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｝ＡＢＳＴＲＡＣＴＤｏｕｂｌｅｆｅｄｍａｃｈｉｎｅｓ（ＤＦＭ）ａｌｅａｋｉｎｄｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｓ

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Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ华中科技大学硕士学位论文＝；＝％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，

ｌ华中科技大学顽士学位论文低于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