双馈电动机基于MATLAB的建模与仿真

2.1.1 坐标变换的基本思路........................................... 8 2.1.2 三相-两相变换(3/2 变换) ...................................... 9 2.1.3 两相-两相旋转变换(2s/2r 变换) ............................... 12 2.1.4 直角坐标-极坐标变换(K/P 变换) ............................... 13 2.2 双馈电动机的数学模型 ........................................... 14 2.2.1 双馈电动机的多变量非线性数学模型............................ 14 2.2.2 双馈电机在两相坐标系上的数学模型............................ 17 2.3 矢量控制系统的基本思路 ......................................... 21 2.3.1 坐标转换结构图.............................................. 21 2.3.2 矢量控制系统................................................ 22 3 双馈电机性能的仿真分析 ............................................ 24 3.1 功率流程看双馈电机调速 ......................................... 24 3.2 双馈电机仿真计算的数学模型 ..................................... 25 4 双馈电机矢量控制系统及仿真 ........................................ 26 4.1 双馈电机转子电流定向 ........................................... 26 4.2 双馈电机的定子磁场定向 ......................................... 26
双馈电机作电动机运行可以在不同负载下灵活的调节无功功率和转速，调速范 围广，显著提高传统系统的效率，有很好的节能效果。
双馈电机不仅可以变速恒频恒压发电，而且可以大量调节无功功率，因此在电力 工业中得到广泛应用。[1]
1.1 双馈电机的技术优势[2]
双馈电机励磁的可调量有 3 个。一是与同步机一样，可调节励磁幅值；二是可改 变励磁频率；三是可改变励磁相位。这说明双馈电机的励磁比同步电机多了两个可调 量，有明显的技术优势。
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电网功率因数。 在现在交流调速系统中，双馈电机采用定子磁场定向矢量控制，可快速控制电机
输出转矩和转速，并可四象限运动，具有良好动态性能，因而可应用于调速精度较高 的场合。
1.1.2 在电力工业中的应用优势
在电力工业中，双馈发电机可大量地吸收和发出无功功率，为系统无功功率和电 压调节提供有效的手段，并可以提高电力系统运行的稳定性。现在电力系统的发展趋 势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，为提高输电效益，输出电压等级提高。 此外电网负荷变化率越来越大，在夜间，电网传输有功功率低于其自然功率时，出现 过剩无功功率，引起工频过电压、危及系统安全运行和增加线路损耗，目前电力系统 中调节电网无功功率和电压主要依靠电容器、电抗器、调相机、静止补偿等装置或要 求发电机进相运行。这些措施增加了投资并且存在一定的技术上和经济上的缺陷。而 双馈发电机通过调节转子励磁相位，可是电机吸收和发出大量无功功率。
1.3 需解决的技术问题[4]
双馈电机调速系统无论是在超同步还是在次同步的工作状态都具有良好的稳定 性能,可以在同步转速附近任意调速,双馈电机的转速只与转子侧变频器输出电压或 电流的频率有关,与电机所拖动的负载无关,因此对负载的波动具有一定的抗干扰能
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力。同时由于变频器与双馈电机转子侧相连,通过变频器的转差能量只是被控能量的 一部分,所以在调速范围不宽的情况下,与定子侧变频相比,可以使变频器容量大为 减小,具有很好的经济价值。正因为双馈电机有上述诸多优点,它的应用前景非常广 阔,成为众多研究人士关注的焦点,但要使其尽快投入实际工业应用的过程中仍存在 不少亟待解决的问题：
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4.3 实现磁场定向后，双馈电机内部各变量之间的关系 ................... 27 4.4 双馈电机转子电流定向矢量控制调速系统的实现及仿真 ............... 28
4.4.1 双馈电机转子定向矢量控制调速系统的实现 ...................... 28 4.4.2 双馈电机矢量控制调速系统的仿真.............................. 32 5 结论 .............................................................. 35 参考文献 ............................................................. 36
1.1.1 在现代交流调速系统中应用的优势 在现代交流调速系统中，双馈电机可无级高效地调速，而且系统成本低，投资少。 双馈调速时，转子电路的可调功率为滑差功率，如调速范围在 30%左右时，交流励磁 的变频装置容量仅为电机功率的 15%—30%。另外，在中大型交流调速系统中，双馈 电机的定子绕组直接接 3kV、6kV、10kV 的工频电网，而转子绕组可设计为低压，这 样可采用低压变频装置，因而可大大降低变频装置成本，使变频调速技术应用成为现 实，并提高运行可靠性。如容量为 9000kW、同步转速为 1500r/min、调速范围为 30% 的双馈电机调速系统的价格以 100%计，则同容量。同转速和同调速范围的笼型感应 电动机与变频器构成的变频调速系统的价格为 300%。因此，与其他交流调速传动系 统相比，此系统用于风机、泵类和压缩机的调速，具有无可比拟的优势。 在现代交流调速系统中，双馈电机可以调节无功功率，改善电网的功率因数，减 少无功功率补偿装置的投资。双馈电机运行至，调节转子励磁电流相位，可发出无功 功率，特别是带风机、泵类和压缩机等机械，其负载转矩随着转速减小，就是在轻负 载时，也可保证双馈电机向电网发出大量无功功率或按某种规则控制无功功率，改善
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基于 Matlab/Simulink 双馈电机的建模与仿真
摘要：从双馈电机的基本工作原理出发，分析双馈电机调速的特点，引入矢量控制
技术，进行坐标变换，得出双馈电机同步坐标系上的数学模型。熟悉并应用 Matlab 软件中的 Simulink 仿真工具，用 Matlab 建立双馈电机仿真模型，对 双馈电机起动性能进行分析。确定双馈电机调速时的矢量控制策略即转子电 流定向的矢量控制。在进行定子磁场定向后，保持转子电流与定子磁链相互 垂直，进行转子电流定向。试验证明双馈电机调速系统具有动态性能好、调 速范围广等优点，具有良好的工业应用前景。
1.1 双馈电机的技术优势 .............................................. 5 1.1.1 在现代交流调速系统中应用的优势............................... 5 1.1.2 在电力工业中的应用优势....................................... 6
Key words: the doubly-fed machine, vector control, simulatio。微电子技术以及现代控制理论的发展，交流调速技术得到了 巨大的发展。其研究较多的有：双馈电机调速，变频调速，串级调速，无换向器电机 调速，交流伺服系统，交流步进拖动系统，无功补偿和谐波抑制等。双馈电机是将电 能分别馈入感应电动机的定子绕组和转子绕组，最适合恒负载生产机械。
关键词：双馈电机 矢量控制 仿真模型
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The Modelization and Simulation of Doubly-fed Machine based on Matlab/Simulink
Abstract: From the basic principle of the doubly-fed machine the paper analyses the
1.2 双馈电机的工业应用前景 .......................................... 6 1.3 需解决的技术问题 ................................................ 6 1.4 本文研究的主要内容 .............................................. 7 2 矢量控制技术及双馈电机的数学模型 ................................... 8 2.1 矢量变换规律 ..................................................... 8
在电力工业中，双馈发电机能变速运行，可提高发电系统稳定性，提高系统效率。 双馈发电机转速变化时，输出电压和频率可维持不变。励磁系统采用定子磁场定向矢 量控制，电机有很优的技术性能和动态性能。
1.2 双馈电机的工业应用前景[3]
双馈电机具有良好的调速性能、可调节电网的无功和有功功率、效率高、可改善 功率因数和提高电网的稳定性等特点，所以是有其广阔的发展前途的高新技术产品， 特别适合于风机、水泵、压缩机等机械的调速传动，并可很好的解决水电站水头变化 大和我国江河泥沙含量大带来的水轮机发电问题。
character of the speed system. By the vector control and the coordinate transformation, we present the mathematical model on the synchronous coordinate. Using the Simulink of Matlab the paper presents the simulation model of the doubly-fed machine and analyses the startup character of the doubly-fed machine. The paper gives the vector control speed system of the doubly-fed machine on the rotor current orientation. Keep the rotor current and the stator flux verticality on the stator current orientation, the paper realizes the rotor current orientation. The test shows that the vector control speed system has perfect dynamic performance, wide speed range. It has good prospect on industry application.