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双馈交流励磁电动机的矢量控制系统研究

华中科技大学

硕士学位论文

双馈交流励磁电动机的矢量控制系统研究

姓名：刘晓蕾

申请学位级别：硕士

专业：电力系统及其自动化

指导教师：毛承雄;陆继明

2003.5.9

华中科技大学硕士学位论文

摘要

ｆ双馈电机（ＤＦＭ，Ｄｏｕｂｌｅ．ＦｅｄＭａｃｈｉｎｅ）是利用转子交流励磁对电机的速度进行控制的一种调速控制系统，包括电机本身和交流励磁控制系统，其电机主要分为有刷和无刷两类。双馈电机的励磁控制系统的功率仅为转差功率．因此，其变频装置的功率可

＼，乒／、一

以大大降低，从而节约了变频装置所需要的许多成本。１本文从课题研究的主要内容出

／

发，对有刷双馈电机交流励磁系统进行了研究，并且提出了～套矩阵变换器供电的双馈电机矢量控制调速系统，具体做了以下几个方面的工作：首先通过双馈电机的物理模型，在ａ－ｂ．ｅ坐标系下建立双馈电机的数学模型，然后在以定子磁链定向的Ｍ～Ｔ空间矢量旋转坐标系下，通过坐标变换，建立了双馈电机的数学模型，并且在此坐标系下建立了双馈电机的交流励磁控制模型。并且提出了采用矩阵变换器式变频装置，在研究矩阵变换器式变频器控制策略的基础上，以ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件为平台，建立了矩阵式变换器供电的双馈电机励磁控制系统仿的真模型，并对该种双馈电机调速控制系统控制方案在多种工况下进行了仿真研究。结果表明该种交流励磁的控制策略是可行的。最后本文还基于最优控制理论对双馈电机的励磁控制系统进行了探讨。

关键词：双馈电机？交流励磁｝矢量控制÷坐标变换、

，／一｝

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｄｏｕｂｌｅｆｅｄｍａｃｈｉｎｅｓ（ＤＦＭ）ａｌｅａｋｉｎｄｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｓｔｈａｔｈａｎｄｌｅｄｂｙｒｏｔｏｒＡＣｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈａｌｅｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍａｃｈｉｎｅｓａｎｄＡＣｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓ．

Ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｓｉｎｃｌｕｄｅｂｒｕｓｈａｎｄｂｒｕｓｈｌｅｓｓｍａｃｈｉｎｅｓ．ＴｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｐｏｗｅｒｏｆＤＦＭ

ｉｓｏｎｌｙｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｓｌｉｐｐｏｗｅｒ．Ｓｏｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄｍｕｃｈ，ａｎｄｓａｖｅｍｕｃｈｃｏｓｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｏｒｄｉｎａｒｙｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｓ，ｔｈｅｓｌｉｐｐｏｗｅｒｒｅｃｏｖｅｒｙｓｙｓｔｅｍｃａｒｌｒｅｄｕｃｅｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｒａｔｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｄｏｕｂｌｅｆｅｄｍａｃｈｉｎｅｈａｓｇｒｅａｔｅｒｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｃｏｎｓｔａｎｔ

ＤＦＭ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ

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ｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭ—Ｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｂｙｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｒｉｅｎｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔａｔｏｒｆｉｅｌｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｂｕｉｌｄｔｈｅＡＣｅｘｃｉｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅＩｏｆＤＦＭ．ＴｈｅｎｔｈｅＭＣ（ｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒｌｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｓｕｐｐｌｙｔｈｅｄｏｕｂｌｅｆｅｄｗｏｕｎｄｒｏｔｏｒｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ．ＵｎｄｅｒｔｈｅｂａｓｅｏｆｋｎｏｗｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙａｂｏｕｔｔｈｅＭＣ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｂｕｉｌｔｏｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｃｋａｇｅｏｆＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ，ａｎｄａｓｅｔｏｆｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕＲｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｄｏｕｂｌｅｆｅｄｗｏｕｎｄｒｏｔｏｒｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ．ＳｏｔｈｅＡＣｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＤＦＭｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌａｔｌａｓｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｏｕｂｌｅｆｅｄｍａｃｈｉｎｅＡＣｅｘｃｉｔａｔｉｏｎＶｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ

Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ

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＝；＝％自；ｇ＝；口；＝；目；＝＝＝＝目＝目ｌ目＝＿目；＝＝目口ｌ目

１绪论

１．１双馈交流励磁电动机研究的背景和意义

风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据

有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约３５０００ＭＷ，耗电量约占全国

电力消耗总量的４０％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖

掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节

能潜力可达（３００～５００）亿ｋＷ?ｈ／年，相当于６～１０个装机容量为１０００ＭＷ级的

大型火力发电厂的年发电总量。

在火力发电厂中，风机和水泵也是最主要的耗电设备，加上这些设备都是长期连

续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。据统计：全国火力发

电厂八种风机和水泵（送风机、引风机、一次风机、排粉风机、锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵）配套电动机的总容量为１５０００ＭＷ，年总用电量为５２０亿ｋＷ电，

占全国火电发电量的５．８％。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系剐厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂

用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。

我国火电机组的平均煤耗为Ｏ．４ｋｇ／ｋＷ?ｈ，比发达国家高Ｏ．０７～Ｏ．１ｋｇ／ｋＷ?ｈ，而

厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之～。国产３００ＭＷ机组的厂

用电率平均为４．７１％，丽进口（ＧＥ公司）机组为３、８１％。国产机组比进口机纽约高

２０％左右。国产机组厂用电率偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题

和差距。

国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采用

汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其它风机和水泵基本上都采用定速驱动。这

种定速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节

流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率

降低。调查表明：我园５０ＭＷ以上机组锅炉风机运行效率低于７０％的占一半以上，

低于５０％ｆｆｌ，占１／５左右。有的甚至不到３０％，结果是白白地浪费掉大量的电能，已经到了非改不可的地步。

造成我国火电机组大都处于低负荷或变负荷运行的原因主要有：

①近年来由于装机容量的迅速增长，全国基本上摆脱了电力供应紧张的局面，电力供应有了盈余，火电机组不得不压低负荷运行；

②由于负荷结构的变化，电网负荷的峰谷差加大，其值一般达到电网最高负荷的３０％，有的电网甚至高达５０％；

③由于目前电网还缺少专门带尖峰负荷的机组（例如坝库式水电机组，抽水蓄能机组，燃气轮机组等），所以～般电网的尖峰负荷和低谷负荷都要求火电机组来承担，火电机组不得不作调峰变负荷运行。

我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是风机的调速性能差，二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程ＳＤＪ一７９规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为５％和５％～１０％，风压裕度分别为１０％和１０％～１５％。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送引风机的风量和风压富裕度达２０％～３０％是比较常见的。与风机一样，除由于设计中层层加码，留有过大的富裕量，造成大马拉小车的现象之外，还由于为满足生产工艺上的要求，采用节流调节，造成更大的能源浪费现象。

采用变速调节传动是解决问题的最好方法。辅机采用调速驱动后，机组的可控性提高了，响应速度加快，控制精度也提高了。从而使整个机组的控制性能大大改善，不但改善了机组的运行状况，还可以大大节约燃料，进一步节约能源。同时，采用变速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大大改善起动性能，而且工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。

然而，由于调速传动装置价格贵，推广应用受限制。特别是大功率的风机和泵传动，由于缺少简单、可靠、经济的中压电机调速装置，节能调速基本没推开。因此对

于风机和泵的调速，合理的方案应是绕线电机串调或双馈。电机定子绕组为低压，易和电力电子器件相匹配。在串调或双馈调速时，转子电路的功率为滑差功率，风机和泵所需的调速范围小，一般３０％左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的３０％或１５％。但绕线电机有滑环和碳刷，维护麻烦，在很多地方不受欢迎。现国内外都在开发无刷双馈电机，该电机特性与绕线电机相同，定子两套绕组，一套接中压电网，另一套控制绕组，相当于绕线机的转子绕组，接串调或双馈装置，实现调速，是理想的中压节能调速方案，在俄罗斯和澳大利亚已有成功经验，效果很好”…３。

双馈电机作电动机运行可以在各种不同负荷下灵活地调节无功功率和转速，调速范围达到３０％～５０％，显著提高传动系统的效率，有很好的节能效果。由于双馈电机不仅能在同步速上下变速运行，而且和传统的定子变频调速交流电机相比较，能对励磁电压的频率、大小和相位进行调节，从而实现变速运行。同时还能调节电机的功率因数，进行无功调节。

由于双馈电机的存在，使建立旋转统一理论成为了可能，异步电机、同步电机、直流电机均可视作由双馈电机演变而来，它们都是双馈电机的特例。

当双馈电机的转子绕组不再有外来电源的限制而自行短路时，转子的角速度决定于负载的大小，转子中的电流频率为转差频率，两磁轴之夹角０由转子电路的特性所决定，这时双馈电机转化为异步电动机。

当双馈电机的转予电流频率为零，则转子变成了直流励磁，不再传送电磁功率，两磁轴夹角０由负载决定，这时双馈电机转化为传统的同步的电动机。

当双馈电机定子电流频率为零，变成了直流产生固定的直流磁场，这时转子上应产生交变电势和通入交变电流，联接转子绕组的变频装置——换向器，将经电刷通入的直流变成了转子电枢中的交流，其频率决定于换向的交变速度。由于没有外加电源的频率限制，这时励磁磁场的磁轴与电枢反应磁场的磁轴正交，０＝９０。，定转子之间产生可能的最大转矩，这时双馈电机转化为直流电动机。

双馈电机概括了异步、同步、直流电机的统一形式，从而有可能建立起旋转电机的统一理论。创立电机统一理论的工作是在１９３２年由克朗（ＫＲＯＮ）应用张量微积分等数学工具首先完成的。克朗提出了两种原型电机，也都是双馈电机的修正形式。对

＝｛＿自＝；＝目；≈；＝＃＝＝＝＝＝ｇ；；＝目＝；目《ｌ目口＝。＝自％目ｊ；≈；＝＝＝原型电机的分析研究。使旋转电机理论分析得到统一，为解决许多复杂问题提供了系

统的途径。

这种电机在以下几个方面具有很广泛的前景：

①双馈电机可作为交流调速电机用于电气传动系统，特别是风机泵类调速系统．

它可以在各种不同负载下灵活地调节无功功率和转速，调速范围可达±３０％～５０％，

显著提高传动系统的效率，有很高的节能效果。与常规交流调速方法相比，其变频器

的容量只需??转差功率”，因此可降低功率变换器的容量，从而大大的降低系统成本。

②作为大型抽水蓄能同步发电电动机可控异步化运行，可满足蓄能电站调速需要。抽水蓄能电站以其独有的调峰填谷、调相调频等功能和良好的动态经济性，在国

际上，特别是一些发达国家得到了大力发展。我国随着电力工业的发展，也即将大力

发展抽水蓄能电站，然而我国目前建成的大中型蓄能电站机组几乎都是全套进口的，

为此，国家发展计划委员会已发布关于实旌“大中型抽水蓄能机组国产化开发及产业

化专项”计划，即将大力开展蓄能机组的开发研究。其中大中型抽水蓄能机组的调速

方法是关键技术之一。交流励磁异步化同步电机在蓄能机组调速技术中具有广阔的发

展前景。

⑨适用于风力发电机变速恒频运行。风力发电作为２１世纪的绿色能源，将得到

大力发展。自然界的风力，伴随着巨大的能量，但却变化无常，具有很大的随机性。

因此，风力发电机与电网之间如何联接一直是人们十分关注的关键技术问题。双馈电

机可以变速恒频运行，即在不同风力风速情况下均可保持发出的电压、频率不变，从

而可实现风力发电机与电网的柔性联接。我国的风能资源非常丰富，风力资源的开发

研究具有特别重要的意义。

④广泛用于电力系统柔性供电技术。利用双馈电机构成机电变频器连接电力系统

的各个部分后，可以将目前电力系统的刚性连接变为柔性连接，从而可以大大改善电

力系统的稳定性。此项技术对现代电力系统向大容量、高电压及远距离输电的方向发

展具有重要意义。同时它在低负荷时可以大量吸收无功功率，其进相运行为电力系统

提供无功功率的能力也远远超过传统的同步发电机，为电力系统提供了有力的调压手段。

：：＿＃目ｌ自目目｝＝＃＝｝；＝自２Ｅ口＝目＝目ｌ＝目｛ｉ１日ｔｉｚ∞由此可见，双馈电机是有着广阔发展前途的高薪技术产品。对于我国来说，首先

风机、泵类机械调速节能是当务之急，由于双馈电机是其较合理的调速方案，因而预

计该项目首先会在该类机械交＂Ｎ／，嗣／ｇ系统中应用。其次，水电开发量大，而河流含泥

沙量高，在水电站采用双馈发电机对提高机组效率，减轻气蚀和泥沙磨损有很大价值?

预计其在水电上也将得到广泛应用。最后，我国风能储量大，在风能电站采用双馈发

电机可做到变速恒频发电。因此，其在风力发电方面也具有广泛应用前景“３。

１．２双馈电机的国内外发展现状

近十多年来，德国、俄罗斯、法国等先进工业国家对无刷双馈电机进行广泛的研究，并在电气传动中得到应用。德国西门子、日本东芝和三菱、前苏联哈尔科夫电机

制造联合公司已系列化生产双馈电动机。例如俄罗斯哈尔科夫公司系列化生产３１５～

２０００ｋＷ的各种双馈电机调速传动系统，并广泛应用火电站及其他部门的各种交流调

速传动装置中（如电厂送风机、吸风机、泵等）。法国Ａｌｓｔｈｏｍ公司生产的双馈电机

调速传动系统，其容量从２５０ｋＷ至数千千瓦，主要用于泵与风机调速。现在许多国

家在开发无刷双馈电机，该电机在美国、俄罗斯、澳大利亚已有成功经验，效果很好，

并已在工业电力传动领域应用。

我国对双馈电机的研究始于９０年代，目前有重庆大学、福州大学、浙江大学、

华中科技大学、沈阳工业大学等对于此技术有一定研究。其中，沈阳工业大学做了一

台无刷双馈电机的试验样机进行研究，但是到目前为止，研究工作还仅限于实验室，

没有研制出实用化的样机，因而我国对双馈电机的研究及应用与国外有较大的差距。

随着功率电子技术的发展和交流传动技术的广泛应用，无刷双馈电机得到进一步的迅

速发展，但是大功率双馈电机仍然以有刷结构为主。

１．３双馈电机控制系统的发展状况

双馈电机控制系统中，变频器的选择和控制方式很重要，是整个控制系统的核心。

由于双馈电机工作在不同的工况下能量要实现双向流动，如果考虑到要提高电机的功

率因数，改善电网输入电流波形等等因素，变频器要满足以下几个基本要求：

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①必须能够输出低频电流甚至直流。双馈电机工作在接近同步转速时要求转子

绕组输入低频电流甚至直流电。

②变频器能够进行能量双向流动，以满足双馈电机不同工况的能量顺利流动。

③改善电网输入电流波形，控制谐波，不对电网造成较大的谐波污染。

④变频器输入端功率因数要高，应接近于１．０。

目前，有三种变频器适合双馈电机调速控制系统中：传统的交－交变频器、矩阵变

换器和交流／直流／交流ＰＷＭ变频器。传统的交．交变频器采用晶闸管自然换流，不需

要设置强迫换流装置，从而简化了设备，提高了效率，也提高了装置的可靠性。它的

主要优点是只进行一次能量变换，直接进行ＡＣ／ＡＣ变换，能量转换效率高。它的缺

点在于主电路所使用的品闸管元件数量较多。～个单向交－交变频器如果采用三相桥式

接线方式，则需要１２只晶闸管，那么三相交－交变频器就需要３６只。这较一般的交流．直流．交流变频器所用的１２支晶闸管为多，在小容量中使用不经济，另外这种变频

器由于受到输出电压波形的影像，一般其输出电压的频率调节范围控制在输入电源频

率的ｌ／３以下，最高也不超过１，２，而且功率因数低，从而使它的应用受到了限制。一

般认为，交．交变频器主要适用于一些低速、大功率的传动系统中。如初轧机、球磨机、

低频辊道等。对于一些特殊的场合，例如船舶或者机车上的传动控制，如果配合中频

发电机组，则交．交变频器也是一种理想的方案。

而矩阵变换器输出电量的频率可以较高，具有诸多优点。例如矩阵变换器可以提

供正弦的输出电压和产生正弦的输入电流；可实现输出电压幅值、频率和输入功率因

数的独立控制：无中间直流环节，动态响应快等。但是其输出波形谐波分量较严重，难

以得到理想的正弦波形。

交流，直流，交流ＰＷＭ变频器是目前应用最广泛的变频器，它覆盖的功率范围非

常广，从几瓦的微型电机到几万千瓦的高压电机都采用这种电路结构。根据直流侧的

储能方式不同，可分为电压源和电流源两种。电压源型是在直流侧并联一个电容，利

用电容来存储能量，其直流电压不能突变。电流源型是在直流侧串联一个电感，利用

电感来存储能量，其直流电流不能突变。在实际应用中，电压源型较为普遍。交流，

直流／交流ＰＷＭ变频器的输入和输出的波形畸变很小而且功率因数很高，但由于中间

＝≈＝＝ｊ目；＝ｊｊ目＝；％；＝；≈＝＃＝２＝；＝自＝＃；；＝＝目％Ｉｚ目目存在直流环节能量转换效率相对较低。

由此可见三种变频器均各有优缺点，适合于不同的场合，设计时应根据不同的需

要进行选择。

双馈电机的绕组是接到变频电源上的，根据变频电源频率控制方法的不同，双馈

电机调速可分为他控式和自控式两种控制方式。

他控式方式又称为同步工作方式。在这种工作方式中由专门的频率给定装置独立

的控制交频器的输出频率。通常转子侧的变频器是由一个独立的频率可调的低频三相

正弦信号发生器产生给定信号，每个控制信号的给定值都对应～个确定的频率五，也

就对应着一个确定的转速。这个转速与负载无关只和正的值有关。他控式双馈调速的

感应电机具有同步电机的特点但是与之不同的是速度可调。他控式控制方式的双馈电

机在突加负载、快速调节转速或其他参数突变的情况下，保持稳定和防止震荡是一个

比较复杂的问题。因此他控式双馈调速适用于负载平稳，对调速的快速性要求不高的

场合，如风机、泵类负载。

自控工作方式又称为异步工作方式。这种控制方式中双馈电机转子侧变频电源的

频率是通过系统内的调节环节，根据电机的运行状态自动控制。这个频率要跟踪电机

的转差频率。自控式双馈电机具有感应电机的特点，即使转速达到同步转速也仍然具

有感应电机的特点，即转速随着轴上的负载而变化。与感应电机不同的是定子侧的无

功功率是可调的。这时电机的功率因数可调，也可以对电网呈现容性。自控式双馈电

机稳定性较好，适用于轧钢机之类具有冲击性负荷的场合。

近十年来，随着现代控制理论、电力电子技术的发展，双馈电机的控制技术逐渐

得到了发展和完善。目前，控制策略主要采用矢量控制技术，对电机进行解耦控制和

相位控制，能方便的进行自控式的工作方式，达到很好的动态响应效果。

矢量控制技术的理论基础是磁场定向原理，选取不同的矢量作为定向矢量就会得

到不同的控制效果，～般大都选取同步旋转坐标系，以定子磁链或者气息磁链为定向，

也有选取电压矢量或电流矢量定向的。进行坐标变换后，实现了电磁转矩和无功功率

的解耦控制。从而使交流电机具有和直流电机～样的调速性能，同时可以对有功无功

进行调节。

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１．４本文主要工作

本文的主要目的是在综合了解国内外双馈交流励磁电动机的基础上，对双馈交流

励磁电动机的控制策略进行深入研究，为该种电机的励磁系统开发，建立良好的理论

基础。本文的主要内容为；

①利用坐标变换技术，建立双馈电机的数学模型，并在对励磁系统的解耦控制基

础上，建立双馈电机的矢量控制。‘

②根据系统模型，对双馈交流励磁电动机的励磁系统进行动态仿真研究。

③基于线性最优的控制方法对双馈电机的励磁控制进行了探讨。

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２双馈电机的基本理论与控制方法

２．１概述

双馈电机，也称交流励磁电机。它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机

本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机的定予接５０Ｈｚ工频电网，

转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调

节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以

提高系统的稳定性。

根据电机运行理论，电机在稳态运行时，定转子电流产生的旋转磁场在空间上必

定相对静止，所以

∞１２眈＋∞，

其中，∞。为定子旋转磁场在空间的角速度，∞２为转子旋转磁场相对转子的角速度，协为转子的角速度。当通过定转子绕组的电流频率＾和正相等且同相序时，即

∞Ｊ＝ｏＪ２＝２ｚ弧，则必定Ｏ）ｒ＝０，即转子不动。若转子电流频率五劬，且同相序时，则转子

旋转角速度∞ｉ（∞ｌ，称亚同步。工作在异步电动机状态，降低转子电流频率直至Ａ＝ｏ，

则转子角速度ｍｒ－－ＯＪｌ，即：工作在同步电动机状态，转子为直流励磁，若转子电流与

定子电流反相序，则转子角速度沿正转方向超过同步角速度，当转子电流正相序且

五铆时，转子会反转。可见，当调节送入转子的电流相序和频率时，双馈电动机可以

运行在亚同步、同步及超同步状态，也可以运行在反转状态饽１。

双馈交流励磁电机与传统的串级调速有着本质的差别，主要表现在以下的几个方面：

①常规串级调速是单馈的，电功率只从定子馈入。从定子馈入的功率一部分由

电机轴输出，一部分变为转差功率由转子绕组输出：而双馈感应电机则是从定转子双

方馈电，因此轴输出功率可以超过由定子馈入的功率。

②串级调速时绕线式感应电机本质上是异步电机，转子电流由定子磁场感应而

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＝Ｅ‘＿＿目目Ｅ；ｔ｛＝；＝＝＝＝｛＿＃＝目｝＝；；；ｌ＝＝目ｇ；目≈Ｅ；＝＝＝口来；而双馈电机的转子电流是由外部电源提供，具有同步发电机的性质?

③串级调速是靠改变转子中附加电势的数值来调速，附加电势的频率则相应于

转差频率的变化而变化。此外，负载变化时也要发生变化；而双馈电机转子转速只能

随转子电源的频率变化而变化，负载变化时，只要在电机的过载能力允许范围内，电

机的转速不发生变化。

双馈电机目前主要有两种：有刷双馈电机和无刷双馈电机“”。

有刷双馈电机在定子和转子上各有一套绕组，在工作时，定子绕组与工频电网相联，承担电机大部分的功率转换，转予绕组则通过电力电子变换器（通常是变频电源）

与电网联接。其定子绕组电源固定，转子绕组的输入信号的大小、频率、相位均可调，

由循环变流器控制调节．从而实现转速调节及功率因素调节，也就是有功和无功调节。

其结构如图２．１ａ所示。

（ａ）有刷双馈电机结构简图

工频

（ｂ）无届４双馈电机结构简图

图２．１双馈电机结构图

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∞；目＿＿Ｉ＿ｇ。＝≈＝；＝；自＝≈＝；；目＝｛≈自＝＝∞＃目－目＿无刷双馈电机的两套绕组都放在定子上，转子无绕组，结构图如图２．１ｂ所示。其

基本结构为一个定子，一个转子，一套公共磁路…１。定子绕组有两套对应不同极对

数的出线端，一套出线端接工频三相对称电源作为功率绕组（尸Ｐ对极），另一套接到

变频器作为控制绕组（Ｐｃ对极）。在两种极对数确定的情况下，通过改变与控制绕组

相连的变频器的输出来调节转速．实现无级调速，调速的范围与极对数和两套电源的

输出频率有关。定子绕组不同极对数之和。即（ＰＰ＋Ｐｃ）与电机的转速关系为：

疗＝糕ｘ６０∥ｍｉｎ，｛２－－１）

式中，二、工分别为工频和变频电源的频率；分子中的正负号由控制电源与功率电

源的相序关系确定，相序相同时为“＋”，相反时为“一”。该电机的运行条件是：（１）

由功率绕组和控制绕组产生的磁场在转子导条中分别感应的电流的频率应相等；（２）

以上２种电流各自在相邻转子导条中的相位移应相等或相差３６０。的整数倍。这样２

套定子绕组才能通过转子相互作用。其笼型转子绕组同时耦合着具有不同极数的２套

定子绕组，在电机中起着“极数转换器”的作用。电机稳定运行时，主、副绕组中分

别流过不周频率的三相对称电流，因此，将会有不同极数、不同转速的２个旋转磁场

同时共存于同一电机中，在它们的作用下，主、副绕组中将分别产生与本绕组中电流

同频率的互感电动势（旋转电动势），即主绕组中频率为＾的定予电流‘通过转子的磁

耦合作用会在副绕组中产生与副绕组中电流岛同频率（７主）的运动电动势。同理，副绕组

的电流将在主绕组中产生频率为石的运动电动势，从而产生机电能量转换。

由于目前我国仍有大量绕线式电机，只需稍加改造即可成为有刷双馈电机，加上

我国现在对于双馈电机的研究还刚刚起步，所以本文主要仍是对有刷双馈交流励磁电

动机的研究。

２．２ａ－ｂ．ｃ三相坐标系中的数学模型

有刷双馈电机在结构上与绕线型感应电动机相同，因此可以从绕线型感应电机知

道双馈电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究双馈电机的数学模型

时作如下的假设［１２１

①电机是～台极对数为１的绕线式感应电机，且电机没有阻尼绕组?

②设三相绕组对称（在空间上互差１２０。的电角度），所产生的磁势沿气隙圆周按正弦规律分布。

③忽略磁路的饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的?

④忽略铁心损耗的影响。

⑤不考虑频率和温度对绕组电阻的影响。

图２．２双馈电机的物理模型

由此，我们可以得到如图２．２所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线ａｓ、ｂ。、Ｃ。在空间上是固定的，以ａｓ轴为坐标参考轴，转子绕组轴线ａｒ、ｂ，、Ｃ。随转子旋转，转子ａｆ轴和定子ａｓ轴间的电角度０为空间角位移变量。电流和磁链的正方向符合右手螺旋法则，回路两端的电压正方向与电流正方向符合电动机的惯例。定子、转子绕组分别连接成星形，定子、转子各相绕组的电阻分别相等，即

ｒ。Ｆｂ严ｒ。尸ｈ（２—２）

ｒ一％ｉｒ严ｈ

（２—３］这样在实际的ａ－ｂ－ｃ三相坐标系下，我们可以得到电机的数学模型，并将三相转子绕组折算到定子侧后有下面的方程。

电压方程式：

『一各绕组端电压；

Ｐ一各绕组电流；

旷一各绕组合成磁链：

ｒ一各绕组电阻：厂微分算子丢；下标广定子侧参数：下标ｒ一转子侧参数。磁链方程式：＿ｌｆ，出矿ｂ矿廿Ｖｄｒ∥打

ｙ盯００

０００００ｒ．０

＋ｐ巨

（２—４）（２—５）其中，对角线元素三。甜、￡缸ｂ、三。。Ｌ。。Ｌｂ，６，、Ｌ。。是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。，其中

Ｌｍ∞ＦＬｂｓｈ＝Ｌｃｓ。＝Ｌ。寸Ｌｂ（２－－６）

上。ａｒ＝Ｌｈｂｒ＝Ｌ。ｃ，吒ｗ斗￡ｐ（２—７）

．协，协：妇．妒：∽．ＯＯ

０

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０％％缸盼跏如

．ｋ．ｋ．ｋ．ｏ．‰．ｏ

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矿盯如如％“加“打

打

打打打¨如如如ｂ“如＂酊Ⅳ甜甜盯如如如如““曲Ⅱ订付出甜“缸如“知ｂ打加．苦．穹ｈ．苦缸ｋ如知““甜田田甜甜甜““如“知如

三。广定子互感：

￡“一定子漏感；

上。厂一转予互感；

工ｆ，＿一转子漏感。

由于三相绕组轴线在空间的相位差是±＿２＿Ｒ＂，在假定气隙磁通为正统分布的条件下，互感值为

ｋｃ。ｓ等＝Ｌｍ，ＣＯＳ（一争一三ｋＱｑ’所以：

三ｍ。：ｋ。＝￡…＝ｋ。＝￡。ｋ＝三一一Ｌ，Ｌ。（２—９）

三。６，＝三¨＝工。。＝ｏ。；工Ⅲ，＝三一，＝一吉厶，（２—１０）又由于定子任一相与转子任一相间的位置是变化的，互感是角位移０的函数，所

以

￡…；￡…＝‰，＝‰：＝三…，＝三。。＝三＝ｃｏｓ０（２一１１）

Ｌｍ：ｋ。：ｋ广上。。＝ｋ。＝ｋ。＝Ｌ＝ｃｏｓ（０＋等）（２叫２）

ｋ。：ｋ。：ｋ。：ｋ。＝ｋ。＝ｋ。＝Ｌ，。ｃｏｓ（ａ一等）（２一１３）可以看出定转子间互感与转子位置０有关是系统非线性的一个根源ｍ３。为了把参数转换成常参数需要利用坐标变换，这个问题将于下面讨论。

转矩方程式：

ｔ：咿』。。峨屯，屹∽ｓｉｎｐ＋（ｉ“，＋ｉｂ。ｉ。，＋ｉｃｆｉ．，）ｓｉｎ（¨等）

＋（ｉａ，ｉｃｒ＋ｋｆ。＋ｊ。０）ｓｉｎ（ｐ一习２／ｌ（２—１４）

巧一电磁转矩。

＂厂电机极对数。

ｉ４

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一＿＃＝目＝≈ｌ＝口＝ｌ＝≈；＝＝≈＝；；４ｌ＿＿日＿ｊ目＝ｌ｝；＿＿｝｝＿目‘≈

运动方程式：

正＝瓦十孝警Ｑ１５）

死一负载转矩：

卜转动惯量。

以上各式构成了双馈电动机瞬态和稳态特性所需的全部方程式，也就是交流励磁

电动机的数学模型。

２．３矢量变换技术

由于电感矩阵异常复杂，影响磁链和受磁链影响的因素太多，所以对于ａ－ｂ．ｃ三

相坐标下的交流励磁电机数学模型不说，要分析和求解这组非线性方程显然是十分困

难的。因此，为了要简化数学模型，必须从简化磁链的关系着手Ｈ４］。

对于直流电机而言，它的数学模型比较，如图２．３所示为二极直流电机的物理模型，图中Ｆ为励磁绕组，Ａ为电枢绕组，ｃ为补偿绕组。Ｆ和Ｃ都在定子上，只有Ａ

在转子上。把Ｆ的轴线称作直轴或ｄ轴，主磁通妒的方向就在ｄ轴上；Ａ和ｃ的轴线

则称为交轴或ｑ轴。虽然电枢本身是旋转的。但其绕组通过换向器电刷接到端接板上，

电刷将闭合的电枢绕组分成两条支路，一条支路的导线经过正电刷后归入另一条支路

中去，在负电刷下又有一条导线补回来。这样，每条支路中导线的电流方向永远是相

同的，因此，电枢磁势的轴线始终被电刷限定在ｑ轴位置上，好像一个在ｑ轴上静止

绕组的效果一样。但它实际上是旋转的，会切割ｄ轴的磁通而产生旋转电势，这又和

真正的静止绕组不～样，通常把这种等效的静止绕组叫做“伪静止绕组”。电枢磁势

的作用可以用补偿绕组磁势抵消，或者由于其作用方向与ｄ轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上难一地由励磁电流决定，这是直流电机的数学模型

及控制系统比较简单的根本原因。

如果能将交流励磁电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控

制问题就可以大为简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模型

彼此等效的原则是在不同坐标系下所产生的磁势完全一致。．

为了控制转子电压的幅值、频率和相位，实现对双馈电机的转速、有功和无功的

控制，我们一般采用矢量控制技术，而矢量控制技术的基础就是坐标变换。其方法是

通过一定的坐标变换，将在ａ－ｂ．ｃ相坐标系下的带有耦合性的非线性方程变为解耦的方程，最后得到与三相异步电动机等效的直流电机模型，从而达到控制电机简单明确的目的。

ＪＬｑ

六ｊ＝＼：、ｏＬ、Ｆｍ８

＼／…～

ｋ口—＿＇

；ｃ

图２．３二极直流电机的物理模型

本文所做变换是三相静止坐标系ａ－ｂ．ｃ坐标系与两相旋转坐标系Ｍ—Ｔ坐标系之间的变换。其中，Ｍ轴与电机中定子总磁链方向一致，此时转予磁链与Ｍ轴ｎ５３。这是因为在双馈电机中，转予方为受控对象，且转速是变化的，并且考虑到只要控制转子侧的量就可以调节电机定子侧的量，所以选择Ｍ－Ｔ同步坐标系，并建立其数学模型?坐标系间关系如图２．４所示。

弋≯

ｋ忒

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Ｃ＿，

１６

华中科技大学硕士学位论文＿｜＿目Ｉ＿＿＿目＃目自＝＃目ｌ；；自≈＿＿目＝目目４目；目

图２．４Ｍ－Ｔ坐标系

臼。—Ｍ－Ｔ旋转坐标系Ｍ轴和定子ａｓ相的夹角；

良一Ｍ－Ｔ旋转坐标系Ｍ轴和转子ａｒ相的夹角；

故可得定子三相变换到Ｍ．Ｔ坐标系的变换矩阵：

『ｃｏｓ幺

ｄｃⅢ¨脚＝１／÷『＿ｓｉｎＯ．，。３１１ｌ疆ｃ。ｓ（见一＿２ｘ）ｊ“ｎ（只一马ｊ１４２％。…屯字

２．４Ｍ．丁坐标系中的数学模型

ｃ。ｓ（见＋＿２ｎ＂）一ｓｉｎ（０，＋＿２ｘ）ｊｌ

√２

（２～】６）（２—１７）在Ｍ．Ｔ坐标系中，可以把电流中的有效转矩分量和磁通分量分离成独立的两个变量，便于实现对转矩和磁通的有效控制，改进传动系统中异步电机的控制特性。要实现ａ－ｂ．ｃ坐标系向Ｍ．Ｔ坐标系的变换，可以利用（２－－１６）和（２－－１７）式所示的变换矩阵得到双馈交流励磁电动机在Ｍ．Ｔ坐标系下的方程，分别为：

』“ｍｓ＝‘ｏ＋ｐ杪舢一妒“‘ＣＯｏ（２～１８）【Ｕ“。ｒ，ｉｂ＋ｐｇｔ“＋妒。ｓ’ＣＯｏ

』甜ｍ，２，，‘，＋ｐｇｚ—ｒ—ｙ一。（‰～ｑ）（２－－１９）

＼Ｈ，＝ｏｉ，＋ｐ妒ｐ＋ｙ。，?（ｃｏｏ一∞ｒ）电磁转矩为：

Ｔ｜＝一ｎ秽｜ｒｉ，（２－－２０）

卜。¨ｍ峨‘＿（２－－２１）ｌｙ。＝ｔ?ｉ。＋Ｌ。‘０

纷，纷，＋＋｝１２ｍ蛳上压｛宝．专｝

永磁同步电机矢量控制简要原理

关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。

原理框图如下：基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM

浅析交流伺服电机的矢量控制

浅析交流伺服电机的矢量控制伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）关于交流电机的矢量控制技术，有很多论文与各种文章介绍。但多用难解的公式与坐标来记述，如果没有扎实的数学和控制等理论基础的话，相信大家有同感比较难理解。日笃君尽量用简单易懂的图解与计算来聊聊电机的构造，静止坐标与旋转坐标的变化，矢量控制，伺服控制等电机驱动技术。在聊控制之前，为了更好理解控制，我们先来看看电机的构造。实时应用的电机构造很复杂，但可以简单的理解成：电机由装在里面的转子与装在外面的定子构成（也有相反的电机），转子里面一般放入永久磁石，定子里面一般缠绕铜线。然后在中间插入中轴来带动驱动物体。电机技术经过百年的发展，形成了如上的各种分类。电机上使用的磁石属于稀有金属，产量主要分布在中国，近年由于稀土材料的价格高腾，工业界正在积极研究如何减少稀土的使用量，保持性能的同时降低产品成本，是企业也更是工程师永远的课题。如今实际应用中，同步电机得到广泛的采用。同步电机又以磁石所装入的部位，主要分类为SPM（表面磁石）和IPM（内部磁石）： SPM电机由于控制简单，早起被工业界所采用，但是这种电机由于磁石装在转子的表面，所以可以利用的动力主要来源于自身的表面磁石。 IPM电机由于可以利用磁石与磁石周围励磁的动力，产生高密度的能量，而且可以通过构造的工夫减少稀土的使用量，所以今年得到更广泛的应用。下面进入正题，聊聊交流电机的控制问题。

同步发电机励磁自动控制系统练习参考答案

一、名词解释 1．励磁系统答：与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。 2．发电机外特性答：同步发电机的无功电流与端电压的关系特性。 3．励磁方式答：供给同步发电机励磁电源的方式。 4．无刷励磁系统答：励磁系统的整流器为旋转工作状态，取消了转子滑环后，无滑动接触元件的励磁系统。 5．励磁调节方式答：调节同步发电机励磁电流的方式。 6．自并励励磁方式答：励磁电源直接取自于发电机端电压的励磁方式。 7．励磁调节器的静态工作特性答：励磁调节器输出的励磁电流（电压）与发电机端电压之间的关系特性。 8.发电机调节特性答：发电机在不同电压值时，发电机励磁电流IE与无功负荷的关系特性。 9．调差系数答：表示无功负荷电流从零变至额定值时，发电机端电压的相对变化。 10．正调差特性答：发电机外特性下倾，当无功电流增大时，发电机的端电压随之降低的外特性。11．负调差特性答：发电机外特性上翘，当无功电流增大时，发电机的端电压随之升高的外特性。12．无差特性答：发电机外特性呈水平．当无功电流增大时，发电机的端电压不随之变化的外特性。

13．强励答：电力系统短路故障母线电压降低时，为提高电力系统的稳定性，迅速将发电机励磁增加到最大值。二、单项选择题 1．对单独运行的同步发电机，励磁调节的作用是( A ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．保持机端电压恒定和调节发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 2．对与系统并联运行的同步发电机，励磁调节的作用是( B ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．调节机端电压和发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 3．当同步发电机与无穷大系统并列运行时，若保持发电机输出的有功 PG = EGUG sinδ为常数，则调节励磁电流时，有( B )等于常数。 X d A．U G sinδ； B．E Gsinδ； C．1 X d ?sinδ； D．sinδ。 4．同步发电机励磁自动调节的作用不包括( C )。 A．电力系统正常运行时，维持发电机或系统的某点电压水平； B．合理分配机组间的无功负荷； C．合理分配机组间的有功负荷； D．提高系统的动态稳定。 5．并列运行的发电机装上自动励磁调节器后，能稳定分配机组间的( A )。A．无功负荷；

异步电动机矢量控制系统的仿真

异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。图1矢量变换控制系统仿真原理图如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。（1）（2）（3）（4）

（5）上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，和ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。图2 电流控制变频模型图整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接和实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、

同步电动机的起动

同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX BY CZ三个在空间错开120分布的线圈代表三相对称交流绕组。 —OO + ―-定子铁心』2—转子* 3—滑环F 4—电刷"5—磁力线图1.1同步电机结构模型 1.1工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主

磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E o =4.44fN 感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即 f=p n/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 1.2同步转速同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min ，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间

永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)

第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。

感应电机矢量控制系统的仿真

《运动控制系统》课程设计学院：班级：姓名：学号：日期：成绩：

感应电机矢量控制系统的仿真摘要：本文先分析了异步电机的数学模型和坐标变换以及矢量控制基本原理，然后利用Matlab /Simulink软件进行感应电机的矢量控制系统的仿真。采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器，再进行功能模块的有机整合，构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明了该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强，验证了交流电机矢量控制的可行性和有效性。关键词：异步电机；坐标变换；矢量控制；Simulink仿真一、异步电机的动态数学模型和坐标变换异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，异步电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。电压方程：礠链方程：转矩方程：运动方程：异步电机的数学模型比较复杂，坐标变换的目的就是要简化数学模型。异步电机数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的，如果把它变换到两相坐标系上，由于两相坐标轴互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，仅此一点，就会使数学模型简单了许多。（1）三相--两相变换（3/2变换）在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。（2）两相—两相旋转变换（2s/2r变换）从两相静止坐标系到两相旋转坐标系 M、T 变换称作两相—两相旋转变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。

同步电动机经常出现的故障及原因分析

同步电动机经常出现的故障及原因分析经常发现的故障现象有:①定子铁芯松动，运行中噪声大。②定子绕阻端部绑线崩断，绝缘蹭坏，连接处开焊，导线在槽口处端点断裂引起短路。③转子励磁绕组接头处产生裂纹、开焊绝缘局部烧焦。④转子线圈绝缘损伤，起动绕组笼条断裂。⑤转子磁极的燕尾楔松动、退出。⑥电刷滑环松动，风叶断裂等故障。以上故障现象有的出现在同步电动机仅运行2—3年内，甚至半年内。一般认为是电动机制造质量问题。但许多电机制造厂，虽对制造工艺中的关键部位加强措施，但没有明显效果，故障现象仍然屡屡发生。通过对同步电动机及励磁装置运行数据进行数理统计分析，对电动机起动，投励运行中的各种典型状态波形摄片，研究分析表明，同步电动机出现上述故障，不是制造问题，而是传统励磁技术存在缺陷。 2 传统励磁技术存在的缺陷 2.1 励磁装置起动回路及环节设计不合理同步电动机励磁装置主回路中的主桥分为:全控桥式和半控桥式，下面分别以这两种方式分析。 ①半控桥式励磁装置:由三只大功率晶闸管和一只大功率二极管组成，如图1所示。电动机在起动过程中，存在滑差，在转子线圈内将感应-交变电势，其正半波通过ZQ形成回路，产生+if，其负半波则通过KQ，RF形成回路，产生-if，如图2所示，由于回路不对称，则形成的-if与+if也不对称，致使定子电流强烈脉动，波形如图3所示。使电动机因此而强烈振动，直到起动结束才消失。 ②全控桥工励磁装置:由6只大功率晶闸管组成，如图4所示。

在起动过程中，随着滑差减小，当转速达到50%以上时，励磁感应电流负半波通路时通时断，同样形成+if与-if电流不对称从而形成脉振转矩，造成电动机强烈振动。 ③投励时“转子位置角”不合理。无论是全控桥还是半控桥，电动机起动过程投励时，都产生沉闷的冲击，这种冲击，同样会造成电机损害，这是“转子位置角”不合理所致。以上所出现的脉振、投励时的冲击，并不一定一次性使电机损坏，但每次起动都会使电机产生疲劳，造成电机内部损害，积而久之，必然造成电机内部故障。 2.2 将GL型反时限继电器兼做失步保护传流动磁装置将GL型继电器兼做失步保护，当电机失步时，它不能动作(如带风机类负载)或不及时动作(如带往复式压缩机类负载)，使电动机或励磁装置损坏。 ①失励失步:是指同步电动机励磁绕组失去直流励磁或严重欠励磁，使同步电动机失去静态稳定，滑出同步，此时丢转不明显，负载基本不变，定子电流过流不大，电机无异常声音，GL型继电器往往拒动或动作时限加长，且失励失步值班人员-不易发现，待电动机冒烟时，已失步较长时间，已造成了电机或励磁装置损害。但不一定当场损坏电机，而是造成电机内部暗伤，经常出现电机冒烟后，停机检查又查不出毛病，电机还可以再投入运行。

异步电机的矢量控制系统

电力拖动课程结题报告题目：异步电机的矢量控制系统班级：K0312417 姓名：罗开元学号：K031241723 老师：郎建勋老师 2015年 6月 22 日

前言异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。七十年代初期，西门子公司的F .Blashke 和W .Flotor 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink 中SimPowerSystems 模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的 VC 原理 1.1 坐标变换坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电机A i 、B i 、C i ，通过3/2变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 α i 和 β i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 d i 和q i 。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l 。从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链

5发电机自并励励磁自动控制系统设计()

作者：Pan Hon glia ng 仅供个人学习辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）题目：发电机自并励励磁自动控制系统设计（1）院（系）：电气工程学院专业班级：电气XXX _________ 学号：_xxx _______________ 学生姓名： ___________________ 指导教师： ___________________ 起止时间：2013.12.16 —12.29

课程设计（论文）报告地内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版,单面打印，并装订成册，内容包括： ①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等） ②设计（论文）任务及评语 ③中文摘要（黑体小二，居中，不少于200字） ④目录 ⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） ⑥参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数. 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 ①标题“目录”（小二号、黑体、居中） 6、正文格式 ①页边距：上2.5cm,下2.5cm,左3cm,右2.5cm,页眉1.5cm,页脚1.75cm,左侧装订； ②字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字小四号字、宋体； ③行距：20磅行距； ④页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 ①标题：“参考文献”，小二，黑体,居中. ②示例：（五号宋体）期刊类：［序号］作者1,作者2, ... 作者n.文章名.期刊名（版本）.岀版年，卷次（期次）：页次. 图书类：［序号］作者1,作者2,……作者n.书名.版本.岀版地：岀版社,岀版年：页次.

(完整版)同步电动机励磁柜原理

励磁柜介绍一些同步电动机励磁柜的基本知识，希望大家能了解并多交流一下同步电动机励磁柜的基本知识。一.KJLF11 具有以下特点： 1.转子励磁采用三相全控整流固接励磁线路； 2.与同步电动机定子回路没有直接的电气联系；3.实现了按同步电动机转子滑差，顺极性自动投励。按到达亚同步转速（95%）时投入励磁，使同步电动机拖入同步运行； 4.具有电压负反馈自动保持恒定励磁； 5.起动与停车时自动灭磁，并在同步电动机异步运行时具有灭磁保护； 6.可以手动调节励磁电流，电压进行功率因数调整，整流电压可以从额定值的10%至125%连续调节；7.交流输入电源与同步电动机定子回路来自同一段母线；8.同步电动机正常停车5 秒钟之内，本设备整流电路和触发电路的同步电源不容许断电；9.灭磁电阻RFD1 和RFD2 的阻值为所配的转子励磁绕组直流电阻的 5 倍，其长期容许电流为同步电动机额定励磁电流的15%；10.当同步机矢步运行时，可以发出矢步信号，用于报警或跳闸；11.输入电源为380V. 二.保护电路：（1）.过压保护：1.同步电动机异步运行时，转子感应过电压由灭磁环节将放电电阻RFD1-2 接入，消除开路过电压。 2.主电路可控硅元件的换向过电压由并接于元件两端的阻容电路吸收。（RC4-9) 3.整流变压器一次侧分，合闸引起的操作过电压由RC1-3 组成的阻容吸收装置来抑制。4.为使同相两桥臂上可控硅元件合理的分担自直流侧的过电压，设置了R10-15 均压电阻来保护。（2）过电流保护： 1.与可控硅串联的快速熔断器是作为直流侧短路保护用，快熔熔断时，保护环节可发出声响报警信号，跳开同步电动机定子侧电源开关，切断励磁。 2.短路电流发生在整流变压器二次侧时，其一次侧空气开关脱扣器顺动，切断电源。 3.直流侧过负荷时，空气开关脱扣器或热继电器动作。但整定值应保证强励磁30 秒内不动作。三. 励磁线路各环节的工作电压均由同步电源变压器供给，其工作原理如下：同步电动机起动过程中，灭磁环节工作，使转子感应交变电流两半波都通过放电电阻，保证电机的正常起动。起动过程中，整流电路可控硅处于阻断状态，当电

同步电动机励磁系统常见故障分析

同步电动机励磁系统常见故障分析作者：陆业志本文结合KGLF11型励磁装置，对其在运行中的常见故障进行分析。 1 常见故障分析 (1)开机时调节6W，励磁电流电压无输出。原因分析：励磁电流电压无输出，肯定是晶闸管无触发脉冲信号，而六组脉冲电路同时无触发脉冲很可能是移相插件接触不良，或者同步电源变压器4T损坏，造成没有移相给定电压加到六组脉冲电路的1V1基极回路上，从而六组脉冲电路无脉冲输出导致晶闸管不导通。 (2)励磁电压高而励磁电流偏低。原因分析：这是个别触发脉冲消失或是个别晶闸管损坏的缘故。个别触发脉冲消失可能是脉冲插件接触不良。另外图1中三极管1V1、单极晶体管2VU及小晶闸管9VT损坏，或者是电容2C严重漏电或开路。如果主回路中晶闸管1VT～6VT中有某一个开路或是触发极失灵，同样会导致输出励磁电流偏低的现象。 (3)合励磁电路主开关时，励磁电流即有输出。原因分析：这是由于图1所示脉冲电路中的三极管1V1集电极-发射极之间漏电，即使移相电路还未送来正确的控制电压，也会导致1C充电到2VU导通的程度。2VU即输出触发使小晶闸管9VT导通，2C经9VT放电而发出脉冲令1VT、3VT、6VT之一触发导通，使转子励磁电路中流过直流电流。 (4)同步电动机起动时，励磁不能自行投入。原因分析：励磁不能自行投入。肯定是自动投励通道电路中断或工作不正常，因此可能是投励插件与插座间接触不良，或是图2所示投励电路中的三极管3V1、单结晶体管4VU工作不正常，电容5C漏电、电位器W′损坏。另外是移相插件同样有接触不良现象，或者是图3所示移相电路的小晶闸管10VT损坏等等。 (5)运行过程中励磁电流电压上下波动。原因分析：引起励磁电流电压输出不稳的原因很多，主要有1)脉冲插件可能存在接触不良，造成个别触发脉冲时有时无。2)图1所示脉冲电路的电位器4W松动，使三极管1V1电流负反馈发生变化，造成放大器工作点不稳定，从而影响晶闸管主回路输出的稳定性。另外，如果电容2C漏电或单结晶体管2VU及三极管1V1性能不良，也会引起触发脉冲相位移动。3)图3所示移相电路的电位器6W松动或接触不良，将会使移相控制电压Ed间歇性消失，引起励磁电流电压输出大幅度波动。另外，如果稳压管7VS、8VS损坏，都会使Ey随电网电压波动而波动，使Ed输出波动，造成晶闸管主回路直流输出不稳。 (6)励磁装置输出电压调不到零位。

发电机自并励励磁自动控制系统方案

辽宁工业大学电力系统自动化课程设计<论文）题目：发电机自并励励磁自动控制系统设计<4）院<系）：电气项目学院专业班级：电气085 学号：学生姓名：指导教师：<签字）起止时间：2018.12.26—2018.01.06

课程设计<论文）任务及评语院<系）：电气项目学院教研室：电气项目及其自动化注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要

同步发电机励磁控制系统承担着调节发电机输出电压、保障同步发电机稳定运行的重要责任。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，为电网提供合格的电能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。要实现这个目的，就必须根据负载的大小和性质随时调节发电机的励磁电流。本文采用自励系统中接线最简单的自并励励磁系统，针对同步发电机论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原理和实现方法，提出了基于AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计思路，对于所设计的单片机最小系统经过经济性与技术性的比较后，选用了按键电平复位电路和内部时钟电路，并在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。最后又对整个系统进行了MATLAB仿真，以用来对比运用算法所得结果与仿真所得结果是否在误差允许范围内。关键词：自并励励磁自动控制系统；AT89C51单片机；MATLAB仿真目录第1章绪论1 1.1励磁控制系统简况1 1.2本文主要内容1 第2章发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计3 2.1发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案3 2.2单片机最小系统设计3 2.3发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计6 2.4直流稳压电源电路设计7 第3章自并励励磁控制系统软件设计10 3.1软件实现功能总述10 3.2流程图设计10 3.3程序清单12 第4章 MATLAB建模仿真分析13 4.1M ATLAB软件简介13 4.2系统仿真模型的设计13 第5章课程设计总结16

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步

电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。

图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：

基于Matlab的交流电机矢量控制系统仿真..

基于MATLAB交流异步电机矢量控制系统建模与仿真摘要：在分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上,利用MATLAB，采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器,再进行功能模块的有机整合,构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强,验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。关键词：交流异步电机，矢量控制，MATLAB 一、引言交流电动机由于动态数学模型的复杂性，其静态和动态性能并不是很理想。因此在上世纪前期需要调速的场合下采用的都是直流电动机，但是直流电动机结构上存在着自身难以克服的缺点，导致人们对交流调速越来越重视。从最初的恒压频比控制到现在的直接转矩控制和矢量控制，性能越来越优良，甚至可以和直流电机的性能相媲美。本文研究交流异步电机矢量控制调速系统的建模与仿真。利用MATLAB中的电气系统模块构建异步电机矢量控制仿真模型,并对其动、静态性能进行仿真试验。仿真试验结果验证了矢量控制方法的有效性、可行性。二、交流异步电机的矢量控制原理矢量控制基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量，转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量,分别实现对电机磁通和转矩的控制,然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机,实现了像直流电机那样独立控制磁通和转矩的目的。由于交流异步电机在A-B-C坐标系下的数学模型比较复杂,需要通过两次坐标变换来简化交流异步电机的数学模型。一次是三相静止坐标系和两相静止坐标系

励磁自动控制系统稳定性分析

励磁自动控制系统稳定性分析摘要：本文发电机励磁自动控制系统特性进行了分析与计算，并分析系统的稳定性、稳态误差。关键词：同步发电机，励磁系统，稳定性 1 序言：众所周知，在发电机出力变化和系统故障情况下，励磁系统调节有维持发电机机端电压稳定、保证机组间无功功率的合理分配、维持电力系统的稳定性、提高继电保护动作的灵敏性等重大作用，是砺磁控制系统的核心。同步发电机励磁自动控制系统是一个反馈自动控制系统。一个自动控制系统首先应该是稳定的，这是该系统能够运行的前提；其次应该具有良好的静态和动态特性。发电机励磁自动控制系统的传递函数图1 同步发电机自并励励磁自动控制系统的传递函数框图 2同步发电机励磁自动控制系统特性的分析： 2.1 线性化分析励磁自动控制系统的特性可以使用古典控制理论，也可以便用现代控制理论。这些理论通常只适用于线性自动控制系统．对非线性系统是不适用的。而

发电机励磁控制系统一般都有非线性环节。上图就是一个非线性系统，这就需要进行线性处理。线性处理时．首先要确定在那—点线性化，也就是首先要确定系统各环节的定态工作点，然后假定在整个运行过程中各环节的输入量和输出量在定态工作点附近变化的绝对值一直保持很小。这样就可以把本来是非线性的环节近似地当成线性环行对待。分析发电机励磁自动控制系统,一般假定发电机在空载额定状态(即发电机空载额定转速、额定定于电压)运行时各环节对应的输入、输出为定态工作点，而且励磁系统的输入信号Ugd只有很小变化。同时考虑到发电机空载运行时励磁电流较小。可控硅整流电路的换相电抗压降不大，也可忽略。这样图1可以简化成下图图2所示：图2 线性化的同步发电机自并励励磁系统传递函数框图 2.2 稳定性分析分析励磁自动控制系统的稳定性可以使用古典控制理论和现代控制理论介绍的方法。本文采用劳斯判据判定图2系统分析稳定性的方法。用劳斯判据判定系统稳定性时，首先求出系统的特性方程，然后根据特性方程列出劳斯表。如果表中第一列元素的值都是正的，则系统是稳定的．否则就是不稳定。对于图2 所示系统，闭环传递函数由1／(1+T 2S）和它右边的闭环组成。由于1／(1+T 2 S）构成系统的—个固定闭环极点，共值为1／T 2 ，且在复数平面的左半侧，所以只要1／(1+T 2 S）右边的闭环系统是稳定的，系统就是稳定的。这样，判断图2所示系统的稳定性只要判断1／(1+T 2 S）右边的闭环系统(以下称小闭环)是否稳定就可以了。小闭环的前向传递函数G(S)、反馈传递函数H(S)和闭环传递函数小 G B (S)分别

同步发电机怎么励磁

无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。曾经风靡过一段时间，但是由于整流管坏了就得停机，所以现在已经用的很少了，基本都采用自复励系统。同步发电机励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1.直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 2.静止励磁器励磁同一轴上有3台发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 3.旋转整流器励磁静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到了数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。用于这种励磁系统取消了集电环和集电装置，故又称为无刷励磁系统。

永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真

永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。 1 永磁同步电机的数学模型 1.1 永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。 1.2 坐标变换

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理本文主要利用电机矢量控制系统原理，提出了一种异步电机矢量控制系统及其控制策略总体设计方案，采用Simulink工具构建了矢量变频调速系统数学模型，详细介绍了各个子模块的构建方法和功能。通过仿真可得系统的动态及稳态性能，表明系统具有较高的响应能力和鲁棒性，为矢量控制技术提供了一种前期检验方法和研究手段。 0引言异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法，由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性，在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。本文以双闭环矢量控制系统为研究对象，在Simu-link中进行仿真来验证控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性，从而证实了本设计方案的可行性。 1矢量控制原理矢量控制系统，简称VC系统，坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流，等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与直流调速系统接近的动、静态性能。矢量控制中矢量变换包括三相-两相变换和同步旋转变换，将d轴沿着转子总磁链矢量φr的方向称为M轴，将q轴逆时针转90°，即垂直于矢量φr的方向称为T轴，经过变换电压-电流方程改写为式（1），磁链方程为式（2）：

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双馈交流励磁电动机的矢量控制系统研究

永磁同步电机矢量控制简要原理

浅析交流伺服电机的矢量控制

同步发电机励磁自动控制系统练习参考答案

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