电机控制 课件 第三章 绕线转子异步电机的控制

第三章绕线转子异步电机的控制11、变转差调速原理

(1)变s速调速功率本质——控制绕线异步电动机转差功率消耗多少的调速方式

功率分配

定子输入功率

进入气隙电磁功率

轴上输出机械功率

转子回路转差功率一.绕线转子异步电动机的调速

功率关系

T—电磁转矩，—气隙磁场同步（机械）角速度，

—转子机械角速度。

一.绕线转子异步电动机的调速结论一定（恒转矩负载时），改变转子内的消耗，改变，调节；设法使消耗越多，速度可调节越低，但运行效率越低；只适合于运行有转差的异步电机。一.绕线转子异步电动机的调速2、转子串电阻调速系统

转子回路外接三相附加电阻

定子电压不变

，但

随↑→与负载转矩交点处↑→↓（反之亦然）一.绕线转子异步电动机的调速

从转差功率消耗看：

—转子铜损，不可逆消耗

—转子外接“电阻”上损耗，两种消耗方式：当为真实电阻时，不可逆地“真实”消耗——转子串电阻调速

当为“虚拟”电阻（电势形式），“假”消耗。“假消耗”达到不真实消耗转差功率，又实现调速目的——串级调速一.绕线转子异步电动机的调速3、串级调速系统

串级调速思想：在转子回路中引入与转子同频（转差频率）的附加电势，以吸收或补充转差功率，从而达到调速的一种方法关键部件——产生附加电势的装置，要求：（A）能“吸收”或“补充”转差功率——必须与转子电势同频，使与转子电流可构成

确定相位关系变转差调速方法—串级调速与反相位，吸收功率当

从同步速向下调速——亚同步串级调速变转差调速方法—串级调速与同相位，向转子输出功率

当送入

从同步速向上调速——超同步串级调速变转差调速方法—串级调速（B）能将

能量返回/送出电网——电力电子变流装置（C）频率跟踪问题

因必须与转子电流同频，调速时频率为，变化很难跟踪

将整成直流（），只需直流

直流来源

（a）直流电机反电势——电机型串级调速系统（b）直—交变流器（逆变器）直流电势——晶闸管型串级调速系统变转差调速方法—串级调速变转差调速方法—串级调速

晶闸管、恒转矩、亚同步串级调速系统

结构串级调速装置

电机侧为不控整流桥*将转子电流变成直流，只需直流，解决转子频率跟踪问题

*转差功率

只能从转子流出，被消耗——亚同步串级调速变转差调速方法—串级调速电网侧为可控整流器，工作在有源逆变状态，作用：

*提供直流，吸收转差功率

*将吸收的直流能量逆变为交流，返回电网*电机轴上输出功率电机轴上转矩——恒转矩传动（与s、n无关）变转差调速方法—串级调速

速度调节机理*调速控制量为逆变超前角

变化→变化

变化→s变→n变变转差调速方法—串级调速*规律：

(a)运行于转子短接的自然特性上→最高速

(b)降速(c)为防止逆变颠覆，限定，即限定了最低速变转差调速方法—串级调速逆变变压器作用：(a)使电机转子电压与电网电压匹配，使SCR移相触发角不过大；(b)使逆变器与交流电网隔离，减小SCR移相导通中电流谐波对电网的污染。变转差调速方法—串级调速运行（A）变流器容量限制了运行速度范围

串级调速装置设置在转子侧，只需处理转差功率，故容量小，但直接与调速范围有关，运行时应，否则变流器过载。

[例]亚同步串级调速系统拖动风机/水泵时，，变流装置容量仅为电机额定功率的1/3。变转差调速方法—串级调速（B）起动问题

起动时s=1，，串级调速装置将承受额定功率而过载烧毁，故不允许采用串级调速装置直接起动电机。

采用起动电阻（如频敏变阻器）起动至高速后，再投入串级调速运行变转差调速方法—串级调速变转差调速方法—串级调速机械特性

思路：分析串级调速装置直流环节电压平衡关系，（1）获得转速公式。

电机侧不控整流桥（2）

式中

——转子静止（s=1）输出整流电压——转子侧整流器内部压降，包括

折算至直流侧的转子回路电阻压降：

二只管压降：

换流重叠压降：（低频下换流重迭角大）

——折算至转子侧、下电机总漏抗变转差调速方法—串级调速

电网侧逆变桥（3）——电网侧逆变器内部压降（按功率流向为+

）包括：

折算至直流侧变压器内阻压降：

二只管压降：

换流重叠压降：

——折算至逆变变压器辅边、下变压器漏抗变转差调速方法—串级调速变转差调速方法—串级调速

机械特性式（2）、（3）代入式（1），解出s,n机械特性曲线机械特性为一族下斜，有最大转矩Tm限制的直线，较软（K2大）；过大负载下，更软，且Tm减小；改变，改变空载转速，实现调速应采用速度、电流双闭环控制，提高调速精度和限制电流变转差调速方法—串级调速变转差调速方法—串级调速

速度、电流双闭环串级调速系统变转差调速方法—串级调速

功率因数问题晶闸管亚同步串级调速系统主要缺点为功率因数低变转差调速方法—串级调速

串级调速系统功率因数低下的原因逆变器晶闸管换流需要落后的感性无功电流。异步电机和逆变电路均需要无功功率，QW=Q1+Qβ；而串级调速系统中的逆变器可以实现转差功率Pβ向电网的回馈，即PW=P1-Pβ。这样，串级调速系统的功率因数则为：比电机本身的功率因数低得多变转差调速方法—串级调速

串级调速系统功率因数低下的原因

变转差调速方法—串级调速

减少有源逆变器对无功的需求的措施改变晶闸管的换流方式，由电网电压自然换相改为电容强迫换相，使其不仅无需感性无功，甚至可以产生感性无功。为此须采用高功率因数的串级调速装置。对于采用电网电压自然换流的逆变器，使晶闸管保持较小的逆变角β。为此可采用改变逆变器抽头来变化变压器次级电压Uβ，以满足小逆变角下工作的条件。在转子直流回路中加入斩波器调压以缩小逆变角变化范围。

系统构成

晶闸管、亚同步、恒转矩串级调速系统中，电机侧采用不控整流器，转差功率sPM只能从转子流出、被电网吸收，故只能亚同步运行

将电机侧改为可控整流器并工作在逆变状态，而电网侧有源逆变器工作在整流状态，则可使转差功率sPM可从电网补充进电机转子，运行在同步速以上。一.绕线转子异步电动机的调速4、双馈调速系统

变转差调速方法—双馈调速

此时实现定、转子双向馈电，称双馈调速系统

速度调节通过调节桥Ⅰ、桥Ⅱ移相触发角

实现。

依据：理想空载下，直流环节电压平衡关系

（）

调节均可调速

为保持电网侧高输入功率因数，固定为小值（），

调节调速。变转差调速方法—双馈调速

当桥Ⅱ整流、桥Ⅰ逆变时，转差功率sPM反流→→超同步运行

由于桥Ⅰ、桥Ⅱ均可工作在整流/逆变状态，只需控制移相角或范围,可使两桥工作状态有多种组合，形成四象限运行变转差调速方法—双馈调速变转差调速方法—双馈调速

四象限运行控制转向不变，按，T正、负划分(A)亚同步电动（）

桥I：，整流；桥Ⅱ：，逆变

sPM从桥Ⅰ流向桥Ⅱ，电网吸收sPM

，，亚同步运行

能量分配：P1进入定子，

电动；分配至转子轴

（1-s）PM

,转子内sPM

。变转差调速方法—双馈调速（B）超同步电动（

）

桥Ⅰ：

逆变；桥Ⅱ：，整流

sPM从桥Ⅱ流向桥Ⅰ，电网补充sPM至电机，

超同步运行

电网通过定子PM、转子

双馈送入电机后，全作

机械功率（1+|s|）PM输出，加速转子至超同步速变转差调速方法—双馈调速（C）亚同步制动（

）

桥Ⅰ：

逆变；桥Ⅱ：

，整流

sPM从桥Ⅱ流向桥Ⅰ，电网补充sPM至电机（尚未使s<0）

外部负载拖动电机，使机械功率、转差功率

sPM均经定子送入电网（发电）

电机作发电（制动）运行，

T<0（外部负载拖动）变转差调速方法—双馈调速（D）超同步制动（

）

桥Ⅰ：整流；桥Ⅱ：，逆变

sPM从桥Ⅰ流向桥Ⅱ，电网吸收sPM

外部负载拖动电机，使机械功率从定子侧、转子侧（经变流器）输出

电机作发电（制动）运行，T<0（外部负载拖动）变转差调速方法—双馈调速

双馈调速优点

可在同步速上、下运行。如调速范围为，则双馈比串级调速节省一半装置容量

亚同步串级调速：装置容量按算

双馈调速：装置容量按算，但变流装置应有功率双向流动能力

有制动能力，系统起、制动响应快变转差调速方法—双馈调速

超同步转速运行时，系统功率因数高变转差调速方法—双馈调速

电压型双PWM变换器供电双馈调速系统变转差调速方法—双馈调速

双馈电机应用

双馈变频调速传动

变频器放转子侧，减少装置容量

高压电机变频调速

变速恒频风力/水力（可再生能源）及变速发电

转子侧交流励磁，实现变速恒频

同步速上（超同步）、下（亚同步）制动（发电）

组成：网侧变流器+机侧变流器，通过直流母线解耦控制对象：交流励磁变频器控制效果：

变速恒频运行、最大风能追踪二.绕线转子异步发电机矢量控制二.绕线转子异步发电机矢量控制1、网侧变流器及其控制

三相电压型两电平PWM整流器

优点：

功率可双向流动。

输入电流正弦且谐波含量少。

功率因数可调，可运行在单位功率因数状态。

在输入电网电压固定的情况下可获得大小可调的直流电压，且抗负载扰动的稳定性好。

通过有效控制可降低直流环节储能电容容量。网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型

三相静止坐标系下：基尔霍夫电流定理+开关函数用相电压表示网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型

在电网电压波动、三相不平衡、电压波形畸变（存在谐波）等各种情况下该方程均能有效适用网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型

两相静止αβ坐标系下：网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型

同步速旋转dq坐标系下：网侧变流器及其控制

网侧变流器的数学模型

坐标系的d轴定向于电网电压矢量时：

ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，Ug为电网相电压幅值矢量形式网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

稳态运行时，各状态变量的导数等于0稳态方程网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性网侧变流器稳态电压空间矢量图网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

网侧变流器直流母线电压Vdc的下限：在相同的输出负载igd下：

若输入交流电流中包含超前分量(igq>0)，则需要较高的直流母线电压；

若输入交流电流中包含滞后分量(igq<0)，所需的直流母线电压要低一些。

当工作在功率因数为1的情况下（图3-12(b)），输出负载越大所需最低直流母线电压就越高，即使空载条件下也不能低于交流电网线电压幅值，原因：PWM变流器的Boost电路升压特性。网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率：

在d轴定向于电网电压矢量的同步速旋转坐标系统：网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

小于0：网侧变流器工作于整流状态，从电网吸收能量

大于0：网侧变流器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

小于0：网侧变流器呈感性，从电网吸收滞后的无功功率

大于0：网侧变流器呈容性，从电网吸收超前的无功功率网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

将代入

调节网侧变流器交流侧电压矢量的d、q分量，就可调节变流器从电网吸收的有功和无功功率，从而可使变流器在不同的有功、无功状态下实现四象限运行网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

网侧变流器运行在单位功率因数时的功率流动情况(a)整流运行(b)逆变运行网侧变流器及其控制

网侧变流器的稳态特性

网侧变流器直流侧与交流侧的功率平衡关系：

只要能控制交流侧输入的有功电流，就可控制变流器有功功率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

网侧变流器的主要功能：1.保持直流母线电压的稳定2.输入电流正弦3.控制输入功率因数网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

网侧变流器控制系统结构网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

基于d轴电网电压定向、dq分量形式的交流侧电压：

为了解除d、q轴电流间耦合和消除电网电压扰动，令：网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

为了消除控制静差，引入积分环节，设计出如下电流控制器

则网侧变流器交流侧电压参考值为：

引入电流状态反馈量ω1Lgigq、ω1Lgigd来实现解耦，引入电网扰动电压项和电阻压降项Rgigd、Rgigq进行前馈补偿，从而实现了d、q轴电流的解耦控制，有效提高了系统的动态控制性能网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

直流环节电压控制器：

输出为d轴电流的参考值网侧变流器及其控制

网侧变流器的运行控制

基于d轴电网电压定向的网侧变流器直流电压、电流双闭环控制框图网侧变流器及其控制

理想电网条件下的锁相环原理

作用：获取电网电压的频率、相位和幅值

矢量关系图：

电网电压的相角跳变∆θ1可用同步速旋转dq坐标系中电网电压q轴分量usq来描述网侧变流器及其控制

理想电网条件下的锁相环原理

原理框图：

理想电网电压条件下，电网电压矢量的d、q分量usd、usq为直流量，采用PI调节器对usq实现无静差调节即可准确跟踪电网电压空间矢量二.绕线转子异步发电机矢量控制2、机侧变流器及其控制

机侧变流器的主要控制目标

是变速恒频前提下实现最大风能追踪，关键是绕线转子异步发电机转速或者有功功率的控制。

其次是绕线转子异步发电机输出无功功率的控制，以保证所并电网的运行稳定性。机侧变流器及其控制

机侧变流器数学模型

同步速旋转dq坐标系中矢量形式的绕线转子异步发电机电压方程和磁链方程：

网侧、机侧变流器与绕线转子异步发电机两等效电路相结合就可进行机侧变流器或绕线转子异步发电机系统的运行控制研究。

根据上面的方程，可以导出矢量形式的绕线转子异步发电机等效电路，如下图所示。机侧变流器及其控制

机侧变流器数学模型

绕线转子异步发电机转子电流控制->有功功率和无功功率的控制绕线转子异步发电机定子磁链矢量的定义如下：

上式中的Ims为定子的等效励磁电流，且有下式

上式可以修改成为

机侧变流器及其控制

机侧变流器的运行控制

上面的方程可以化简为下式

，表明绕线转子异步发电机的漏磁系数

将上面的方程进行归纳总结得出下式

机侧变流器及其控制

机侧变流器的运行控制

并网运行中绕线转子异步发电机定子直接挂网，定子电压Us即为电网电压Ug。理想电网条件下电压幅值、频率和相位均可认为不变，故在同步速旋转坐标系中电压矢量Us的的d、q分量应为恒定的直流，并且定子磁链矢量也是恒定的也就是

。

机侧变流器及其控制

机侧变流器的运行控制

将上述的简化应用，就可以得出如下的结果

机侧变流器及其控制

机侧变流器的运行控制

在变速恒频发电运行中，绕线转子异步发电机可控量是转子电压，被控制对象是转子电流。上式中转子电压矢量方程正好给出了这两者之间的关系。因此可以作为下一节中所介绍的绕线转子异步发电机传统矢量控制策略中电流内环控制器的设计依据。机侧变流器及其控制

机侧变流器的运行控制当同步旋转坐标系的d轴定向于定子磁链矢量

，

在理想电网电压条件下它们均可看作为常量机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

定子磁链幅值

和坐标变换用空间位置角度

，可通过定子磁链矢量

的

分量来计算。

机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

根据定子磁链定向下绕线转子异步发电机定子有功、无功功率表达式，即

可以计算绕线转子异步发电机定子输出有功、无功功率与转子转子dq轴电流之间的关系，即

机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

由以上两式可以看出，采用定子磁链定向后，控制转子电流q轴分量就可以控制定子输出有功功率，控制转子电流d轴分量就可控制绕线转子异步发电机向电网输出的无功功率，实现了绕线转子异步发电机有功和无功功率的解耦控制。所以绕线转子异步发电机的控制主要是通过机侧变流器电流矢量的变换控制来实现。机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

转子电流的闭环控制器可以根据左式来设计将其中的转子电压矢量方程

写成d、q分量形式，就可以得出右式。

式中，转子磁链可用定子磁链和转子电流来表示，即

机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

将转子磁链带入转子电压方程中可以得到下式

因此可得到基于定子磁链定向矢量控制的转子电流闭环控制框图机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制基于定子磁链定向矢量控制的DFIG转子电流闭环控制框图机侧变流器及其控制

定子磁链定向矢量控制

定子电压矢量与定子磁链矢量之间存在如下近似关系：

当同步速旋转坐标系的dq轴定向于定子电压矢量Us上时，有

机侧变流器