馈双电动机恒速负载跟踪节能技术研究定稿-图文.doc

目录
摘 要
电动机作为一种将电能转化为机械能的动力装置，在工农业生产中起到重要作用，但电机的能耗也非常显著，因此，电动机的能耗控制对经济社会的发展具有重要意义。双馈电动机兼有交流异步电机和同步电机的特点，在工农业生产中得到广泛应用，在电机节能控制系统中具有广阔的应用前景。本文以双馈电动机为研究对象，研究与其相关的节能控制技术，研究内容如下：
首先，根据双馈电动机的工作原理和数学模型，分析双馈电机的运行特点和电机转子励磁控制特性，研究了双馈电动机跟踪负载变化实现节能运行的控制策略，为全文的研究奠定了理论基础。
其次，针对于双馈电机转子励磁的控制特点，研究了常用的逆变控制算法，通过对算法的对比，选择SVPWM控制算法作为本课题的转子励磁控制的逆变算法，同时完成了基于DSP（TMS320F2812）的励磁控制器硬件电路设计，控制器的逆变输出电压，输出频率以及输出初相位可连续调节，满足为双馈电动机转子励磁的要求。
设计双馈电动机负载跟踪控制系统的硬件平台，并利用该实验平台进行双馈电动机的相关控制实验的研究，并对实验数据进行分析，验证了双馈电动机的转子励磁特性、电机的恒速特性以及负载跟踪控制策略的正确性，同时验证了实验系统的稳定性。
理论研究和实验结果表明，所提出的双馈电动机负载跟踪节能控制策略是可行的，可实现对双馈电机变频控制，跟踪负载变化调节电机功率因数，使电机向电网馈送无功功率，进行功率补偿，对于提高电网的运行效率，实现双馈电动机节能控制具有重要意义，具有广泛的应用前景。

关键词：双馈电动机，节能，负载跟踪，SVPWM

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沈阳工业大学硕士学位论文
Research on the Constant Speed Load Tracking and Energy Saving Technology of Double-fed Motor
Abstract
The motor as a kind of device converting electrical energy into mechanical energy plays a very important role in the industry and agriculture. Electrical energy consumption of the motor is so large that controlling the motor power consumption is significant for the development of economy. Double-fed motor has the characteristics of AC induction motor and synchronous motor. It is widely used in the industrial and agricultural production, and the double-fed motor has a good application prospect in the energy saving control system. This paper took the double-fed motor as the research object and studied the energy saving control technology about the double-fed motor. The research contents are as follows:
Firstly, according to the working principle and the mathematical model of the double-
fed motor, analyze the motor running condition and excitation control characteristics of the rotor side, research the control strategy of the double-fed motor tracking the load to realize energy-saving operation, laid a theoretical foundation for the study of the full text.
Secondly, according to design requirement of rotor excitation controller of double-fed
motor, research inverter control algorithms and choose the SVPWM algorithm as the control algorithm of excitation controller, meanwhile, completing the hardware design of excitation controller based on the DSP(TMS320F2812), the output voltage and frequency and the output phase of the controller can be adjusted continuously to meet requirements for double-fed motor rotor excitation.
Design the hardware platform of the double-fed motor load tracking and energy -saving control system, and use the platform to do lots of control experiments about the double-fed motor, and analyze the related experimental data, to verify the excitation and constant speed characteristics of the motor and the correctness of load tracking control strategy and the stability of the experimental system.
The theoretical and experimental results show that the proposed double-fed motor load tracking energy-saving control strategy is feasible and can control motor speed through changing excitation frequency. Track the load to change the motor power factor allowing the motor to feed reactive power to the grid for the power compensation. It has great significances to improve the operating efficiency of the grid and double-fed motor energy-saving control, and it has a wide range of application prospects.

Key Words: double-fed motor, energy saving, load tracking, SVPWM

沈阳工业大学硕士学位论文
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 双馈电机控制技术国内外研究现状 2
1.3 本课题研究的主要内容 3
第二章 双馈电动机节能控制技术研究 5
2.1 双馈电动机工作原理与控制模型 5
2.1.1 双馈电机的工作原理 5
2.1.2 双馈电机的数学模型 6
2.1.3 双馈电机的V形调节曲线 9
2.2 双馈电动机负载跟踪节能控制技术 10
2.2.1 负载对双馈电动机运行的影响 10
2.2.2 双馈电动机负载跟踪控制策略 11
2.2.3 双馈电机负载跟踪控制策略控制过程 12
2.3 本章小结 14
第三章 双馈电动机转子励磁控制技术研究 15
3.1 双馈电动机转子励磁控制算法 15
3.1.1 SPWM逆变控制原理与算法 15
3.1.2 TPWM逆变控制原理与算法 17
3.1.3 SVPWM逆变控制原理与算法 19
3.2 双馈电机转子励磁控制器设计 23
3.2.1 双馈电机转子励磁控制器设计方案 23
3.2.2 励磁控制器的主电路设计 24
3.2.3 励磁控制器驱动电路设计 25
3.2.4 直流母线电压检测电路设计 26
3.2.5 基于DSP的SVPWM算法实现 27
3.3 转子励磁控制器输出参数调节 30
3.3.1 励磁控制器输出电压调节 30
3.3.2 励磁控制器输出频率调节 31
3.3.3 励磁控制器输出相位调节 33
3.4 本章小结 35
第四章 双馈电机恒速负载跟踪控制系统研究 36
4.1 双馈电机恒速负载跟踪控制系统结构 36
4.2 双馈电机相关运行参数检测 37
4.2.1 定子电压检测 37
4.2.2 定子电流检测 39
4.2.3 功率因数检测 40
4.2.4 励磁馈入点检测 41
4.3双馈电机负载跟踪控制系统软件流程 42
4.3.1 负载跟踪软件控制流程 42
4.3.2 功率因数计算软件流程 44
4.3.3 转子频率计算软件流程 45
4.4 本章小结 46
第五章 双馈电机恒速负载跟踪节能实验分析 47
5.1 双馈电机起动实验 47
5.1.1 双馈电机起动方式的选择 47
5.1.2 双馈电机起动实验条件与数据分析 48
5.2 双馈电机转子励磁实验 49
5.2.1 双馈电机转子励磁馈入点检测 49
5.2.2 双馈电机转子励磁实现 50
5.3 双馈电动机恒速特性实验 51
5.3.1 双馈电机恒速特性实验条件 51
5.3.2 双馈电机转子励磁变频调速实验数据与分析 51
5.4 双馈电动机功率因数调节实验 53
5.4.1 双馈电动机功率因数调节实验条件 53
5.4.2 双馈电动机功率因数控制实验数据与分析 53
5.5 双馈电动机负载跟踪控制实验 55
5.5.1 双馈电动机负载跟踪控制实验条件 55
5.5.2 双馈电动机负载跟踪控制实验数据与分析 55
5.6 本章小结 58
第六章 结论 59
参考文献 60
附录A 双馈电动机恒速负载跟踪控制系统硬件实物图 62
在学研究成果 63
致 谢 64

第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
能源是国民经济发展的基础资源，是制约社会生产力发展的重要因素。而电能作为一种被广泛利用的优质能源，为工农业生产提供主要能源，电动机是将电能转换成机械能的动力设备，现今世界上电力拖动都是通过这一形式来实现的。电动机的广泛使用，使整个社会的生产力获得了迅猛发展，同时，在世界各国，电动机的耗能一直占居国家总电量的一半以上，随着社会生产力的不断发展，电动机运行的总量与日俱增，加速了对电力的需求，而当前，电力的产生主要由一次性能源提供，而随着一次性能源的不断消耗，如何提高现有能源的利用效益已成为人类社会关注的重点，尤其是关于电机降耗和提高电网效能更应引起重视。
工业和信息化部在2012年2月公布了工业节能十二五规划，提出到2015年，规模以上工业增加值能耗比2010年下降21%左右的战略目标[1]。当前，电机及其系统耗电约占我国总发电量的60%以上，而我国80%以上的电机产品效率比国外低25~30%，因此，实现电机的节能控制有着相当大的发展的空间。
电机系统节能改造工程作为十二五规划中的重点改造工程，是9大重点工程之一。要求到2015年，电机控制的节电率比2010年提高2~3%[2]，十二五规划的提出为我国给电机产业带来了良好的发展机遇，也伴随着严峻的挑战。当前电机系统节能的突出问题在于电机系统复杂多样，针对于电机所带负载的不同，需要综合考虑电机运行工况，使系统达到最佳匹配，然而，我国在电机系统节能相关领域的研究起步较晚，技术不成熟，所以节能效果不明显。
在工农业生产中，按照最大负载情况下，系统依旧能够正常运行为条件来选择电机，但在实际应用中，电机却经常在中载，轻载甚至是空载状态下运行[3]。因此，电动机的负载率低，效率不高，电能浪费现象十分严重，电机节能常用的两种手段是降压节能和变频调速节能。降压节能是指当电动机负载很轻时，降低电机供电电压，实现节能[4]；变频调速节能是指通过变频装置改变电机的运行转速，实现节能，广泛应用在风机、泵类负载中。
双馈电机也称为交流励磁电机，其同时具有交流异步电机和同步电机的特点，拥有良好的调速特性[5]，电机的定子直接接电网，电机的转子接交流励磁控制器，交流励磁控制器可以对电机转子电压的幅值，频率，和相位进行调节，可以使电机工作在电动机工况下或者是发电机工况下，可以使电机平滑调速，调节电机的有功功率和无功功率。双馈电机控制系统集电机控制技术、电力电机技术、现代微机控制技术、测控技术于一体，是一种科技含量很高的技术产品。双馈电机在风机、泵类负载中得到了广泛的应用，同时双馈电机也广泛应用于风力发电系统当中，因此，关于双馈电机的应用已经引起越来越多的关注[6-8]。
双馈电机应用的重点在于可自动调节频率，幅值，相位的交流励磁电源，随着第三代电力半导体器件如GTO、IGBT的出现，使交流变频技术得到迅速发展。美、德、英等国家在结合电力电子技术、电机控制技术、现代微处理器控制技术的基础上，推出了一系列变频器。这些高精度、多功能、智能化的变频器使电机调速效率和精度有了显著的提高[9]。
负载跟踪节能技术是系统对电机的运行状况进行实时检测，并结合双馈电机自身的特点，调节电机运行参数，以实现电机的系统节能，同时结合数字信号处理器DSP的使用，使得节能系统能够快速响应负载变化，同时可以提高系统稳定性，因此，对负载跟踪节能控制技术的研究将会广阔的发展空间，对于提高电机的运行效率，实现节能具有重要意义。
1.2 双馈电机控制技术国内外研究现状
随着能源的紧缺问题日益严重，而工业用电量的大部分消耗在电动机拖动系统中，为此，美国和欧盟出台了相应的有关于电动机的节能标准。由于双馈电动机具有良好的调速特性，同时在不同的负载条件下可以实现调节无功功率和转速，调速范围宽，可以显著提高电机拖动系统的效率，具有良好的节能效果。因此，近年来，国外各科研单位对双馈电机进行了深入的研究，并逐步将研究成果应用到工业领域。日本的东芝公司、三菱公司以及德国西门子公司已经批量生产了一系列的双馈电机，并在工业领域得到应用。前苏联的哈尔科夫公司生产的的双馈电动机[10]，已广泛用于火电站等部门的吸风机、送风机等交流调速系统中。随着电机技术的不断发展，无刷双馈电机的研究已成为很多国家的研究热点和重点，美国、俄罗斯、澳大利亚已经成功在工业领域使用无刷双馈电机，关于双馈电机的研究也达到前所未有的高度。
我国对双馈电机的研究较晚，目前全国各高校都在积极探索双馈电机的控制研究，沈阳工业大学、重庆大学、华中理工大学、浙江大学等高校对于双馈电机技术有一定的研究，但是，关于双馈电机的研究大多停留在实验阶段，无法形成产品实现效益。因此，我国对双馈电机的研究与国外各发达国家相比具有很大的差距。
正是由于双馈电动机具有良好的控制性能以及很高的效率，因此，双馈电机具有广阔的发展前景，对于我国实现电机系统节能和系统改造具有重要意义，当前对于双馈电机的研究主要集中于以下几个方面[11]：
（1）双馈电机励磁绕组与励磁装置匹配的研究。研究在降低励磁装置的容量的前提下，实现电机定、转子绕组与励磁装置参数的匹配。
（2）完善双馈电机本体的研究。其中包括电机运行的稳定性以及在各种非正常工况下对电机承受能力的影响等。
（3）转子励磁控制器的研究。励磁控制器需要满足输出电流幅值、频率、相位均可独立调节，同时具有相应的保护等。
（4）双馈电机控制策略与控制方法的研究。双馈电机的关于磁场定向的矢量控制技术，直接转矩控制技术等。
1.3 本课题研究的主要内容
本课题以双馈电动机为研究对象，并对双馈电动机控制系统进行了详细的研究。通过对双馈电动机相关控制方法的深入研究和分析，针对双馈电动机的负载特性，研究了双馈电机负载跟踪控制策略，以实现电机系统节能的目的。通过模型仿真、搭建双馈电动机控制实验平台验证负载跟踪控制策略的可行性。本文主要由六个部分组成，具体的结构和内容安排如下：
第一章为绪论部分。主要讲述了本课题的背景和主要研究的意义，介绍了双馈电机控制技术在国内外发展概况。
第二章是关于双馈电动机的节能技术的理论研究。首先对双馈电动机的基本工作原理作以介绍，进而分析了双馈电动机的数学模型，得到转子侧励磁的控制模型；针对双馈电动机负载的变化而引起的电机功率的变化，研究电机负载跟踪节能控制策略，从理论分析了控制策略的可行性。
第三章是关于双馈电动机转子励磁控制技术的研究。介绍SPWM，TPWM，以及SVPWM逆变技术的工作原理及控制算法，研究基于SVPWM算法的转子励磁控制器的设计，对控制器的输出参数进行设置，输出幅值、频率、初相位可调节，基于SVPWM逆变算法的励磁控制器满足为双馈电机转子侧励磁的要求，为实现双馈电机控制奠定硬件基础。
第四章是关于双馈电动机恒速负载跟踪节能控制系统的研究。分析了控制系统的结构；设计了双馈电机运行参数的相关检测电路；着重介绍双馈电机负载跟踪控制的软件流程、功率因数以及转子频率的计算流程，通过对系统硬件平台搭建，为实现节能控制策略打下基础。
第五章是关于双馈电动机节能控制系统的实验分析。利用搭建的实验平台进行了双馈电机的起动实验、转子励磁实验、电机的恒速特性实验、功率因数调节实验和负载跟踪控制实验。得到相关实验数据，通过对实验数据的分析表明，提出的恒速负载跟踪节能控制技术是可行的。
第六章对本课题做了的总结。
第二章 双馈电动机节能控制技术研究
第二章 双馈电动机节能控制技术研究
2.1 双馈电动机工作原理与控制模型
双馈电机也称为交流励磁电机，具有同步电机的特点，可以对其励磁绕组施加励磁，调节电机的功率因数，由于电机定子和转子都能向电网馈电，所以被称为双馈电机。在双馈电机控制系统中，包括电机本体和交流励磁控制系统两部分。电机本体可采用具有绕线型异步电动机或者是在电机定子同时具有功率绕组和控制绕组的无刷感应电机[12]。本课题研究的双馈电机控制系统选用的双馈电机为绕线型感应电机，将电机定子直接接到电网将电机转子接到按照相应的双馈电机节能控制策略而设计的三相励磁控制器上[13]，使双馈电动机定、转子分别单独供电，从而达到相应的控制目的。双馈电机控制系统整体结构如图2.1所示。

图2.1 双馈电机控制系统整体结构图
Fig.2.1 Block diagram of the double-fed motor control system

2.1.1 双馈电机的工作原理
由电机学原理可知：对于交流电机而言，当电机稳定运行时，定子电流产生的旋转磁势和转子电流产生的旋转磁势，在空间上必须保持相对静止[14]。这一原则可表达成如下关系式：
（2.1）
式（2.1）中，是电机同步转速（rad /s）；为转子相对于定子的旋转速度（rad /s）；是转子磁势相对转子的旋转速度（rad /s），当电机转子感应的磁势与电机定子产生的磁势方向相同，；当转子感应磁势与定子磁势方向相反的情况下，； 是电机定子励磁频率；为转子励磁频率，s定义为电机的转差率；P定义为电机极对数[15]；n为电机转速（r/min）。
电机次同步速状态运行时，电机实际转速低于同步转速；电机运行在超同步状态下时，电机实际转速高于电机同步转速；当电机转速为同步转速时，电机由交流励磁转变为直流励磁，电机的状态与同步电机相同。由转差率定义可知：如果双馈电机的转速比同步转速低，则 ，双馈电机转子励磁电流的相序与电机定子电流相序相同；如果电机转速比同步转速高，则 ，双馈电机转子励磁电流的相序与定子电流的相序相反[16]。
由上述分析可以知道，调节转子励磁电流的频率可以控制电机转速，由于为双馈电机转子提供励磁的功率很小，仅为双馈电机的转差功率，因此，小容量的励磁控制器可以控制大容量的电机，使可以双馈电机在很大的范围内实现平滑调速。
2.1.2 双馈电机的数学模型
由于双馈电机的实质与绕线式异步电动机一致，因此可以通过绕线式异步电机的等效电路来分析双馈电机的运行特性，现做如下假设：（1）只考虑双馈电机定转子基波电流分量，不计谐波分量。（2）只考虑定转子磁势基波分量，不考虑谐波分量。 （3）忽略磁滞损耗、涡流损耗和铁耗。（4）转子励磁装置可为转子提供能幅值、频率及功率因数满足要求的励磁电源，同时不计阻抗与损耗[17]。
双馈电机的定子、转子电压电流方向均采用电动机惯例，可以得到双馈电动机的等效电路，如图2.2所示：

图2.2 双馈电动机的等效电路图
Fig.2.2 Equivalent circuit diagram of the double-fed motor

由图2.2的双馈电机等效电路图，可以得到双馈电动机的基本方程表达式：
（2.2）
式（2.2）中，、分别为双馈电机定子侧的电阻和漏抗；是电机的励磁电抗；、、分别为电机定子电压、定子感应电动势和和定子电流；、分别为转子感应电动势和转子感应电流经过频率折算和绕组折算后，折算到定子侧的值；是经过频率和绕组折算后的值。
与鼠笼式三相异步电机不同，双馈电机在转子侧施加一个转子励磁电源，这一交流励磁电源很大程度上改善其调节性能，同其他电机相比，双馈电机表现出更佳的控制特性，引入转子励磁电压后，双馈电机的电压电流相位将会发生变化，从而可以调节双馈电机的功率因数，由于双馈电机具有同步电机的特点，因此，双馈电机可以被控制在容性调节区，即可以使双馈电机向电网馈送无功功率，可以实现电网的无功补偿，这一特性对于系统节能具有重要作用。
从图2.2双馈电机的等效电路可以看出，双馈电机是一个多输入多输出变量的高阶系统，同时具有非线性、强耦合性，对于分析电机运行特性是很困难的。为了使双馈电机具有更好的控制特性，必须对电机模型进行简化，使双馈电动机成为一个线性的、解耦的模型。
选取同步旋转坐标坐标系，将轴坐标放在电机定子磁链上，这样使得，。如果不计电机的定子电阻，那么定子电压会超前定子磁链 90°，因此定子电压落在轴上，并且是常量，。定子电流可分为两个分量：转矩电流分量，磁场电流分量。 和 分别是转子励磁电压的直轴分量和交轴分量[18]。
在同步旋转坐标系，双馈电机定子磁场定向数学模型的矩阵表达式如下：
（2.3）
式（2.3）中，是定子等效电感；、分别为转子等效电阻和电感（经过定子等效折算）；为定子和转子的互感；p为电机极对数；下标1表示定子分量，下标2表示转子分量；，D为微分算子。
双馈电机定子侧的有功功率表达式为：
（2.4）
双馈电机定子侧的无功功率表达式为：
（2.5）
双馈电动机的功率因数表达式为：
（2.6）
式（2.6）表达双馈电机定子功率因数与电机有功功率以及视在功率的关系，通过同步旋转坐标系的选取，能够很大程度的简化双馈电动机的数学模型，但是采用同步旋转坐标系并没有涉及双馈电机的具体的电机运行参数，因此，在控制电机运行时，需要推导出各控制参数对电机的影响。
2.1.3 双馈电机的V形调节曲线
和同步电机一样，可以对双馈电机的转子侧施加励磁电压，不同之处在于同步电机转子侧施加的是直流励磁，而双馈电机转子侧施加的是交流励磁，同步电机只能调节无功功率，由于双馈电机的转子侧施加的是交流励磁，交流电源的可调节参数为三个：励磁电压幅值，励磁电压频率，励磁电压相位。因此，双馈电机在以调节无功功率的同时也可以调节有功功率。对于双馈电机，可以分为两个调节区域，分别为感性功率调节区和容性功率因数调节区，如图2.3所示：

图2.3 双馈电动机V形调节曲线
Fig.2.3 V-shaped adjustment curve of double-fed motor

在图2.3中，电机有功功率，曲线是将电机控制为纯阻性的情况，调节电机转子励磁电流可以影响电机定子侧的电流，从而得到双馈电机的V形曲线，从V形曲线可以得出以下两点结论：
（1）电机转子励磁恒定，若电机负载发生变化，即电机从电网吸收的有功功率发生变化，电机运行的功率因数会发生变化。当电机消耗的有功功率不断增加，电机的功率因数将发生由超前向滞后方向变化[19]。
（2）当双馈电机负载不变时，调节电机转子励磁能够改变电机定子励磁电流，当电机处于欠励条件下，电机的功率因数滞后，电机工作在感性调节区；当电机处于过励条件下，电机的功率因数超前，电机工作在容性调节区。
利用双馈电机的V形曲线特性，当电机负载发生变化时，电机从电网消耗的有功功率也会发生变化，通过调节转子侧励磁电流的大小可以改变电机的运行状态，当电机运行在过励状态下，电机向电网馈送无功功率，可以实现对电网进行无功功率补偿，因此，采用一定的控制技术可以实现电机的有效利用并实现电机节能运行。
2.2 双馈电动机负载跟踪节能控制技术
2.2.1 负载对双馈电动机运行的影响
当电机运行时，所带的负载是变化的，则电机需要向负载输出不同的有功功率以满足负载要求，而双馈电动机的V形曲线虽然直观的描述了电机有功功率、功率因数与和励磁电流的关系。但是，并没有反映出当负载变化时，电机的视在功率、有功功率以及无功功率的调节过程。同双馈电机的V形曲线一样，双馈电机的功率三角形也被分为两个调节区，容性功率调节区和感性功率调节区。当负载发生变化时，电机的调节过程如图2.4所示：

图2.4 负载变化时电机功率调节图
Fig.2.4 Motor power regulating figure when the load changes

假定电机运行在过励条件下，电机接近满载运行时，输出有功功率为P1，无功功率为Q1，则双馈电机的视在功率为S1，此时电机运行的功率因数为；当负载减轻时，双馈电机输出有功功率为P2，无功功率为Q2，则电机的视在功率为S2，此时电机运行的功率因数为。电动机的运行效率降低，系统损耗变大，由此可见，负载的轻重对电机的运行效率具有重要影响。
可见，当电机所带负载发生变化时，可以通过电机当前的视在功率和电机运行的功率因数直观的反映负载的变化，当电机轻载甚至空载运行时，电机运行效率低，可以通过检测电机运行的视在功率以及功率因数实时跟踪负载的变化，为实现电机负载跟踪控制策略打下基础。
2.2.2 双馈电动机负载跟踪控制策略
从双馈电机的负载发生变化时，电机调节功率输出的过程中，可以得出双馈电机的有功功率、无功功率以及视在功率都发生了变化，若保持电机在任何运行时刻的视在功率保持不变，一方面，当负载变化时，可以调节电机的输出功率因数，使电机向电网馈送无功功率，改善电网性能；另一方面，可以有效的利用电机的储备容量，以提高系统的运行效率，实现节能。
采用恒定双馈电机视在功率跟踪负载变化的电机运行调节过程如图2.5所示：

图2.5 双馈电动机负载跟踪调节过程
Fig.2.5 Double-fed motor load tracking adjustment process

当电机带负载稳定运行时，电机输出有功功率为P1，无功功率为Q1，则双馈电机的视在功率为S1，此时电机运行的功率因数为；当负载发生变化时，电机输出的有功功率为P2，无功功率为Q2，此时双馈电机的视在功率为S2，电机运行的功率因数为[20]。由于电机负载没有变化，因此电机有功功率不变，则调节双馈电机的功率因数，使双馈电机的功率因数由变为，则双馈电机的视在功率恒定为S1，此时，电机向电网馈送无功功率为Q3，可得到：
（2.7）
可以设定恒定的视在功率为电机的额定容量，这样，既满足电机负载的要求，同时又向电网馈送无功功率，改善电网指标，又可以有效利用电机本身的储备容量，有很好的节能效果。
2.2.3 双馈电机负载跟踪控制策略控制过程
由双馈电机负载跟踪控制策略可知，当电机负载发生变化后，电机输出的有功功率会发生变化，而控制策略中需要保持电机视在功率不变，因此，需要调节电机运行的功率因数。由于双馈电机的转子侧接入励磁控制器，可以通过调节励磁控制器的输出参数，实现对电机功率因数的调节，从而控制电机的视在功率不变，达到电机跟随负载变化实现节能的目的。因此，需研究转子励磁控制器对电机功率因数调节的具体的参数关系。
假设双馈电动机定子接电网，当电机稳定运行后，在同步旋转坐标系，双馈电机各相电压和电流均为直流量。如果忽略转子电阻同时设定D=0，，，代入式（2.3）中得:
（2.8）
设电机转子励磁滞后于定子励磁相角，转子励磁电流滞后转子励磁电压相角，由于电机定子侧接电网，所以，电机的气隙磁通为常量。由于气隙磁通由定子电流和转子感应电流共同作用形成，电机定子电流的励磁分量和转子电流的励磁分量之和为常数，即
（2.9）
双馈电机在同步旋转坐标系下的矢量图如图2.6所示，当转子励磁电压的大小改变时，可以调节双馈电机的功率因数。当转子励磁电压减小，电机运行的功率因数向减小，电机工作在感性区，当转子励磁电压增大，电机运行的功率因数向超前方向变化。此外，调节电机转子和定子的励磁电压相位差的变化，也同样可以调节双馈电机的定子侧的功率因数。

图2.6 双馈电动机定转子电压、电流矢量图
Fig.2.6 Diagram of double-fed motor stator and rotor voltage and current vector

根据图2.6中的几何关系得:
（2.10）
通过式（2.9）、式（2.10）可以得到：
（2.11）
由式（2.11）给出的电机功率因数角的函数表达式可知：当电机定子侧电压恒定，电机负载功率不变，电机的功率因数角和转子励磁的输出参数以及电机的转速有关。当双馈电机转速恒定，可通过改变电机转子励磁的输出参数，进而改变双馈电机的功率因数[21]。
双馈电机负载跟踪控制系统通过实时检测电机的定子侧视在功率以及电机的功率因数，当电机负载发生变化时，视在功率会发生变化，调节转子励磁电压可以调节电机定子侧功率因数，从而实现电机的视在功率不变，由于转子励磁将电机调节在容性区，因此当电机轻载时，电机可以向电网馈送无功功率。双馈电机的负载跟踪控制的结构图如图2.7所示：
图2.7 双馈电动机负载跟踪节能控制框图
Fig.2.7 Block diagram of double-fed motor load tracking and energy saving control system

在图2.7中，为设定视在功率值，此设定值同电机实际测得的视在功率值进行比较，得到差值视在功率，经过PI调节，得到电机转子侧的励磁供电电压值，经过转子励磁控制器输出三相逆变电流为电机转子侧励磁，从而实现电机对视在功率的闭环控制。当电机负载发生变化时，即电机的功率因数会发生变化，由前述分析得出电机的视在功率也会发生变化，实际的视在功率同设定的视在功率进行比较，从而调整励磁逆变器输出，使电机视在功率保持不变，实现对负载的跟踪控制，当电机空载或轻载时，电机可以对电网馈送无功功率，实现无功补偿。
2.3 本章小结
本章主要研究了双馈电动机运行的基本工作原理和数学模型，同时分析了双馈电机的V形调节曲线。当电机拖动的负载发生变化时，双馈电机的功率调节过程，并研究了基于恒定电机视在功率跟踪负载变化的节能控制策略，分析了具体的控制过程，当负载变化，改变电机转子励磁电压调节电机的功率因数使电机视在功率保持不变。理论分析表明，双馈电动机负载跟踪节能控制策略是可行的。

第三章 双馈电动机转子励磁控制技术研究
第三章 双馈电动机转子励磁控制技术研究
3.1 双馈电动机转子励磁控制算法
对于双馈电动机的控制，重点在于转子励磁控制技术的研究，当双馈电动机运行时，需要向电机的转子馈入幅值、频率、以及相位可调的三相交流电源，由于电机定子侧接电网，由电机原理可知，电机转子侧的励磁电压频率很低时，输出电流的谐波分量会增大，影响电机运行状态，常用的逆变控制算法有SPWM算法，TPWM算法以及SVPWM算法。将三者作以比较，选择控制效果最佳的算法作为转子励磁控制器的逆变算法。
3.1.1 SPWM逆变控制原理与算法
SPWM调制算法将正弦波作为调制波，调制脉冲宽度按照正弦规律变化。为了得到SPWM波形，将一个周期的正弦波等分成2N份，此时，一个正弦波看成是由2N个宽度相等但幅值不同的连续脉冲序列，每一份宽度为。将等宽不等幅的脉冲序列用相同数量等宽不等幅的矩形脉冲序列代替，这样就得到了一系列宽度不等幅值相等正弦脉宽调制波[22]。图3.1所示为正弦半波的等效PWM波形。

图3.1 正弦半波的等效PWM波形
Fig.3.1 Equivalent PWM waveform of half sine wave

在SPWM调制算法中，常采用的方法是自然采样法和规则采样法，虽然自然采样法得到的PWM脉冲更接近正弦波，但是自然采样法需要大量计算，在微机控制技术中，很难做到实时在线计算；而规则采样法则是一种常用的工程计算方法，作用效果接近自然采样法[23]，同时可以有效的降低计算量，规则采样法如图3.2所示：

图3.2 SPWM规则采样法说明图
Fig.3.2 Illustration of SPWM regular sampling method

如图3.2所示，在三角波的负峰值时刻，对正弦波形采样得到P点，过P点作一条水平直线和三角形载波分别交于A点和B点，在A时刻和B时刻控制功率开关器件的通断，从而实现将正弦波调制为PWM波形。
设正弦调制信号为：
（3.1）
式（3.1）中，为调制度，；为正弦信号波角频率。
在图3.2中，利用相似三角形原理可以得到，在每个三角载波周期内PWM波形的占空比计算表达式为：
（3.2）
式（3.2）中，为采样时刻，，（k=0，1，2，…，N-1），N为载波比，从而得到：
（k=0，1，2，…，N-1） （3.3）
对于SPWM调制方式来说，当调制度最大为1时，输出相电压的基波幅值为，输出线电压的基波幅值为，为直流母线电压，直流电压利用率仅为0.866，因此，SPWM调制方式的直流电压利用率很低。
3.1.2 TPWM逆变控制原理与算法
当逆变输出频率很低时，SPWM调制方式的直流电压利用率低，同时产生的谐波分量会增加，因此，采用梯形波作为调制信号，亦可被称为TPWM调制方式，采用TPWM调制方式可以很大程度的提高直流电压利用率[24]。当梯形波输出电压幅值和三角波输出一样时，梯形波的基波分量远大于三角波的基波分量。如果采用梯形波调制方式，决定功率