2-6+交流励磁感应发电机的矢量控制.ppt

1、2-6 交流励磁感应发电机的分析,一.特点 二.数学模型 三.有功功率的传递 四. 无功功率的传递 五. 运行方式 六.交流励磁感应发电机的矢量控制,2,2-6 交流励磁感应发电机的分析,结构特点： 定子绕组接在电网上，工频 转子三相绕组由交-交变频器供电，频率、相位、相序可调 性能特点 1.变速。02n1 范围内转速可调 2.稳定性好 3.可以深吸收无功功率。具有调节电力系统无功的能力，解决无功过剩问题。,3,二.数学模型,空间向量法 电压方程、磁链方程和等效电路同前 向量图 用 I2和I2落后于U1的角度为自变量，表示的电压、电流和电磁转矩 取U1方向为参考轴,此处规定定子变量下标为1，转

2、子变量下标为2,4,电磁转矩,令 得,6,电磁功率,在稳态情况下，定子电流角频率为1，转子电流角频率为2，,在定子坐标系,在转子坐标系,电压方程和磁链方程,得向量图,1 (1 r),电参数中下标s，r改为1,2,10,向量图,从电网端看进去， -U1与I1同向，向电网发出电功率，若是感性功率，则滞后1角,在电动机惯例下，U、I之间相位差90，发出功率,取U1为参考向量,三.有功功率的传递,定子输出有功功率 参见第二章,jA,A*,12,转子输入有功功率,13,发电机轴上输入的净机械功率,按能量守恒定律，应有,14,比较可以发现： s=0 时(同步)，P2=pcu2 ,转子输入的电功率只用于供给

3、转子铜耗。 s0 时(亚同步），Pmec+sPe= Pe ，转子输入的电功率除供给转子铜耗外，其余以转差功率sPe的形式与轴上输入的净机械功率合并成为电磁功率，由转子通过气隙传送到定子。 spcu2) ，能量回馈给变频器。这时轴上输入的净机械功率，一部分以电磁功率的形式通过气隙传送到定子，另一部份以转差功率（-sPe）的形式，扣除转子铜耗后，成为转子的输出功率（-P2）,15,四. 无功功率的传递,定子输出的无功功率 转子输入的无功功率 s0时取正号，s0时取负号,感性无功,没有负号？,16,由等效电路写出无功功率平衡关系 即 或,定,转,气隙,17,由上式可见 当运行在同步速时 当运行在亚同

4、步或超同步速时，定子和转子都有可能输出或输入无功功率，Q1、Q2可为正、为0或为负： 当定子功率因数cos1=1（Q1=0)时 ，|s|Qm、 |s| Qx1及Qx2等无功功率由转子方输入的无功功率（Q20）单独提供。,18,当定子方功率因数cos1落后（Q10，发出感性无功)，转子方输入的无功功率除了提供|s|Qm、 |s| Qx1及Qx2等无功功率外，还要提供|s|Q1的无功功率 当定子方功率因数cos1超前（Q10，吸收感性无功) ，|s|Qm、 |s| Qx1及Qx2等无功功率通常由定子、转子输入的无功功率联合提供，当定子方深吸收无功功率时，转子方有可能输出无功功率（Q20),19,由

5、上式还可知，当|s| 较小时，转子方只要输入较小的无功功率，可以控制定子方输入或输出较大的无功功率。当|s|=0时，转子输入直流，不输入无功，也同样可以实现对定子方无功功率的控制。,20,五. 运行方式,可求出以U2和s为自变量表达式 由等效电路写出定转子方的电压方程，得,21,式中：,22,从式中可以看出，电磁转矩包含三个分量： 1TasU12/A*(r2/s)为异步转矩。它是转子绕组短路，在定子电压单独作用下产生的，其特性与一般的异步电机相同。该分量与s有关，并且在亚同步（s0）时表现为电动转矩，在超同步（s0）时表现为发电制动转矩。 2. Tar U22/A*(r1/s2) 也为异步转矩

6、。它是定子绕组短路，在转子电压作用下产生的，其特性总是表现为发电制动转矩。 3 Tsyn U2 U1/s()sin(+1)为同步转矩。是在定、转子电压相互作用下产生的，其特性近似于同步电机的电磁转矩。该转矩分量不管电机在亚同步还是超同步运行，随着转子电压相位的不同，均可表现为电动转矩或者制动转矩。,23,1.它控工作方式（又称同步工作方式）,发电机的转子绕组是接到变频器上的，根据变频器的控制方法的不同，可分为它控式和自控式两种控制方式。 在它控工作方式下，变频电源的输出频率是独立给定的，与发电机的转速无关。 因此，对应一个给定的变频电源输出频率，即确定了发电机转子励磁绕组的频率f2，也就确定了

7、一个发电机的转速，且这个转速与发电机的负载无关。因此，他控式变速交流励磁发电机具有同步发电机的特点。,24,a)功角特性,由转矩表达式可知，s=常数，U 2 *=常数，Te是功角i的函数。稳态运行时，s一定，Tas、Tar是一固定值，Tsyn在负载变化时，可以通过自动调节i，使制动的总电磁转矩与原动机的拖动转矩相平衡，使发电机运行于同步工作方式。 与同步发电机相类似，为了分析交流励磁发电机的功角特性，将其电磁功率，有功功率和无功功率用功角来表示。 令交流励磁发电机的空载电压为 ，其中即为发电机的功角。由交流励磁发电机的等效电路图可知，,U0在向量图中画出（尚未）,25,电磁功率的功角特性为,代

8、入电磁功率表达式,=90时，达静稳定极限,得,26,电磁功率的功角特性,27,根据以上发电机的电磁功率的功角特性，他控式交流励磁发电机存在着静态稳定极限。 dPe/d0 （ 0180-1）为发电机静态不稳定运行范围 dPe/d=0 （ =180-1）为发电机稳定运行极限点。 可见他控式交流励磁发电机与同步发电机有相同静态稳定性问题。,28,静态不稳定运行范围：在此范围内，当负载突变引起转速波动时，由于转子电流频率不变，转子电流所产生的旋转磁场与定子旋转磁场不同步，会引起振荡，甚至不稳定。,29,b)同步工作方式下无功功率的调节与U形曲线,用U0 = xmI2和 = 90-代入(18)，(22)

9、式中,得,当考虑定子电压U1不变和不计定子电阻r1时，有,30,上式中发电机参数xm、x1不变，定子端电压U1不变。因此，当在调节发电机定子输出无功功率的过程中，要保持输出有功功率不变，即P1=常数，就有,又有,mm,nn,oo,31,发电机定子电压方程可简化得 由此可画出发电机发出某一有功功率时的矢量图 在发电机不同运行状态下的矢量图为 （下页）。,32,矢量图,过励,欠励,正常励磁,发出感性无功,发出容性无功,33,运行状态1：定子电流与电压同相位（1=0）。发电机只输出有功功率，不输出无功功率。这时定子电流最小。转子励磁电流是 ，为“正常励磁”状态。 运行状态2：转子励磁电流幅值增大为

10、，相位角增加，U0增大为U02 ，定子电流 滞后电压（ 1 0 ）。发电机不仅输出有功功率，还输出感性无功功率。此时发电机处于“过励”状态。如果转子励磁电流的幅值和相位角继续增大，从矢量图可见，定子电流的幅值和滞后相位角也同时增大，发电机输出更多的感性无功功率，同时功角减小，提高了发电机运行的稳定性。增加感性无功功率的输出，受转子绕组励磁电流和定子绕组电流的限制。,34,运行状态3：转子励磁电流幅值减小为 ，相位角也减小，定子电流较电压超前（10），发电机除输出有功功率外，还输出容性无功功率。此时发电机处于“欠励”状态。定子电流增大。 运行状态4：当转子励磁电流幅值继续减至最小 ，U0也减至最

11、小。定子电流继续增至 ，发电机输出更多的容性无功功率，而此时功角增至90，发电机处于静态稳定的极限。因此，发电机增加容性无功功率的输出，受定子绕组电流和发电机静态稳定性的限制。,35,当P1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的cos1值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时I1与I2关系的U型曲线,36,U型曲线,当P1等于某个常数，给出一组包含滞后和超前的 cos1 值，进行稳态工作点计算，可以算出考虑定子电阻时I1与I2关系的U型曲线,37,2.自控工作方式（又称异步工作方式）,转子绕组是由自控式可变频交流励磁电源供电，其频率是通过控制系统的调节环节，根据发电机转子转速的自动调节的

12、，以使定、转子产生的旋转磁场保持同步而不受负载的影响。 因此，交流励磁发电机在异步工作方式时，其转差率s是变化的。如转矩式所示，发电机的电磁转矩是s的函数。,38,由转矩式，当转子电压 和（U2滞后U1角）保持不变时，Te是s的函数。取一组不同的 和值，得到一组的曲线族，如后图所示。 对于每一条曲线，都有一个理想空载转差率。令转矩式中的Te=0，可求得的表达式为,39,异步工作方式下交流励磁发电机的曲线族,亚同步,超同步,电动（驱动）,发电（制动）,P1=2000w cos1=0.8(滞后） S=-0.22 U2*=0.248 =142.30 s0=-0.167 S=0 U2*=0.152 =

13、68.30 s0=0.054 S=0.22 U2*=0.337 =23.30 s0=0.284,TN,U2、为参量,40,（s-s0）随负载变化而变化： s0一定时，s（即)随负载变化而变化，异步特性 s （)一定时，可通过调节s0，使s0随负载变化而变化。 与异步发电机不同之处，在于其无功功率是可调的，可以输出或吸收无功功率。运行在这种方式下，不受同步方式下下静稳定极限的限制，18001，仍可稳定运行。因此可以深吸收无功功率，满意地解决电力系统因过剩无功引起的电网过电压问题。发电机稳定性好，适用于负载变化大的场合。,41,令r1=0，1=900，z1=x1，则P1、Q1可简化为： 当发电机的

14、运行工作点确定了，即已知需要发电机输出一定的P1、Q1、，并运行在一定的转速下（或s）下，可以通过分别独立的调节转子电流的有功分量I2cos和无功分量I2sin来实现，,42,已知P1、Q1 I2cos 、 I2sin U2s0定，Te曲线定 可通过矢量控制实现。,已知s，由U2向量表达式,矢量控制,六.交流励磁感应发电机的矢量控制,直流电动机有良好的调速特性，电磁转矩Te=CmIa，因为磁通和电枢电流（电枢磁势）是正交的，互不影响，和Ia是两个独立变量，可以单独控制。Te Ia，可以分别调节If和Ia，以控制、Te和n。 感应电动机的电磁转矩Te=KT m I2cos2，是由m和转子电流有功

15、分量I2cos2相互作用产生的，其中m是由I1和I2共同磁化的，随负载的变化而变化，也随着电机转速的改变而改变。因此，m和 I2不是两个独立变量。与cos2一起，都是s的函数，不能分别调节m和I2来控制Tm和n。 通过坐标变换，可以实现像直流电机那样的调速和控制,定向：dq坐标系只规定了两轴的垂直关系和旋转角速度，若对dq轴系的取向加以规定，称为定向。 磁场定向：选择电机某一旋转磁场作为特定的同步旋转坐标轴，则称为磁场定向。顾名思义，矢量控制系统也称为磁场定向控制系统。 按定子磁链定向的MT坐标系： 在异步电动机中，定子绕组接变频电源，常用的是转子磁链定向。 在交流励磁感应发电机中，转子接变频电源，采用的是定子磁链定向。 将复平面实轴与定子磁链重合，称为M轴，相应的虚轴称为T轴。便成为定子磁链定向的矢量控制系统。称为按定子磁链定向的MT坐标系。,定子按发电机惯例，转子按电动机惯例，转子已经折算到定子，x=1。,其中,转子方类似,（1）,定向情况下，,不计电阻r1时，定子电压方程简化为,若定子电压的幅值和频率保持不变，u1恒速旋转，uM1、uT1=常数