (2-1)其中， 為工頻電網的頻率，為轉子勵磁電流產生的頻率，為轉差率， 為同步轉速，為轉子勵磁電流產生的旋轉磁場相對于轉子的轉速，為雙饋電機極對數。當時，雙饋電機運行在次同步狀態下，當時，雙饋電機運行在超同步狀態，其中為系統運行時的轉速。由此可見，雙饋調速是通過改變轉子側的變頻器的頻率來改變轉速。如果適當地調節轉子側變頻器的幅值、相位，可以使雙饋電機運行在過勵、欠勵狀態，并向電網發出或吸收無功功率，進一步改善功率因數。2.2 變頻器 在雙饋電機調速系統中,雙饋電機

12、最大的優點在于可以將轉差功率饋送至電網中，或者是由電網饋入,因此變頻器的選型與控制方式十分重要，是雙饋電機調速系統的核心部分，由于雙饋電機運行在不同的工況下，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。交交變頻器不經過直流環節，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行控制，并且可靠性高、工作穩定。交交變頻器適合在大功率低頻范圍內應用，輸出的最大頻率是電網頻率的 1/3-1/2。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，容易實現無功功率的調節

13、、以及有功功率的回饋。雖然大功率交交變頻器應用非常廣泛，由于它具有輸出功率因數不高、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量較多等不足使它的應用受到了一定范圍內的限制。它比較適合應用在傳統的大功率電機調速系統中。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，接著再通過變換器，將直流電逆變成可以調節頻率的交流電。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、頻率均可調節的交流電，它可以是晶體管組成的三相橋式電路。中

14、間的濾波環節是對整流后得到的電壓或電流進行濾波，采用的是電容器或者電抗器。根據中間直流濾波環節的不同，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、硬件設計等因素的影響，電壓型變頻器的應用比較廣泛。 電網側變換器主要有以下兩個任務：第一，使輸入電流的波形接近于正弦波，諧波含量少，功率因數滿足要求；第二，使直流母線電壓穩定，兩個PWM變換器正常工作首先需要保證直流母線電壓穩定。因此本文采用的是交直交的變頻器。2.3雙饋電機調速的運行工況分析 在繞線轉子異步電機轉子側引入一個可控的附加電動勢并改變其大小，就能夠實現對電機轉速的調節。由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同，因此電機

15、有五種運行工況：電機在次同步轉速下作電動運行、電機在超同步轉速下作電動運行、電機在反轉時作倒拉制動運行、電機在超同步轉速下作回饋制動運行、電機在次同步轉速下作回饋制動運行。下面主要介紹了前兩種運行工況下的功率流程關系。 （1）電機在次同步轉速下作電動運行 設雙饋電機直接接在三相工頻電網上，如果在轉子側每相接上與轉子開路電動勢）同向的附加電動勢，則轉子回路產生電流，如果對應此電流的電磁轉矩足夠大，那么可以使電機啟動。隨著轉速升高，轉差率s減小，轉子電流也減小，當轉子電流所對應的電磁轉矩與負載轉矩平衡時，且滿足式時，電動機就在此轉速下穩定運行。若繼續增大或減小Eadd時，則電機轉速將升高或降低，并

16、在新的平衡狀態下穩定運行，當電機作電動運行時，轉差率s的范圍為 0<s<1，由于，其中，Pm 是電機定子側流向轉子側（或從轉子側流入定子側）的電磁功率，由此可知，在這個狀態下運行時，電機的輸入功率來自定子側，從軸上輸出機械功率，且在除去轉子損耗以后，轉差功率從轉子側饋送至電網，其功率流程圖如下圖 2.2 所示,其中 CU為功率變換單元。 CU 圖 2.2 功率流程圖 （2）電機在超同步轉速下作電動運行 假設電機作電動運行，轉子側串入了同相的附加電動勢+Eadd，軸上拖動恒轉矩的反抗性負載。我們知道，只要不斷增加+Eadd，就能夠增大電機的轉速。當電機運行在接近額定轉速時，如果繼續增

17、大+Eadd，電機將加速到 s<0 的新的平衡狀態下運行，即電機在超過其同步轉速下穩定運行。此時電機轉速雖然超過了其同步轉速，但它仍然拖動著負載作電動運行。由于 Pm-sPm=(1-s)Pm，由此可知，電機軸上的輸出功率是由定子側輸入功率、轉子側輸入功率兩部分合成的，此時電機工作在定子、轉子同時輸入的狀態。其功率流程圖如下圖 2-3 所示，其中 CU 為功率變換單元。 CU圖 2.3 功率流程圖2.4 三相異步電動機的多變量非線性數學模型 雙饋電機的電機本體是三相異步電動機，在研究異步電動機的多變量非線性數學模型時，為了研究的方便，常作以下的假設： （1)忽略空間諧波和齒槽效應，三相繞組

18、對稱(在空間上互差120度的電角度)，所產生的磁勢沿氣隙圓周按正弦規律分布。 (2)忽略磁路的飽和，各繞組的自感系數都是恒定的。 (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。 無論電動機的轉子是繞線型的還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數都相等。電動機繞組等效為如下圖2.4所示的物理模型。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，轉子繞組軸線a、b、c隨轉子旋轉，轉子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量，轉子本體相對于定子本體的旋轉電角速度。ACbaBc圖2.4三相異步電機物理模型示意圖 規定定子、轉子

19、繞組的電壓、電流、磁鏈的正方向按照右手螺旋定則規定，并采用電動機慣例，認為正向電壓產生正向電流，而正向電流產生正向磁鏈。這時，異步電動機的數學模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成。 (1)電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程和三相轉子繞組折算到定子側后的電壓方程寫為矩陣形式為： (2-2)其中： 定子和轉子相電壓的瞬時值； 定子和轉子相電流的瞬時值； 定子和轉子繞組電阻； 各相繞組的全磁鏈； (2)磁鏈方程 （2-3）其中： 由于折算后定、轉子繞組匝數相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故認為定子繞組最大互感與轉子繞組最大互感相同。式中： 定、轉子繞組的互感最大值； 定

20、子繞組的自感； 轉子繞組的自感； 轉子位置。(3)轉矩方程傳動系統的運動方程為: (2-4) (4)運動方程 傳動系統的運動方程為: (2-5) 式中： 負載阻轉矩； J機組的轉動慣量； D與轉速成正比的轉矩阻尼系數； K扭轉彈性轉矩系數； P極對數。 對于恒轉矩負載，D=0，K=0，則上式可變為 (2-6) 由此可見，在三相靜止坐標系上，雙饋電機的數學模型是一個具有多個變量、強耦合的、非線性的高階復雜系統。對這個非線性的復雜高階系統，直接求解是很麻煩的。為了使雙饋電機數學模型呈可控性、可觀性的特點，對其進行簡化、解耦控制使其成為一個解耦的線性系統。因此，可以采用坐標變換方法將其簡化、解耦。2

21、.5坐標變換2.5.1三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換（3s/2s）BB下圖2.5表示雙饋電機定子三相繞組A、B、C各相磁勢矢量的空間位置以及可以將其等效為兩相定子繞組、中各相磁勢矢量，為了便于分析，令三相繞組的A軸與兩相繞組的軸重合。 圖2.5 定子繞組在不同坐標系下磁勢的空間矢量位置 如果假定磁勢波形只計基波分量或按正弦分布，在這兩者的旋轉磁場完全等效時，合成磁勢在相同軸向的分量一定相等，也就是說沿 軸以及 軸上三相繞組和兩相繞組的瞬時磁勢的投影值應該是相等的，則有下列式子成立： (2-7) (2-8) 其中，N2為兩相電動機的每相定子繞組的實際匝數，N3為三相電動機的每相定子繞組

22、的實際匝數。然后依據電流變換矩陣為正交矩陣的原則（推導過程略），則可以確定兩相靜止坐標系到三相靜止坐標系的變換矩陣為： (2-9) 三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換矩陣為： (2-10)2.5.2兩相靜止坐標系到同步旋轉坐標系的變換(2s/2r) 按照上述的思路，同理，d-q 軸系到、軸系的坐標變換矩陣為： （2-11）其中，為 d 軸與軸之間的夾角，則、軸系到 d-q 軸系的坐標變換矩陣為： （2-12）2.5.3 雙饋電機在d-q 坐標系下的數學模 前面我們已經推導出雙饋電機在三相靜止坐標系下的數學模型，通過坐標變換，可以得出雙饋電機在d、q坐標系下的數學模型（推導過程略），下面繼續討

23、論雙饋電機在 d、q 坐標系下的數學模型。 （1）磁鏈方程 雙饋電機在 d、q 坐標系下的磁鏈方程為： （2-16）其中、分別為dq坐標系下定子電流和磁鏈的分量；、 分別為dq坐標系下轉子電流和磁鏈的分量；L1、L2分別是定子繞組和轉子繞組在dq坐標系中的自感；Lm是定子繞組、轉子繞組之間在 dq 坐標系中的互感系數。 （2）電壓方程雙饋電機在 d、q 坐標系下的電壓方程為： （2-17） 其中，Ud1、Uq1為別為dq坐標系下的定子電壓的分量；1 等于定子電壓頻率的同步角速度，是dq坐標系相對于定子A相軸線的旋轉角速度；Ud2、Uq2分別為dq坐標系下的轉子電壓的分量；為轉差角速度，是dq坐

24、標系相對于轉子的角速度，是轉子的旋轉角速度。 （3）轉矩方程雙饋電機在d、q坐標系下的轉矩方程為： （2-18）其中，Tem為電磁轉矩；np為電機的極對數。 （4）運動方程 雙饋電機在d、q坐標系下的運動方程為： （2-19）其中，TL 為負荷轉矩;J 為電機及負載的轉動慣量；D 為運動阻尼系數。 （5）有功功率、無功功率的計算 雙饋電機在d、q坐標系下的定子側、轉子側的有功功率和無功功率的計算如下： （2-20） 以上計算式為雙饋電機在d、q坐標系下的數學模型。3雙饋電機的矢量控制技術 3.1矢量控制簡介 矢量控制理論由德國的F.B1aschke于1971年提出，矢量控制技術的目的是為了使得

25、交流調速獲得如同直流調速同樣優良的理想性能。在異步電動機中，以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系下定子電流的，通過32變換，可以等效成兩相靜止坐標系下的交流電流，通過旋轉變換可以等效成同步坐標系下的直流電流，。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的便是一臺直流電機，原交流電機的轉子總磁通織就是等效直流電機的磁通，M繞組相當于直流電機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，T繞組相當于偽靜止的電樞繞組，相當于與轉矩成正比的電樞電流。異步電機經過坐標變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量，經過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。 定向矢量是指將坐標系的實

26、軸與某一電磁量的合成矢量相重合后所對應的合成矢量。在雙饋電機中定共有六個基本的矢量可以作為定向矢量，它們分別是定子電壓、轉子電壓、定子電流、轉子電流、定子磁鏈、轉子磁鏈。定向矢量在所選的空間坐標系下是相對靜止的，而且它在虛軸上的投影等于 0，因此所選定向矢量的不同決定著控制結構與控制性能的不同。下面分析雙饋電機定子電壓、轉子電壓、定子電流、轉子電流、定子磁鏈、轉子磁鏈作為定向矢量的特點。 （1）采用定子電壓作為定向矢量 采用定子電壓作為定向矢量，其缺點是在主通道中，存在著負的或正的交叉耦合量，轉矩表達式復雜，為 2 個矢量的叉乘，且定子磁鏈的表達式非常繁瑣，在電網電壓的波動比較大的情況下，控制

27、效果會很不理想。 （2）采用轉子電壓作為定向矢量 采用轉子電壓作為定向矢量時，其缺點是在主通道中，存在著負的或正的交叉耦合量，轉矩表達式復雜，是兩個矢量的乘積，定子磁鏈的表達式也很復雜，而且當電網電壓發生較大改變時，控制效果會很不理想。其缺點與采用定子電壓作為定向矢量一樣。 （3）采用定子電流作為定向矢量 采用定子電流作為定向矢量，其優點是交叉耦合量比采用定子電壓、轉子電壓作為定向矢量時的很少，并且電流交叉耦合量不存在，轉矩公式很簡潔，是2個標量相乘，不過轉子磁鏈表達式非常繁瑣。 （4）采用轉子電流作為定向矢量 把轉子電流當作定向矢量時，它的優缺點與采用定子電流作為定向矢 量時的情況一樣，但是

28、轉子電流作為定向矢量很少應用在雙饋調速系統中。 （5）采用定子磁鏈作為定向矢量 把定子磁鏈作為定向矢量時，它具有最少的交叉耦合量是它的優勢，且轉矩表達式較簡潔，是2個標量相乘，在直接通道中，僅有一個磁鏈分量，表達式簡單，并不存在非線性表達式，即使電網電壓發生改變時，仍然能夠較好地控制轉矩量。 （6）采用轉子磁鏈作為定向矢量 采用轉子磁鏈作為定向矢量，它的優點與采用定子磁鏈作為定向矢量一樣，但是因為轉子磁鏈是直接控制量，通常變化較大，這樣就影響到對轉子磁鏈的準確觀測，最終會影響到實際的控制效果。 分析并比較了以上六個量作為定向矢量的一些特點，為了達到控制性能的要求并以最簡單的控制結構為準則，常見

29、的是采用定子磁鏈作為定向矢量。3.2定子磁鏈定向下的雙饋電機矢量控制3.2.1定子磁鏈定向下的數學模型 本文應用按定子磁鏈定向的矢量控制，它的優點是：交叉耦合量少；轉矩公式簡單，是兩個標量之積；磁鏈表達形式簡單，只有一個分量，在另一個軸上的值為零。另外，由于轉矩可表示為兩個標量之積，即使在電網電壓發生波動的情況下仍然能夠保證對轉矩的良好控制。根據上一章異步電動機在兩相同步旋轉坐標系上的數學模型，把M軸與d軸重合，M軸為定子磁鏈的方向，則可以得到雙饋電機在MT坐標系下的數學模型。 (1)電壓方程： （3-1） （3-2） (2)磁鏈方程： （3-3） （3-4）(3)電磁轉矩方程： （3-5）

30、其中：下標M和T表示各量在M軸和T軸上的分量，其它各標示與dq坐標系下數學模型相同。ACcTbBMaMT軸坐標系具體矢量與靜止軸系矢量的關系如下圖所示: 圖3.1 MT軸坐標系具體矢量與靜止軸系矢量的關系 在實際應用中，考慮到定子電阻上的壓降較定子電抗上的壓降相比很小，忽略定子繞組電阻時R1=O，定子電壓U1超前于90度。因此按照MT坐標分解有： （3-6） 因為MT坐標系與定子磁鏈矢量重合，T軸M軸正交，必然有： （3-7）因定子繞組接于無窮大電網，所以U1恒定不變。可得電壓方程： （3-8）U1恒定不變，為同步速度，所以為常數綜合以上兩式（3-7）、（3-8），由式（3-3）、（3-4）可

31、以推導出 （3-9） 將上式及值帶入式（3-5）轉矩方程可得： （3-10） 由上式矢量分解后表達式可以看出，只要控制轉子電流，就可以達到控制定子電流，的目的。因為常數，故調節可以調節轉矩，從而可以控制轉速。 電機定子側輸入的有功功率P和無功功率Q在腳坐標系中可以表示為： （3-11）因為，代入式（3-11）可得: （3-12）由式（3-12）可以看出，控制轉子電流的T軸分量就可以控制有功功率，而控制轉子電流的M軸分量就可以控制無功功率。3.2.2 定子磁鏈觀測器 定子磁場定向時，需要測出實際定子磁鏈的位置，即它相對于定子A相的相位。一般多采用間接觀測的方法，即檢測出電壓、電流或轉速等容易測得

32、的物理量，利用定子磁鏈觀測器實時計算磁鏈的相位。本文采用的是定子電壓模型的定子磁鏈觀測器。原理如下圖3.2所示，忽略定子繞組電阻時，定子電壓超前90度電角度。所以只要確定與靜止A相之間的夾角。就可以由下圖得，而。定子電壓在坐標變換時可求得值。AaMT 圖3.2 定子磁鏈的位置矢量圖采用電壓模型的磁通觀測器具有以下優點： （1）定子接于無窮大電網，所以定子電壓是穩定的工頻電壓，諧波小，電壓的檢測比較容易實現。 （2）電壓模型整體結構簡單，工作可靠。在得到、后，經過坐標變換得到，與，之間的關系表達式，列寫其變換矩陣如下： (3-13) (3-14)其中，為M軸與轉子a相軸線之間的夾角。由此求得相應

33、的轉子電流，由控制電路計算出相應的觸發角，進而得到晶閘管的觸發信號。3.3 基于定子磁鏈定向的雙饋電機的控制策略 無功功率這一部分的控制對象為雙饋電機定子側輸出的無功功率或功率因數，有功功率這一部分的控制對象為雙饋電機定子側有功功率、轉速 、電磁轉矩，在采用定子磁鏈定向的基礎上，下面列出這些量與轉子電流之間的關系式如下所示： （3-15） （3-16） （3-17） （3-18） 所以，在雙饋電機運行時，雙饋電機的數學模型如下圖3.2 所示：_ 圖3.3 雙饋電機的數學模型由圖 3.2 可以看出，通過坐標變換以及采用定子磁鏈定向的方案后，轉子電壓與轉子電流是呈一階慣性環節的關系，并且雙饋電機定

34、子側有功功率、無功功率與轉子電流在同步旋轉坐標系 MT 軸上的分量是呈比例關系的，在此數學模型的基礎上可以得到基于定子磁鏈定向的雙饋電機的矢量控制框圖如圖3.4、3.5 所示。 PIPI_ 圖3.4 雙饋電機定子側的無功功率控制框圖PII_PII_PI圖3.5 雙饋電機轉速的控制框圖 在圖3.4、圖3.5 中，、兩個量是交叉耦合量，是定子電壓在旋轉的轉子繞組中產生的反電動勢，視作擾動項。雙饋電機在基定子磁鏈定向的控制策略中，對交叉耦合量、反電動勢在電流內環中進行前饋補償，以提高系統的動態特性，并且通過對轉子電流的d軸、q軸分量進行解耦處理后實現了轉速與無功功率的獨立控制。3.4 雙饋電機整個系

35、統的控制策略 在實際的系統中，需要對無功功率進行實時控制。通過實時地控制，將定子側的相電壓、以及相電流、經過 的坐標變換得出其在兩相靜止坐標系下的電壓、以及電流、，根據以下的計算式可得到： （3-19）根據/MT 的坐標變換公式，可以得實際所需要的轉子電流、。這里規定與軸重合， 超前90°，則有： （3-20） 其中，為M軸與轉子a軸之間的夾角，通過極坐標變換可以得到夾角 (是定子電壓與定子A軸之間的夾角，本文中由定子電壓模型的定子磁鏈觀測器得到)，為轉子旋轉的角度，很容易測量計算。由此，可以得到雙饋電機整個系統的控制框圖如下圖所示：PI2r/3s坐標變換PI逆變器PIPIPI功率計

36、算及定子電流檢測spwm轉子速度和位置檢測角計算ABCC_ 圖3.6雙饋電機整個系統的控制框圖 在圖3.6中，給出了速度模式控制和電流模式控制的基于定子磁鏈定向的雙饋電機控制策略，在這兩種模式控制下，內外環均為電流環，并且都采用 PI 控制器。內環反饋信號轉子電流、是通過電流傳感器將檢測得到的轉子電流通過一定坐標變換得到的。外環采用定子側無功功率、轉速作為控制目標，使用的是PI控制器。外環反饋信號無功功率、是通過DSP實時地計算得到的，轉子旋轉的角度是通過位置傳感器檢測得到的，采用這種雙閉環控制有利于提高整個系統的精確度。 4雙饋電機調速系統的仿真4.1 Simulink下仿真模型的搭建根據上

37、章雙饋電機控制框圖在MATLAB中的simulink下搭建雙饋電機調速系統的仿真模型。所給定雙饋電機參數如下：額定功率=11000W，定子額定電壓=380V,定子頻率=50Hz,定子阻抗=1.115,定子漏感=0.005974H，轉子阻抗=1.083,轉子漏感=0.005974H，互感=0.2537H，電機極對數 P=4，轉動慣量 J=0.1kgm。各仿真模塊如下圖： 圖4.1雙饋電機主電路仿真圖 圖4.2 控制回路仿真模型圖根據3.2.2節的內容及式3-13，3-14，得到定子磁鏈觀測器的模型： 圖4.3定子磁鏈觀測器仿真圖根據2.5.3節中的式2-20，建立定子側功率計算模型： 圖4.4功

38、率計算仿真圖根據2.5節中的式2-9、2-11，可得到如下的2r/3s封裝圖： 圖4.5 2r/3s仿真模型根據2.5節中的2-10、2-12，可得如下的3s/2r封裝圖： 圖4.6 3s/2r封裝圖 4.2仿真結果及分析圖4.7 轉速 圖4.8 定子側功率因數、無功功率、有功功率（由上自下） 圖4.9 轉子電流d軸、q軸分量給定值（由上自下）圖4.10 轉子電流d軸、q軸分量實際值（由上自下） 圖4.11 定子電流仿真波形圖圖4.12 轉子電流仿真波形圖由以上波形可以看出，雙饋電機能在次同步、超同步狀態下運行，并且響應迅速。在次同步狀態工作時，從雙饋電機定子端輸入功率，轉差功率由轉子側饋送到

39、電網。在超同步狀態工作時，雙饋電機的輸入功率由定子側，轉子側共同提供。在系統達到穩態時，并且無功功率實際值也基本接近于0。由于速度環 PI 調節器的作用，轉子電流在d、q 軸的分量能夠快速地響應外環的變化。轉子側電流在0.2s時換向一次，接著在1s時又換向一次，并結合以上波形可以看出，轉子電流的變化影響著轉速、定子側有功功率、定子側無功功率等的變化過程，與上章分析雙饋電機在d、q軸上的數學模型的關系式是相吻合的，而且輸出轉子電流諧波含量少。 5總結 所謂雙饋電機是指將異步電機的定子繞組、轉子繞組都與交流電網或含電動勢的回路相連接，使它們可以進行能量的雙向流動。雙饋電機也稱交流勵磁電機，它是由電機本體與交流勵磁自動控制系統構成的。雙饋電機是電機技術、電力電子與電力傳動技術、以及現代控制技術發展而來的產物。 雙饋電機的數學模型是一個高階、藕合、非線性系統，采用坐標變換的方法解決這個問題，并采用定子磁鏈進行定向，這樣就大大簡化了雙饋電機的數學模型，使得勵磁電流分量與轉距電流分量的完全解藕，從而可以實現雙饋電機定子側有功功率、無功功率的獨立調節。通過改變轉子側勵磁電流的頻