双馈电动机调速系统控制策略的研究及其仿真毕业设计.doc

目 录 1绪论 1 1.1双馈电机的发展状况 1 1.2双馈电机控制策略 2 1.3本文的主要内容 3 2双馈电机的数学模型及其功率流程分析 4 2.1双馈电机调速的工作原理 4 2.2 变频器 5 2.3双馈电机调速的运行工况分析 6 2.4 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 7 2.5坐标变换 11 3双馈电机的矢量控制技术 15 3.1矢量控制简介 15 3.2定子磁链定向下的双馈电机矢量控制 16 3.3 基于定子磁链定向的双馈电机的控制策略 20 3.4 双馈电机整个系统的控制策略 22 4双馈电机调速系统的仿真 24 4.1 Simulink下仿真模型的搭建 24 4.2仿真结果及分析 26 5总结 30 致谢 31 参考文献 32  1绪论 1.1双馈电机的发展状况 目前，随着电力电子技术、控制理论的发展，交流电机调速在电力电子与 电气传动领域得到了广泛的应用，从而逐步取代了直流电机调速的地位。所谓双 馈电机是指将异步电机的定子绕组、转子绕组都与交流电网或含电动势的回路相 连接，使它们可以进行能量的双向流动。双馈电机也称交流励磁电机，它是由电 机本体与交流励磁自动控制系统构成的。双馈电机是电机技术、电力电子与电力 传动技术、以及现代控制技术发展而来的产物。双馈电机的定子端与50Hz的大电网直接相连接，而转子端与幅值、相位以及频率均可调节的交流电源相连接。 通过调节转子端励磁电流幅值大小、相位以及频率，可以使得双馈电机在电动状 态或发电状态下运行，同时转速的大小也可以调节，且定子端输出的电压和频率 可以保持不变，因此，它在提高系统的稳定性时又可以调节电网的功率因数。 双馈电机同时具备同步电机的特点与异步电机的特点，可以在同步速上下运行，而且能够有效地调节无功功率，因此用途非常地广泛。在双馈调速系统中，由于通过变频器的转差能量只是被控能量的一部分,所以所需变频器的容量可以小于电机的容量,这样可以大大地提高双馈调速系统的效率、节约成本。双馈电机的调速范围可以达到 10%至60%，因此具备提高系统的工作效率、节约电能等优点。当其作为电动机运行时，在不同的带载情况下，可以灵活地调节系统的无功功率和转速。德国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司已经制造了一系列的双馈电动机，例如：哈尔科夫公司已经生产了315kW 至 2000kW 的不同种类的双馈电动机，而且已经大量运用于各种交流调速传动领域中(如风机、泵类等负载)。目前，美国、俄罗斯、澳大利亚等国家在创造无刷双馈电机，并能应用于交流调速或其他电力电子与电力传动领域。 双馈电机既可以实现变速恒频恒压发电，又能够实现调节功率因数，因此被广泛地应用于电力工业中。80年代中期，前苏联开发了一台50MW水轮双馈发电机与一台200MW 的汽轮双馈电机，并分别能够被应用在实际生活中。在80年代末90年代初，日本日立公司与东芝公司开发出不同种类的大功率的双馈发电机，并且已经投入到大型抽水蓄能电站中运用。另外，国外也研究了风能电站、潮汐电站双馈发电机。 1.2双馈电机控制策略 双馈电机控制策略是双馈电机调速系统的关键技术之一。双馈电机主要有以下几种控制策略：矢量控制、直接转矩控制、直接功率控制等。 （1）采用矢量控制 双馈电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统。如果不对其进行解耦控制，而在三相静止坐标系下直接对交流电流进行闭环控制，效果很不理想。因此，很多学者开始对矢量控制进行研究。在双馈电机调速系统中，矢量控制的基本方法是通过对双馈电机的定子电流进行分解，即分解为励磁电流与转矩电流，同时对这两个量的幅值与相位独立地控制，从而实现定子电流矢量的控制。通俗地说，矢量控制为了达到对双馈电机高性能的调速，因此将磁链与转矩进行解耦控制，这样很容易设计两者的调节器。矢量控制成功地解决了交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合的难题，从而实现了可以实时地控制交流电动机的电磁转矩，急剧地提高了交流电动机变压变频调速系统的动态性能。目前，交流电动机矢量控制系统的性能已经可以与直流调速系统的性能相媲美，甚至超过了直流调速的性能。在双馈电机调速系统中可以作为定向矢量的主要有定子电压矢量、转子电压矢量、定子电流矢量、转子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，共 6 个基本矢量。其中，定子电压定向和定子磁链定向比较常用。 （2）采用直接转矩控制 与矢量控制不一样的在于直接转矩控制不是通过控制磁链、电流等量来间接 控制转矩的，它是把转矩直接作为需要控制的量，并结合定子磁链定向控制，实 现直接控制定子磁链和电磁转矩的。此策略不需要复杂的坐标变换，而是在定子 坐标轴上直接计算磁链的大小和转矩