交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真畢業(yè)論文

1、<p><b>　　【摘 要】</b></p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同，其定子側(cè)杰電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上采用三相對稱分布的勵(lì)磁繞組，由變頻器提供對稱交流電勵(lì)磁，且勵(lì)磁電壓的幅值大小、頻率、相位、相序都可根據(jù)要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場大小、相對于轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力、獨(dú)立的有功與無功調(diào)節(jié)能力和較

2、強(qiáng)的進(jìn)相運(yùn)行能力，特別適合應(yīng)用于需要變速運(yùn)行的水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組，性能超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　勵(lì)磁控制系統(tǒng)在形成交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)良特性方面起著關(guān)鍵作用主要工作內(nèi)容和成果如下：</p><p>　　研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的a-b-c坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型、d-q-0坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型。給出了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的基本方程，并得出

3、定轉(zhuǎn)子有功功率、無功功率表達(dá)式。對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的研究和暫態(tài)穩(wěn)定性的研究。采用定子磁場定向的方法對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行矢量控制研究，得出矢量控制方程，確定交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行以及有功無功解耦調(diào)節(jié)的控制策略。述了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的矢量控制技術(shù)后，實(shí)用matlab/simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；矢量控制；變頻器；matlab/simul

4、ink</p><p>　　【Abstract】</p><p>　　The basic structure of AC excited generator winding asynchronous motor with the same power, the stator side - the rotor excitation winding, the three-phase symme

5、trical distribution, symmetrical alternating current excitation provided by the inverter, and the excitation voltage amplitude, frequency, phase, phase sequence can be controlled according to the requirements, which can

6、control the generator excitation magnetic field, with respect to the rotor position and speed of the motor, the AC exci</p><p>　　Excitation control system plays a key role in the main contents and results ar

7、e as follows in the excellent characteristics of formation of AC excited generator:</p><p>　　Study of AC excited generator a-b-c coordinate mathematical model, the d-q-0 coordinate mathematical model. The ba

8、sic equations of AC excited generator in synchronous rotating coordinates is given, and the stator active power, reactive power expression without. Research on the static stability of AC excited generator research and tr

9、ansient stability. By using the method of stator flux oriented vector control of AC excited generator system, the vector control equations, determine the operation VS</p><p>　　Key Words: AC Excited Generator

10、 ; Vector Control ; Inverter ; MATLAB/Simulink</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀2</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容3</b&

11、gt;</p><p>　　1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性4</p><p>　　2. 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　2.1 a-b-c三相坐標(biāo)系中交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　2.1.1 電壓方程式7</p><p>　　2.1.2 磁鏈方程式7</p>

12、<p>　　2.1.3交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的功率方程10</p><p>　　2.1.4機(jī)電運(yùn)動方程式10</p><p>　　2.2 坐標(biāo)變換10</p><p>　　2.2.1 坐標(biāo)變換的原則和基本概念10</p><p>　　2.2.2 3s/2s坐標(biāo)變換12</p><p>　　2.2.3 2s

13、/2r坐標(biāo)變換14</p><p>　　2.2.4 3s/2r坐標(biāo)變換15</p><p>　　2.3 d-q-0 坐標(biāo)系中交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型16</p><p>　　2.3.1 電壓方程式16</p><p>　　2.3.2 磁鏈方程式17</p><p>　　2.4 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)基本電磁關(guān)系20

14、</p><p>　　2.5 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)能量流動與平衡關(guān)系22</p><p>　　2.5.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)能量流動關(guān)系22</p><p>　　2.5.2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率平衡關(guān)系22</p><p>　　3 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略26</p><p>　　3.1 矢量控制概述26<

15、;/p><p>　　3.2 現(xiàn)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略分析28</p><p>　　3.3 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略28</p><p>　　3.3.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制策略28</p><p>　　3.3.2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率矢量控制31</p><p>　　4 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)

16、行控制34</p><p>　　4.1 PWM控制交-直-交變頻器的基本工作原理34</p><p>　　4.1.1 不可控整流電路35</p><p>　　4.2 中間電路36</p><p>　　4.2.1濾波電路36</p><p>　　4.2.2 電感濾波36</p><p>

17、;　　4.3 逆變電路的工作原理及基本形式36</p><p>　　4.3.1 逆變電路的工作原理36</p><p>　　4.4 PWM逆變電路的控制方式37</p><p>　　4.4.1. 單極性方式37</p><p>　　4.4.2.雙極性控制方式37</p><p>　　5 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)

18、定性的研究39</p><p>　　5.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的機(jī)理分析39</p><p>　　5.2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的穩(wěn)定極限仿真分析45</p><p><b>　　5.4小結(jié)49</b></p><p>　　6 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究50</p><p>

19、　　6.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述50</p><p>　　6.2 發(fā)電機(jī)暫態(tài)功率頻率特性和飛輪效應(yīng)51</p><p>　　7 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)交-直-交變頻器仿真54</p><p>　　8 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真57</p><p>　　8.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型57</p><p>　　8.2 調(diào)節(jié)

20、勵(lì)磁電壓大小對系統(tǒng)有功無功的影響60</p><p>　　8.2 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓頻率對系統(tǒng)有功無功的影響61</p><p>　　8.3 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓相位對系統(tǒng)有功無功的影響62</p><p>　　8.4 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓相序?qū)ο到y(tǒng)有功無功的影響63</p><p><b>　　9 結(jié)論65</b></p&g

21、t;<p><b>　　致謝66</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)67</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　現(xiàn)在電力系統(tǒng)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)趨勢：（1）發(fā)電機(jī)單機(jī)容量日益增大，系統(tǒng)容量越來越大，輸電電壓等級越來越高，且輸電線路長度不斷增

22、加；（2）電網(wǎng)日負(fù)荷曲線的不均勻性不斷加劇；（3）在我國以原子核裂變所產(chǎn)生的能量建立的核電站數(shù)量逐漸增多；（4）充分利用水力、風(fēng)力等可再生性資源，大力發(fā)展水力、風(fēng)力發(fā)電?，F(xiàn)代電力工業(yè)的這些趨勢，使得現(xiàn)在以傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)，暴露出越來越多的技術(shù)問題急待加以解決[1]。</p><p>　　由于輸電線路電壓等級的提高，且線路不斷加長，負(fù)荷曲線的不均勻性加劇，當(dāng)輸電線路傳輸功率低于自然功率時(shí)，輸電線路將

23、出現(xiàn)過剩的無功功率，從而導(dǎo)致電站和線路持續(xù)工頻過電壓，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，使線路損耗增加，嚴(yán)重時(shí)還會使發(fā)動機(jī)無法并網(wǎng)。長線的出現(xiàn)使發(fā)動機(jī)及系統(tǒng)的穩(wěn)定問題更為突出。解決上述問題的傳統(tǒng)方法是：同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行；電站或線路上加裝電抗器、靜止無功補(bǔ)償裝置或同步調(diào)相機(jī)，加裝補(bǔ)償設(shè)備增加了電站及系統(tǒng)的投資，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，為保證發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定儲備需降低輸出，影響電站運(yùn)行效益。隨著技術(shù)的發(fā)展，提出了一些新方法來解決電站和線路的持續(xù)工頻過電壓

24、、穩(wěn)定性問題，如緊湊型線路、直流輸電技術(shù)、FACTS技術(shù)等。二十世紀(jì)七十年代，前蘇聯(lián)提出在電力系統(tǒng)中采用異步化同步發(fā)電機(jī)（包括異步化汽輪發(fā)電機(jī)和異步化水輪發(fā)電機(jī)，相應(yīng)轉(zhuǎn)子為直流和交流）部分取代同步發(fā)電機(jī)的辦法來解決電站因無功過剩引起的持續(xù)工頻過電壓和穩(wěn)定性問題。</p><p>　　為適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷曲線變化，較好的解決辦法是在電力系統(tǒng)中建立一定容量的抽水蓄能電站，這種電站能承擔(dān)尖峰負(fù)荷和填平負(fù)荷低谷，目前已被全世界

25、公認(rèn)為是最有效的手段。國外的實(shí)踐證明，抽水蓄能電站機(jī)組采用可逆型最佳，因?yàn)檫@種機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，廠房和輔助設(shè)備少，造價(jià)低，但這種機(jī)組由于水輪機(jī)兼作水泵，要使在電動和發(fā)電狀態(tài)下都到達(dá)較高的效率，需機(jī)組可變速。但傳統(tǒng)的電動-發(fā)電機(jī)組是直流勵(lì)磁的同步電機(jī)，調(diào)速比較困難，且特性差，此外該機(jī)組需電動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，啟動比較困難，為解決蓄能機(jī)組的調(diào)速、啟動，日本已研究并投入運(yùn)行了交流勵(lì)磁電動-發(fā)電機(jī)，并取得了良好的效益。另外，若在水輪機(jī)組上采用可變速的交流

26、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組，則可使水輪機(jī)適應(yīng)不同的水頭，持續(xù)運(yùn)行在最佳工況。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一般也采用變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，利用交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組，通過控制勵(lì)磁頻率實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提高風(fēng)力機(jī)的效率，充分利用風(fēng)能。</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是結(jié)合了異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機(jī)，具有良好的調(diào)速性能、可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功和無功功率、改善電網(wǎng)功率因素、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。在可調(diào)速發(fā)

27、電和解決電力系統(tǒng)現(xiàn)存問題等多種場合有著廣闊的市場和發(fā)展前景。</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無可比擬的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，因此其理論研究和實(shí)踐實(shí)際已成為國內(nèi)外研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年來，許多國家如前蘇聯(lián)、日本和美國等都對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了廣闊的研究，并逐步在工業(yè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。</p><p

28、>　　前蘇聯(lián)在異步化同步發(fā)電機(jī)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量工作，建立了異步化發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論，提出了雙通道勵(lì)磁控制思想，并對這種電機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性及并網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行了研究。前蘇聯(lián)已有兩臺50MW異步化水輪發(fā)電機(jī)在依奧夫斯克水電站投入正式運(yùn)行，兩臺發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了同頻異步并列運(yùn)行，且成功地實(shí)現(xiàn)了在輸出無功和大量吸收無功兩種工況下運(yùn)行。</p><p>　　日本從上世紀(jì)八十年代開始研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)[1]

29、，并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站的應(yīng)用方面取得了成功。日本-關(guān)西電力公司于1987年投運(yùn)了世界上第一臺22MW的變速發(fā)電-電動機(jī)，并在1993年投運(yùn)了400MW的可變速抽水蓄能電站；東芝-東京電力公司于1990年運(yùn)行了80MW的變速發(fā)電機(jī)組，并研制成功了300MW的變速交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組；高見電站、沖繩發(fā)電機(jī)等也相繼采用了可調(diào)速交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)。經(jīng)過日本試驗(yàn)機(jī)組的運(yùn)行研究表明：通過水輪機(jī)的變速運(yùn)行可以提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，增加水泵運(yùn)行工況下

30、的自動調(diào)頻能力，并通過有功功率、無功功率的快速調(diào)節(jié)可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　歐洲、美洲一些國家也就交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，發(fā)表了大量的文章，包括交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行的基本原理、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)分析、瞬間分析以及各種實(shí)現(xiàn)其有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制模型，同時(shí)，對其在風(fēng)力發(fā)電、船用發(fā)電、水電站變水頭發(fā)電等方面的應(yīng)用也作了大量的理論分析。</p><

31、p>　　我國在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究方面起步較晚，開始于八十年代中期。由于國內(nèi)外對我們實(shí)行關(guān)鍵技術(shù)保密，使我們在交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電技術(shù)研究過程中遇到很多困難，致使我們的研究發(fā)展進(jìn)程比較緩慢。華北電力大學(xué)主要開展了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制研究，研制了100MW雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)物理模型，進(jìn)行了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本方程及其暫、穩(wěn)態(tài)特性的分析，研究了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)同頻異步穩(wěn)定運(yùn)行的物理特性。重慶大學(xué)電氣工程系長期開展d、q軸

32、勵(lì)磁異步化同步發(fā)電機(jī)的理論分析、電磁設(shè)計(jì)等方面的研究工作。華中科技大學(xué)有學(xué)者對雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。哈爾濱大電機(jī)研究所與浙江大學(xué)、清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等單位合作共同承擔(dān)了“380KW交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺”的機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目，對水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行進(jìn)行研究，對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行方式及波形、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及穩(wěn)定性問題、仿真程序等方面進(jìn)行了研究。盡管我國已在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)方面加強(qiáng)了研究

33、力量，但是由于種種原因，到目前為止國內(nèi)還沒有商業(yè)化的實(shí)用機(jī)組的制造和投運(yùn)。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容 </b></p><p>　　本課題研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制的動態(tài)行為，主要工作有下列幾方面:</p><p>　　(1) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性;</p><p>　　(2) 交流勵(lì)磁發(fā)電

34、機(jī)的勵(lì)磁控制;</p><p>　　(3) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　(4) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性分析；</p><p>　　(5) 運(yùn)用Matlab/Simulink形成仿真模型;</p><p>　　(6) 研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的暫態(tài)特性及有功和無功的調(diào)節(jié)等。</p><p>　　(

35、7) 仿真結(jié)果檢驗(yàn)。</p><p>　　1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性</p><p>　　在常規(guī)同步發(fā)電機(jī)中，一般在轉(zhuǎn)子上安放直流勵(lì)磁繞組，電機(jī)氣隙中同步旋轉(zhuǎn)磁場的頻率只取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即在定子側(cè)得感應(yīng)電勢頻率取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同，是一種隱極電機(jī)，定子側(cè)接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上采用兩相或三相對稱交流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子多相勵(lì)磁的頻率、幅值、相位及相序

36、都可以根據(jù)系統(tǒng)要求加以控制。任何電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電子旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢都是相對靜止、同步旋轉(zhuǎn)的。對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)有：</p><p>　　式中， —定子繞組電流頻率；—轉(zhuǎn)子繞組電流頻率；—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；—極對數(shù)。</p><p>　　可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如能相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓頻率的大小，即可保證系統(tǒng)輸出電壓頻率恒定。</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電

37、機(jī)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)具有良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力。</p><p>　　(2)原動機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時(shí)機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。</p><p>　　(3)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應(yīng)用矢量控制可實(shí)現(xiàn)有、無功功率的獨(dú)立調(diào)

38、節(jié)。</p><p>　　(4)變頻控制的功率僅是電機(jī)額定容量的一部分，是變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在電力系統(tǒng)中可發(fā)揮如下作用：</p><p>　　(1) 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在電力系統(tǒng)負(fù)荷突變時(shí)，通過快速改變勵(lì)磁頻率來迅速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放或吸收負(fù)荷，使電網(wǎng)擾動遠(yuǎn)比利用常規(guī)

39、同步電機(jī)時(shí)輕。</p><p>　　(2)擴(kuò)大發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力，解決電力系統(tǒng)無功過剩問題。同步發(fā)電機(jī)在無功進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著無功進(jìn)相深度的加大，功率角也在加大，當(dāng)功率角超出穩(wěn)定極限時(shí)，會引起發(fā)電機(jī)失步，因此，同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力有限。而對于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變轉(zhuǎn)子電流相位，來使轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置有一個(gè)位移，這就改變了發(fā)電機(jī)電勢與電網(wǎng)電壓相量的相對位置，也就改變了電機(jī)的功率角。即使在電機(jī)吸收大量無功功率

40、時(shí)，也不致引起發(fā)電機(jī)失步。</p><p>　　(3)滿足風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、船舶與航空發(fā)電等轉(zhuǎn)速變化場合的恒頻發(fā)電要求。</p><p>　　綜上所述，對于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究是很有意義的。</p><p>　　2. 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1 a-b-c三相坐標(biāo)系中交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p>

41、<p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與三相繞線式感應(yīng)電機(jī)相似，定、轉(zhuǎn)子繞組均具有三相繞組。在研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，常做如下的假設(shè)[2]：</p><p>　　1、假設(shè)發(fā)電機(jī)是一臺極對數(shù)為1的繞線式感應(yīng)機(jī)，這臺電機(jī)沒有阻尼繞組；</p><p>　　2、設(shè)三相繞組對稱，在空間上互差電角度，所產(chǎn)生的磁勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；</p><p>　　3、

42、忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；</p><p><b>　　4、忽略鐵芯損耗；</b></p><p>　　5、不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響；</p><p>　　圖2-2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的物理模型</p><p>　　在建立基本方程之前，首先要選定磁鏈、電流和電壓的正方向。圖2-2所示為交流勵(lì)磁

43、發(fā)電機(jī)的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線、、在空間上是固定的，以軸為坐標(biāo)參考軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線、、隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子軸和定子軸間的電角度為空間角位移變量。定子電壓、電流正方向從發(fā)電機(jī)觀點(diǎn)標(biāo)示，轉(zhuǎn)子電壓、電流正方向從電動機(jī)觀點(diǎn)標(biāo)示。選定各項(xiàng)繞組軸線的正方向?yàn)楦飨嗬@組磁鏈的正方向。</p><p>　　定子、轉(zhuǎn)子繞組分別連接成星形，定子、轉(zhuǎn)子各相繞組的電阻分別相等，即</p><p>　　2.1.

44、1 電壓方程式</p><p>　　定子電壓： </p><p>　　轉(zhuǎn)子電壓： </p><p><b>　　寫成矩陣形式：</b></p><p>　　（2-5） </p><p>　　或?qū)懗桑?

45、 </p><p>　　式中：—各繞組端電壓；—各繞組電流； —各繞組合成磁鏈； —各繞組電阻；—微分算子；</p><p>　　下標(biāo)s—定子側(cè)參數(shù)；</p><p>　　下標(biāo)r—轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)；</p><p>　　2.1.2 磁鏈方程式</p>

46、;<p>　　式（2-5）中各繞組的合成磁鏈?zhǔn)怯杀纠@組的自感磁鏈和本繞組與其他繞組間的互感磁鏈所組成。因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表達(dá)為;</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　或?qū)懗桑?</p><p>

47、;　　式中，L是66電感矩陣，其中對角線元素，，，，，是各有關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。</p><p>　　實(shí)際上，與電機(jī)繞組交鏈的磁通主要有兩類：一類是只與某一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通；另一類是穿過氣隙的相間互感磁通，后者是主要的。定子各相漏磁通所對應(yīng)的電感稱作定子漏感，由于各相的對稱性，各相漏感值均相等；同樣，轉(zhuǎn)子各相漏磁通則對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于定子互感，

48、與轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感，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，故可認(rèn)為。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)子各相自感為：</b></p><p>　　兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址譃閮深悾?、定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常數(shù)；2、定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相間的位置是變化的，互感是角位移的

49、函數(shù)?，F(xiàn)在先討論第一類，由于三相繞組的軸線在空間的相位差是。在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下，互感值為</p><p><b>　　于是：</b></p><p>　　至于第二類定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置的不同，分別為：</p><p>　　當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時(shí)，兩者之間的互感值最大，此互感就是每相最大互感。</p>

50、;<p>　　將式（2-8）至式（2-15）都代入式（2-6），即得完整的磁鏈方程，顯然這個(gè)矩陣方程是很龐大的。為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式</p><p><b>　?。?-16） </b></p><p>　　式中 </p><p>　　（2-17） </p&g

51、t;<p>　　（2-18） </p><p>　?。?-19） </p><p>　　值得注意的是，和兩個(gè)分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置，且與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，它們的元素是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個(gè)根源。為了把變參數(shù)轉(zhuǎn)換成常參數(shù)需利用坐標(biāo)變換，將于下節(jié)討論。</p><p>　　把磁鏈方程式（2-7）代入電壓方程式（2-5a），

52、則得展開后的電壓方程</p><p>　　（2-20） </p><p>　　式中項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈動電動勢（或稱變壓器電動勢），項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動勢中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢。</p><p>　　2.1.3交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的功率方程</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出的功率瞬間表達(dá)式為：</p>

53、<p>　?。?-21） </p><p><b>　　寫成矩陣形式為：</b></p><p>　　(2-22) </p><p>　　2.1.4機(jī)電運(yùn)動方程式</p><p>　　由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)一個(gè)重要特征是異步化同步運(yùn)行，因此，了解交流勵(lì)磁同

54、步發(fā)電機(jī)的機(jī)電運(yùn)動方程式或轉(zhuǎn)矩平衡方程式尤為重要。</p><p>　　假定原動機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為，與原動機(jī)轉(zhuǎn)矩相平衡的轉(zhuǎn)矩假設(shè)僅由兩部分構(gòu)成：發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量所決定的慣性轉(zhuǎn)矩應(yīng)為，這樣，轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系：</p><p>　?。?-23） </p><p>　　式中—為機(jī)械位移角。</p>

55、<p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩方程為：</b></p><p>　　式中 —為電機(jī)極對數(shù)。</p><p>　　由式、、、和構(gòu)成的描述異步化同步發(fā)電機(jī)瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性所需的全部方程式，也就是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。</p><p><b>　　2.2 坐標(biāo)變換</b></p><p&g

56、t;　　2.2.1 坐標(biāo)變換的原則和基本概念</p><p>　　對于a-b-c三相坐標(biāo)下的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，要分析和求解這組非線性方程顯然是十分困難的。這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，主要是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣，也就是說影響磁鏈和受磁鏈影響的因素太多了。因此，要簡化數(shù)學(xué)模型，須從簡化磁鏈的關(guān)系著手。</p><p>　　先研究直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它的數(shù)學(xué)模型比較簡單，如圖2-3所示為二

57、級直流電機(jī)的物理模型，圖中F為勵(lì)磁繞組，A為電樞繞組，C為補(bǔ)償繞組。F和C都在定子上，只有A在轉(zhuǎn)子上。把F的軸線稱作直軸或d軸，主磁通的方向就在d軸上；A和C的軸線則稱為交軸或q軸。雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞繞組分成兩條支路，一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)過正電刷后歸入另一條支路中去，在負(fù)電刷下又有一條導(dǎo)線補(bǔ)回來。這樣，每條支路中導(dǎo)線的電流方向永遠(yuǎn)是相同的，因此，電樞磁勢的軸線始終被電刷限定在q軸位置

58、上，好像一個(gè)在q軸上靜止繞組的效果一樣。但它實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)的，會切割d軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這又和真正的靜止繞組不一樣，通常把這樣等效的靜止繞組叫做“偽靜止繞組”。電樞磁勢的作用可以用補(bǔ)償繞組磁勢抵消，或者由于其作用方向與d軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁電流決定，這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。</p><p>　　如果能將交流勵(lì)磁電機(jī)的物理模型等效的變換成類

59、似直流電機(jī)的模型，分析和控制問題就可以大為</p><p>　　圖2-3 二極直流電機(jī)的物理模型</p><p>　　簡化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。在這里，不同電機(jī)模型彼此等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁勢完全一致。</p><p>　　對于交流電機(jī)，當(dāng)它的三相對稱的靜止繞組A、B、C通過三相平衡的正弦電流、、時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁勢是旋轉(zhuǎn)磁勢，它在空間

60、上呈正弦分布，以同步速度（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　然而，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢并不一定非要三相電流不可，如圖2-4（b）所示為兩相靜止繞組和，它們</p><p>　　圖2-4 等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型</p><p>　　在空間上互差，通以時(shí)間上互差的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢。當(dāng)圖2-4（a）和（b）的兩個(gè)旋

61、轉(zhuǎn)磁勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為圖2-4（b）的兩相繞組與圖2-4（a）的三相繞組等效。</p><p>　　再看圖2-4（c）中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組D和Q，其中分別通以直流電流和，產(chǎn)生合成磁動勢，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵芯以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁勢自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁勢。把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖2-4（a）和圖2-4（b）的磁勢一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)

62、的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當(dāng)觀察者也站在鐵芯上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，D和Q是兩個(gè)通以直流而互相垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在D軸上，就和圖2-3的直流繞組物理模型沒有本質(zhì)的區(qū)別了。這時(shí)，繞組D相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，繞組Q相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁勢為準(zhǔn)則，圖2-4（a）的三相繞組、圖2-4（b）的兩相靜止交流繞組和圖2-4（c）的整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效。</p>&

63、lt;p>　　2.2.2 3s/2s坐標(biāo)變換</p><p>　　由三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C到兩相靜止坐標(biāo)系的變換簡稱3s/2s變換。如圖2-5所示繪出了ABC坐標(biāo)系和坐標(biāo)系，為方便起見，選擇軸與A軸重合，在保持磁動勢相同頻率不變的約束條件下，可求得3s/2s變換矩陣為：</p><p>　　即： </p><p&

64、gt;　　圖2-5 3s/2s 坐標(biāo)變換</p><p>　　上式中，是為便于求反變換而增加的零軸分量，對于三相對稱繞組星形接法不帶零線時(shí)，，因此，。</p><p>　　由兩相至三相的變換為：</p><p>　　在實(shí)際電機(jī)中并沒有零軸電流，因此實(shí)際的電流變換式可寫為：</p><p><b>　?。?-29） </b&

65、gt;</p><p>　?。?-30） </p><p>　　電壓與磁鏈的變換式均與電流變換式相同。</p><p>　　2.2.3 2s/2r坐標(biāo)變換</p><p>　　圖2-6 2s/2r 坐標(biāo)變換</p><p>　　由兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換簡稱2s/2r。其中，s表示靜止

66、，r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫在一起，如圖2-6所示。 在圖2-6中，d軸、q軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，分量、的大小不變，相當(dāng)于D、Q繞組的直流磁勢。但軸和軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時(shí)間而變化，因此在軸和軸上的分量和的大小也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于、繞組交流磁勢的瞬間值。由圖可見，、和、之間存在著下列關(guān)系</p><p><b>　　寫成矩陣形式，得：</b></p>&l

67、t;p><b>　　式中：</b></p><p>　　是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。</p><p>　　對式（2-33）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，可得</p><p>　　則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是：</p><p>　　電壓與磁鏈的變換式也與電流變換式相同。</p&

68、gt;<p>　　2.2.4 3s/2r坐標(biāo)變換</p><p>　　要從三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq0，其中“0”是為了湊成方陣而假象的零軸，可以利用前已導(dǎo)出的變換陣，先將ABC坐標(biāo)系變換到靜止的坐標(biāo)系（取軸與A軸一致），然后再從坐標(biāo)系變換到dq0坐標(biāo)系。綜合上述兩個(gè)變換陣可得變換式為：</p><p><b>　　其反變換式為：</b>

69、;</p><p>　　上式中，為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸與三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A軸間的夾角，它是一個(gè)變換量，dq坐標(biāo)相當(dāng)于ABC坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角速度為，當(dāng)時(shí)，上述變換即為從三相靜止坐標(biāo)到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換。</p><p>　　上述變換矩陣通適用于電壓和磁鏈的變換。</p><p>　　2.3 d-q-0 坐標(biāo)系中交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>

70、　　電機(jī)方程式除了用真實(shí)變量a-b-c坐標(biāo)系標(biāo)示外，還可以用多種坐標(biāo)系來標(biāo)示，其中包括：在空間靜止不動的坐標(biāo)系、在空間隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系、在空間以固定同步速轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)系。由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)有以下運(yùn)行特點(diǎn)：</p><p>　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以不等于同步速；</p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組的合成磁勢旋轉(zhuǎn)相對于轉(zhuǎn)子速度可以不等于零；</p><p>　　定子側(cè)并入電網(wǎng)后，

71、電樞磁勢在空間的角速度等于電網(wǎng)角頻率即保持相對穩(wěn)定。所以，選用在空間以恒定同步速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系d-q-0的變量代替a-b-c坐標(biāo)系的真實(shí)變量來對電機(jī)進(jìn)行分析，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各電磁量的空間合成相量相對于坐標(biāo)軸靜止，這些電磁量在d-q-0坐標(biāo)系上就不再是正弦交流量，而成了直流量。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)非線性、時(shí)變系數(shù)微分方程組在d-q-o同步坐標(biāo)系中變成了常系數(shù)微分方程組，電流、磁鏈等變量也以直流量的形式出現(xiàn)。</p><p>　

72、　2.3.1 電壓方程式</p><p>　　(1)定子電壓方程式</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)a-b-c坐標(biāo)系向同步坐標(biāo)系d-q-0的變換，可以利用坐標(biāo)變換矩陣來</p><p><b>　　進(jìn)行。</b></p><p>　　式(2-3)兩邊左乘坐標(biāo)變換矩陣得到：</p><p><b&g

73、t;　　或者：</b></p><p><b>　　(2-41) </b></p><p><b>　　對于定子繞組，，</b></p><p>　　d-q-0坐標(biāo)系中定子電壓方程式可以表示為：</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)子電壓方程式</p><p>　　式（

74、2-7）方程式中的變量可以看作是一個(gè)以角速度在空間逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的參照坐標(biāo)系中的變量。因此，轉(zhuǎn)子各變量必須以角度差的關(guān)系變到同步坐標(biāo)系d-q-0下，在經(jīng)行類似定子電壓方程式坐標(biāo)系變換中的簡化過程后，結(jié)果是：</p><p>　　2.3.2 磁鏈方程式</p><p>　　利用式（2-36）的變換陣將定子三相磁鏈和轉(zhuǎn)子三相磁鏈變換到dq0坐標(biāo)上去。定子磁鏈變換陣就是，其中令d軸與定子a軸的夾

75、角為。轉(zhuǎn)子磁鏈變換是從旋轉(zhuǎn)的三相坐標(biāo)變換到不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)，變換陣為，按兩坐標(biāo)系的相對轉(zhuǎn)速考慮，在形式上與相同，只是角改為d軸與轉(zhuǎn)子a軸的夾角。</p><p>　　(2-44) </p><p>　　(2-45) </p><p>　　于是可將（2-16）式變換為：</p><p>　　將

76、分塊矩陣中各元素寫出并進(jìn)行運(yùn)算得：</p><p>　　最后，得到在dq0坐標(biāo)系上的磁鏈方程式</p><p>　　(2-46) </p><p>　　式中 ——dqo坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感；</p><p>　　——dq0坐標(biāo)系等效二相定子繞組的自感；</p><p&g

77、t;　　——dq0坐標(biāo)系等效二相轉(zhuǎn)子繞組的自感。</p><p>　　由于（2-46）第三、六兩行可知，磁鏈的零軸分量是各自獨(dú)立的，對d、q軸磁鏈毫無影響，以后在數(shù)學(xué)模型中可不再考慮。因此，式（2-46）可簡化為：</p><p>　　(2-47) </p><p>　　即為dq0坐標(biāo)系下交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的磁鏈方程。</p>&l

78、t;p><b>　　電磁功率方程式</b></p><p>　　將瞬時(shí)功率表達(dá)式（2-22）中的a-b-c變量變換到d-q-0同步坐標(biāo)系的變量，可以表示為</p><p>　　將其化簡后可得到d-q-0同步坐標(biāo)系變量表示的三相總輸出功率:</p><p>　　再將定子回路電壓方程式（2-42）代入整理后，又可得:</p>&

79、lt;p>　　式中第一部分為定子繞組中電阻的功率損耗，第二部分為與定子磁場能量的變化相對應(yīng)的功率，第三部分為通過氣隙傳遞的功率。</p><p>　　在三相對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，如不計(jì)定子繞組的電阻，則發(fā)電機(jī)電磁功率：</p><p>　　按式（2-42）有:</p><p>　　代入（2-50）則：</p><p>　　dq0坐標(biāo)系下的電磁

80、轉(zhuǎn)矩方程為：</p><p><b>　　式中：—電機(jī)極對數(shù)</b></p><p>　　2.4 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)基本電磁關(guān)系</p><p>　　從以上分析可知，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁勢相對于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差角速度旋轉(zhuǎn)，相對于定子以同步速旋轉(zhuǎn)。該磁勢與定子三相電流產(chǎn)生的定子基波磁勢相對靜止，在氣隙中形成合成磁勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，該合

81、成磁勢在氣隙中產(chǎn)生的合成磁通將在定、轉(zhuǎn)子繞組中分別感應(yīng)電勢和。另外，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上看，當(dāng)轉(zhuǎn)子采用三相對稱繞組，且通過三相交流電流勵(lì)磁是，就相當(dāng)于一臺轉(zhuǎn)子方施加電壓的繞線式異步電機(jī)（與感應(yīng)電機(jī)類似），因此我們可以參照異步電機(jī)的分析方法和等效電路，針對變速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)做相應(yīng)的修改，以反映這種電機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系，從而有如下的定子側(cè)按照發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)按照電動機(jī)慣例的基本方程式和等效電路圖。其中轉(zhuǎn)子側(cè)的各個(gè)物理量都折算到定子側(cè)。<

82、;/p><p>　　(2-54) </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　、、、分別為定子繞組中的感應(yīng)電勢、電流、電阻和電抗；</p><p>　　、、、分別為轉(zhuǎn)子側(cè)繞組感應(yīng)電勢、電流、電阻和電抗折算到定子后的歸算值；</p><p>　　、、分別

83、為勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流、磁化電阻、磁化電抗；</p><p>　　、、分別為定子電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓歸算值和電機(jī)的轉(zhuǎn)速差。</p><p>　　由式（2-54）可以畫出相應(yīng)的單相等效電路圖和時(shí)空相量圖，如圖2.7和2.8所示：</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖2-7 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)單相等效電路圖

84、</p><p>　　圖2-8 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)向量圖</p><p>　　如果給定定子電壓、定子電流、功率因素角和轉(zhuǎn)差s，且知道電機(jī)的電阻、電抗參數(shù)，則從電路圖中我們可以求出轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子電流和勵(lì)磁電流。而如果定子輸出功率、電源電壓及功率因素一定時(shí)，該電機(jī)實(shí)際上只是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速差、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓與定子電壓相位差三個(gè)變量的函數(shù)。</p><p>　　注：下標(biāo)1或s表

85、示定子側(cè)參數(shù)，下標(biāo)2或r表示轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)。</p><p>　　2.5 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)能量流動與平衡關(guān)系</p><p>　　2.5.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)能量流動關(guān)系</p><p>　　由于雙饋交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)功率流動可以是雙向的，因此它具有與一般的異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)不同的特點(diǎn)。一般異步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)處于電動狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)處于

86、發(fā)電狀態(tài)。而對交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)來說，除了具有上述兩種工況外，還具有另外兩種工作狀態(tài)：超同步電動工況和次同步電動工況，在不同的工況運(yùn)行時(shí)，具有不同的功率傳遞關(guān)系，如圖2.9所示。</p><p>　?。╝） 電機(jī)次同步運(yùn)行時(shí)的功率流向圖</p><p>　?。╞） 電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)的功率流向圖</p><p>　　圖2-9 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)不同工況下功率傳遞關(guān)系<

87、/p><p>　　2.5.2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率平衡關(guān)系</p><p>　　上面我們定性的分析了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率傳遞關(guān)系，下面從等效電路出發(fā)定量研究其功率平衡關(guān)系。按異步電機(jī)分析方法將分解為，分解為，得到交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的又一種等效電路圖，如圖2.10所示。</p><p>　　根據(jù)功率守恒定律，經(jīng)氣隙傳遞的電磁功率在定子側(cè)可以表示為：</p><

88、p>　　同時(shí)，也可以用轉(zhuǎn)子側(cè)的功率來表示：</p><p>　　圖2-10 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)等效電路圖</p><p>　　根據(jù)對，的分解，式（2-56）可以寫為：</p><p>　　由式（2-57）可知，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的功率平衡關(guān)系與異步電機(jī)不同，除了經(jīng)轉(zhuǎn)子電阻上的銅耗（第一項(xiàng)）和轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率（第二項(xiàng)）之外，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上還有勵(lì)磁系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)

89、子的電磁功率（第三項(xiàng)）以及與軸上機(jī)械功率有關(guān)的功率（第四項(xiàng)）。這樣交流勵(lì)磁電機(jī)軸上總的機(jī)械功率就應(yīng)該等于等效電路圖2-10總的和所對應(yīng)的功率之和。這個(gè)和功率為正則表明軸上的總機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電磁功率，若為負(fù)則表明電機(jī)將電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率并輸出。對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)來講情況不是這樣的，因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁電壓（靠從系統(tǒng)來的無功功率來建立），傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)處于電動狀態(tài)還是處于發(fā)電狀態(tài)僅僅由來決定，即s的正負(fù)來決定，而對于交流勵(lì)磁

90、發(fā)電機(jī)來講，通過上面的分析可知，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電壓的大小、相位及頻率都是可調(diào)量，因此不管s正還是負(fù)都可以讓電機(jī)處于電動、發(fā)電狀態(tài)。</p><p>　　對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)，電磁功率，總機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子銅耗由如下關(guān)系：</p><p>　　(2-58) </p><p>　　顯然式（2-58）對于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)并不合適，但如何認(rèn)為廣

91、義銅耗為：</p><p>　　則由式（2-56）和（2-59）可得：</p><p>　　還有從式（2-57）可知，發(fā)電機(jī)總機(jī)械功率為：</p><p>　　從而從式（2-57）、（2-59）、（2-60）、（2-61）可推知，總機(jī)械功率跟電磁功率關(guān)系為：</p><p>　　從而得出結(jié)論，在一定的條件下，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)也有異步發(fā)電機(jī)式一樣

92、的功率關(guān)系式，這對以后的分析仿真有重要作用。</p><p>　　另外，由式（2-56）還可以得到輸入交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)（從勵(lì)磁系統(tǒng)出來的功率）的功率：</p><p>　　由式（2-63）表明，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)差率，當(dāng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入有功為0，當(dāng)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將電功率輸入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過勵(lì)磁系統(tǒng)將電功率回饋給電網(wǎng)。</p><p>　　當(dāng)交流勵(lì)磁發(fā)

93、電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通過分析可知，在時(shí)的發(fā)電狀態(tài)中，勵(lì)磁系統(tǒng)向電機(jī)轉(zhuǎn)子方輸人電功率，基本關(guān)系如下：</p><p>　?。ㄝ斎氲臋C(jī)械能—機(jī)械損耗）+（轉(zhuǎn)子輸入電能—轉(zhuǎn)子銅耗）—（介質(zhì)損耗）=（定子輸出電能—定子銅耗）</p><p>　　而當(dāng)時(shí)的發(fā)電狀態(tài)中，勵(lì)磁系統(tǒng)將轉(zhuǎn)子輸出的電功率回饋給電網(wǎng)，基本關(guān)系如下：</p><p>　?。ㄝ斎氲臋C(jī)械能—機(jī)械損耗）—（轉(zhuǎn)子輸

94、入電能+轉(zhuǎn)子銅耗）—（介質(zhì)損耗）=（定子輸出電能—定子銅耗）而當(dāng)電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，情況正好相反。</p><p>　　3 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略</p><p>　　3.1 矢量控制概述</p><p>　　矢量控制技術(shù)是交流轉(zhuǎn)動調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制的核心，它通過電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動機(jī)的定子電流分解成磁場定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的勵(lì)磁分量和與之

95、相垂直的轉(zhuǎn)矩分量，然后分別對它們進(jìn)行控制使交流電動機(jī)得到和直流電動機(jī)一樣的控制性能[3]。</p><p>　　借鑒這一思想，對于交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來說，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的電流分別是工頻和轉(zhuǎn)差頻率的交流量，是一個(gè)高階的非線性強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，簡單的對交流電流進(jìn)行閉環(huán)控制而不進(jìn)行解耦，效果并不理想。而矢量控制可以在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上，簡單電機(jī)內(nèi)部各變量間的耦合關(guān)系，簡單控制。</p><p>

96、;　　矢量控制理論首先由德國的F.Blaschke等人于1971年提出，后來日本學(xué)者首先將其應(yīng)用于經(jīng)理勵(lì)磁控制，當(dāng)時(shí)就取得了很好的效果。從此經(jīng)過30多年工業(yè)實(shí)踐的考研、改進(jìn)與提高，目前已達(dá)到成熟階段。矢量控制可以簡化電機(jī)內(nèi)部各變量之間的電磁耦合關(guān)系，即可以簡單控制。在理論上講，采用矢量控制技術(shù)可使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)某些方面一樣的控制效果。目前，矢量控制在交流電動機(jī)方面的研究取得了很多的成果并已大規(guī)模應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，而將矢量控制技

97、術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)還處于研究階段。對于交流電動機(jī)的矢量控制，目前各種文獻(xiàn)較多。本文將討論矢量控制應(yīng)用于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率控制中。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電流通過對稱的三相繞組時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場的頻率（或稱轉(zhuǎn)速）是和交流電流的頻率一致的，它的幅值是其中某一項(xiàng)電流幅值的1.5倍，這個(gè)磁場（或電流）是一個(gè)有方向、大小可旋轉(zhuǎn)的物理量，被稱為磁場矢量（或電流矢量），通過改變交流電流的頻率、幅值、相位

98、以及相序，可以方便的控制磁場矢量的大小及空間的相對位置。從物理上看，該磁場矢量是和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的，由一個(gè)單一直流線圈產(chǎn)生的磁場相等效。通過改變直流線圈中的電流來改變磁場的大小。通過控制線圈的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)向來改變磁場的變換。換句話說，靜止的三相對稱交流電產(chǎn)生的磁場和旋轉(zhuǎn)的直流電流產(chǎn)生的磁場等效。</p><p>　　通過上面的分析我們可以認(rèn)為，電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場矢量可以由產(chǎn)生它的三相交流電來控制，把這個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量概念加

99、以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場矢量等等。矢量控制就是通過對交流電流的控制來達(dá)到控制目標(biāo)矢量空間的位置，使之能滿足我們的要求。</p><p>　　交流電機(jī)中的各種電磁量的關(guān)系，基本上都可以用各自相應(yīng)的矢量來描述，它們之間的制約關(guān)系，也可以從矢量的分析。</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制的目標(biāo)</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由兩套繞組：定子三相繞

100、組和轉(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組如果流動三相交流電流，就會在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場矢量，這個(gè)磁場矢量切割定子繞組產(chǎn)生三相電流。反過來，定子電流在空間中也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場矢量，對轉(zhuǎn)子電流也會產(chǎn)生影響，使它的幅值、相位發(fā)生變化。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中的各個(gè)電磁量相互作用，可以認(rèn)為是各相應(yīng)矢量的相互作用。從效果上看，轉(zhuǎn)子的電壓矢量及電流矢量和定子電流矢量、電壓矢量存在一個(gè)相互制約的關(guān)系。在交流電機(jī)中，影響電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的還有電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩。通過電機(jī)中的復(fù)

101、雜電磁耦合關(guān)系，交流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)正是由這幾個(gè)參量依照某些關(guān)系決定的。矢量控制的目標(biāo)就是使這些復(fù)雜的關(guān)系達(dá)到充分解耦控制，實(shí)現(xiàn)控制簡單化。</p><p>　　（2）交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的功率矢量控制</p><p>　　在交流電路中，除了電阻外還包括電抗，這使得電路中的電壓和電流產(chǎn)生相位差，在這種含有電抗的交流電路中，電壓和電流有值的乘積稱為視在功率。而有功功率是指電流消耗在電阻中的功率，數(shù)值

102、上是電流和電阻壓降的有效值乘積，無功功率是指電流和電抗壓降的乘積。由于正弦波電流可以由兩個(gè)相互正交的同頻率的正弦電流合成，所以，電流可以堪稱是如下兩個(gè)分量的合成：與電壓同相位的分量和與電壓相位相差90度分量。一般有功功率可以認(rèn)為是電壓和與其相位的電流的乘積，無功功率可以認(rèn)為是電壓與其正交的電流的乘積。無窮大電網(wǎng)的電壓和頻率被認(rèn)為是不變的，當(dāng)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入這樣的電網(wǎng)之后，它的端電壓可以認(rèn)為是常量，只有定子的電流是可以受到控制的，其

103、中和電壓同相的分量稱為有功分量，和電壓正交的分量稱為無功分量。因而對發(fā)電機(jī)功率的控制，在并網(wǎng)的條件下，可以認(rèn)為是對電流的控制。</p><p>　　本文講述的功率矢量控制，就是指在并網(wǎng)時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及輸入轉(zhuǎn)矩，根據(jù)發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流矢量來控制發(fā)電機(jī)定子輸出的電流矢量，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的有功分量和無功分量來達(dá)到有功和無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的目的。從而，在本質(zhì)上說，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的矢量控制就是

104、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的矢量控制，下面就稱為勵(lì)磁系統(tǒng)的矢量控制。</p><p>　　終上所述，本論文對交流發(fā)電機(jī)的控制思路是：通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電壓來控制轉(zhuǎn)子電流，使之滿足：</p><p>　　(1)電流中的頻率等于滑差頻率</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量按照某種比例變化，依據(jù)轉(zhuǎn)子電流和定子電流存在的某種內(nèi)在關(guān)系，達(dá)到控制定子電流，也就

105、是輸出功率的結(jié)果。</p><p>　　3.2 現(xiàn)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略分析</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)之所以具有超越同步發(fā)電機(jī)的良好調(diào)節(jié)特性、運(yùn)行的靈活性和可靠性，除了其電氣結(jié)構(gòu)上它有多相、對稱的轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁繞組外，關(guān)鍵在于它應(yīng)有一套能充分發(fā)揮該電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)。因此交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制研究備受關(guān)注。由大量文獻(xiàn)可知現(xiàn)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略，大約可分如下三

106、種：</p><p>　　第一類是前蘇聯(lián)學(xué)者提出，并應(yīng)用與異步化汽輪機(jī)（交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)）上的雙通道多變量反饋勵(lì)磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　第二類是基于同步電動機(jī)變頻調(diào)速矢量控制的矢量勵(lì)磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　第三類是基于交流電機(jī)多變量模型基礎(chǔ)上的多變量勵(lì)磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　這三類勵(lì)磁控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)都是：在電機(jī)數(shù)

107、學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過簡化，找到其穩(wěn)態(tài)情況下的有功無功的解耦模型，從而構(gòu)成勵(lì)磁控制系統(tǒng)，且都能實(shí)現(xiàn)有功無功的獨(dú)立調(diào)節(jié)。這三類勵(lì)磁控制策略都是根據(jù)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在同步坐標(biāo)系下定子的有功和無功功率只與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的d、q軸分量有關(guān)這一基本原則推出的。</p><p>　　日本學(xué)者所提出的矢量控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下有功無功的充分解耦，而且在控制模型的理論推導(dǎo)中做的一些簡化（如忽略定子定阻等)不會造成控制模型仿真進(jìn)度的大幅度

108、下降，雖然它會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是能借助先進(jìn)的微機(jī)系統(tǒng)。該勵(lì)磁控制策略精度較高，從而本文采用基于矢量控制的勵(lì)磁控制策略。</p><p>　　3.3 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略</p><p>　　3.3.1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制策略</p><p>　　交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的工作方式可分為以下兩種：（1）功率控制方式：在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可變情況下，以輸出有功和無功為

109、控制對象，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓幅值和相位使電機(jī)輸入的有功和無功等于給定值；（2）速度控制方式：在有功和無功可變情況下，以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓幅值和相位使電機(jī)轉(zhuǎn)速等于給定值。</p><p>　　在交流電機(jī)中，共有七個(gè)基本矢量：定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子繞組總磁鏈、轉(zhuǎn)子繞組總磁鏈、氣隙合成磁鏈。選擇不同的矢量定向，所得的控制效果和控制性能也不盡相同。在同步電機(jī)矢量控制中，通常采用的是以

110、氣隙合成磁鏈定向。但是在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的情況下這種定向方法不太合適，因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)定子繞組中存在漏抗壓降的影響，若以氣隙磁鏈定向，發(fā)電機(jī)的端電壓矢量與控制參考軸之間會有一定的相位差，這樣有功、無功電流分量的計(jì)算就會變得相當(dāng)復(fù)雜，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，將影響控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性處理。考慮到發(fā)電機(jī)是在頻率400Hz左右運(yùn)行，在這樣的頻率下，通常的定子繞組的電阻可以忽略不計(jì)。此時(shí)，定子繞組總磁鏈與定子電壓的矢量之間的相位正好相差90度，因此在實(shí)際應(yīng)用中，

111、以定子電壓矢量或者以定子繞組總磁鏈為參考矢量（定向矢量） ，可使控制系統(tǒng)變得相對簡單。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)d-q軸系變量之間的解耦，本文采用定子磁場定向，即將以同步速旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中的d軸與定子總磁鏈的方向重合，在忽略定子繞組的電阻時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子電壓矢量將在負(fù)q軸上，如圖3.1所示。因而有如下的矢量控制的約束條件：</p><p>　　(3-1)