een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · een model van de synchrone machine met...

117
Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden Hoeijmakers, M.J.; Vleeshouwers, J.M. Gepubliceerd: 01/01/1989 Document Version Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication: • A submitted manuscript is the author's version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website. • The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review. • The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers. Link to publication General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Download date: 10. Jul. 2018

Upload: lykhuong

Post on 16-Jun-2018

231 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

Een model van de synchrone machine met gelijkrichter,geschikt voor regeldoeleindenHoeijmakers, M.J.; Vleeshouwers, J.M.

Gepubliceerd: 01/01/1989

Document VersionUitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the author's version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differencesbetween the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact theauthor for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Download date: 10. Jul. 2018

Page 2: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

";:: = - -~ - -~ -~ - -- ".

'" - ~ ~ ~-: - -- --: - ~ --

Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

EUT Report 89-E-215 ISBN 9O-6144-215-X

Maart 1989

Page 3: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

ISSN 0167- 9708

Eindhoven University of Technology Research Reports

EINDHOVEN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Faculty of Electrical Engineering

Eindhoven The Netherlands

EEN MODEL VAN DE SYNCHRONE MACHINE

MET GELIJKRICHTER, GESCHIKT VOOR

REGELDOELEINDEN

door

M.J. Hoeijmakers

en

J.M. Vleeshouwers

EUT Report 89-E-215

ISBN 90-6144-215-X

Eindhoven

Maart 1989

Coden: TEUEDE

Page 4: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

CIP-GEGEVEN5 KONINKLIJKE BIBLIOTHEEK, DEN HAAG

Hoeijrnakers, M.J.

Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden / door M.J. Hoeijrnakers en J.M. Vleeshouwers. -Eindhoven: Eindhoven University of Technology, Faculty of Electrical Engineering. - Fig. - (EUT report, ISSN 0167-9708; 89-E-21S) Met lit. opg., reg. I5BN 90-6144-21S-X 5150 661.71 UDC 621.313.322:621.314.6 NUGI 832 Trefw.: synchrone machines; gelijkrichters.

Page 5: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

- iii -

ABSTRACT

Starting with the derivation of the separate models of the

synchronous machine and the rectifier, a steady-state model and a

dynamic model are derived. The dynamic model is a global, rather

simple model, in which very fast phenomena, such as the ripple on

the direct current, are neglected.

For the estimation of the quadrature-axis machine parameters an

easy method has been developed. A similar method for the direct­

axis parameters is not yet ready: it appears to be impossible,

using the well-known three-winding model, to estimate parameters

which satisfy both the transfer function from armature voltage to

armature current and the transfer function from armature voltage

to excitation current.

A comparison between measured and simulated results shows that

the (dynamic) model meets the requirement, except for the

phenomena in the excitation winding.

Hoeijmakers. M.J. and J.M. Vleeshouwers A MODEL OF THE SYNCHRONOUS MACHINE WITH RECTIFIER. ESPECIALLY FOR CONTROL PURPOSES. In Dutch. Faculty of Electrical Engineering. Eindhoven University of Technology, The Netherlands. 1989. EUT Report 89-E-215

Address of the authors:

Dr.ir. M.J. Hoeijmakers and ir. J.M. Vleeshouwers. Electromechanics and Power Electronics~ Faculty of Electrical Engineering. Eindhoven University of Technology, P.O. Box 513. 5600 MB EINDHOVEN. The Netherlands

Page 6: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

- iv -

SAMENVATTING

Dit verslag beschrijft de hoofdlijn van het voornamelijk door

NOVEM (voorheen PEO) gefinancierde project "Ret dynamische gedrag

van de synchrone machine met ge1ijkrichter". Het project behe1sde

het ontwikkelen en experimenteel verifieren van een model van de

synchrone machine met a1 dan niet stuurbare gelijkrichter dat

geschikt is voor opname in een geintegreerd model van een wind­

turbine.

Uitgaande van de afleiding van de model1en van de synchrone ma­

chine en de gelijkrichter afzonderlijk wordt eerst een stationair

en vervolgens een dynamisch model voor de comb ina tie van deze

twee componenten afgeleid. Dit dynamische model is een globaal,

betrekkelijk eenvoudig model, waarin zeer snel1e verschijnselen

zoals de rimpel op de gelijkstroom buiten beschouwing gelaten

worden. De resterende informatie-inhoud is voor regeldoe1einden

echter voldoende en door de beperkte rekentijd is het model

geschikt voor opname in het complete model van een windturbine,

inclusief het mechanische systeem.

Voor de bepa1ing van de parameters van de dwarsas (q-as) van de

machine is een eenvoudig toe te passen methode ontwikkeld. De

ontwikkeling van een dergelijke methode voor de langsas is echter

nog niet afgerond: het b1eek niet mogelijk te zijn om met behu1p

van het meesta1 gebruikte driewikke1ingsmode1 de parameters

zodanig te kiezen dat zowel de overdracht van statorspanning naar

statorstroom als de overdracht van statorspanning naar bekrachti­

gingsstroom goed berekend kan worden. Ret een en ander vereist

nag nader onderzoek.

Uit een verge1ijking van gemeten en gesimuleerde resultaten

blijkt dat het model, op de verschijnselen in de bekrachtigings­

wikke1ing na, goed vo1doet.

Hoeijmakers, M.J. en J.M. Vleeshouwers Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden. Faculteit Elektrotechniek, Technische Universiteit Eindhoven, 1989. EDT Report 89-E-215

Adres van de auteurs:

Dr.ir. M.J. Hoeijmakers en ir. J.M. Vleeshouwers, Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica, Faculteit Elektrotechniek, Technische Universiteit Eindhoven, Postbus 513, 5600 MB EINDHOVEN

Page 7: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

- v -

INHOUD

1 INLEIDING

2 DE SYNCHRONE MACHINE

2.1 In1eiding

2.2 Afleiding van de verge1ijkingen

2.3 Machines met een poolpaartal groter dan een 2.4 De basisverge1ijkingen

2.5 Vervangingsschema's voor de q-as

2.6 Vervangingsschema's voor de d-as

2.7 De statorstromen en de rotorfluxen a1s

toestandsvariabelen

2.8 Een machinemode1 voor de combinatie synchrone

machine met ge1ijkrichter

3 DE DRIEFASENBRUGGELIJKRICHTER

3.1 In1eiding

3.2 Het stationaire model

3.3 Het dynamische model

3.4 De verge1ijkingen van de ge1ijkstroomtussentrap

4 HET STATIONAIRE MODEL VAN EEN SYNCHRONE MACHINE MET

GELIJKRICHTER

4.1 De koppe1ing van het model van de synchrone machine

met het model van de ge1ijkrichter

4.2 De verge1ijkingen

4.3 Een op1ossingsmethode

5 HET DYNAMISCHE MODEL VAN EEN SYNCHRONE MACHINE MET

GELIJKRICHTER

5.1 In1eiding

5.2 De verge1ijkingen

1

6

6

8

19

20

22

26

32

36

39

39

42

49

50

52

52

55

57

59

59

59

Page 8: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

- vi -

6 DE PARAMETERBEPALING

6.1 Achtergronden en keuze van de bepa1ingsmethode

6.2 De meetopste11ing

6.3 De bepa1ing van de par ame'ters voor de q-as

6.4 De bepaling van de parameters voor de d~as

6.5 De parameters voor de modelverificatie

7 DE MODELVERIFICATIE

7 .. 1 In1eiding

7.2 Excitatie in het ge1ijkstroomcircuit

7.3 Excitatie aan de mechanische zijde

7.4 Excitatie in het bekrachtigingscircuit

7.5 Conclusie

8 CONLUSIES EN AANBEVELINGEN

LITERATUUR

BIJLAGE 1 EEN SUBROUTINE VOOR DE BEREKENING VAN DE

STATIONAIRE TOESTAND

62

62

67

69

77

77

78

78

79

84

88

88

92

94

97

BIJLAGE 2 EEN ACSL-PROGRAMMA ALS VOORBEELD 99

BIJLAGE 3 HET ACSL-PROGRAMMA VOOR DE MODELVERIFICATIE 103

Page 9: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

1

1 INLEIDING

De synchrone machine met gelijkrichter voor wind turbines

Bij wind turbines kan men de systemen die zorgen voor de omzetting

van mechanische energie (roterende as) in e1ektrische energie

onderverde1en in systemen met een (vrijwe1) constant toerenta1 en

systemen met een variabel toerental.

In het algemeen zal een variabel-toerentalsysteem complexer en

duurder zijn dan een systeem met een constant toerental. Daar

staan echter be1angrijke voorde1en van het variabe1-toerenta1-

systeem tegenover:

de windturbine kan optimaa1 belast worden;

koppe1stoten (in het bijzonder die ten gevo1ge van verstoringen

op het e1ektriciteitsnet) in de mechanische overbrenging kunnen

door een goede koppe1rege1ing beperkt worden (goedkopere en

lichtere transmissie en tach een lange levensduur);

er is een buffering van kinetische energie in de rotor moge-

1ijk, waardoor korte-termijnf1uctuaties (ten gevo1ge van wind­

sne1heidsvariaties) in het askoppe1 en in het e1ektrische

vermogen worden gereduceerd [Son 87] .

A1s men eenmaa1 voor een variabel toe rental heeft gekozen, kan

men nog kiezen uit een groot aanta1 systemen [Soh 86]. Bij de

vakgroep ~lektromechanica en yermogense1ektronica (EMV) van de

Technische Universiteit Eindhoven is reeds in een vroeg stadium

de keuze geva11en op een synchrone machine met ge1ijkstroomtus­

sentrap [Koe 79]. Dit e1ektromechanische conversiesysteem is een

cascadeschakeling van een synchrone machine, een gelijkrichter,

een smoorspoel en een wisselrichter, zoals in figuur 1.1 is

aangegeven.

~JII Figuur 1.1 De synchrone machine met ge1ijkstroomtussentrap in

een windenergie-conversiesysteem

Page 10: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

2

Een belangrijk voordeel van dit systeem ten opzichte van andere

systemen met een variabel toe rental is dat het een zeer hoog

rendement heeft. Voorts worden synchrone machines normaal gespro­

ken borstelloos uitgevoerd, dat wil zeggen dat er geen sleep­

ringen (of commutator) en borstels zijn. Omdat borstel-sleepring­

combinaties relatief veel onderhoud vragen en het functioneren

ervan sterk afhankelijk is van atmosferische omstandigheden, is

dit een belangrijk gegeven voor de keuze van een variabel-toeren­

talsysteem voor windturbines.

Het stationaire gedrag

De eerste plannen voar een systeem met een synchrone machine

(30 kVA) met gelijkrichter waren nog gebaseerd op een vrij een­

VQudig, stationair model van de synchrone machine, waarin bij­

voorbeeld de verliezen werden verwaarloosd. Uit een vergelijking

van de via dit eenvoudige model berekende karakteristieken met de

karakteristieken die in 1982 gemeten zijn aan een systeem in het

laboratorium, bleek dat dit model voor dit (kleine) systeem rede­

lijk voldoet [Bon 82]. Uit de beproeving van hetzelfde systeem in

een windturbine op het testveld van het ECN bleek voorts dat het

conversiesysteem bij veranderingen van de windsnelheid de statio­

naire karakteristiek bleef volgen: de elektrische overgangsver­

schijnselen verlopen blijkbaar relatief snel ten opzichte van de

mechanische.

Hieruit kon de conclusie getrokken worden dat voor dit kleine

systeem het eenvoudige, stationaire model gebruikt mocht worden.

Verder bleek uit de experimenten op het testveld dat het systeem

aan de verwachtingen voldeed.

Later werd een uitgebreidere berekeningsmethode voor het statio­

naire gedrag van de synchrone machine met gelijkrichter ontwik­

keld [Hoe 84a]. Hiermee is het mogelijk om bijvoorbeeld stroom­

en spanningsvormen in detail te berekenen. Ais deze eenmaal be­

kend zijn, kunnen de extra verliezen die optreden bij de belas­

ting van een synchrone machine met een gelijkrichter nader be­

paald worden. Uit dit soort verliesbepalingen is gebleken dat bij

een goede keuze van de machine en een lichte overdimensionering

daarvan (10 %) de extra verliezen geen problemen behoeven op te

leveren.

Page 11: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

3

De eerste problemen

In 1982 was al gebleken dat de beschouwing van alleen het statio­

naire gedrag van het systeem onvoldoende was. Bij laboratorium­

proeven was namelijk ontdekt dat het systeem soms instabiel werd:

het begon spontaan te oscilleren. Hoewel dit verschijnsel in

eerste instantie niet begrepen werd, werd er toch een oplossing

voor gevonden: door de bekrachtigingswikkeling uit een stroom- in

plaats van uit een spanningsbron te voeden verdween het ins tab ie­

le gedrag. Het vermoeden bestond dat dit samenhing met het feit

dat hiermee de orde van het systeem met een werd verlaagd.

Bij literatuuronderzoek werd ontdekt dat het verschijnsel al wel

bekend was en dat Auinger en Nagel geprobeerd hadden het te ver­

klaren [Aui 80]. In een later stadium heeft ook Ernst over deze

problemen geschreven [Ern 84].

Een synchrone machine zonder demperwikkelingen

De gevonden oplossing (stroom- in plaats van spanningsbronbe­

krachtiging) kan om praktische redenen alleen bij kleinere machi­

nes toegepast worden. Dit betekende dat bijvoorbeeld voor het

SEP-windpark in Friesland een andere oplossing gevonden moest

worden. Omdat het verschijnsel nog steeds niet volledig begrepen

werd. was dit niet eenvoudig. Er werd toen het idee geopperd om

de synchrone machine zonder de gebruikelijke demperwikkelingen

uit te voeren. Hierdoor zou de commutatie in de gelijkrichter

langzamer worden en dat zou weer een gunstige invloed op de

stabiliteit hebben.

Omdat men bij dergelijke grote machines (300 kW) het gedrag niet

eenvoudig experimenteel kan bepalen. werd het nader onderzocht

door middel van simulatie. Daartoe werd van het systeem een net­

werkmodel gemaakt dat vervolgens in een netwerksimulatieprogramma

werd gebruikt [Hoe 84b].

Uit de simulaties bleek dat de voeding van de bekrachtigingswik­

keling van deze demperloze machine aan praktisch niet realiseer­

baar hoge eisen zou moeten voldoen. Hede in verband met de tijds­

druk is toen voor het SEP-windpark een (iets duurdere) thyristor­

in plaats van een diodegelijkrichter gekozen. waardoor het sys­

teem beter beheersbaar is. Achteraf bezien lijkt dit een zeer

goede keuze.

Page 12: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

4

Een eenvoudig model

De ontwikkelingen op het gebied van de demperloze machine hebben

geen wezenlijke bijdrage geleverd aan het begrip van - en daarmee

misschien een oplossing voor - de instabiliteiten. Om het sys­

teemgedrag verder te kunnen verklaren werd het onderzoek in

eerste instantie gericht op het vinden van een geschikt model van

de synchrone machine met diodebruggelijkrichter. Dit model zou

tevens geschikt moe ten zijn voor het gebruik in een gelntegreerd

model van een complete windturbine voor onderzoek van het

systeem- (regel)gedrag van een turbine. Dit laatste is zeker van

belang als er een thyristor- in plaats van een diodegelijkrichter

wardt toegepast.

Voor de toepassing in een gelntegreerd model zijn netwerkmodellen

in het algemeen niet geschikt omdat simulaties ermee zeer tijd­

rovend zijn en omdat zij niet direct geschikt zijn voor het ont­

werpen van regelingen. Dit heeft geleid tot het opzetten van het

grotendeels via NOVEM (voorheen PEO) gefinancierde project "Het

dynamische gedrag van de synchrone machine met gelijkrichter",

waarbinnen het ontwikkelen en verifieren van een eenvoudig model

van de synchrone machine met gelijkrichter centraal staat. Dit

verslag geeft de afleiding van dit model en beschrijft tevens de

experimentele verificatie ervan.

Een gedetailleerd model

Bij het zoeken naar een eenvoudig model heeft de ontwikkeling van

een nieuw vervangingsschema van de synchrone machine een zeer

grote rol gespeeld. Met dit schema kan eenvoudig een netwerkmodel

van de synchrone machine (met dempers) met gelijkrichter gemaakt

worden dat geschikt is voor gedetailleerde simulaties met behulp

van een netwerksimulatieprogramma [Hoe 86]. Hierbij kan men bij­

voorbeeld ook de toestanden in de gelijkrichter onderzoeken, wat

van belang is in geval van storingssituaties. Dit netwerkmodel

kan bovendien, in tegenstelling tot het eenvoudige model, ge­

bruikt worden voor de berekening van zeer snelie overgangsver­

schijnselen (enige milliseconden).

Voorts is dit netwerkmodel voor het geval dat een diodebrugge­

lijkrichter wardt toegepast, gebruikt voor een eerste verificatie

van het in dit verslag beschreven eenvoudige model [Hoe 87a]. De

Page 13: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

5

overeenkomst tussen de berekeningsresultaten met het gedetail­

leerde netwerkmodel en die met het globale, eenvoudige model

bleek, op de zeer snelle verschijnselen (zoals de rimpel op de

gelijkstroom) na, goed te zijn.

Indeling van het verslag

In de hoofdstukken 2 en 3 van dit verslag worden de synchrone

machine en de gelijkrichter als afzonderlijke systeemcomponenten

behandeld. Vervolgens wordt in hoofdstuk 4 voor de stationaire

toestand uitgelegd hoe deze componenten in een model verenigd

kunnen worden. Dit wordt als basis gebruikt voor het in hoofdstuk

5 gegeven model dat ook voor dynamisch bedrijf geschikt is. In

hoofdstuk 6 wordt nader ingegaan op de bepaling van de parameters

van de synchrone machine, die vervolgens in hoofdstuk 7 worden

gebruikt bij de modelverificatie. Het verslag wordt afgesloten

met de conclusies uit het onderzoek en een aantal aanbevelingen.

Overige publikaties

Dit verslag beschrijft de hoofdlijn van het onderzoek "Het dyna­

mische gedrag van de synchrone machine met gelijkrichter". Via

literatuurverwijzingen is in deze inleiding reeds de aandacht

gevestigd op een aantal zijsporen die al eerder beschreven zijn.

Een aantal publikaties, in het bijzonder die welke het eenvoudige

model gebruiken, zijn echter nog niet eerder vermeld: [Hoe 87b],

[Hoe 88a], [Hoe 88b], [Vie 87] en [Vie 88].

Page 14: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

6

2 DE SYNCHRONE MACHINE

2.1 In1eiding

In dit hoofdstuk wordt een beschrijving van de synchrone machine

gegeven, waarbij er in eerste instantie uitgegaan wordt van een

tweepo1ige machine zoa1s geschetst is in figuur 1.1. In deze

figuur zijn reeds enke1e grootheden gedefinieerd.

Uc

+ I

I

q

d

-~---- Ua+

Figuur 2.1 Schematische doorsnede van de synchrone machine

Bij de beschrijving wordt gebruik gemaakt van de vo1gende

veronderste11ingen:

De binnenzijde van de stator is cirke1ci1indrisch; de borings­

diameter is 2r en de kern1engte is 1.

De statorbinnenzijde is glad: gleufeffecten worden verwaar­

loosd.

Page 15: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

7

Hysteresis, wervelstromen (en skin-effect) en verzadigings­

verschijnselen worden verwaarloosd.

Tussen de referentierichtingen van stroam en flux hestaat

hetzelfde verband als tussen de draairichting en de voorwaartse

richting van een rechtse schroef.

Het magnetische circuit van de rotor is symmetrisch ten op­

zichte van twee onderling loodrechte assen: de d-as en de q-as.

De bekrachtingswikkeling, waarvan de as op de d-as ligt, is de

enige wikkeling van de rotor die toegankelijk is. Daarnaast

ligt er nog een demperwikkeling op de d-as en een demperwikke­

ling op de q-as.

De statorwikkelingen zijn sinusvormig verdeeld langs de stator­

amtrek: deze verdelingen kunnen worden beschreven met: A

Z (a ) Z sin(a ) (2.la) a s s A

sin(a -?~) 1b(as ) Z (2.lb) s 3

A 4 Z (a ) Z sin(a --~) (2.lc) c s s 3

waarin Z het aantal geleiders per meter is, met Z als maximum.

In de paragrafen 2.2 en 2.3, die overgeslagen kunnen worden door

lezers die de theorie van de synchrone machine beheersen, worden

de basisvergelijkingen van de synchrone machine afgeleid. Deze

vergelijkingen worden in paragraaf 2.4 gegeven. In de daarop vol­

gende twee paragrafen wordt dieper ingegegaan op de vervangings­

schema's van de machine. De hierbij afgeleide vergelijkingen wor­

den gebruikt bij het opstellen van een beschrijving van de machi­

ne met de statorstromen en de rotorfluxen als toestandsvariabe-

len. Deze beschrijving is de basis voor het af te leiden model

van de synchrone machine met gelijkrichter. In paragraaf 2.8

worden voor deze beschrijving nog enige vereenvoudigingen aange-

geven.

Alhoewel in beschrijvingen van synchrone machines vaak het begrip

reactantie gebruikt wardt, wardt dat hier niet gedaan omdat een

reactantie verhonden is aan een vaste frequentie. Aangezien een

synchrone machine gebruikt in combinatie met een gelijkrichter in

het algemeen geen vaste frequentie heeft, wordt hier de voorkeur

gegeven aan de term inductantie.

Page 16: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

8

2.2 Afleiding van de vergelilkingen

Inleiding

In deze paragraaf zullen we een afleiding geven van de algemene

vergelijkingen van de synchrone machine zoals die in paragraaf

2.1 is beschreven. Voor de afleiding van de spanningsvergelijkin­

gen van een wikkeling moe ten we de weerstand van die wikkeling

weten en moeten we een uitdrukking voor de met die wikkeling

gekoppelde flux als functie van de stromen in alle wikkelingen en

van de positiehoek van de rotor l kennen (zie figuur 2.1). Deze

hoekafhankelijkheid, die de vergelijkingen zeer onoverzichtelijk

maakt, kunnen we vermijden door de Park-transformatie toe te

passen. Deze transformatie zullen we verduidelijken door de

magnetische inductie in de luchtspleet te beschouwen. Om deze te

kunnen bepalen zullen we uitgaan van geschikte uitdrukkingen voor

de statorstroombelegging. Hierbij zullen we gebruik maken van een

tweetal fictieve wikkelingen die met de rotor meedraaien: een op

de d- en een op de q-as.

Nadat de flux gekoppeld met een willekeurige, sinusvormig ver­

deelde statorwikkeling ten gevolge van de luchtspleetinductie is

bepaald, zullen we de resultaten van deze uitdrukking gebruiken

bij de berekening van de flux gekoppeld met de eerder genoemde

fictieve wikkelingen. Hierbij worden een aantal inductiecoeffici­

enten ingevoerd die we zullen gebruiken bij de berekening van de

met de stator- en met de rotorwikkelingen gekoppelde fluxen.

Vervolgens worden de zo afgeleide spanningsvergelijkingen met

behulp van de Park-transformatie op forme1e wijze omgezet in

eenvoudiger te hanteren vormen. Ten s10tte zu11en we in deze

paragraaf het aan de statorkant afgegeven vermogen, het elektro­

mechanische koppel en de homopolaire componenten van de stator­

spanning, -stroom en -flux beschouwen.

De statorstroombelegging

Met (2.1) kan men zien dat de drie statorstromen i a , ib en ic de

vo1gende drie stroombe1eggingen veroorzaken: A

A (a ,i ) i Z sin(a ) (2.2a) a s a a s

A

sin(a _?w) ~(as'~) ib Z (2.2b) s 3

A

sin(a -~w) A (a ,i ) i Z (2.2c) c s c c s 3

Page 17: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

9

Ret totale effect van deze drie stroombeleggingen is hetzelfde

als dat van de superpositie van deze beleggingen:

A(a ,i ,ib,i ) - Z{i sin(a ) + 5 a cas

2 4 ibsin(as-3~) + icsin(as-3~») (2.3)

Om het magnetische veld in de luchtspleet als functie van de

statorstromen te bepalen, wordt gebruik gemaakt van de symmetrie

van de rotor. Daartoe wardt de superpositie van de stroombeleg­

gingen volgens (2.3) geschreven als functie van de referentiehoek

a in plaats van a (zie figuur 2.1). Met r s

" as - a r + 7 - 2

wordt dit:

A(ar,ia,ib,ic ) - Z{iasin(ar + "/

+ ibsin(ar + "/

+ i sin(a +"/ C r

~(i sin(a -~2-)cos(7) a r

(2.4)

+ i cos (a -"2-)sin(7) + a r

+ ibSin(ar-~)COS(7-~~) + ibcos(ar-~)sin("/-~~) +

~ 4 ,,4 + icsin(ar-2)coS(7-3~) + iccos(ar-2)sin("/-3~»)

~sin(ar-~){iaCOS("/)+ibCOS("/-~~)+icCOS(7-~"») +

+ ~Sin(ar){iaSin("/)+ibsin(7-~")+icsin(7-~"») (2.5)

Blijkbaar kan de stroomverdeling A(ar,ia,ib,ic ) ook veroorzaakt

worden door de stromen

(2.6a)

en

(2.6b)

in, respectievelijk, een fictieve spoel op de d-as met wikkelver­

de ling

J3" Zd(ar ) - J2Zsin(ar-~) (2.7a)

en een fictieve spoel op de q-as met wikkelverdeling

4" Z (a ) - 2Zsin(a) q r r (2.7b)

tezamen. De factor J2/J3 in (2.6) is ingevoerd om de later te ge­

bruiken Park-transformatie orthogonaal te maken. De statorstroom­

belegging kan nu beschreven worden met

Page 18: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

10

A(a ,id,i ) - Ad(a ,id) + A (a ,i ) r q r q r q

A (a ,i ) q r q

Zd(ar)id

Z (a )i q r q

De magnetische inductie in de luchtspleet

(2.8a)

(2.8b)

(2.8c)

Hoewel we met het voorgaande de magnetische inductie in de lucht­

spleet ten gevolge van de statorstromen niet in detail kunnen

bepalen, kunnen we er toch al wat over zeggen: de stroombelegging

Ad volgens (2.8b) zal dankzij de rotorsymmetrie een magnetische

inductie langs het statoroppervlak veroorzaken die spiegelsymme­

trisch is ten opzichte van de d-as en die bovendien verschui­

vingssymmetrie vertoont. Tevens is de magnetische inductie een

periodieke functie van a r met periode 2w. Om deze redenen kunnen

we deze functie beschrijven met behulp van een Fourierreeks met

aIleen oneven cosinustermen volgens:

w

Bd(ar,id) - ~ Bdn(id)cos{(2n+1)(ar-~)J n-O

(2.9)

Op soortgelijke wijze kunnen we ook de inductie ten gevolge van

de stroom in de (niet-sinusvormig verdeelde) bekrachtigings­

wikkeling if:

(2.10)

en ten gevolge van de stroom in de (eveneens niet sinusvormig

verdeelde) demperwikkeling op de d-as ild

:

(2.11)

beschrijven.

De stroombelegging

statoromtrek die op

A (0 ,i ) q r q veroorzaakt een indue tie 1angs de

B (a ,i ) -q r q

tweeeriei wijze symmetrisch

~ B (i )cos{(2n+1)a J n-O qn q r

is:

(2.12)

Voor de magnetische inductie ten gevolge van de demperwikkeling

op de q-as kunnen we schrijven:

Bl (a ,i1 ) - ~ Bl (i l )cos{(2n+l)a J q r q n-O qn q r

(2.13)

Omdat het magnetische circuit lineair verondersteld is, kunnen we

voor de berekening van de totale magnetische indue tie 1angs de

Page 19: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

statoromtrek het superpositiebeginsel toepassen:

Bq(ar,iq) + B1q(ar,i1q)

Met (2.9) tot en met (2.13) wordt dit

11

(2.14)

+ B (i ,i1 )}cos(2n+1)a )] (2.15a) nq q q r

waarbij

Bnd(id,if,ild) - Bdn(id) + Bfn(if ) + Bldn(ild) (2.l5b)

Bnq(iq,ilq) - Bqn(iq) + Blqn(ilq) (2.1Sc)

De flux gekoppeld met een willekeurige, sinusvormig verdeelde

statorwikkeling ten gevolge van de luchtspleetinductie

Vervolgens wordt de flux gekoppeld met een sinusvormige stator­

wikke1ing met een nog willekeurige as (a -a ) ten gevolge van de r 0

luchtspleetinductie bepaald (zie figuur 2.2). Voor deze spoe1

wordt hetze1fde aanta1 wikke1ingen genomen a1s bij de fictieve d­

en q-spoe1en vo1gens (2.7):

q

F1suur 2.2 ne bepallng ven de flux gekoppeld met een nog wl11ekeurlge statorwlkkellng

(2.16)

Page 20: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

12

De flux gekoppeld met een winding waarvan de zijden op de

posities 0' en 20 -0' 1iggen (zie figuur 2.2) wordt gegeven door: r 0 r

0'

J ~(o )lroo r r

Op het stukje aangegeven met 00' op de r

9z'

posities 0' en 20 -0' 1iggen r 2Zsin(o'-0 )00' r 0 r r 0 r

winding en. De flux

gekoppe1d met dit dee1spoe1tje is dus

0'

r9z~Sin(O~-Oo) ( J ~(Or)lrOOr) oo~ 2a -0' o r

De flux gekoppeld met de gehele spoe1 is dan

'" -m a 20 -0'

o 0 r

00' r

(2.17)

De index m geeft hierbij aan dat de flux in verband staat met het

luchtspleet- of hoofdveld (main field) van de machine. Als we

(2.15) in (2.17) substitueren, voIgt

"'m - 9z r2~lW(Bld(id,if,ild)COS(Oo-~)+Blq(iq,i1q)COS(Oo») (2.18)

Blijkbaar speelt aIleen de grondharmonische van de verdeling van

de magnetische inductie in de luchtspleet een ro1 bij de bepaling

van de met een sinusvormig verdeelde wikkeling gekoppelde flux:

de sinusvormig verdee1de wikkeling functioneert als een filter.

Als ° -w/2, beschrijft (2.16) de fictieve spoel op de d-as o

volgens (2.7a). De met deze spoel gekoppelde flux ten gevolge van

de 1uchtspleetinductie is dus vol gens (2.18):

. J3 2' "'md(id,lf,ild) - 72 r ZlwBld(id,if,ild) (2.19a)

A1s 0 -0, beschrijft (2.16) de fictieve spoel op de q-as vo1gens o

(2.7b), zodat de met deze spoe1 gekoppelde flux ten gevolge van

de luchtspleetinductie met (2.18) beschreven kan worden als

J3 2' "'mq(iq ,i1q) - 72 r ZlwBlq(iq,ilq) (2.19b)

Met (2.19) kan (2.18) geschreven worden a1s

"'m - Wmd(id,if,i1d)cos(oo-~) + Wmq(iq,i1q)cos(oo) (2.20)

De spoelen op de d- en op de q-as

Tot nu toe hebben we steeds de luchtsp1eetinductie a1s functie

van de stromen beschouwd zonder nader in te gaan op deze functie

Page 21: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

13

ze1f. Dit is voor de hier te geven af1eiding ook niet nodig. We

zullen verder namelijk niet meer naar de magnetische inductie,

maar naar de met de spoe1en gekoppe1de fluxen kijken.

Om een later gemakke1ijk toe te passen ste1se1 uitdrukkingen voor

de fluxen als functies van de stromen te vinden, beschouwen we de

fictieve wikkelingen op de d- en op de q-as vo1gens (2.7) en de

rotorwikke1ingen. Omdat de d- en de q-as onder1ing loodrecht op

e1kaar staan, zijn de wikke1ingen op de d-as niet gekoppe1d met

die op de q-as en kunnen de ste1se1s spoe1en op elk van de assen

afzonder1ijk bekeken worden.

Dankzij het feit dat het ijzer magnetisch 1ineair verondersteld

is, kunnen we voor de beschouwde spoe1en op de d-as schrijven:

~md Lmdid + Lafdi f + La1di1d (2.21a)

~f Lafdid + Lffdif + Lf1di1d (2.21b)

~ld La1did

+ Lf1d i f + Ll1di1d (2.21c)

Hiermee worden imp1iciet een aanta1 inductiecoefficienten gedefi­

nieerd. De indices d, f en 1d hebben be trekking op, respectieve-

1ijk, de fictieve wikke1ing op de d-as vol gens (2.7a), de

bekrachtigingswikke1ing en de demperwikke1ing op de d-as.

Voor de spoelen op de q·as noteren we:

~mq - L i + L 1 i1 mq q a q q (2.22a)

~lq - La1qiq + L11qi1q (2.22b)

Hiermee worden weer impliciet een aantal inductiecoeffienten

gedefinieerd; de indices q en 1q hebben be trekking op, respectie­

ve1ijk, de fictieve wikke1ing op de q-as vo1gens (2.7b) en de

demperwikke1ing op de q-as.

De flux gekoppeld met de statorfasewikkelingen ten gevolge van de

luchtspleetinductie

Met (2.21b), (2.21c) en (2.22b) hebben we via (2.6) uitdrukkingen

voor de f1uxen gekoppe1d met de rotorwikke1ingen a1s functies van

de machinestromen gevonden. Om de f1uxen gekoppe1d met de stator­

wikke1ingen te vinden, beschouwen we eerst de bijdrage van de

luchtsp1eetinductie tot deze f1uxen.

De statorfasespoe1en hebben J2/J3-maa1 zoveel wikkelingen a1s de

hiervoor beschouwde spoe1 volgens (2.16). A1s we verder bedenken

dat de as van de spoel van statorfase a bij Q -w/2-~ ligt, dan r

kunnen we voor de met deze fasewikke1ing gekoppe1de flux ten

Page 22: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

14

gev01ge van de luchtspleetinductie met (2.20) schrijven:

~ = 4032 {~ dCOS7 + ~ sin71 rna 4J m mq (2.23a)

Voor de fasen b en c geldt:

_ ./23 2 2 ~mb ]3 (~mdcoS(7-3~) + ~mqsin(7-3~)1 (2.23b)

./2 4 4 ~mc - ]3 (~mdcoS(7-3~) + ~mqsin(7-3~)1 (2.23c)

De statorspreidingsflux

De met de statorspoelen gekoppelde flux bestaat behalve uit de

eerder genoemde bijdrage van de luchtspleetinductie nog uit een

bijdrage ten gevolge van het statorspreidingsveld. Dit is het

veld ten gevolge van de statorstromen waarvan de veldlijnen niet

door de rotor lopeno Er wordt hier verondersteld dat dit veld

niet afhankelijk is van de positie van de rotor. Omdat het ijzer

magnetisch lineair verondersteld wordt, is de spreidingsflux in

fasespoel a dus een lineaire functie van de statorstromen ia' ib

en i . c

Verder wordt verondersteld dat de machine symmetrisch

gebouwd is, zodat de bijdragen van de stromen ib

spreidingsflux in fase a gelijk zijn:

~ - L i ao aoo a L i aboO" c

en

Hierin zijn impliciet de inductiecoefficienten

gedefinieerd; de coefficient L b kan hierin zowel a ou negatief zijn. Voor de fasen b en c geldt:

L L L i-L i aoulb - aboo a ahoo c

L i aboo a L i abou b

i c

aan de

(2.24a)

L en L b aou a 00

positief als

(2.24b)

(2.24c)

In veel gevallen, en ook in het in dit rapport beschreven geval,

zijn de statorwikkelingen van de synchrone machine in ster

geschakeld en wordt dit sterpunt niet gebruikt. De homopolaire

stroam gedefinieerd als

iO - ~ {ia + ib + ic l (2.25)

is in deze stituatie gelijk aan nul. Voorlopig nemen we deze

stroom nog weI mee in de beschouwing.

Met (2.25) kan (2.24) geschreven worden als

~au (L +L )i aoO' aboa a ./3L b iO a ou

(2.26a)

~bu (L +L )i aoo aboo b ./3Labou i O (2.26b)

~cu (L +L )i aoa aboo c ./3L b iO a ou (2.26c)

Page 23: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

15

Als iO-O, zien we in elk van de fasespoelen dus een spreidings­

zelfinductiviteit

Lau - Laou + Labou (2.27)

Voor de met de statorspoelen gekoppelde flux kunnen we nu met

(2.23), (2.26) en (2.27) schrijven:

"'a - "'ma + "'ua -

- ~ ("'mdcoS(7)+"'mqsin(7»)

De spanningsbetrekkingen

+ L i - j3L b iO ao a a 00

+ L ib - j3L b iO aa a 00

+ L i au c - j3L b iO a ou

(2.28a)

(2.28b)

(2.28c)

De drie statorspanningsbetrekkingen zijn (generatorconventie):

u a

R i a a

u - - R i c a c

d", a

(2.29a) dt

(2.29b)

dt (2.29c)

Hierin is Ra de statorfaseweerstand; de index a komt van

"armature" .

De spanningsbetrekkingen voor de bekrachtigingswikkeling, de

demperwikkeling op de d-as en de demperwikkeling op de q-as zijn

respectievelijk:

(2.30a)

. d"'ld o - Rlld'ld + ~ (2.30b)

+ d"'lq o - Rllqilq dt (2.30c)

Met de spanningsbetrekkingen (2.29) en (2.30) en de vergelijkin­

gen (2.6), (2.21), (2.22), (2.25) en (2.28) hebben we een

compleet stel elektrische vergelijkingen van de synchrone

machine. Voor de overzichtelijkheid worden de vergelijkingen

(2.6), (2.21), (2.22), (2.25) en (2.28) hier nog eens herhaald:

Page 24: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

16

id - ~ (iacOS(l) + ibCOS(l-~~) + iCcOS(l-j~)1

iq - ~ (iasin(l) + ibsin(l-~~) + icSin(l-j~)1 1

iO - ]3 (ia + ib + ic l

~md - Lmdid + Lafdif + Laldild

~f - Lafdid + Lffdi f + Lfldild

~ld - Laldi d + Lf1d i f + Llldild

~mq - L i + L 1 il mq q a q q

~ - L i + L i lq alq q llq lq

~a - ~ (~mdcoS(l) +~mqsin(l)l /2 2 2

~b - ]3 (~mdcoS(1-3~)+~mqsin(1-3~)1

/2 4 4 ~c - ]3 (~mdcoS(1-3~)+~mqsin(1-3~)1

De Park-transformatie

+ L i au a

+ L ib au

+ L i aac

«2.6a»

«2.6b»

«2.25»

«2.21a»

«2.21b»

«2.21c»

«2.22a»

«2.22b»

/3L b iO «2.28a» a ou

/3L b iO «2.28b» a ou

/3L b iO «2.28c» a ou

Bovenstaande vergelijkingen kunnen met behulp van de Park-trans­

formatie op een overzichtelijke wijze beschreven worden. Voor de

statorstromen hebben we deze transformatie eigenlijk al gebruikt

in (2.6) en (2.25). Deze vergelijkingen kunnen we ook schrijven

als:

[ ::J- ' [ ~ 1 (2.31)

waarbij P de Park-transformatiematrix is:

cosh) 2

COS(1-3~) 4

COS(1-3~)

P /2 -]3 sin(l) Sin(l-~~) 4

sin(1-3~) (2.32)

1 1 1 72 72 72

Met de factor /2//3 wordt ervoor gezorgd dat de matrix orthogo­

nnnl is, waardoor de inverse van P gelijk is aan de getrBnspo­

neerde van P. (Behalve deze orthogonale matrix komt men in de

literatuur ook we! niet-orthogonale matrices of matrices met min­

tekens in een van de rijen tegen. Soms zijn de bovenste twee

rijen verwisseld.)

Page 25: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

17

Voor de statorspanningen en fluxen kunnen we soortgelijke defini­

ties geven:

Met de matrix P volgens (2.32) en vergelijking (2.31) kunnen we

(2.28) in matrixnotatie a1s voIgt schrijven:

De hoekafhankelijkheid van de fluxbetrekking (2.28) is in (2.35)

verwerkt in de matrix P. Als we (2.31) toepassen op de laatste

term van (2.35), kunnen we deze vergelijking schrijven als

[~ j- p-1

[:md : ~au~d 1- j3L b P-1j3 [~ j mq au q a ou

LauiO iO

-1 - P

[

>P d + L id I m au >P + L i mq au q (L -3L b )iO au a Oq

(2.36)

Vullen we (2.36) in in (2.34) dan zien we dat we met (2.2la),

(2.22a) en (2.27) kunnen schrijven:

>Pd - >Pmd + LQuid - (Lmd+Lau)id + Lafdi f + Laldild

>Pq - >Pmq + Lauiq - (Lmq+Lau)iq + Lalqilq

>PO - (Laou-2Labou)iO

(2.37)

(2.38)

(2.39)

Zoals we in bovenstaande uitdrukkingen kunnen zien, is het handig

om de volgende inductiecoefficienten te definieren:

Ld - Lau + Lmd L - L + L

q au mq L - L - 2L o aou abou

(2.40)

(2.41)

(2.42)

Met deze definities, (2.21b), (2.21c), (2.22b), (2.37), (2.38) en

(2.39) kunnen we de volgende fluxbetrekkingen voor de synchrone

machine opschrijven:

Page 26: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

18

~d - Ldid + Lafdi f + La1di1d

~f - Lafdid + Lffdi f + Lf1di1d

~ld - La1di d + Lf1d i f + L11di1d

~q - \iq

~lq - La1qiq

+ L 1 i1 a q q

+ Lllqi1q

(2.43a)

(2.43b)

(2.43c)

(2.44a)

(2.44b)

(2.45)

Vervo1gens passen we de Park-transformatie toe op de statorspan­

ningsbetrekkingen (2.29). Met (2.31). (2.33) en (2.34) kunnen we

voor (2.29) in matrixvorm schrijven:

" [:; ]- . R.'·' [ :; ] d

dt

Voorvermenigvu1diging met P en verdere uitwerking 1evert

Met (2.32) kan dit verder uitgewerkt worden tot

(2.46)

Na toepassing van de Park-transformatie vol gens (2.31) tot en met

(2.34) vormen de verge1ijkingen (2.30) en (2.43) tot en met

(2.46) een ste1se1 voor de beschrijving van de e1ektrische kant

van de synchrone machine.

Het vermogen en het koppel

Voor het aan de statorkant afgegeven elektrische vermogen kunnen

we met (2.31) en (2.33) schrijven:

p - uaia + ~ib + ucic - udid + uqiq + uOiO

Met (2.46) wordt dit:

p - _ [i ~ -i ~ ]!!:r _ R [i2+i

2+i

2] d q q d dt a d q 0

(2.47)

(2.48)

Het elektromechanische vermogen kamt overeen met de term in bet

midden van deze uitdrukking [Con 511. zodat voor het e1ektro-

Page 27: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

mechanische koppel geldt:

m-i,p-i,p d q q d

De homopolaire componenten

19

(2.49)

Zoals reeds eerder is opgemerkt, beschouwen we in dit rapport een

in ster geschakelde synchrone machine waarbij het

is aangesloten. Dit betekent volgens (2.25) dat

stroom nul is: iO-O. Met (2.45) en (2.46) kunnen

zien dat ,pO en Uo ook nul zijn.

2.3 Machines met een poolpaartal groter dan een

sterpunt niet

de homopolaire

we vervolgens

In de vorige paragraaf zijn de vergelijkingen v~~r een 2-polige

machine afgeleid (poolpaartal p is 1). In deze paragraaf zullen

we zien wat we aan deze vergelijkingen moe ten veranderen om

ervoor te zorgen dat zij geschikt zijn voor machines met een

poolpaartal p groter dan 1.

Een dergelijke, zogenaamde meerpolige, machine kan men in

gedachten laten ontstaan door p identieke tweepolige machines op

een zelfde plaats open te snijden tot het hart van de as,

vervolgens uit te buigen en ten slatte te verenigen tot een nieuwe machine met vergrote diameter, waarbij de overeenkomstige

(wikkelings-)fasen in serie of eventueel parallel worden

geschakeld. In figuur 2.3 wordt geillustreerd hoe men op deze

wijze een machine met 4 polen (p-2) kan laten ontstaan uit twee

machines met elk 2 polen (p-l). In deze figuur zijn de rotorwik­

kelingen niet getekend en zijn de polen aangeduid met N (Noord­

pool) en Z (Zuidpool).

Als we een meerpolige machine hebben laten ontstaan op de wijze

zoals hiervoor is aangegeven, kunnen we tamelijk eenvoudig inzien

dat we voor de beschrijving van een meerpolige machine kunnen

volstaan met de beschouwing van een tweepolige machine. We moeten

er echter wel rekening mee houden dat de ruimtelijke hoeken die

we in de vorige paragraaf hebben gebruikt in werkelijkheid met

een factor lip moe ten worden vermenigvuldigd. De rotorpositie­

hoek. de hoek tussen de positieve d-as en statorfase a, is dus in

werkelijkheid ~/p. Deze werkelijke positiehoek zullen we verder

Page 28: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

20

aangeven met 0:

-y - pe (2.50)

Ret verband tussen de (mechanische) rotorhoeksne1heid w en -y is m

dus:

w m

(2.51)

Als we voor de berekening van het elektromechanische koppel weer

uitgaan van het elektromechanische vermogen vo1gens de term in

het midden van uitdrukking (2.48), dan vinden we met (2.51) voor

het elektromechanische koppel:

(2.52)

~'

'0'

e 0' 0'

Insntjdlnv

~u

aU a" aU

Figuur 2.3 Het ontstaan van een vierpolige machine uit twee

machines met elk twee polen.

2.4 De basisvergelilkingen

In deze paragraaf zullen we de eerder afgeleide vergelijkingen

van de synchrone machine nog eens samenvatten.

De Park-transformatie

Voor de Park-transformatie gebruiken we de vergelijkingen (2.31),

(2.32), (2.33) en (2.34):

e a'

Page 29: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

21

(2.53a)

(2.53b)

(2.53c)

cos(-y) 2 cos(-y- 3")

4 cos(-y- 3")

p - ~ sin(-y) 2 sin(-Y-j'r)

4 sin(-Y-3") (2.53d)

1 1 1 7'i. 7'i. 7'i.

Bij de toepassing van de Park-trans forma tie moe ten we eraan

denken dat in ons geva1 de homopo1aire componenten i O' Uo en ~O

nul zijn, zoa1s we reeds aan het einde van paragraaf 2.2 hebben

besproken.

De vergelijkingen voor de d-as

De verge1ijkingen voor de d-as worden samengeste1d uit (2.46) met

(2.51), (2.30a), (2.30b) en (2.43):

d~d ud - - Raid - dt - PWm~q

~d - Ldid + Lafdi f + La1di1d

~f - Lafdid + Lffdif + Lf1di1d

~ld - La1di d + Lf1d i f + L11di1d

De vergelijkingen voor de q-as

(2.54a)

(2.54a)

(2.S4c)

(2.55a)

(2.55b)

(2.55c)

De verge1ijkingen voor de q-as worden samengeste1d uit de

verge1ijkingen (2.46) met (2.51), (2.30c) en (2.44):

Page 30: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

22

d", u R i Tt + pwm"'d q a q

d"'l 0 - Rllqi 1q

+~ dt

"'q L i + L 1 i1 q q a q q

"'lq - L i a1q q + Lllqi 1q

De mechanische vergelijkingen

Hier worden de verge1ijkingen (2.51) en (2.52) herhaa1d:

1~ wm - i> dt

m - p(id"'q-ild)

2.5 Vervangingsschema's voor de 0·a5

Het transformatorschema

(2.56a)

(2.56b)

(2.57a)

(2.57b)

(2.58)

(2.59)

Voor de overzichte1ijkheid worden hier de verge1ijkingen voor de

q-as (2.56) en (2.57) herhaa1d:

d", u R i Tt + pwm"'d «2. 56a» q a q

d"'l 0 - Rllq i 1q

+~ «2.56b» dt

"'q - L i + L 1 i1 «2.57a» q q a q q

'" - L i + L i 1q a1q q 11q 1q «2. 57b»

Uit deze verge1ijkingen vo1gen direct de vervangingsschema's

vo1gens figuur 2.4.

De fysische betekenis van de inductiviteiten in figuur 2.4b is

niet duide1ijk: vaak za1, bijvoorbee1d, L 1 vee1 groter zijn dan a q

L11q , zodat L11q-La1q negatief is.

Page 31: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

23

Lo1 q Ro +

~1q 1 - l~q R11q Uq

pr.l m 'VI d +

i 1 q iq

a

L11q-L o 1q L q -Lo 1q

'VI 1 q 'VIq Ro +

R11q Uq

L o 1q pr.l m 'VI d +

i 1 q iq

b

Figuur 2.4 Het transformatorvervangingsschema voor de q-as

Bet reduceren

Vervolgens gaan we de dempergrootheden (subscript lq) reduceren.

Dit kunnen we doen door de demperstroom i1q

door de nog nader te

bepalen factor CQ

te delen en de demperflux ~lq met dezelfde

factor te vermenigvuldigen. Hierdoor ontstaan de gereduceerde

demperstroom iQ en de gereduceerde demperflux ~Q:

1 iQ - C

Q i 1q ~Q - CQ~lq

Met (2.60) kunnen we (2.56) en (2.57) schrijven als:

d~

uq - - Raiq ~ + PWm~d

2 d~Q o - CQRllqiQ + dt

~ -q

(2.60)

(2.6la)

(2.61b)

(2.62a)

(2.62b)

Page 32: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

24

Met (2.61) en (2.62) kunnen we het schema vo1gens figuur 2.5

tekenen. In dit schema kunnen we zien dat we met de grootte van

de inductiviteiten in het schema kunnen beinvloeden. In het

geva1 van CQ-1, komt figuur 2.5 (natuur1ijk) overeen met figuur

2.4b.

Figuur 2.5 Het genormeerde transformatorvervangingsschema voor

de q-as

Het T-schema

Het meestal bebruikte T-vervangingsschema voor de q-as kunnen we

vinden door de stator flux ~ eerst te sp1itsen in een 1ucht­q

sp1eetdee1 ~ en een spreidingsdee1 L i (In paragraaf 2.2 mq au q

hadden we reeds veronderste1d dat de rotorstromen geen bijdrage

1everen tot de statorspreidingsf1ux). Met L -L +L «2.41» en q ao mq

(2.62a) kunnen we nu voor het 1uchtsp1eetdee1 schrijven:

~mq - ~q- Lauiq (Lq-Lau)iq+ CQLa1qiQ - Lmqiq + CQ

La1qiQ (2.63)

A1s

L mq

we CQ

zo kiezen dat

- CQLa1q

ge1dt (zie figuur 2.5), kunnen we de flux ~mq zien als

(2.64)

de flux

gekoppeld met een spoel met zelfinductie Lmq

, waardoor de stroom

iq+iQ

loopt.

Met (2.64) en L -L +L gaat (2.62) over in: q au mq

~ -q L i + L (i +iQ) au q mq q (2.65a)

~Q - (C~L11q-Lmq)iQ + Lmq(iq+iQ) (2.65b)

Met (2.61) en (2.63) kan het bekende T-vervangingsschema vol gens

figuur 2.6 (vergelijk figuur 2.5) getekend worden.

Page 33: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

25

La 0-

Ra + 1/I q

Uq

P'" m 1/1 d +

iq

Figuur 2.6 Het vaak gebruikte T-vervangingsschema voor de q-as

Het hier gebruikte schema

Als we op het in figuur 2.6 getekende circuit een spanningssprong

op de klemmen zetten. dan "zien" we in eerste instantie de zoge­

naamde subtransiente dwarsinductantie. Zoals later zal blijken.

speelt deze subtransiente inductantie een belangrijke rol bij de

commutatie in de gelijkrichter die aan de synchrone machine wordt

gekoppeld. In het schema vol gens fig. 2.6 kunnen we deze induc-

tantie niet direct zien. Ais we de dempergrootheden i lq en ~lq

anders reduceren. is dat echter weI mogelijk.

We gaan daarvoor uit van figuur 2.5. Ais we ervoor zorgen dat de

"spreiding" in de linkertak van deze figuur G~Lllq -GQLalq gelijk

aan nul is, zien we voar zeer snelle spanningsvariaties aan de

klemmen aIleen de "spreiding" in de rechtertak L -GQL I . Om dit q a q

te realiseren kiezen we dus:

(2.66)

Voorts worden de volgende parameters ingevoerd:

RQ 2 2

; LaQ - GQLalq ; L" - L -L - GQRllq LQ - GQLllq q q aQ (2.67)

Met (2.66) en (2.67) gaan (2.61) en (2.62) over in:

d~ u R i - -.:.g + PWm~d q a q dt (2.68a)

0 d"'Q

RQiQ + dt (2.68b)

"'q L"i + LaQ(iq +iQ} q q (2.69a)

"'Q + LaQ(iq +iQ} (2.69b)

Page 34: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

26

Met (2.68) en (2.69) kan het hier verder in dit verslag gebruikte

vervangingssehema vol gens figuur 2.7 getekend worden.

1/J q Ra +

~Ql RQ Uq

p W m 1/Jd L

aQ + iQ iq

Figuur 2.7 Ret hier gebruikte vervangingssehema voor de q-as

2,6 Veryangingsschema's voor de d-as

Het transformatorschema

Voor de overziehtelijkheid worden hier de vergelijkingen voor de

d-as (2.54) en (2.55) herhaald:

- R i d1/>d

P"'m1/>q' «2.54a» u - dt d ad

Rfi f

d1/>f «2.54a» uf + --dt

0 . d1/>ld

- Rlld'ld + ~ «2.54e»

1/>d Ldid + Lafdif + Laldild «2.55a»

1/>f Lafdid + Lffdif + Lfldild «2.55b»

1/>ld - Laldid + Lfldif + LUdi1d «2. SSe»

Deze vergelijkingen komen overeen met die van een driewikkelings­

transformator zoals die sehematiseh in figuur 2.8 is weergegeven.

Met (2.54) en (2.55) als basis kunnen nog tal van andere vervan­

gingssehema's worden getekend. In figuur 2.9 is een tweetal dat

hier van belang is weergegeven.

Page 35: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

27

+

Figuur 2.8 Het transformatorvervangingsschema voor de d-as

Het reduceren

Vervolgens gaan we de bekrachtigingsgrootheden (subscript f) en

de dempergrootheden (subscript ld) reduceren. Hierbij worden de

factoren CF , respectievelijk CD gebruikt. De gereduceerde

grootheden zijn:

1 iF - C if

F 1

iD - C i 1d D

Met (2.70) kunnen we (2.54) en (2.55) schrijven a1s

- R i dV>d

pWmV>q u - dt d ad

2 dV>F u - CfRfiF +-F dt

V> -d Ldid + CFLafdiF + CDLa1diD

V> - CFLafdid + 2

CDCFLfldiD F CFLffdiF +

V> - CDLa1did + CFCDLfldiF + 2

D CDLlldiD

(2.70)

(2.71a)

(2.71b)

(2.71c)

(2.72a)

(2.72b)

(2.72c)

Met (2.71) en (2.72) kunnen we de schema's vol gens figuur 2.10

tekenen, die voor CF-l en CO-l overeenkomen met die van figuur

Page 36: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

28

2.9. In figuur 2.10 kunnen we de grootten van de inductiviteiten

beinv10eden met CF en CD.

Lffd -Lf1d+

+

La 1d

a

Lffd -Lafd+ Lf1 d if

Ld-Lofd- Ldld T T T T T T

UfI ) "'f )

"'d Ra ~

+

>-Rf ~

Lf1d T Y Y Lafd

'" 1d >-R11d >-

T >- p6lm "'q

• • • IL o1 d -f"\+

L11 d-Lald+Lfld ild id \.J

b

Figuur 2.9 Twee schema's die overeenkomen met (2.54) en (2.55)

+

Page 37: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

+

"'F

COCF Lfld+

-COLald

>­>­r

a

Ld-CFLafd- COLOld y y y

b

29

"'d

+

Figuur 2.10 De gereduceerde vervangingsschema's voor de d-as

Het schema volgens Canay

Voor de d-as wordt vaak het door Canay afge1eide vervangings­

schema gebruikt [Can 68]. Dit schema kan op soortge1ijke wijze

afge1eid worden a1s het T-vervangingsschema bij de q-as. Het

schema is gebaseerd op figuur 2.10a.

Evena1s bij de q-as wordt de statorf1ux gesp1itst in een 1ucht-

spleetdee1

«2.40»

schrijven:

en een spreidingsdee1: ~d-~ d+L id· Met Ld-L +L d m au au m en (2.72a) kunnen we nu v~~r het 1uchtsp1eetdeel

+

Page 38: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

30

~md - ~d - Laaid - (Ld-Laa)id + CFLafdiF + COLa1di O -

- Lmdid + CFLafdiF + COLa1di O

A1s we CF en Co zo kiezen dat

Lmd - CFLafd - CoLa1d

(2.73)

(2.74)

geldt, kunnen we de flux ~md zien a1s de flux gekoppe1d met een

spoe1 met ze1finductie Lmd , waardoor de stroom id+iF+io loopt. In

figuur 2.10a heeft (2.74) tot gevo1g dat de ze1finductie

CFLafd-COLa1d nul wordt.

Met (2.74) en Ld-L +L d gaat (2.72) over in: aa m

(2.75a)

~F - Lmd(id+iF+io)+(CFCoLf1d-Lmd)(iF+io)+(C~Lffd-COCFLf1d)iF (2.75b)

~O - Lmd(id+iF+io)+(CFCoLf1d-Lmd)(iF+io)+(C~L11d-COCFLf1d)i0 (2.75c)

Met (2.71) en (2.75) ontstaat het vervangingsschema vo1gens Canay

zoa1s dat in figuur 2.11 is weergegeven. In dit schema wordt de

inductiviteit CFCOLf1d-Lmd in de praktijk vaak verwaar1oosd. Oeze

inductiviteit is bij synchrone machines met cilindirische rotor

gewoon1ijk positief en bij machines met 1ichame1ijke polen nega­

tief [Can 77].

Figuur 2.11 Het vervangingsschema voor de d-as vo1gens Canay

Page 39: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

31

Het hier gebruikte schema

A1s we op het in figuur 2.11 getekende circuit een spannings­

sprong op de klemmen zetten, dan "zien" we in eerste instantie de

zogenaamde subtransiente langsinductantie. In het schema vol gens

figuur 2.11 kunnen we deze inductantie niet direct zien. Om een

schema te vinden waarin dit weI moge1ijk is, gaan we niet uit van

figuur 2.11, maar van figuur 2.10b.

A1s we ervoor zorgen dat de "spreidingen" in de twee 1inkertakken

van· deze figuur C~ffd-CFLafd+CDCFLfld en C~Llld-CDLa1d+CDCFLfld ge1ijk aan nul zijn, zien we voor zeer sne11e spanningsvariaties

aan de k1emmen alleen de "spreiding" in de rechtertak

2 CFLffd-CFLafd+CDCFLfld - 0

of:

C _ LafdL11d - La1dLfld F - 2

LffdLlld Lfld

C _ La1dLffd - LafdLfld D - 2

LffdLlld Lfld

Voorts worden de volgende parameters ingevoerd:

RF C?f L -2

LaF CFLafd F CFLffd

R -2 2

CDRlld ~ CDLlld L - CD

Lald D aD

~F - CFCDLfld L" -d Ld - L - L aF aD

Met (2.76) en (2.77) gaan (2.71) en (2.72) over in:

d"'d Raid - dt u -d

o

"'d - Ldid + LaF(id+iF) + LaD(id+iD)

"'F - LaF(id+iF) + ~F(iD-iF)

"'D - LaD(id+iD) + ~F(iF-iD)

(2.76)

(2.77)

(2.78a)

(2.78b)

(2.78c)

(2.79a)

(2.79b)

(2.79c)

Met (2.78) en (2.79) kan het hier verder in dit vers1ag gebruikte

vervangingsschema vo1gens figuur 2.12 getekend worden.

Page 40: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

32

iF L'd

uF Ra + + 1/IF

RF

LOF LaF Ud

1/10

RO

LaO PWm 1/Iq

+ iO id

Figuur 2.12 Het hier gebruikte vervangingsschema voor de d-as

2.7 Oe statorstromen en de rotorf1uxen a1s toestandsvariabe1en

De vergelijkingen

In verband met later gebruik kiezen we de stromen i q

fluxen WQ

, wF en Wo als toestandsvariabelen voor de

en id en de

beschrijving

van de synchrone machine (1 wordt als een gegeven beschouwd).

Met (2.68) en (2.69) voigt nu door elimineren van W en q

de beschrijving van de q-as:

di u

q (R +R)i - L"----.9. +

a Q q q dt

d1/>Q dt

Voor W q

W

RQ[L~Q - iJ en iQ voigt uit (2.69):

1/>q - L"i + W q q Q

i _l i Q LaQ q

voor

(2.80a)

(2.80b)

(2.81a)

(2.81b)

Met (2.78) en (2.79) voigt door elimineren van wd ' iF en iO voor

de beschrijving van de d-as:

Page 41: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

did ud - - (Ra+RF+~)id - uF - Ld dt - PWm~q +

(LaO-LnF)WF - LnFWO + RF 2 +

(LaF-LnF)(LaO-LnF) - LOF

(LaF-LnF)WO - LnFWF

d~F --u dt F

Voor Wd , iF en iO voigt uit (2.79):

~d - Ldid + wF + Wo

Een eenvoudigere vorm

33

(2.82a)

(2.82b)

(2.82c)

(2.83a)

(2.83b)

(2.83c)

Hoewel het stelsel vergelijkingen (2.80), (2.81), (2.82) en

(2.83) in feite simpel is, ziet het er toch gecompliceerd uit. Om

de vorm te vereenvoudigen voeren we de volgende coefficienten in:

(2.84a)

(2.84b)

(2.84c)

Met deze coefficienten kunnen we uit de vergelijkingen (2.80),

(2.81), (2.82) en (2.83) na substitutie van (2.83a) in (2.80a) en

van (2.81a) in (2.82a) afleiden:

Page 42: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

34

di· RQ u + (R +RQ)i + L"--'! - pw L" i - LaQ~Q + PWm(~F+~D) (2.85a) q a q q dt m d d

(Ra+RF+~)id + did

pw LOi ud + L"-- + - - uF + d dt m q q

GF ~~ [~ RF ~ (2.85b) + ~F -2-, -~ + ~D LO - GFLf

- PWm~Q fLf F

dV>Q - ~[~ - iJ (2.86a) dt

dV>F u - R GF -

~D - i d] (2.86b) dt F F 2

L, GFLfD

F f

(2.86c)

(2.87a)

(2.87b)

(2.87c)

De vergelijkingen zonder reductie van bekrachtigingsgrootheden

De reductie van de bekrachtigingsgrootheden (met subscript f of

F) is aileen gedaan in verband met het opstellen van het vervan­

gingsschema. Deze reductie zullen we nu met (2.70) weer ongedaan

maken. Voorts voeren we de spanningen eq

en ed

in volgens:

+ pw LOi m q q

(2.88a)

(2.88b)

Deze spanningen zijn constant als de statorstromen iq en id zeer

snel veranderen (bij constante uF

en wm

). In dat geval kunnen de

rotorfluxen ~Q' ~F en ~D namelijk als constant beschouwd worden,

zodat vol gens (2.85) en (2.88) ook eq

en ed

als constant

beschouwd kunnen worden. De spanningen eq

en ed

spelen bij de

koppeling van dit model met het model van de gelijkrichter een

centrale rol (zie hoofdstuk 4). We kunnen nu voor de vergelij­

kingen (2.85) tot en met (2.88) schrijven:

Page 43: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

35

di u - e (R +RQ)i L"~ + pw L"i

q q a q q dt m d d (2.89a)

(Ra+C~f+~)id -did

P'" L"i u - ed L"- -d d dt m q q

(2.89b)

(2.90a)

(2.90b)

(2.91a)

(2.9lb)

(2.91c)

(2.92a)

(2.92b)

(2.92c)

We kunnen zien dat de reductiefactor CF , ondanks het feit dat de

reductie voor de bekrachtiging ongedaan is gemaakt, nag steeds in

de vergelijkingen voorkomt.

Voor de beschrijving van de synchrone machine hebben we dus de

volgende parameters nodig: P, Ral RQ, Rf, ~,eF' L~1 Ld, LaQ ,

Lt , LO en LfD , waarbij de parameters Lt , LD en LfD met (2.84)

bepaald kunnen worden uit CF, LaF , ~F en Lao'

De mechanische vergelijkingen

Volledigheidshalve wordt hier de mechanische vergelijking (2.58)

nag eens herhaald:

'" -m !!!I p dt (2.93)

Als we (2.83a) met (2.70) en (2.8la) in (2.59) substitueren,

vinden we voor het elektromechanische koppel:

m - p ( id(L~iq+WQ) - iq(Ldid+CFWf+WD) } (2.94)

Page 44: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

36

2.8 Een machinemodel voor de combinatie synchrone machine met

gelijkrichter

Als we de synchrone machine met een gelijkrichter willen belas­

ten, is het handig om een aantal d-q-grootheden terug te trans­

formeren naar het statorstelsel (a,b,c-stelsel). Oat levert in

eerste instantie een aantal ingewikkelde uitdrukkingen op, die

echter vereenvoudigd kunnen worden. Als we (2.89) met (2.53b)

terugtransformeren vinden we met uO-O:

/2 2 did ua - 73 [{ed-(Ra+CfRf+~}id-Ld dt -PWmL~iq)Cos(~} +

di + {e -(R +RQ}i -L"~d +pw Ld"id)sin(~}l q a q q t m

(2.95a)

/2 2 did 2 ~ ~ 73 [{ed-(Ra+CfRf+~}id-Ld dt -PWmL~iq)Cos(~-3~} +

di 2 + Ie -(R +RQ}i -L"~d +pw Ld"id)sin(~-3-w}1 q a q q t m

(2.95b)

Uc - ~ [{ed-(Ra+C~f+RD}id-Ldd~~ -PWmL~iq)COS(~-~W} +

di 4 + {eq-(Ra+RQ}iq-L~-if +pwmLdid)sin(~-3w}1 (2.95c)

Vervolgens kunnen we iq en id in deze vergelijkingen met (2.53a)

vervangen door i , ib en i . Als we bovendien gebruik maken van a c

i +ib+i -0 en d~/dt-pw , vinden we: a c m

L"·L" ~

3

2 CfRf+~+RQ

(R I 2 }i a a

L"+L" di ~ a

2 dt +

(2.96b)

Page 45: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

37

L"+L" di ~ c

2 dt +

+ .

(2.96c)

Voor praktische situaties kunnen deze verge1ijkingen ge1ukkig

meestal sterk vereenvoudigd kunnen worden. De eerste vereenvoudi­

ging is de verwaar10zing van de termen met Ld-L~ ten opzichte van

die met Ld+L~. De tweede vereenvoudiging is de verwaar10zing van

de weerstandstermen ten opzichte van de inductietermen. Met deze

vereenvoudigingen gaat (2.96) over in:

Deze

L"+L" di ~~

2 dt

L"+L" di ~~

2 dt

L"+L" di ~~

2 dt

uitdrukkingen zijn schematisch weergegeven

+

t.:'d+l'q '/2 . 1/3 Iedcos(7)+eqsrn(7)1

2 +

L'd+l'q 1/2 2 1/3 ledcos(7- 3'1I')+eqsln(7- 3'11')1

2 +

t.:'d+l'q 1/2 4 . 4 1/3 Iedcos(7- 3'1I')+eqsrn('Y- 3'11')1 2

Figuur 2.13 Het vereenvoudigde statorcircuit.

(2.97a)

(2.97b)

(2.97c)

in figuur 2.13.

+

la ua

+

Ib ub

+

Ic Uc

De Park-transformatie voor de spanningen is in (2.97) reeds ver­

werkt; de benodigde Park-transformatie voor de stromen «2.53a))

wordt hier, in verband met de overzichte1ijkheid, nog eens her­

haa1d:

Page 46: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

38

. /2 (i cos(-y) 2 4 (2.98a) ld - ]3 + ibcos(-Y-j") + iccos(-Y-j"») a

. ~ (i sin(-y) 2 4 (2.98b) 1 - + ibsin(-Y-j") + icsin(-Y-j"») q 3 a

Het vereenvoudigde model van de synchrone machine kunnen we nu

beschrijven met de vergelijkingen (2.90). (2.91). (2.97). en

(2.98). waarbij de verwaar10zing van de weerstandstermen en de

termen met Ld-L~ a1leen ge1dt voor verge1ijking (2.97).

Page 47: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

39

3 DE DRIEFASENBRUGGELIJKRICHTER

3 1 Inleiding

In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van de gelijk­

richter die in het in dit verslag beschouwde systeem wordt

gebruikt. Zoals vaak het geval is, is dat een volledig stuurbare

driefasenbruggelijkrichter. Voordat we in dit hoofdstuk de later

in dit verslag te gebruiken modellen zullen afleiden, zullen we

eerst de werking van de gelijkrichter behandelen v~~r het geval

dat deze uit een ideale driefasige spanningsbron wordt gevoed.

Degenen die thuis zijn op het gebied van de gelijkrichtertheorie

kunnen de rest van deze inleiding en de paragrafen 3.2 en 3.3

overslaan. Een meer uitgebreide behandeling dan die welke hier

weergegeven wordt, staat in [Sch 80].

T, +

Figuur 3.1 De volledig stuurbare driefasenbruggelijkrichter

De werking van de gelijkrichter wordt beschreven aan de hand van

de in figuur 3.1 weergegeven schakeling. Bij de beschrijving

wordt voor de spanningen ua ' ~ en Uc in figuur 3.1 gebruikt: ,

u u cos(wt) (3.la) a , 2

~ u coS(wt-jlf) (3.lb) ,

4 u - u coS(wt-jlf) (3.lc) c , Hierin is u de amplitude en w de hoekfrequentie van de

fasespanningen.

Door middel van periodiek schake len van de thyristoren kunnen

verbindingen tot stand gebracht worden tussen elk van de wissel-

Page 48: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

40

spanningsfasen a, b en c en de gelijkspanningsklemmen (u ). g

Telkens na 60 0 (elektrisch) wordt een thyristor ontstoken. Deze

blij ft in principe gedurende 1200 in geleiding. De ontsteek-

volgorde is hierbij: - Tl - T6 - T3 - T2 - TS - T4 - Tl - T6 .... ,

zoals in figuur 3.2 schematisch is weergegeven.

T1 T3 T5 T1 T4 I T6 I T2 I T4 I T6

I .. 1. .I .. (Ut

60 0 1200

Figuur 3.2 De volgorde van de thyristorontsteekpulsen

We kunnen de gelijkrichter sturen door de zogenaamde ontsteekhoek

te varieren. De ontsteekhoek Q is de hoek tussen de natuurlijke

ontsteekhoek van een thyristor (dat wil zeggen de hoek waarbij de

thyristor in geleiding zou gaan als hij zich als een diode zou

gedragen) en de hoek waarbij deze thyristor door middel van een

gate-puIs wordt ontstoken. In figuur 3.3 is dit aangegeven voor

thyristor T3 bij waarden van Q van 00 , 900 en 1500 ; een diode­

bruggelijkrichter is te beschouwen als een (volledig stuurbare)

thyristorbruggelijkrichter) met een ontsteekhoek Q van 00 . De

dikgetrokken lijn stelt hierin de in figuur 3.1 gedefinieerde

spanning u voor. Hierbij is aangenomen dat de spanning over een g

thyristor in geleiding nul is en dat de zogenaamde commutatietijd

verwaarloosbaar klein is. Hierop komen we in de volgende para­

graaf nog terug.

In figuur 3.4 is het verloop van de fasespanning

stroam i weergegeven voor een ontsteekhoek van a

Hierbij is tevens verondersteld dat de spoel L g

stroomcircuit (zie figuur 3.1) oneindig groot

u a

00 ,

in

is,

en de fase-

90 0 en 1500 .

het gelijk-

zodat i een g

echte gelijkstroom is (i -I ). Het faseverschil van de fasespan-g g

ning en de grondharmonische van de fasestroom (in figuur 3.4

aangegeven met een onderbroken lijn) is gelijk aan de ontsteek­

hoek Q.

Page 49: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

41

a -"'t

a =900 u

b ~~~~~~~rI~~_ "'t

c f-~~~*1~~~T:=_ "'t

Figuur 3.3 voor De spanning ug

en de ontsteekhoek a van T3

gelijkrichten (a), gemiddelde spanning nul

wisselrichten (c)

(b) en

a

b

c

io

r I 1 1 1 I 1

,I

2" 1 1 1 1 1 1

1 'I -~ -------t..u.=- I 1 1

• 1 1

d I9 --- ---j< I IO~ I I a=l~~~,{ ! t"q

1

Figuur 3.4 De fasespanning en -stroam voar gelijkrichten

(a-O 0), gemiddelde spanning nul (a_900) en

wisselrichten (a-lSO O)

Page 50: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

42

Daar de stroom i altijd positief is, wordt de richting van de g

energiestroom bepaald door de polariteit van u. Voor g

de

gemiddelde

hier

waarde hiervan, die we hier U g

noemen, geldt bij de

U g

beschreven driefasige

3/3 A --- U COS Q ~

bruggelijkrichter:

(3.2)

Hiermee kunnen we voor de gemiddelde energiestroom de volgende

mogelijkheden onderscheiden:

U > 0: gelijkrichterbedrijf; 0° S a < 900; figuur 3.3a g

U O· g a-90°; figuur 3.3b

U < 0: wisselrichterbedrijf; 900 < a < 1800; figuur 3.3c g

In plaats van de in dit hoofdstuk beschreven volledig stuurbare

driefasenbruggelijkrichter met thyristoren wordt vaak een (niet­

stuurbare) bruggelijkrichter met dioden gebruikt. Zoals reeds

eerder vermeld, komt deze diodebruggelijkrichter komt overeen met

een thyristorbruggelijkrichter met a-00.

In de volgende twee paragrafen worden het stationaire en het

dynamische model van de driefasenbruggelijkrichter behandeld,

zoals we die in dit verslag verder zullen gebruiken. In de

laatste paragraaf van dit hoofdstuk worden de later te gebruiken

betrekkingen nog eens samengevat.

3,2 Het stationaire model

In de vorige paragraaf hadden we verondersteld dat de commutatie­

tijd verwaarloosbaar klein is. Deze veronderstelling is echter

niet realistisch en we zullen hem dan ook niet gebruiken. In deze

paragraaf zullen we beginnen met de bestudering van de commuta·

tie. Vervolgens zullen we de stromen en spanningen in de gelijk­

richter bepalen, waarmee we de gemiddelde spanning aan gelijk­

spanningszijde en de grondharmonische stromen aan de wisselspan­

ningszijde zullen bepalen. Hiermee hebben we het later benodigde

stationaire model gevonden.

Page 51: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

43

Enkele uicgangspuncen

Bij de afleiding zullen we er weer van uitgaan dat de inductivi­

teit in het gelijkstroomcircuit zo groot is dat we de stroom i B

kunnen voorstellen als een constante (rimpelloze) gelijkstroom:

i-I g g

(3.3)

Verder zullen we veronderstellen dat de gelijkrichter gevoed

wordt uit een driefasige wisselspanningsbron met inwendige

inductiviteit L en inwendige spanningen volgens c

e - e cos(wt) a A

2 eb - e cos(wt-jW) A 4

e - e cos(wt-j~) c

(3.4a)

(3.4b)

(3.4c)

waarin ween constante hoekfrequentie en e een constante amplitu­

de voorstelt. De thyristoren worden als ideale schakelaars voor­

gesteld; weerstanden in het circuit worden verwaarloosd.

Met de nu gemaakte veronderstellingen wordt het schema in figuur

3.5 het basisschema voor de beschrijving van de gelijkrichter.

T1 T3 TS +

U g

ee Ib

Ie T6

Figuur 3.5 Het basisschema voor de beschrijving van de

gelijkrichter

De commuCatie van de stromen door de thyristoren

Ig

Om de commutatieverschijnselen te bestuderen, zullen we de commu­

tatie (stroomovername) van de stroom ig van thyristor TS naar

thyristor Tl nader bekijken. De commutatie van deze stroom van T4

naar T6 , van Tl naar T3 , van T6 naar T2 , van T3 naar TS en van T2

naar T4 gebeurt op dezelfde manier.

Page 52: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

44

Zoals we in figuur 3.2 kunnen zien, geleiden de thyristoren TS en

T4 op het moment dat thyristor Tl wordt ontstoken. Als de span­

ning over Tl nu positief is, zal hij in geleiding gaan. Direct

voor het ontsteken staat over thyristor Tl de spanning

(zie figuur 3.6; de spanningen over de spoelen zijn nul

e -e-e ac a c

omdat er

een ideale gelijkstroom door loopt). Deze spanning is in figuur

3.7 weergegeven.

+

Figuur 3.6 De beschouwde commutatie van TS naar Tl

(,It 21f ""3

ontsteekmoment T 1

Figuur 3.7 De commutatiespanning voor thyristor Tl

Het heeft dus aIleen zin om thyristor TI te ontsteken als de

spanning e positief is. Het moment waarop e positief wardt, ac ac

is het referentietijdstip voar de ontsteekhoek a van thyristor

Page 53: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

45

Voor thyristor Tl voIgt dit referentietijdstip dus uit

wt--~/3 (zie figuur 3.7). Als we thyristor Tl zouden vervangen

door een diode, zou deze diode op dit tijdstip op natuurlijke

wijze in geleiding gaan. Dit is de herkomst van de eerder genoem­

de naam "natuurlijke ontsteekhoek". Het tijdstip waarop thyristor

T1 wordt ontstoken voIgt uit wt--~/3+a. In figuur 3.7 kunnen we

direct zien dat de ontsteekhoek Q tussen 0 en ~ moet liggen.

Vanaf het moment dat thyristor T1 in geleiding is gegaan,

ge1eiden de drie

schema vo1gens

vergelijkingen:

diT

- L [ dtl e ae c

I - i + iT g Tl 5

thyristoren

figuur 3.6

diT

] 5 dt

Tl , T5 en T4 en kunnen we dus het

gebruiken. Uit deze figuur vo1gen de

(3.5)

(3.6)

Als we (3.6) differentieren, vinden we met (3.3):

o -diT

1 + dt dt

(3.7)

Met (3.5) en (3.7) kunnen we ook de volgende betrekking afleiden:

e ae - 2 L c dt - -2 L e dt (3.8)

Uit (3.5) voIgt dat de (positieve) spanning e ervoor zorgt dat ac de stroom door thyristor Tl (deze was nul) toeneemt en dat de

stroom door thyristor T5 (deze was I ) afneemt. De spanning e g ae

is blijkbaar de drijvende "kraeht" aehter de overname of commuta-

tie van de gelijkstroom van thyristor T5 naar thyristor Tl

. Oat

is de reden waarom e de commutetiespanning behorende bij thy-ee ristor T1 genoemd wordt.

Op het moment van in geleiding gean van thyristor Tl gelden:

iT 1

Met

iT 1

Deze

- 0 iT I voor wt - - " 3 + a 5 g (3.9)

(3.9), e -e -e en (3.4) voIgt uit (3.8): ac a c , j3e " - 2wL (COSQ - eos(wt+j») (3.10a)

c , ~ 2wL

c op1ossing

~ (COSQ - cos(wt+3») (3.10b)

is geldig tot op het moment waarap de stroam door

thyristor T5 nul wordt (thyristor TS dooft). Op dat moment is de

commutatie afge10pen en loopt de gelijkstroom volledig door

Page 54: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

46

thyristor Tl (en natuurlijk nog door thyristor T4). Het produkt

van de hoekfrequentie w en de tijd die is verstreken vanaf het

moment dat thyristor Tl in geleiding ging tot het moment waarop

thyristor T5 doofde, wordt de commutatiehoek genoemd. Deze wordt

symbolisch weergegeven met ~.

Naarmate de commutatiespanning, bij een gegeven waarde van de

gelijkstroom, groter is, zal de commutatie sneller verlopen, en

zal dus de commutatiehoek ~ kleiner zijn. Zoals we in figuur 3.7

voor thyristor T1 kunnen zien, is de

waarden van a in de buurt van 0 of

commutatiespanning e voor ac w veel kleiner dan voor

waarden van 0 in de buurt van ~/2. Bij zeer lage (0 weinig groter

dan 0) en zeer hoge (0 weinig kleiner dan ~) waarden van 0 is de

commutatiehoek ~ dus relatief groot.

De commutatiehoek kunnen we berekenen met (3.l0b) door hierin de

stroom door thyristor T5 nul te stellen en voor het moment waarop

deze stroom nul wordt wt--~/3+a+~ in te vullen:

2wL I coso - cos(o+~)

c g A (3.11)

j3e

Na afloop van de commutatie geleiden de thyristoren Tl en T4 .

Deze situatie verandert op het moment dat thyristor T6 ontstoken

wordt (zie figuur 3.2). We hebben hier impliciet verondersteld

dat de commutatie afgelopen is voordat thyristor T6 ontstoken

wordt. Dit betekent dat de commutatiehoek ~ steeds kleiner moet

zijn dan ~/3:

1f I' < -3

(3.12)

Voorts moet deze eommutatie afgelopen zijn voordat de spanning

e negatief wordt. Als dat niet het geval is, wordt de stroom ae weer terug geeommuteerd van thyristor Tl naar T5 . Het gevolg zal

dan zijn dat thyristor T1 dooft en de stroom ig weer volledig

door thyristor T5 loopt. De commutatie is dan mislukt en de

gelijkrichter (die dan als wisselrichter werkt) kipt. Voor de

hoeken 0 en ~ ge1dt dus de voorwaarde:

o :S 0 < ~-~ (3.13)

Het verloop van enkele grootheden sis funetie van de tijd

Dankzij de symmetrie in de gelijkrichter is het voldoende om de

gelijkrichter gedurende slechts l/6e deel van een periode van de

voedende wisselspanning te onderzoeken om het verloop van de

Page 55: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

47

spanningen en stromen in de gelijkrichter te bepalen. We zullen

hier het tijdsinterval onderzoeken dat verloopt vanaf het moment

dat thyristor Tl ontstoken wordt (wt--~/3+a) tot het moment

waarop thyristor T6 ontstoken wordt (wt-a).

Dit interval kunnen we in twee delen splitsen:

- De tijd dat de thyristoren Tl , TS en T4 geleiden (de hiervoor

beschreven commutatie):

w w - 3 + a < wt < - 3 + a + ~

Voor dit deel kunnen we met figuur 3.6 en de vergelijkingen

(3.4) en (3.10) afleiden: ,

i _ J3e w

(3.l4a) (COSet - cos(wt+3)} a 2wL c

ib I (3.l4b) g

i I J3e w (3.l4c) c g 2wL (COSet - cos(wt+3)}

c 3' "

(3.l4d) u - -ecos(wt+-) g 2 3

De tijd dat de thyristoren Tl en T4 geleiden:

" - 3 + a + ~ < wt < a

Voor dit deel kunnen we met figuur 3.6 en en vergelijking (3.4)

afleiden:

i a

i c

I g

o

(3.1Sa)

(3.1Sb)

(3.1Sc)

(3.1Sd)

Het overgangspunt tussen de twee deelintervallen kunnen we met

(3.11) bepalen.

Gebruik makend van de symmetrie in de schake ling kunnen we nu de

tijdsverlopen van

weergegeven. Het

i en u bepalen zoals die in figuur 3.8 z1Jn a g beschouwde interval is in deze figuur met een

dik lijnstukje op de tijdas voor de spanningen aangegeven.

Page 56: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

48

I I I I I I I I t'll

u UgO

wt

io1

---Figuur 3.8 Het ver100p van enke1e grootheden a1s functie van

wt voor a-O.25 en ~-O.4.

De gemiddelde spanning aan de gelijkspanningszijde

De gemidde1de waarde van de ge1ijkgerichte spanning u (zie fi­g

guur 3.5) vo1gt uit de verge1ijkingen (3.14d), (3.15d) en (3.11):

a

- ~ J u dwt " "g a- 3

3 A 3 - -j3ecosa - -wL I

" " c g (3.16)

In figuur 3.9 is een vervangingsschema van de gelijkrichter

gegeven dat opgeste1d is op grond van (3.16). Bij het gebruik van

dit vervangingsschema moe ten we bedenken dat de getekende weer­

stand geen "echte" weerstand is. In deze "weerstand" wordt geen

vermogen gedissipeerd. Hij vertegenwoordigt slechts het span­

ningsverlies ten gevolge van de commutatie.

Page 57: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

49

-; V3 e COS ex ~L_C>_I _:7r_3_W_L_IC ______ I_·9--<>~, Figuur 3.9 Een vervangingsschema van de gelijkrichter.

De grondharmonische stromen aan de wisselspanningszijde

Met behulp van Fourieranalyse kunnen we voor de grondharmonischen

van de (periodieke) stromen i • ib en i schrijven: a c

ial (wt)

i bl (wt)

iel (wt)

i cos(wt) + act

2 i cos(wt-3-,,)

act

i cos(wt-43-,,)

act

i sin(wt) rea 2 + i sin(wt-3-,,)

rea

+ i sin(wt- 43-,,)

rea

(3.l7a)

(3.l7b)

(3.l7c)

Hierbij komen de coefficienten

tievelijk. het grondharmonische

i en i overeen met, respec-act rea

vermogen (active power) en het

grondharmonische blindvermogen (reactive power). Gebruik makend

van de symmetrie in de schakeling en in het ontsteekpatroon van

de thyristoren kunnen we voor deze coefficienten met (3.14) en

(3.15) schrijven:

i act

i rea

3e 2wL "sinpsin(2a+p)

c A

~I (cosa + cos(a+p)} " g

3e 2wL ,,(p

c sinpcos(2a+p)}

In veel praktische geva1len mag de rimpe1 op

(3.18a)

(3.18b)

de gelijkstroom

verwaarloosd worden, zodat de bovenstaande beschrijving dan

gebruikt kan worden voor de stationaire toestand.

3.3 Het dynamische model

De in de vorige paragraaf gegeven beschrijving van de stationaire

toestand kan ook gebruikt worden bij langzame variaties in de

amplitude of de frequentie van de fasespanningen en de gemidde1de

waarde van de gelijkstroom.

Het op deze manier ingevoerde dynamiscbe model kunnen we nag ver­

beteren door de spoe1 in het ge1ijkstroomcircuit te vergroten met

Page 58: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

50

2L [Sue 77]. Deze vergroting komt overeen met de inductiviteit c

die vanaf de gelijkstroomzijde gezien wordt a1s er twee thyristo-

ren ge1eiden. Op deze manier kunnen we figuur 3.9 uitbreiden tot

figuur 3.10.

Figuur 3.10 Een vervangingsschema van de ge1ijkrichter

3.4 De vergelilkingen van de gelijkstroomtussentrap

In deze paragraaf zu11en de verge1ijkingen behorend bij het

schema in figuur 3.11 gegeven worden, voor zover die verderop in

dit verslag nodig zijn. Hierbij gaan we uit van de in de vorige

twee paragrafen gegeven vergelijkingen en het vervangingsschema

vo1gens figuur 3.10. Overa1 waar wt staat zu11en we echter wt-<

schrijven.

Figuur 3.11 De ge1ijkstroomtussentrap

Page 59: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

Hiermee gaat (3.4) over in: A

e - e cos(wt-.) a

A 2 eb - e cos(wt-'-j~)

51

(3.19a)

(3.19b)

(3.19c)

De uitdrukkingen voor de grondharmonischen van de fasestromen

(3.17) gaan nu over in: A A

ia1 (wt) i tcos(wt-.) + i sin(wt-.) (3.20a) ac rea

A 2 A 2 ib1

(wt) i cos(wt-.--~) + i sin(wt-.--~) (3.20b) act 3 rea 3

A A

i c1 (wt) - i cos(wt-.-~~) . . ( 4 ) (3.20c) + ~ s~n wt-(--~ act 3 rea 3

Vol1edigheidsha1ve worden hier nog de verge1ijkingen (3.11) en

(3.18) en de voorwaarden (3.12) en (3.13) herhaa1d:

cosa

A

i act

A

cos (a+l')

A

2wL I c g x

j3e

3e 2wL ~sinpsin(2a+l')

c A

i rea 3e

- 2wL ~(I' c

~

I' < 3 o S a < ~-I'

- ~I (cosa + cos(a+I'») ~ g

(3.21)

(3.22a)

(3.22b)

(3.23)

A1s we het vervangingsschema van de ge1ijkrichter vol gens figuur

3.10 combineren met het ge1ijkstroomcircuit in figuur 3.11,

vinden we het vervangingsschema voor het gelijkstroomcircuit

volgens figuur 3.12

3 ,~" - V 3 e cos ()( .". ~I-&I>l+-C:I :=J~c:;::::Jcp+_ Ub 3 2lc ig 19 Rg

-WLc .".

Figuur 3.12 Een vervangingsschema van het gelijkstroomcircuit

Voor dit circuit ge1dt

di 3 A

(L +2L )--d g - -j3ecosa g c t ~

(i >0): g

3 (-wL +R)i - U

b ~ c g g (3.24)

Voor de beschrijving van de ge1ijkstroomtussentrap kunnen we ver­

der vo1staan met de in deze paragraaf gegeven verge1ijkingen.

Page 60: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

52

4 HET STATIONAIRE MODEL VAN EEN SYNCHRONE MACHINE MET

GELIJKRICHTER

4.1 De koppeling van het model van de synchrone machine met het

model van de gelilkrichter

In de voorgaande twee hoofdstukken zijn de synchrone machine en

de gelijkrichter als afzonderlijke componenten beschouwd. De

modellen die we voor deze twee componenten ontwikkeld hebben,

kunnen we niet zonder meer aan elkaar koppelen. In dit hoofdstuk

zullen we een methode behandelen waarmee een model van de

combinatie van de twee componenten samengesteld kan worden. Dat

zul1en we doen voor de stationaire toestand, waarbij we het

systeem volgens figuur 4.la zullen beschouwen.

Lg

a

Lg Rg

Figuur 4.1 De afsplitsing van de subtransiente inductantie

Page 61: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

53

Naast de methode die we hier gaan behandelen zijn er echter ook

andere modellen mogelijk. Twee vereenvoudigde modellen [Rai 85;

Ern 85J zijn in [VIe 88J vergeleken met de hier behandelde

methode. Uit deze vergelijking is gebleken dat deze modellen

meestal te grote fouten opleveren.

Om de interactie tussen de machine en de gelijkrichter verder te

onderzoeken zullen we de harmonischeninhoud van de fasestromen

nader bekijken. Dankzij de symmetrie in de machine, de gelijk­

richter en het pulspatroom van de thyristoren, zullen de fase­

stromen een symmetrisch driefasig systeem vormen. Voor de fase­

stromen kunnen we dan de volgende Fourierreeksen opschrijven:

~ A

i ~ i cos(npw top ) (4.1a) a 1 n m n n-

ib ~ A 2

(4.1b) ~ i cos(n(pw t-jw)-P )} 1 n m n n-

i ~ A 4

(4.1c) ~ i cos(n(pw t-jw)-P )} c 1 n m n n-

Dankzij de symmetrie-eigenschap i(pw t-w)--i(pw t) weten we dat m m aIle even harmonischen nul zijn. Voorts weten we dat het sterpunt

van de machine niet gebruikt wordt, zodat de fasestromen geen

harmonischen bevatten met een hoekfrequentie die een geheel

veelvoud is van 3pw . Hiermee kunnen we v~~r (4.1) schrijven: m

A

(4.2a)

Vervolgens passen we op de fasestromen de Park-trans forma tie

volgens (2.53) toe, waarbij we

W 7 - pwmt + 2

kiezen:

(4.3)

Page 62: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

54

i - 0 o

(4.4a)

(4.4b)

(4.4c)

We zien in deze uitdrukkingen dat de grondharmonischen van de

fasestromen getransformeerd worden naar de gelijkstroomcomponen-

ten van

sehen de

iq en i d . We veronderstellen even dat deze grondharmoni­

(synchrone) inductantie L aan de klemmen van de machine s

zien (plus een sinusvormige spanning).

De hogere harmonischen resulteren in componenten van iq en id met

hoekfrequenties die een veelvoud zijn van 6pw . Dit zijn relatief m

zeer hoge frequenties, zodat deze componenten vrijwel geen veran-

deringen in de rotorfluxen ~Q' ~F en ~D tot gevolg hebben.

we in paragraaf 2.7 gezien hebben, betekent dit dat we de

Zoals

span-

ningen eq

en ed

als constanten kunnen beschouwen, zodat de span­

ningsbronnen in figuur 2.13 een sinusvormige spanning hebben. De

hogere harmonischen in de fasestromen zien aan de klemmen van de

machine dus alleen de (subtransiente) inductantie L"-(L~+Ld)/2.

Deze subtransiente inductantie zullen we van de synchrone induc­

tantie aftrekken, zoals in figuur 4.1b is aangegeven. Op deze

manier vinden we de zogenaamde inwenrlige machine: de originele

machine min de subtransiente inductantie L"-(L~+Ld)/2.

weer een gewane synchrone machine, met dit verschil dat

Dit

hij

is

een

kortsluiting vormt voar hogere harmonischen, zodat de klemspan-.

ningen steeds sinusvormig zijn. Deze klemspanningen zijn alleen

afhankelijk van de bekrachtigingsstroom en de grondharmonischen

van de fasestromen (of de gelijkstroomcomponenten van iq en i d).

De inwendige machine kunnen we dus vervangen door drie sinus-

vormige spanningsbronnen e a , eb

,

gegeven. Met figuur 2.13 kunnen

schrijven:

zoals in fiuur 4.1c is weer-

voar deze spanningsbronnen

Page 63: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

e a - ~(edCOS(7)+eqSin(7)} /2 2 2

eb - j3(edcos(7-3w)+eqsin(7-3w)}

/2 4 4 ec - j3(edcos(7-jw)+eqsin(7-3w)}

Met (4.3) kunnen we dit schrijven als:

ea ecos(pwmt-f) , 2

eb ecos(pwmt-f- 3W) , 4

ec - ecos(pwmt-f- 3W)

met:

; - 4 /e 2 +e 2 ,,3 d q

-arctan(:d) q

f -

55

(4.5a)

(4.5b)

(4.5c)

(4.6a)

(4.6b)

(4.6b)

(4.7a)

(4.7b)

Figuur 4.lc komt overeen met figuur 3.11 en de uitdrukkingen

(4.6) met de uitdrukkingen (3.19), zodat we bij gegeven e de

grondharmonischen in de fasestromen met de in paragraaf 3.4

gegeven vergelijkingen kunnen uitrekenen als we

gekozen. Hierbij moe ten we verder kiezen:

L" + L" d q

2

w-pw hebben m

(4.8)

Met de in hoofdstuk 2 gegeven vergelijkingen kan vervolgens de

spanning weer berekend worden. Via een iteratieproces kan de

stationaire toestand berekend worden.

In paragraaf 4.2 worden het benodigde stelsel vergelijkingen

opgesteld; in paragraaf 4.3 zal een methode gegeven worden om

deze vergelijkingen op te lossen.

4,2 De vergelilkingen

Voor de vergelijkingen voor de gelijkstroomcomponenten van id en

i gaan we uit van de vergelijkingen (2.54) tot en met (2.57). q

Daarbij houden we er rekening mee dat de afgeleiden hierin nul

zijn (stationaire toestand) en dat er geen stromen in de demper­

wikkelingen lopen (i ld en i 1q zijn nul):

Page 64: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

56

Ud - - R i - pw '" ad m q

uf Rfi f

"'d - Ldid + Lafdif

U - - R i + pw '" q a q m d

"'q L i q q

of:

U - Raid pc.> L i (4.9a) d m q q

- R i pwm(Ldid + u

f (4.9b) U + Lafd Rf

) q a q

Met (2.88) en (2.77) kunnen we nu uitdrukkingen voor e q en e d afleiden (de afgeleiden in (2.88) zijn nul):

u

eq pwm[(Ld-Ld)id + Lafd R:l + RQiq (4.10a)

ed - - PWm(Lq-L~)iq + (C~f+~)id (4.1Db)

De weerstandstermen in deze uitdrukkingen kunnen meestal verwaar-

loosd worden. Als het hier behandelde stationaire model echter

gebruikt wordt om de beginwaarden voor een dynamische simulatie

te berekenen, kan het nodig zijn om deze termen mee te nemen, om

te voorkomen dat er bij het begintijdstip van de sirnulatie een

klein sprongetje optreedt.

Als we (3.20) in (2.98) substitueren vinden we met 7-pw t+~/2 en m

(4.11a)

(4.11b)

Voor de stationaire toestand geldt voor de gelijkstroom di Idt-D. g

Hierrnee gaat (3.24) over in (w-pw ): m

3 ' 3 -J3ecosa - (-pw L +R)i + Ub ~ ~ m c g g

(4.12)

Volledigheidshalve worden hier nog de vergelijkingen (3.21),

(3.22) en (4.7) en de voorwaarden (3.23) herhaald (w-pw ): m

COSO'

i act

i rea

cos(a+l') -2pw L i m c g

x

j3e

3e 2 L sifll'sin(2a+l') pw ~

m c

3e [ 2pw L " I'

m c

(4.13)

(4.14a)

(4.14b)

Page 65: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

; - !J Je 2 +e 2 ,,3 d q

• _ -arctan[:d) q

p < ! 0 S a < ~-p 3

57

(4.15a)

(4.15b)

(4.16)

De verge1ijkingen (4.10) tot en met (4.15) vormen een stelsel van

10 vergelijkingen met als 10 onbekenden: ed' eq , i d , A A

i , q

E, e,

iact' i rea , ig en p. Een mogelijke oplossingsmethode voor dit

stelsel zullen we in de volgende paragraaf bespreken.

4.3 Een oplossingsmethode

Een ana1ytische op1ossing voor het ste1se1 uit de vorige para­

graaf is niet gevonden. Er zijn echter vele moge1ijkheden om dit

ste1se1 verge1ijkingen iteratief op te lossen. In deze paragraaf

zu11en we er een bespreken.

Bij de hier te bespreken methode kiezen we een waarde van p die

ligt tussen de waarden 0 en PM" Deze laatste waarde voIgt uit

(4.16): voor a<2~/3 ge1dt PM-~/3 en voor 2~/3<a<~ ge1dt PM-~-a.

Met de gekozen waarde van p kunnen we achtereenvolgens een aantal

grootheden berekenen met de in de vorige paragraaf gegeven

vergelijkingen. De overb1ijvende vergelijking wordt gebruikt als

een foutcriterium, op grand waarvan weer een nieuwe waarde van p

gekozen kan worden. Voor deze iteratie wordt in de bijbehorende

software (zie bij1age 1) de methode Newton-Raphson gebruikt.

A1s we i uit (4.12) en (4.13) elimineren, vinden we: g

A

2~pw L Ub m c

j3(3pw L +d ) e _ __ __________ -=m~c~~g~~-------

6pw L m c

cos(a+p) + cosa(3 L R - 1) pw +~ m c g

(4.17)

Dit is dus een uitdrukking voor e a1s functie van p. Met (4.14)

kunnen we vervolgens bepa1en:: A

A 3e i 2 L sinpsin(2a+p) (4.18a) act pw ~ m c A

A 3e i 2pw L ~(p - sinpcos(2a+p)} (4.18b) rea m c

Page 66: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

58

Uit (4.15) voIgt:

j3 • ed - - l2 e sinE (4.19)

A1s we nu (4.11) en (4.19) in (4.10b)substitueren, vinden we een

verge1ijking waaruit E voIgt: A A A 2 A A

esim-pw (L -L")(i cosE-i sinE)+(C::Rf+R-)(i sinE+i COSE) m q q act rea ~- ~~ act rea

of:

Vervo1gens kunnen we e berekenen met (4.15): q

(4.20)

j3 • eq - l2 e COSE (4.21)

en id en iq met (4.11):

~ . .

id - - 2 (i sinE + i COSE) (4.22a) act rea j3 • •

i 7n2 (i COSE - i sinE) (4.22b) q .£ act rea

A1s we nu e , id en i in (4.10a) substitueren, kunnen We zien of q q

de gekozen waarde van ~ vo1doet:

u ? pwm{(Ld-Ld)id + Lafd R~) + RQiq - eq 0 (4.23)

Tijdens de iteratie moet er steeds voor gezorgd worden dat O<~<~M

ge1dt.

In deze paragraaf is in verband met de overzichte1ijkheid ~ a1s

iteratievariabe1e gebruikt. In een aanta1 geva11en is echter

gebleken dat de iteratie in minder slagen verloopt a1s in p1aats

van ~ de grootheid e a1s variabe1e gekozen wordt. Deze methode is

echter minder overzichtelijk, zodat hij waarschijn1ijk aIleen

interessant is in geval1en waarbij de stationaire toestand vele

malen berekend moet worden.

Page 67: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

59

5 HET DYNAMISCHE MODEL VAN EEN SYNCHRONE MACHINE MET

GELIJKRICHTER

5.1 In1eiding

Voor het dynamische model van de synchrone machine met ge1ijk­

richter zu11en we, net a1s in hoofdstuk 4, a11een de grondharmo­

nischen van de fasestromen beschouwen. Nu mogen de amplitude, de

fase en de hoekfrequentie van deze grondharmonischen echter weI

veranderen. Om toch het ge1ijkrichtermode1 vo1gens paragraaf 3.4

te mogen gebruiken, moe ten deze veranderingen 1angzaam zijn ten

opzichte van de commutatieverschijnse1en.

Zoa1s we in paragraaf 4.1 hebben gezien, worden de grondharmoni­

sche componenten in de fasestromen getransformeerd naar ge1ijk-

stroomcomponenten in de stromen id en iq

. In het

beschouwden we a11een deze ge1ijkstroomcomponenten.

mach inemode 1

A1s de grond-

harmonischen "langzaam" varieren, zu11en ook de "ge1ijkstroom"­

componenten in id en iq dat doen. Deze "ge1ijkstroom"-componen­

ten, een soort korte-termijn-gemidde1den, zu11en we gebruiken in

het machinemodel.

In het stationaire geval nemen we aIleen de gelijkstroomcomponen-

ten in id en iq

frequenties die

mee en verwaarlozen we de componenten met hoek­

een gehee1 vee1voud zijn van 6pw (zie (4.4». De m hoekfrequentie van de variatie van de "ge1ijkstroom'-component

moet dan ook vee1 k1einer zijn dan 6pw . Dit betekent dat a1s, m bijvoorbeeld, de frequentie van de grondharmonisch van de fase-

stroom 50 Hz is, de frequentie van de verandering van de grond­

harmonische veel kleiner moet zijn dan 6x 50 Hz - 300 Hz.

Verder wordt, net a1s in hoofdstuk 3, de rimpe1 op de ge1ijk­

stroom verwaarloosd.

5.2 De verge1iikingen

Voor de verge1IjkIngen van de ge1Ijkrichter kunnen we uItgaan van

de In paragraaf 3.4 gegeven betrekkingen (3.21), (3.22) en (3.24)

met w-pw (i >0): m g

Page 68: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

60

2pc.> L i cosa cos(a+~) _ mAc g

i act

J3e

3e 2 L sinpsin(2a+~) pc.> 1< m c

3e i 2 L (~- sin~cos(2a+~») rea pWm c1r

di 3 A 3 (L +2L )--d g - -J3ecosa - (-pc.> L +R )i g c t 1< 1< m c g g

De "gelijkstroomn-componenten van id

de in hoofdstuk 4 afge1eide betrekking J3 A A

id - - 72 (iactsine + ireacose) J3 A A

iq - 72 (iactcose - ireasine)

(5.1)

(S.2a)

(S.2b)

(5.3)

en i kunnen we vinden met q

(4.11):

(S.4a)

(S.4b)

Voor de beschrijving van de synchrone machine grijpen we terug

naar de paragrafen 2.7 en 2.8. Hieruit kunnen we de verge1ijkin­

gen (2.90) en (2.91) rechtstreeks gebruiken:

~

- R [l - iJ Q LaQ

_ u _ R [~f _ ~D f f L f LfD

Verder hebben we verge1ijking (4.7) nog nodig:

A J2 e - -r-; Je 2 +e 2

,,3 d q

(S.Sa)

(S.Sb)

(S.Sa)

(S.6b)

(S.6c)

(S.7a)

e - -arctan[:d) (5. 7b) q

Voor de parameters in de bovenstaande verge1ijkingen zijn de

uitdrukkingen (2.84) en (4.8) nog van be1ang:

(S.8a)

(S.8b)

Page 69: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

L e

L" + L" d q

2

61

(5.8e)

(5.8d)

De verge1ijkingen (5.1) tot en met (5.7) met (5.8) besehrijven

een model van de synchrone machine met ge1ijkrichter met wQ' wf '

wD en ig a1s toestandsvariabelen, uf en ~ a1s ingangsgrootheden

en p, Ld , L~, LaF , LaD' ~F' CF, RQ, Rf , ~, Rg en Lg a1s para­

meters voor het geva1 dat w gegeven is. Dit ste1se1 kan met een m

simu1atieprogramma betrekke1ijk eenvoudig opgelost worden. Daar-

toe kunnen, uitgaande van de toestandsvariabe1en, achtereenvol­

gens de vo1gende bewerkingen uitgevoerd worden:

- berekening van ed en eq

met (5.5); A

berekening van e en • met (5.7);

berekening van ~ met (5.1); A ,

berekening van i en i met (5.2); act rea

berekening van id en iq met (5.4);

integratie van de verge1ijkingen (5.3) en (5.6).

Bij het op1ossen van het stelsel moe ten we er steeds voor zorgen

dat aan voorwaarde (3.23) vo1daan is:

" 1'<3 o oS Q < "-I' (5.9)

Voorts zu1len we vaak graag de rotorstromen willen weten. Deze

kunnen we met (2.92) uit de toestandsvariabelen bepa1en:

W i _l

Q LaQ

i - - i D d

i q

Wf +u f

Het e1ektromechanische koppel vo1gt uit (2.94):

(5.10a)

(5.10b)

(5.10c)

m - P(id(Lqiq+WQ) - iq(Ldid+CFWf+WD») (5.11)

In bij1age 2 wordt een voorbeeld van het gebruik van het hier

beschreven model gegeven.

Page 70: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

62

6 DE PARAMETERBEPALING

6.1 Achtergronden en keuze van de bepalingsmethode

Inleiding

am het ontwikkelde model te kunnen verifieren en toepassen,

moeten we de modelparameters weten. Van de in de paragraaf 5.2

genoemde parameters zijn er een aantal vrij eenvoudig te bepalen.

Bij andere treden echter complicaties op, doordat er in het model

geen rekening is gehouden met bijvoorbeeld skin- of hysterese­

effect, of doordat een fysische interpretatie van de parameter

ontbreekt. Verder wordt de bepaling van parameters vaak bemoei­

lijkt doordat veel (gewenste) metingen in de praktijk niet uit­

voerbaar zijn. Vanwege deze complicaties zullen we het probleem

van de parameterbepaling in deze paragraaf in een wat breder ka­

der bekijken. Omdat de parameters voor de gelijkstroomtussentrap

vrij eenvoudig te bepalen zijn, zullen we onze aandacht in dit

hoofdstuk aIleen richten op de bepaling van de machineparameters.

OverzichC van gebruikeliJke meChoden voor parameCerbepaling

Parameterbepaling wordt in de literatuur gezien als een speciaal

geval van identificatie: het bepalen van een model binnen een

gegeven klasse van modellen, dat zo goed mogelijk het gemeten

ingang-uitganggedrag van een gegeven systeem beschrijft. Het hier

beschreven model van de synchrone machine met gelijkrichter,

waarin de parameters nog niet vastliggen, vormt een bepaalde

klasse van modellen; het bepalen van parameters kamt neer op het

selecteren van een model uie deze hele klasse.

In de literatuur kunnen we een aantal strategieen vlnden om de

parameters van de synchrone machine te bepalen. Hierbij kunnen we

de verschillende methoden op de volgende vier aspecten onder­

scheiden: on-line tegenover off-line, klein tegenover groat sig­

naal, parametrisch tegenover niet-parametrisch en stategieen die

al dan niet ruis op de meetsignalen in de bepaling meenemen.

On-line-metingen en -schattingen worden vaak voorgesteld als een

onderdeel van systeemregelingen [Lan 83; Bol 82]. Zij verlangen

kleine excitatie-signalen, waardoor aIleen het klein-signaal­

gedrag kan worden beschouwd.

Page 71: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

63

Om hysterese- en verzadigingseffecten te kunnen schatten zullen

echter grote excitatie-signalen toegepast moe ten worden.

Niet-parametrische schattingen onderscheiden zich van hun para­

metrische tegenhangers in de grootheden die geschat worden: niet­

parametrische methoden zijn gericht op de bepaling van impuls- of

stapresponsies, terwijl parametrische methoden de parameters van

een bepaald model bepalen.

Het als laatste genoemde onderscheid betreft de rol van ruis in

de schattingsstrategie. In experimenten en laboratoriumsituaties

kunnen de meetsignalen vaak zo gekozen worden dat de ruis niet

significant is. In deze gevallen worden schattingsmethoden voor­

gesteld die ruis-effecten niet in beschouwing nemen. In andere

situaties kunnen de meetsignalen soms sterk vervuild zijn met

(onvermijdelijke) ruis. In deze gevallen moet in de schattings­

methode met zowel ruiseffecten als deterministische effecten

rekening gehouden worden.

Een ander belangrijk aspect van de schattingsstrategieen uit de

literatuur 'is de keuze van de excitatie van het systeem. Globaal

kunnen we twee soorten excitaties onderscheiden: de determinis­

tische en de (pseudo-)stochastische. Het laatste type lijkt veel­

belovend voor toepassingen in combinatie met correlatietechnieken

bij on-line-schattingen, maar kan niet over een groot vermogens­

bereik toegepast worden. Deterministische signalen zijn gewoon­

lijk stapvormig [Sha 77; Rit 86J, ramp-vormig [Iri 86J of sinuso­

idaal [Wat 74J. Stap- en ramp-functies zijn relatief eenvoudig te

realiseren, maar zijn praktisch beperkt in bandbreedte; metingen

met sinusvormige signalen moe ten voor een groot aantal frequen­

ties uitgevoerd worden en vergen daardoor nogal veel tijd.

In ons geval lijkt een stilstandsproef met een stapvormige exci­

tatie aan de statorkant het meest geschikt, omdat in verb and met

de toepassing bij ander onderzoek de praktische bruikbaarheid een

grote rol speelt. Een dergelijke schattingsprocedure kan worden

geklassificeerd als off-line en werkt met een groot signaal en

een geparametriseerd model. Met ruiseffecten wordt geen rekening

gehouden.

Wiskundige achtergrond

De wiskundige achtergrond van de gekozen parameterbepalings­

methode is vrij algemeen bekend; zie bijvoorbeeld [Eyk 74J. In de

Page 72: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

64

hie rna volgende summiere beschrijving beschouwen we een systeem

waarvan we de in~ en de uitgangsgrootheden kunnen meten en waar~

voor een geparametriseerd model beschikbaar is. Veronderstel dat

dit model de ingang-uitgangrelatie beschrijft met

(6.1)

waarin ~, y, 0 and 8 vectoren voorstellen die, respectievelijk,

de ingangssignalen, de uitgangssignalen, de nulvector en de

parameters representeren. Elke component van ~ en y stelt een

ingangs· of een uitgangssignaal voor en aIle componenten zijn dus

functies van de tijd. De componenten van de vector 8 zijn

cons tan ten. De vectorfunctie f is bekend. In het geval van een

lineair model is f een stelsel lineaire differentiaalvergelij­

kingen.

Als we het systeem (fysisch) exciteren met het ingangssignaal

~~~O(t), kunnen we de responsie van het systeem, het uitgangs­

signaal YO-Yo(t), meten. Substitutie van ~ en Yo in (6.1) resul­

teert in

(6.2)

Dit is een vergelijking waaruit ! kan worden opgelost als ~O goed

gekozen is en als het algemene model het systeem exact be­

schrijft. In praktische situaties zullen meetfouten, ruis en mo­

delonvolkomenheden tot gevolg hebben dat er geen oplossing voor ! is. In dat geval kan er alleen een zodanige ! bepaald worden dat

zo goed mogelijk aan (6.2) wordt voldaan. Om deze 8 wiskundig te

kunnen bepalen hebben we een foutcriterium nodig. Dit criterium

wordt geformuleerd als een scalaire functie Evan !, ~O en

waarvan het minimum per definitie overeenkomt met de "beste'

waarde van 9. We zullen deze waarde fa noemen.

De functie E (de zogenaamde kostenfunctie) kan tamelijk vrij

gekozen worden. Omdat verschillende keuzen in het algemeen tot

verschillende schattingsresultaten zullen leiden, moet bij het

maken van de keuze rekening gehouden worden met het doel waarvoor

het model gebruikt gaat worden. In sommige gevallen bepaalt de

toegepaste schattingsmethode de kostenfunctie (bijvoorbeeld bij

de nmaximum likelihood estimation" gebaseerd op a-priori-

statistische informatie).

Meestal zijn ~ and Yo functies van de tijd en zijn ze gegeven

als een verzameling monsters op K opeenvolgende momenten tl tot

Page 73: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

65

tK" Als we het k·de monster van ~O en Yo aangeven met, respectie­

velijk, ~O(k) en YO(k) , en we de modelfunctie i beperken tot een

dimensie, kunnen we de kostenfunctie E definieren als:

K 2 E - E e

k-l k (6.3)

waarin de K functies ek

, de zogenaamde residu-functies, gegeven

worden door:

(6.4)

In een ideaal geval (dat wil zeggen dat het model het systeem

exact kan beschrijven en dat er geen ruis optreedt) zal er een

!-!O zijn, zo dat aan (6.2) wordt voldaan. Daarmee zijn alle ek (en dus E) gelijk aan nul. Omdat E een kwadratische functie van

ek is, bereikt E een minimum voor deze !o. Als dit minimum uniek

is zal het zoeken naar het minimum van E exact !O' opleveren:

onze schattingsstrategie is dus correct. Als de situatie afwijkt

van het ideale geval, zal het minimum van E groter dan 0 zijn:

hoe groter de afwijking, hoe groter het minimum. E(!o) en ek(!O)

zullen op deze manier een indruk geven van de mate waarin het

model feitelijk verband kan leggen tussen de beschouwde meetgege­

vens. De grootheden zijn een algemene maat voor de nauwkeurigheid

waarmee het model het systeem beschrijft (voor zover de meetgege­

vens informatie over het systeem bezitten).

Een minimalisatie van (6.3) kan bereikt worden met algemeen

bekende numerieke minimalisatiemethoden (bijvoorbeeld kleinste

kwadraten, Newton-Raphson, Steepest Descent en Marquardt).

In sommige gevallen heeft E geen uniek minimum. Het zoeken naar

het minimum zal dan theoretisch tot meer dan een set parameters

leiden. Als het minimum numeriek gezocht wordt, kan er zich een

aantal problemen voordoen, die meestal tot gevolg hebben dat het

zoeken mislukt. Een niet-uniek minimum van E wordt meestal ver·

oorzaakt door een ongeschikte keuze van de modelvergelijking, de

excitatie ~ of een combinatie van deze twee.

De keuze van ~ is niet willekeurig en evenmin voor de hand lig­

gend. Er bestaan excitaties ~ waarbij geen parameters geschat

kunnen worden (beschouw bijvoorbeeld het triviale geval van de

nul-excitatie, ~-Q). Een excitatie die de noodzakelijke informa­

tie voor een schatting levert, wardt persistently exciting ge­

noemd. Dit houdt over het algemeen in dat het frequentie-spectrum

van de excitatie een grotere bandbreedte heeft dan het gedrag van

Page 74: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

66

het systeem.

Een nadere behandeling van het probleem van de keuze van de

modelvergelijking en de excitatie valt buiten het kader van dit

verslag.

We kunnen concluderen dat er in theorie drie mogelijke beperkin­

gen zijn aan de beschreven manier van parameterbepaling:

In hoeverre parameters zinvol bepaald kunnen worden, hangt in

hoge mate af van hoe nauwkeurig het model de werkelijkheid

beschrijft.

Parameters kunnen niet zinvol bepaald worden, als er in de

gemeten gegevens geen informatie over de parameters aanwezig

is. De gekozen excitatie moet het systeem voldoende exciteren.

Als het model niet exact is zijn de bepaalde parameterwaarden

aileen geldig bij de gemeten signalen. Er is geen garantie dat

de waarden gelden voor de beschrijving van ander gedrag.

De benodigde parameters

Zoals we in paragraaf 2.7 en paragraaf 3.4 kunnen terugvinden,

hebben We voor het ontwikkelde model van de synchrone machine met

gelijkrichter de volgende parameters nodig:

voor het geliJ·kstroomcircuit en de mutator: L en R . g g' voor de

LFD , ~, Rf en CF .

Het poolpaartal p is een duide11jk gegeven. De overige parameters

kunnen in drie groepen bepaald worden. De eerste groep bestaat

uit R en L, g g

de tweede uit de parameters voor de q-as van de

synchrone machine (R , L", L Q en R-) en de laatste uit de para-a q a 4

meters voor de d-as (Ra , Ld, LaD' LaF , LFD , ~, Rf en CF).

Omdat de bepaling van R en L eenvoudig is, zal hier geen aan-g g

dacht aan besteed worden. In dit hoofdstuk zullen we verder kij-

ken naar de bepaling van de parameters van de synchrone machine

met behulp van een stilstandsproef. Hiertoe wardt eerst de meet­

opstelling beschreven en wordt vervolgens de bepaling van de

parameters voor de q-as, respectievelijk, de d-as beschouwd.

Page 75: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

67

6.2 De meetopsteiiing

De gebruikte machine

De schattingen werden uitgevoerd aan een in het laboratorium

beschikbare synchrone machine die ook voor de modeiverificatie

gebruikt is. Dit is een vierpoiige (p-2) machine van 24 kVA die

geinverteerd is uitgevoerd (driefasenwikkeiing op de rotor;

bekrachtigingswikkeiing op de stator). De machine heeft demper­

wikke1ingen in de vorm van een demperkooi met massieve ci1indri­

sche staven in ha1fges1oten gleuven in de stator. De stator is

geiamineerd zonder iso1atie tussen de 1ame11en.

Hoewe1 de beschrijving in feite een geinverteerde machine

betreft, zijn alle tekeningen in dit vers1ag van een "gewone"

machine (met de driefasenwikke1ing op de stator en de bekrachti­

gingswikke1ing op de rotor).

De stilstandsproef

Bij de stiistandsproef maken we gebruik van twee van de drie

statork1emmen. Hier zu11en we de k1emmen a en b gebruiken, zoais

in figuur 6.1 is aangegeven. Voor de in deze figuur aangegeven te

meten grootheden u en i geidt:

u -u ~ a

i ib - i a

Verder ge1dt:

i c - 0

bran

transient

recorder

+ u

Figuur 6.1 Het meetcircuit

if + uf

'-...... -----

(6.5a)

(6.5b)

(6.6)

Page 76: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

68

Als we de d-as in de richting van de veldas van de twee in serie

geschakelde spoelen a en b draaien, meten we de d-grootheden van

de machine (zie figuur 6.2a). Dit is het geval voor de positie­

hoeken 7--~/6 en 7-5w/6. We kunnen dit ook afleiden met de verge­

lijkingen (6.5) en (6.6) en de Park-transformatie volgens (2.53):

~

id - J2i - J2u i 0 (6.7a) 7 - 6 u d q

5 id - J2i u - - J2u i 0 (6.7b) 7 - 6~ d q

u u

Figuur 6.2 De rotor in de d-positie (a) en in de q-positie (b)

Als we de q-as in de richting van de veldas van de twee in serie

geschakelde spoelen a en b draaien, meten we de q-grootheden van

de machine (zie figuur 6.2b). Dit is het geval voor de positie­

hoeken 7-~/3 en 7--2~/3. Dit kunnen we ook afleiden met de verge­

lijkingen (6.5) en (6.6) en de Park-transformatie vol gens (2.53):

~ i - - J2i J2u id - 0 (6.8a) 7 - 3 u-

q q 2 i J2i - J2u id - 0 (6.8b) 7 3~ u -q q

Om er voor te zorgen dat de q- of de d-as in de richting van de

veldas van de twee in serie geschakelde spoelen a en b komt te

staan, wardt de rotor langzaam gedraaid terwijl er een wissel­

stroom door het bekrachtigingscircuit wordt gestuurd. Als de d­

positie is bereikt, zal de (wissel)spanning u maximaal zijn

(u -0). Deze spanning zal juist nul zijn als de q-as in de rich-c

ting van de veldas van de twee in serie geschakelde spoelen

staat.

Page 77: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

69

6,3 De bepaling van de parameters voor de q-as

In deze paragraaf komt de gevolgde procedure voor de bepaling van

de parameters v~~r de q-as in detail aan bod. De paragraaf wordt

afgesloten met enkele schattingsresultaten.

De gebruikte meetopstelling

In onze experimenten hebben we twee bronnen gebruikt: een batte­

rij en een gelijkspanningsnetvoedingsapparaat. Beide werden via

de thyristorschakeling volgens figuur 6.3 met de fasewikkelingen

verbonden. Nadat de schakelaar S is gesloten. wordt de thyristor

T ontstoken. De vrijloopdiode 0 is in de schakeling opgenomen om

schade te vermijden die kan optreden ten gevolge van de hoge

inductiespanningen die ontstaan bij het plotseling onderbreken

van de stroom i.

S T +

+ gelijkspan- 0 u ningsbron

Figuur 6.3 Het verkrijgen van de excitatie

Een meting wordt uitgevoerd door de thyristor te ontsteken en de

spanning u en de stroom i gedurende een voldoende lange tijd te

registreren.

Hetingen

Met de hiervoor beschreven meetopstelling zijn negen metingen

uitgevoerd. Oit nam Minder dan een half uur in beslag. Voor de

meting en registratie van de stroom i. via een nulfluxstroom­

transformator. en de spanning u werd gebruik gemaakt van een

transi~ntrecorder en een personal computer. De gebruikte recorder

Page 78: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

70

heeft een pre-trigger-mode en kan met twee simu1tane tijdbases

werken. Beide moge1ijkheden werden gebruikt: van 2 ms voor de

ontsteking van de thyristor tot 140 ms daarna werd een bemonste­

ringstijd van 0,2 ms gebruikt; de volgende 1300 ms werden met een

bemonsteringstijd van 2 ms opgenomen. Na beeindiging van de regi­

stratie werd de stroom uitgeschake1d en werden de meetgegevens

met behulp van een personal computer op een floppy disk gezet.

Bij de eerste 7 metingen werd een batterij van 4 V gebruikt als

voeding; bij meting 8 werd een batterij van 10,5 V en bij meting

9 werd een ge1ijkspanningsnetvoedingsapparaat van 5 V gebruikt.

De metingen 1 tot en met 7 bestonden uit positieve en negatieve

stapexcitaties in de vo1gorde 1:+, 2:+, 3:-, 4:-, 5:+, 6:+ en

7:+. Het doel van het afwisselen van positieve en negatieve exci­

taties was om de invloed van hysterese op de schattingsresultaten

te onderzoeken.

Hodelvergelijkingen en residuen

Voor de q-as hebben we vier parameters nodig: Ln, L Q' R , en R

Q. q a a

Deze parameters kunnen we in verband brengen met u en i met een q q

modelvergelijking

(2.85a) en (2.86a)

die we kunnen vinden door ~Q te elimineren uit

met w -0: m

L du (t) o - u (t) + aQ q + R i (t) +

q RQ dt a q

+ (L~ + LaQ + R di (t) L d2i (t) ~ ) ----'Q~- + L" aQ _-;-,QL-_

RQ aQ dt q RQ dt (6.9)

Het verband tussen u en de gemeten spanning u en tussen i en de q q

gemeten stroom i kunnen we met (6.8) berekenen.

Zoals we later zullen zien is het beter om deze vergelijking over

de tijd te integreren en met RQ/LaQ te vermenigvuldigen:

R t

o - ~ Ju (T)dT + U (t) aQ q q

-'"

R t

+ LQ R Ji (T)dT + aQ a q

-'" di (t)

+ V' q q dt

(6.10)

Met de meetgegevens en de mOdelvergelijking kunnen we voor de K

tijdstippen

RQ Lalk

aQ met

Page 79: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

_00

a 2k uq(tk )

tk

a3k - f iq(T)dT _00

a4k - iq(tk )

diq(t)1 aSk d t t-t

k

De coefficienten

71

(6.11b)

(6.11c)

(6.11d)

(6.11e)

(6.11f)

a ik volgen direct (a2k , a4k) of indirect (alk

,

a3k , aSk) uit de meetgegevens. We kunnen diverse numerieke

methoden gebruiken om de integralen en de afgeleide te berekenen

(zie bijvoorbeeld [Dah 74]).

Zoals we nu gemakkelijk kunnen zien, zou de keuze van (6.9) in

plaats van (6.10) als basis voor de residufuncties ertoe geleid

hebben dat we informatie over de afgeleide van u (du Idt) zouden q q

moe ten hebben. Bij het gebruik van een stapvormige excitatie is

deze informatie geconcentreerd op het moment van de sCap, waar­

door de afgeleide alleen goed bepaald kan worden wanneer een zeer

hoge bemonsteringsfrequentie wordt toegepast. Dit zou leiden tot

een minder praktische meeting, terwijl het probleem eenvoudig met

(6.10) vermeden kan worden.

Nadat de coefficienten alk

, a3k en aSk zijn berekend, kunnen we K

vergelijkingen in de vier onbekende parameters R , L Q' RQ en L" a a q

opstellen. De kostenfunctie (6.3) kan nu geminimaliseerd worden

ten aanzien van deze parameters. Voor redelijke resultaten moet K

aanzienlijk groter zijn dan 4. Voor de minimalisatie gebruiken we

het algoritme van Marquardt [Mar 63].

Resultaten van de schattlngen

In dit onderdeel van deze paragraaf bespreken we een aantal re­

sultaten van de parameterschattingsprocedure. Allereerst bekijken

we hoe de schatting belnvloed wordt door het feit, dat de begin­

helling van de gemeten stroom niet constant is, terwijl het model

een constante beginhelling kent bij een stapvormige excitatie.

Daarna bekijken we wat de invloed van hysterese op de schattings­

resultaten is.

De gegevens van meting 1 werden gebruikt voor S schattingen. Voor

Page 80: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

72

elk van deze schattingen werd een andere deelverzameling van de

monsters gebruikt. We kunnen een deelverzameling van de monsters

aangeven met de tijdstippen ~ van de monsters:

(6.12)

Hierin is t1 het eerste tijdstip waarop bemonsterd wordt na het

moment van ontsteken en is T de bemonsteringsperiodetijd. Er

worden vijf deelverzamelingen gekozen met oplopende t1 (zie tabel

6.1). K is steeds zodanig gekozen dat het laatste bemonsterings­

tijdstip op ongeveer 0,6 s 1igt.

NtuDlDer deel- t1

(ms) T (ms) K

verzameling

1 1 4 ISO

2 2 4 ISO

3 4 4 149

4 8 4 148

S 16 4 146

Tabe1 6.1 De verschil1ende deelverzamelingen

De figuren 6.Sa tot en met 6.Sd geven de schattingsresultaten als

functie van tl

. Figuur 6.Se geeft de waarde van de kostenfunctie

E gedeeld door het aantal monsters K. Deze waarde geeft een

globale indicatie van hoe goed het model verband kan leggen

tussen de meetgegevens. Bij kleiner wordende tl wordt E fors gro­

ter. De eerste bemonsteringstijdstippen na het ontsteken van de

thyristor bevatten informatie die niet door het model verklaard

kan worden. Het kiezen van een kleinere waarde van tl resulteert

zo in een slechtere "fit". Aan de andere kant wordt bij grotere

tl Minder deterministische informatie uit de meetgegevens in de

schatting meegenomen en krijgen de schattingsresultaten dus een

beperktere geldigheid. Dit overwegende, kunnen we constateren dat

de beslissing welke waarde van t1 de beste schattingsresultaten

geeft een compromis zal zijn.

Page 81: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

0.2270

'2 4

V Ro(a), 0.195

0.190

0.185

0.180

0.175

'2 4

V !:('O -<lV2) K

Z5

'5

,a

5

a '2 4

8

8

o

8

,. t,(ms)-

• •

,. t,(m.)-

,. t ,(ms).-

73

~ 4.2

L~ (mH) ,

• 4.0

3.8

3 ••

3.4

'2 4 8 ,. t,(m.)_

V (mH) ,

17.6

./ LaQ+L~ 17.4

'4-0

LaQ 13.8

• 13.6 • 13.4

'2 4 8 ,. t,(ms)_

Figuur 6.5 Schattingsresultaten voor verschillende deelverza­

melingen volgens tabel 6.1.

Het feit dat het model blijkbaar onvolkomen is, kan veroorzaakt

worden door het skin-effect. Hierdoor veranderen de weerstand en

de inductiviteit van de demper als het ware als functie van de

tijd die verlopen is nadat de stap-excitatie is toegevoerd:

Page 82: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

74

meteen na de stap zal de inductiviteit kleiner en de weerstand

groter zijn dan op een later tijdstip.

Om het effect van hysterese te kunnen beoordelen, worden de para­

meters geschat met behulp van de gegevens van de metingen 1 tot

en met 9. Hierbij wordt gebruik gemaakt van deelverzameling 2 in

tabel 6.1. De resultaten zijn in figuur 6.6 weergegeven als

functie van het nummer van de meting.

v

V

RaCD),

Q.2271I • •

azen

a.2Z7!l ~ 0.2273

, 2 3 4 • • 7 • • h_

Raca)! 0 ....

0.195

0.'00

123 + 5 8 7 e 9

h-

~

V

~CmH) ... , •

• 3.5

3.+

, 2 3 4 • • 7 • • h-

LQQ(mH)

10.5 , , ... •

'4.5

'4.0

1 Z 345 8 7 e 9

h_

Figuur 6.6 Herhalingsresultaten als functie van het nummer van

de meting voor deelverzameling 2: tl

-2ms; T-4ms;

K-150ms. Voedingsbron:

batterij van 4 V

o batterij van 10,5

6 netspanningsvoedingsapparaat van 5 V

Page 83: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

75

Het hystereseverschijnse1 is de be1angrijkste bron van verschi1

tussen opeenvo1gende metingen. De gemidde1de toename van de

waarde van R wordt waarschijn1ijk veroorzaakt door een stijging a

van de temperatuur, maar de verschi11en zijn klein in verge1ij-

king tot de meetonnauwkeurigheid.

Nauwkeurigheid

De nauwkeurigheid van de bepaa1de parameterwaarden hangt niet

a11een af van mode1vereenvoudigingen (zoa1s skin-effekt en hyste­

rese, die hiervoor besproken zijn) , maar ook van de mate waarin

meet- en rekenfouten doorwerken op de schattingsresultaten.

In tabe1 6.2 staan de nauwkeurigheidsgegevens van de gebruikte

apparatuur. G1obaa1 komen de meetonnauwkeurigheden voor zowel de

spannings- a1s de stroommeting neer op 0,1%.

nauwkeu-

righeid

off-set

ruis

Tabe1 6.2

transient- nu1f1uxstroom-

recorder transformator

0,05% + 0.01%

0,05% van bereik (ratio fout)

+ 1 LSB 0.2mV (vol

(van de 14 bits) bereik is 10V)

20 I'V RMS 0.5 mV RMS (vol

+ 1/2 LSB bereik is 10V) -

Nauwkeurigheidsgegevens van de gebruikte

instrumenten.

Uit enke1e numerieke experimenten vo1gen waarden voor de mate

waarin deze onnauwkeurigheden doorwerken. In tabel 6.3 zijn aile

betrokken gegevens samengevat. De rekennauwkeurigheid wordt in

hoofdzaak begrensd door de berekening van de afge1eiden en

integra1en van de meetseries.

Page 84: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

76

R L" RQ LaQ a q

meetonnauw-

keurigheid 0.1% 0.1% 0.1% 0.1%

rekenfouten 0.0% 1% 0.4% 0.4%

skin-effect z 0.2% z 10% z 5% z 2%

hysterese 0.2% z 5% z 5% z 10%

Tabel 6.3 Totale onnauwkeurigheid van geschatte parameter­

waarden

In tabel 6.3 kunnen we duidelijk zien dat voor de beschouwde

machine een verfijnde schattingsmethode niet zinnig is, of schoon

enige extra nauwkeurigheid verkregen kan worden bij de berekening

van de integralen (door verhoging van de bemonsteringsfrequentie

bij de registratie van de spanning u) en de afgeleide (door toe­

passing van een hogere-orde-benadering).

Bij aIle parameters veroorzaken modelonvolkomenheden de belang­

rijkste schattingsverschillen. Zoals verwacht werd, veroorzaken

hystereseverschijnselen en het skin-effect in de demper verschil­

len tussen het systeem- en het modelgedrag.

We kunnen de met de hier beschreven methode behaalde schattings­

resultaten vergelijken met die van eerdere metingen [Hoe 84a]:

R 0.232 0 a

L" 3.5 mH (bij 50 Hz) q

RQ 0.2 0

L" + LaQ 19.3 mH q

De weerstand R is waarschijnlijk lets hoger doordat de tempera­a

tuur bij de eerdere metingen iets hoger was. De waarden van L" en q

RQ zijn met een sinusvormige excitatie bepaald en zijn afhanke-

lijk van de frequentie. De waarde van L"+L Q is gemeten met een q a

positieve stapvormige excitatie nadat eerst een grate negatieve

stroom i was toegevoerd. De uit deze (eerdere) proef volgende

waarde

waarde

LaQ

-15.8mH moet

in figuur 6.6d.

dan oak vergeleken worden met de hoogste

Page 85: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

77

6.4 De bepaling van de parameters voor de d-as

Er is geprobeerd om de parameters voor de d-as op soortgelijke

wijze als bij de q-as te bepalen. Rierbij werd de stator met een

(ongeveer) stapvormige spanning u geexciteerd en werden de

statorstroom i en de bekrachtigingsstroom if in de kortgesloten

bekrachtigingswikkeling als responsies beschouwd. Ret bleek

echter niet mogelijk te zijn om de parameters zodanig te kiezen

dat zowel de overdracht van statorspanning naar statorstroom als

de overdracht van statorspanning naar bekrachtigingsstroom goed

berekend kan worden.

Dit leidt tot de conclusie dat het zeer vaak gebruikte driewikke-

1 ingsmode 1 voor de d-as niet geschikt is voor de berekening van

verschijnselen in het bekrachtigingscircuit. Vermoedelijk moet

het driewikkelingsmodel met een tweede demperwikkeling uitgebreid

worden tot een vierwikkelingsmodel.

De voor de verificatie benodigde parameters zijn via een aantal

andere (omslachtige) metingen bepaald. De resultaten van deze

metingen zijn in de volgende paragraaf vermeld.

6.S De parameters voor de modelverificatie

Bij de modelverificatie zijn de volgende machineparameters

gebruikt:

p - 2

L -aQ 15.7 mH

L" 3.2 mH q

RQ 0.2 0

L -aF 9.16 mH

LaD 24.25 mH

~F- 6.42 mH

Rf 4.45 0

L" d 3.2 mH

CF

0.02082

Page 86: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

78

7 DE MODELVERIFICATIE

7.1 In1eiding

In dit hoofdstuk wordt de experimente1e verificatie van het in

dit vers1ag afge1eide model beschreven voor het geva1 dat de

ge1ijkrichter een driefasendiodebrug (een thyristorbrug met a-O)

is. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de proefopste11ing vo1gens

figuur 7.1.

r

Figuur 7.1 De gebruikte proefopste11ing

De te be schouwen synchrone machine wordt aangedreven via een

Ward-Leonard-omzetter; de ge1ijkrichter wordt be1ast via een

accubatterij. waarbij een e1ektro1ytische condensator is aange­

bracht om de rimpe1 op de spanning ~ te beperken. In deze

opste11ing worden de spanningen uf en ~. de

de rotorhoeksnelheid w gemeten. Van deze m

en stromen if en ig

grootheden worden de

spanningen uf

en ~ en de rotorhoeksne1heid wm a1s ingangs- en de

stromen if en ig a1s uitgangsgrootheden van het systeem "synchro­

ne machine met ge1ijkrichter" beschouwd.

Bij de verificatie worden de gemeten ingangsgrootheden gebruikt

voor de simu1atie. De hierbij berekende uitgangsgrootheden kunnen

vervo1gens verge1eken worden met de gemeten uitgangsgrootheden.

--

Page 87: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

79

Dit is gedaan voor een drietal experimenten die in de volgende

drie paragrafen beschreven worden. Het bij de verificatie

gebruikte ACSL-programma is in bijlage 3 gegeven. De gemeten uit­

gangsgrootheden worden in het vervolg met het subscript m voor­

zien (if en i ); in plaats van de rotorhoeksnelheid zal de fre-m ~

quentie van de fasegrootheden f bebruikt worden (pw -2~f). m

Voor de verificatiesimulaties is het model van de synchrone ma-

chine met gelijkrichter iets uitgebreid. Deze uitbreiding is

vooral van belang voor machines met een klein vermogen en een

lage spanning, zoals bij de hier beschreven modelverificatie, en

is tot stand gekomen na een aantal gedetailleerde simulaties van

een gelijkrichter aangesloten op een driefasennet met het net­

werksimulatieprogramma PSPICE. Hieruit is gebleken dat het span­

ningsverlies over de thyristoren in rekening kan worden gebracht

door

Omdat

dit bij de batterijspanning ~ op te tellen (uthy - 1.8 V).

de gebruikte synchrone machine geinverteerd is uitgevoerd,

wordt er bij dit spanningsverlies over de thyristoren nog het

spanningsverlies over de borstelsleepringovergangen (2 V) opge­

teld: u h - 3.8 V. t Y

Voorts is uit de simulaties met PSPICE gebleken dat bij deze

kleine machines de invloed van de weerstand in het commutatiecir­

cuit beter niet verwaarloosd kan worden. Dit is bij de afleiding

in hoofdstuk 3 wel gedaan. Het is gebleken dat de door de ver­

waarlozing ontstane fout redelijk gecompenseerd kan worden door

iets minder (ongeveer 80 %) dan de weerstand die per fase gezien

wordt twee maal in het gelijkstroomcircuit op te nemen. Het een

en ander is echter niet diepgaand onderzocht. Bij de simulaties

0.5 0 gebruikt. is R g

Voor de spoel in het gelijkstroomcircuit geldt: L - 44 mHo g

Omdat in het model geen rekening is gehouden met verzadiging in

het ijzer van de machine, zijn de proeven zodanig gedaan dat het

ijzer niet in verzadiging ging.

7.2 Excitatie in het gelilkstroomcircuit

Bij het in deze paragraaf behandelde experiment zijn de schake­

laars Sl en S2 gesloten en is S3 geopend. Eerst worden het toe-

Page 88: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

80

rental en de bekrachtigingsstroom van de synchrone machine op de

gewenste waarden gebracht. Vervolgens wordt thyristor T3 ontsto­

ken, waardoor er een snelle verandering van ~ optreedt (er wordt

geen schakelaar toegepast, omdat die meestal "contactdender" ver­

toont).

Het verloop van ~ is in figuur 7.2a weergegeven. De gemeten

(i ) en de berekende (i ) gelijkstroom zijn in figuur 7.2b weer-~ g

gegeven. De gemeten (ifm ) en de berekende (if) bekrachtigings-

stroom zijn weergegeven in respectievelijk figuur 7.2c en 7.2d.

De figuren 7.2e en f geven de ingangsgrootheden frequentie (f) en

bekrachtigingsspanning (uf).

De "ruis" op de gemeten gelijkstroom in figuur 7.2b is de rimpel

die in het model verwaarloosd wordt. We kunnen echter nog een

rimpel met een lagere frequentie (ongeveer 25 Hz) waarnemen. Die

is vooral goed te zien op de berekende gelijkstroom en wordt

waarschijnlijk veroorzaakt doordat de gelijkstroommotor de

synchrone machine niet met een helemaal constante hoeksnelheid

aandrijft. We kunnen deze rimpel ook herkennen op de frequentie

in figuur 7.2e.

De afwijking tussen de gemeten en de berekende waarde van de

gelijkstroom kan worden verklaard uit hystereseverschijnselen in

het ijzer van de synchrone machine. Deze kunnen we nader beschou­

wen met behulp van de nullastkarakteristiek van de gebruikte ma­

chine, die is weergegeven in figuur 7.3 [Hoe 84a). Hierin is het

hysteresiseffect duidelijk te zien.

We kunnen deze karakteristiek ook be schouwen als het verband tus­

sen flux en magnetiseringsstroom. Bij het model is aileen reke­

ning gehouden met lineair ijzer: voor de inductiviteiten in het

model is gebruik gemaakt van het lineaire deel van de middelste

curve. Tijdens de proef zou de curve van A naar B naar C (in fi-

guur 7.3) doorlopen kunnen zijn, zodat de berekende waarde van i g

steeds hoven de gemeten waarde ligt, b~ A echter meer dan b~ C.

Het verloop van de piek op de bekrachtigingsstroom is b~ de

gemeten stroam scherper dan b~ de berekende. Op grond van de

verklaring in paragraaf 6.4 (het driewikkelingsmodel voor de d-as

voldoet niet) konden we afwijkingen in de berekende bekrachti­

gingsstroom verwachten.

Page 89: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

N tlltJ(X100 V)

o

"" N

If)

'" N

o

'" N

If) If) tIs) --N1---------.---------r--------;---------,

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

Figuur 7.2a Excitatie in het ge1ijkstroomcircuit: ~

o

o

o

tIs) --0.00 0.25 0.50 0.75 I. 00

Figuur 7.2b Excitatie in het ge1ijkstroomcircuit: i en i gm g

81

Page 90: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

82

o If)

o OJ

0.00 0.25 0.50

US) --+-

0.75 I. 00

Figuur 7.2c Excitatie in het gelijkstroomcircuit: ifm

o

o "­IT)

o IT)

IT)

o t~ OJ --+-N'~--------~--------r-------~r--------'

0.00 0.25 0.50 0.75 l.OO

Figuur 7.2d Excitatie in het gelijkstroomcircuit: if

Page 91: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

a

a

a tis) ~

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

Figuur 7.2e Excitatie in het gelijkstroomcircuit: f

a

"

a

'" -a It)

o t(s) ~

q:4---------r--------r--------r-------~ 0.00 0.25 0.50 0.75 1. 00

Figuur 7.2f Excitatie in het gelijkstroomcircuit: uf

83

Page 92: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

84

500

f~ ~O

~O

350

300

250

200

150

100

50

0 0 2 4 5 6 7 8

Figuur 7.3 De nu11astkarakteristiek van de gebruikte machine

7.3 Excitatie aan de mechanische zilde

Bij het in deze paragraaf behande1de experiment zijn de schake-

1aars S2 en S3 ges10ten en is S1 geopend. Nadat her toerental en

de bekrachtigingsstroom van de synchrone machine op de gewenste

waarden zijn gebracht, wordt thyristor Tl ontstoken, waardoor er

een sne11e verandering in het toerenta1. en dus in de frequentie

f. optreedt. De meet- en de berekeningsresu1taten zijn in figuur

7.4 weergegeven.

Page 93: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

o

tlfHZ)

o

0.00 0.25 0.50 0.75

Figuur 7.4a Excitatie aan mechanische zijde: f

o

o

o

o

00 0.25 0.50 0.75

tiS) --l.00

1(51 --l.00

Figuur 7.4b Excitatie aan mechanische zijde: i en i gm g

85

Page 94: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

86

o If)

o en

0.00 0.25 .50

t(5) --0.75 1. 00

Figuur 7.4c Excitatie aan mechanische zijde: iFm

rii

o

o

'" .,;

0 en N

0.00

Figuur 7.4d

I 0.25

Excitatie

tIS) ...... I I I

0.50 0.75 1. 00

- -- --aan mechanische zij de: if

Page 95: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

o I\.

o

'" -~ .......... .,...........,...,..""".I"fi"""II~~ o Itl

o t~

~4----------;----------'----------r--------~-' 0.00 0.25 0.50 0.75

Figuur 7.4e Excitatie aan mechanische zijde: u~

Itl I\.

o I\.

o

'"

Itl Itl

0.00 0.25 0.50 0.75

Figuur 7.4f Excitatie aan mechanische zijde: ~

1.00

1.00

87

Page 96: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

88

7.4 Excitatie in het bekrachtigingscircuit

Bij het in deze paragraaf behandelde experiment zijn de schake­

laars Sl en S3 gesloten en is S2 geopend. Nadat het toe rental en

de bekrachtigingsstroom van de synchrone machine op de gewenste

waarden zijn gebracht, wordt thyristor T2 ontstoken, waardoor er

een snelle verandering in de bekrachtigingsspanning uf

optreedt.

De meet- en de berekeningsresultaten staan in figuur 7.5.

In tegenstelling tot de proeven in de vorige twee paragrafen

leidt deze proef er toe det de verlopen van de gemeten en de

berekende gelijkstroom qua vorm van elkaar verschillen. Dit hangt

waarschijnlijk samen met het feit det het driewikkelingsmodel

niet voldoet voor de d-as (zie paragraaf 6.4)

7.5 Conclusie

Uit de hiervoor gegeven meet- en berekeningsresultaten kunnen we

concluderen dat het in dit verslag afgeleide eenvoudige model van

de synchrone machine met gelijkrichter aan de verwachtingen vol­

doet als het ijzer in de machine niet in verzadiging is: in het

algemeen is de overeenkomst tussen metingen en berekeningen van

de gelijkstroom goed. De verschillen zijn voornamelijk te wijten

aan hysteresisverschijnselen in het ijzer van de machine. Bij de

bekrachtigingsstroom is de overeenkomst minder goed. Dit is waar­

schijnlijk een gevolg van het feit dat het driewikkelingsmodel

niet voldoet voor de d-as. Hierdoor kan ook de excitatie in het

bekrachtigingscircuit niet goed verwerkt worden.

Page 97: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

o

o

o

o

o ... 0.00 0.25 0.50

89

tiS) -0.75 1.00

Figuur 7.Sa Excitatie in het bekrachtigingscircuit: uf

o

o

o t(S)

0.00 0.25 50 0.75 1. 00

Figuur 7.Sb Excitatie in het bekrachtigingscircuit: i en i gm g

Page 98: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

90

o .,

o '"

0.00

Figuur

0 ., ...

0

...

o "-

'"

o '" o-i

01 ~i

7.Se

ti,(Al

0.00

tIs) --0.25 0.50 0.75 1.00

Exeitatie in het bekraehtigingseireuit: i fm

i 0.25

tIS) ---,-----------~i~--------,i

~.50 0.75 1.00

Figuur 7.Sd Exeitatie in het bekraehtigingscircuit: if

Page 99: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

o

tf(Hz)

o

o tIS) --0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

Figuur 7.Se Excitatie in het bekrachtigingscircuit: f If) I\.

o <.D

If) If)

0.00 0.25

tiS) -0.50 0.75 1.00

Figuur 7.Sf Excitatie in het bekrachtigingscircuit: ~

91

Page 100: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

92

8 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

Uit hoofdstuk 7 is gebleken dat het in dit verslag afgeleide een­

voudige model van de synchrone machine met gelijkrichter aan de

verwachtingen voldoet als het ijzer in de machine niet in verza­

diging is: de met het model berekende gelijkstroom bij gegeven

verloop van het toe rental komt goed overeen met de in een proef­

opstelling gemeten gelijkstroom. De belangrijkste verschillen

worden veroorzaakt door hystereseverschijnselen in het ijzer van

de machine. Deze verschijnselen zijn echter inherent aan het sys­

teem. Dit soort afwijkingen in de stationaire toestand kan echter

ook optreden doordat bijvoorbeeld de weerstand van de bekrachti­

gingswikkeling varieert als functie van de temperatuur.

Bij de modelverificatie is de weerstand in het commutatiecircuit

in rekening gebracht door de weerstand in het gelijkstroomcircuit

te vergroten (paragraaf 7.1). Deze correctie is vooral van belang

bij kleine machines, waarbij de invloed van de weerstand in het

commutatiecircuit eigenlijk niet verwaarloosbaar klein is; bij

grotere machines (groter dan 100 kW) zal de verwaarlozing van de

weerstand in het commutatiecircuit meesta! zander meer toegestaan

zijn. Voor het gebruik van het eenvoudige model bij kleinere sys­

temen lijkt het dan ook raadzaam om de invloed van de weerstand

in het commutatiecircuit met bijvoorbeeld de in [Hoe 84a] be­

schreven methode nader te onderzoeken.

De ontwikkeling van een methode om de parameters van de d-as te

bepalen is niet afgerond, omdat het niet mogelijk bleek te zijn

om de parameters zodanig te kiezen dat zowel de overdracht van

statorspanning naar statorstroom als de overdracht van stator­

spanning naar bekrachtigingsstroom goed berekend kan worden. Dit

leidt tot de conclusie dat het zeer vaak gebruikte driewikke­

lingsmodel van de d-as niet geschikt is voor de berekening van

verschijnselen zowel in het bekrachtigingscircuit als aan de

statorzijde en dat het waarschijnlijk beter is Om het model van

de synchrone machine met gelijkrichter uit te breiden met een

tweede demperwikkeling op de d-as.

In het hier afgeleide model is geen rekening gehouden met verza­

digingsverschijnselen in het magnetische circuit van de machine.

Aangezien de machine meestal bedreven wardt in een werkgebied

Page 101: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

93

waar weI verzadiging optreedt, is het belangrijk om verzadiging

in het model in rekening te brengen.

Voorts worden synchrone machines tegenwoordig vrijwel altijd met

een borstelloze opwekker uitgevoerd. Deze opwekker is nog onvol­

doende onderzocht om er een model voor te kunnen opstellen.

Met het hier afgeleide model zijn een aantal onderzoeksresultaten

bereikt, waarover door ons inmiddels is gepubliceerd. Uit de in

[Hoe 88a] getoonde simulatieresultaten blijkt dat men in veel ge­

vallen de voorkeur moet geven aan een stuurbare thyristorgelijk-

richter boven een

gebleken dat een

(375 kVA) stabiel

tingen van Auinger

niet-stuurbare diodegelijkrichter. Voorts is

praktisch realiseerbaar systeem van 300 kW

kan zijn, wat niet overeenkomt met de verwach­

en Nagel [Aui 80], en dat het gebruik van sta-

tionaire koppeltoerenkarakteristieken van de synchrone machine

met gelijkrichter voor onderzoek aan het mechanische deel van een

windturbine in het algemeen niet zinnig is {Hoe 87b].

Page 102: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

94

LITERATUUR

[Aui 80] Auinger, H.; G. Nagel: Vom transienten Betriebsverhalten herrUhrende Schwingungen bei einem uoer Gleichrichter belasteten Synchrongenerator. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, vol.9 (1980). Teil 1: Theoretische Untersuchungen. No.1, p.1-7 Teil 2: Abhilfemassnahmen. No.2, p.85-87.

[Boh 86] Bohlander, G.A.; Hans Lodder: Het kritisch volgen van de ontwikkelingen op het gebied van de elektro-mechanische conversiesystemen (840201 850630). Integraal voorstel conversiesystemen voor NOW 11-2. Eindrapport van de projecten. Multidisciplinair Energie Centrum, Technische Universiteit Delft, 1985. Rapportnummer 743l.P69, (Juni 1986). Onderzoek in het kader van het Nationaal Programma Windenergie.

[Bo182] Bollinger, K.E.; H.S. Khalil; L.C.C. Li ; W.E. Norum: A method for on-line identification of power system model parameters in the presence of noise. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, vol.PAS-lOl (1982), no.9, p.3l05-3lll

[Bon 82] Bonte, J.A.N. de; M.J. Hoeijmakers: Windturbinesysteem met variabel PT/Elektrotechniek/Elektronica. vol.37 p.66-73

[Bon 87] Bonte, J.A.N. de; M.J. Hoeijmakers:

toerental. (1982), no.8,

Elektrische conversiesystemen voor windturbines. PTfWerktuigbouw, vol.42 (1987), no.4, p.32-35

[Bue 77] BUhler, H.: Einfuhrung in die Theorie geregelter Drehstromantriebe. Band 1: Grundlagen. Band 2: Anwendungen. Basel: Birkhauser, 1977, Lehrbucher der Elektrotechnik, Band 6 und 7

[Can 68] Canay, M.: Ersatzschemata der Synchronmaschine sowie Voraus­berechnung der Kenngrossen mit Beispielen. These presentee a l'Ecole Poly technique de l'Universite de Lausanne, 1968

[Can 77] Canay, I.M.: Extended synchronous-machine model for the calculation of transient processes and stability. Electric Machines and Electromechanics, vol.l (1977), p.137-l50

[Con 51] Concordia, C.: Synchronous machines. New York: Wiley / London: Chapman & Hall, 1951. General Electric Series

[Dah 74] Dahlquist, G.; A. Bjorck: Numerical Methods. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1974

Page 103: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

95

[Ern 84] Ernst, J.: Control of a variable speed wind energy converter with a synchronous generator and a d.c. link converter. In: Proc. European Wind Energy Conf., Hamburg, 22-26 October 1984, Ed. by W. Pa1z. Bedford: Stephens, 1985. Commission of the European Communities. P.606-611

[Ern 85] Ernst, J.: Wind energy farm with synchronous generators operating on a common dc link. In: Proc. 1st European Conf. on Power Electronics and Applications, Brussels, 16-18 October 1985. Ed. by G. Maggetto and Ph. Lataire. Antwerpen: Techno1ogisch Instituut Konink1ijke V1aamse Ingenieursvereniging, 1985. Vo1.1, p.2.1-2.6

[Eyk 74] Eykhoff, P.: System Identification: Parameter and State Estimation. London: Wiley, 1974

[Hoe 84a] Hoe ij makers , M.J.: On the steady-state performance of a synchronous machine with convertor: with special attention to wind energy conversion systems. Proefschrift Technische Universiteit Eindhoven, 1984

[Hoe 84b] Hoeijmakers, M.J.: Resultaten van enkele simulaties van overgangsver­schijnse1en bij een demper10ze synchrone generator met ge1ijkrichter. Vakgroep E1ektromechanica en Vermogens­e1ektronica, Faculteit E1ektrotechniek, Technische Universiteit Eindhoven, 1984. Rapport EMV 84-33

[Hoe 86] Hoeijmakers, M.J.: Simulation of a synchronous machine with diode rectifier by means of a network model. In: Proc. 7th Int. Conf. on Electrical Machines, Munchen, 8-10 Sept. 1986. Ed. H. Bausch, H.W. Lorenzen and D. Schroder. Technische Universitat Munchen / Universitat der Bundeswehr Munchen. p.733-736

[Hoe 87a] Hoe ij makers , M.J.: A simple model of a synchronous machine with diode rectifier using state variables. In: Proc. 2nd Int. Symp. on Modeling and Simulation of Electrical Machines, Converters and Power Systems. Quebec, 24-25 Aug. 1987. Quebec: Universite Laval. P.191-199

[Hoe 87b] Hoe ij makers , M.J.: Some numerical experiments with a linearized model of a synchronous machine with rectifier. In: Advances in Windfarming, Proc. Int. Conf. and Exhibition on Windfarms, Leeuwarden, 13-16 Oct. 1987. Ed. by G.G. Piepers. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vo1.27 (1988), special issue, p.27-38

[Hoe 88a] Hoeijmakers, M.J.: De synchrone machine met gelijkrichter. In: Windenergie: van optie naar realiteit, Proe. Nat. Windenergie Conf., Noorwijkerhout, 22-24 Feb. 1988, p.318-323. Verkrijgbaar bij: Stichting Energie Anders, Postbus 21421, 3001 AK Rotterdam

Page 104: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

96

[Hoe 88bJ Hoeijmakers, M.J.: A simple model of a synchronous machine with convertor. In: Proc. 8th Int. Conf. on Electrical Machines, Pisa, 12-14 Sept. 1988. Vol.2, p.237-242

[Iri 86J Irisa, T.; S. Takata; R. Ueda; T. Sonoda T. Mochizuki: A novel approach on a parameter self-tuning method in an ac servo system. Automatica, vol.22 (1986), no.3, p.287-294

[Koe 89J Koenraads, A.J.T.M.; L.J.J. Offringa; F.J.C. Schellens; W.J. de Zeeuw: Some aspects of the Dutch National Research Programme for Wind Energy. Journal A, vol.20 (1979), no.3, p.15l-159

[Lan 83J Lang, R.D.; M.A. Hutchison; H. Yee: Microprocessor-based identification system applied to synchronous generators with voltage regulators. lEE Proc. C, vo1.130 (1983), no.5, p.257-265

[Mar 63J Marquardt, D.W.:

[Rai 85J

An algorithm for least squares estimation of nonlinear parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, vol.1l (1963), p.43l-44l

Raina, G.; O.P. Malik: Variable speed wind energy conversion using machines. IEEE Trans. on Aerospace and Systems, vol.AES-2l (1985), no.l, p.lOO-l05

synchronous Electronic

[Rit 86J Ritter, C.: Bestimmung der Parameter einer Synchronmaschine mit Hilfe von Gleichspannungsversuchen im Stillstand. etzArchiv, vol.8 (1986), no.6. p.189-l94

[Sch 80J Schrage, J.J.; W.J. de Zeeuw:

[Sha 77J

Vermogenselektronica. Culemborg: Educaboek, 1980

Shackshaft, G.; A.T. Poray: Implementation of new approach to synchronous-machine parameters from vol.124 (1977), no.12, p.1170-ll78

determination of tests. Proc. lEE

[VIe 87J Vleeshouwers, Jan.: Enkele onderwerpen in verband met de modelvorming van de synchrone machine met mutator. Afstudeerverslag. Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica, Faculteit Elektrotechniek, Technische Universiteit Eindhoven, 1987, Rapport EMV 87-17

[VIe 88J Vleeshouwers, J.; M.J. Hoeijmakers; J.A. Schot: Een vergelijking van enkele eenvoudige modellen van een synchrone machine met gelijkrichter. Elektrotechniek, vol.66 (1988), no.6, p.523-53l

[Wat 74J Watson, W.; G. Manchur: Synchronous machine operational impedances from low voltage measurements at the stator terminals. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, vol.PAS-93 (1974), p.777-784

Page 105: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

97

BIJLAGE 1 EEN SUBROUTINE VOOR DE BEREKENING VAN DE STATIONAIRE

TOESTAND

In deze bijlage wordt een Fortran77-subroutine gegeven voor de

berekening van de stationaire toe stand , die gebaseerd is op de

beschrijving in paragraaf 4.3. De subroutine heeft als invoer­

grootheden:

Xd pWm(Ld+LaF+LaD)

Xq pw (L"+L Q) m q a

Xc pw L m c

Rd C?f+~ Rq RQ

Alfa: a

Ub

Epq

Rg

EE

NI

R g

een maat voor de nauwkeurigheid

het maximale aantal iteratieslagen

De uitvoergrootheden zijn:

EF "error flag"; deze is 0.0 als er iets mis gaat en 1.0 als

het goed gaat

Id

Iq

Ig i g

Subroutine Stat(EF,Id,Iq,Ig,Xd,Xq,Xc,Rd,Rq,Alfa,Ub,Epq,Rg,EE,NI) Real Iact,Irea,Id,Iq,Ig,Hu,HuO,Hu2,HuH EF -Pi -Wa Con -CT CN FO -

0.0 4. O*ATan(l. 0) Sqrt(l. 5) 1.5/Pi/Xc 2.0*Pi*Xc*Ub/Sqrt(3.0)/(3.0*Xc+Pi*Rg) Cos(Alfa)*(6*Xc/(3.0*Xc+Pi*Rg)-1) Epq - Ub/3.0/Sqrt(3.0)*Pi/Cos(Alfa)*Wa

Page 106: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

98

If (FO.LE.O.O) Then Write(6,'("FO <- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuO-0 FO-",F14.7)') FO MuM - Pi/3.0 If (A1fa.GT.(2.0*Pi/3.0» MuM - Pi - A1fa E - CT/(Cos(A1fa+MuM) + CN) Iact - Con*E*Sin(MuM)*Sin(2.0*A1fa+MuM) Irea - Con*E*(MuM - Sin(MuM)*Cos(2.0*A1fa+MuM» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps If (F.GE.O.O) Then

Write(6,'("FM >- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuM-",F10.8," FM-",F14.7)') MuM,F Mu - MuM/2.0 MuO - 0.0 Do 8 K-1,NI

E - CT/(Cos(A1fa+Mu) + CN) Iact - Con*E*Sin(Mu)*Sin(2.0*A1fa+Mu) Irea - Con*E*(Mu-SIN(Mu)*Cos(2.0*A1fa+Mu» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps Write(6,'("Mu -",F10.8," F- ",F14.7)') MU,F If (Abs(F).LE.EE) Then

EF - 1.0 GoTo 99

EndIf If (Mu.EQ.MuO) Then

WRITE(6,'("Mu-MuO-",F9.4," F-" ,F11.7)') MU,F GoTo 99

Endlf FF - (F-FO)/(Mu-MuO) Mu2 - Mu - F/FF IF (Mu2.GT.MuM) Mu2 - (MuM+Mu)/2.0 IF (Mu2.LT.0.0) Mu2 - Mu/2.0 FO - F MuO - Mu Mu - Mu2

8 Continue 99 Continue

Ig - Sqrt(3.0)*E/2.0/Xc*(Cos(A1fa)-Cos(A1fa+Mu» If (EF.LT.O.S) Write(*,'("**** Stat loopt niet goed ****")')

End

Page 107: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

99

BIJLAGE 2 EEN ACSL-PROGRAMMA ALS VOORBEELD

In deze bij1age wordt een ACSL-programma gegeven a1s voorbee1d

voor de in paragraaf 5.2 gegeven vergelijkingen. Dit programma

kan gebruikt worden voor de simu1atie van het windturbinesysteem

met een synchrone machine van 375 kVA vo1gens [Hoe 87b; Hoe 88a].

Hierbij is veronderste1d dat de mechanische overbrenging tussen

de turbine ze1f en de generator oneindig stijf is.

Eerst wordt de stationaire toestand berekend v~~r een bepaa1de

generatorfrequentie. Het systeem wordt vervolgens geexciteerd

door een verandering in de ge1ijkspanning. De ontsteekhoek van de

ge1ijkrichter wordt gebruikt om de ge1ijkstroom via een propor­

tione1e rege1aar te rege1en. De koppe1toerenkarakteristiek van de

turbine is een rechte 1ijn door het stationaire punt, waarvan de

he11ing gekozen kan worden.

Gebruikers van dit programma dienen erop bedacht te zijn dat dit

voorbee1d niet "beveiligd" is voor het geva1 dat de gelijkstroom

k1einer dan nul wordt.

Rede1ijke resu1taten kan men bereiken met A1fa1-0.2 en KP-0.01.

PROGRAM SYNCHRONE MACHINE MET THYRISTORBRUG; PEO; 89-01-17 '375 kVA; stationair beginnend in windturbine met starre as'

Integer NI

INITIAL CONSTANT KM -5.0 $' (Nms/rad); he11ing koppe1/hoeksn.' CONSTANT JT 90.0 $' (kgmm); massatraagheid turbine' CONSTANT JG - 12.5 $' (kgmm); massatraagheid generator' CONSTANT P - 2.0 $' (-); poo1paarta1 generator' CONSTANT Freq - 50.0 $' (Hz); frequentie' CONSTANT CF 1.0 $' ( -) , CONSTANT Uf 0.4 $' (V); bekrachtigingsspanning' CONSTANT Rf 0.00024 $' (Ohm); bekrachtigingsweerstand' CONSTANT LaF 0.001121 $' (H) , CONSTANT LDF 0.000668 $' (H) , CONSTANT LaD 0.001779 $' (H) , CONSTANT RD - 0.0028 $' (Ohm); demperweerstand in d-as' CONSTANT Ld11 - 0.00016 $' (H) ; subtransiente d-inductantie' CONSTANT LaQ - 0.0018 $' (H) , CONSTANT RQ - 0.0045 $' (Ohm); demperweerstand in q-as' CONSTANT Lq11 0.00016 $' (H) ; subtransiente q-inductantie' CONSTANT Alfa1 0.0 $' (rad); beginontsteekhoek ge1ijkr.' CONSTANT KP 0.0 $' (rad/A); versterking stroomregel.' CONSTANT Lg 0.0015 $' (H) ; ze1finductie ge1ijkstroomcir.' CONSTANT Rg 0.06 $' (Ohm); weerstand ge1ijkstroomcirc.'

Page 108: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

100

CONSTANT Ub - 400.0 $' (V) ; gelijkspanning' CONSTANT UStep - -10.0 $' (V) ; grootte van de spanningsstap' CONSTANT TUStep - 0.1 $' (s); begintijd van spanningsstap' CONSTANT TUDuur - 10.0 $' (s) ; duur van de spanningsstap' CONSTANT EE - 1. OE-4 $' (V) ; maxima1e fout in Stat' CONSTANT NI - 15 $' (-) ; max. aanta1 iteraties CONSTANT TFIN - 1.99 $' (9); eindtijdstip' JTot - JT +JG Lc - (Ld11+Lq11)/2.0 LgT - Lg + 2.0*Lc Pi - 4.0*ATAN(1.0) W3 - SQRT(3.0) Wa - SQRT(1.5) CI - 3.0*W3/Pi C2 - 1.5/Lc/Pi C3 - 2.0*Lc/W3 Lc3Pi - Lc*3.0/Pi RFD - CF*CF*Rf + RO Lfl - (LaF-LDF - LDF*LDF/(LaD-LDF»/CF/CF LD1 - LaD-LDF - LDF*LDF/(LaF-LDF) LfD - «LaF-LDF)*(LaD-LDF) -LDF*LDF)/LDF/CF CFF - CF*Rf/Lf1 - RO/LfD CDD - RO/LDI - CF*Rf/LfD CQQ - RQ/LaQ Xd - 2.0*Pi*Freq*(LaF+LaD+Lc) Xq - 2.0*Pi*Freq*(LaQ+Lc) Xc - 2.0*Pi*Freq*Lc Epq - 2.0*Pi*Freq*LaF/CF*Uf/Rf

in Stat'

Call Stat(EF,Id,Iq,Ig1,Xd,Xq,Xc,RFD,RQ,A1fa1,Ub,Epq,Rg,EE,NI) PsfO - LaF/CF*Id + (LaF-LDF)/CF/CF*Uf/Rf PsDO - LaD*Id + LDF*Uf/Rf/CF PsQO - LaQ*Iq IgO - Ig1 MT1 - - P*(Id*(Lq11*Iq+PsQO) - Iq*(Ld11*Id+PsFO+PsDO» OmAsl - 2.0*Pi*Freq/P OmAsO - OmAsl

END $ .. INITIAL ..

DYNAMIC DERIVATIVE

CINTERVAL CInt - 0.02 Omega - P*OmAs MT - MT1 + KM*(OmAs-OmAs1) Alfa - Alfa1 + KP*(Ig-Ig1) CosAlf- COS(Alfa) Ed - - Omega*PsQ - CF*Uf + CFF*Psf + PsD*CDD Eq - Omega*(CF*Psf+PsD) + CQQ*PsQ Sq - SQRT(Ed*Ed+Eq*Eq) SinEps- -Ed/Sq CosEps- Eq/Sq E - Sq/Wa Mu - - A1fa + ACOS(CosAlf - C3*Omega*Ig/E) SinMu - Sin(Mu) Con - C2/Omega*E Iact - Con*SinMu*Sin(2.0*A1fa+Mu) Irea - Con*(Mu-SinMu*Cos(2.0*A1fa+Mu» Id - - (Iact*SinEps + Irea*CosEps)*wa Iq - (Iact*CosEps - Irea*SinEps)*wa Ifs - - CF*Id + Psf/Lfl - PsD/LfD

Page 109: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

MG - - P*(Id*(Lqll*Iq+PsQ) - Iq*(Ldll*Id+PsF+PsD» UbI - Ub + UStep*(STEP(TUStep)-STEP(TUStep+TUDuur» OmAsD - (MT-MG)/JTot PsfDot - Uf - Rf*Ifs PsDDot - - RD*(- Id + PsD/LOl - Psf/LfD) PsQDot - - RQ*(- Iq + PsQ/LaQ) IgDot - (E*Cl*CosAlf-(Rg + Omega*Lc3Pi)*Ig - Ubl)/LgT OmAs - Integ(OmAsD,OmAsO) Psf - Integ(PsFDot,PsfO) PsD - Integ(PsDDot,PsDO) PsQ - Integ(PsQDot,PsQO) Ig - Limint(IgDot,IgO,O.O,lOOOOO.O)

END $ .. DERIVATIVE .. MAs - (JG*MT + JT*MG)/JTot TERMT«T.GT.TFIN).OR.(EF.LT.0.5»

END $ .. DYNAMIC ..

TERMINAL END $ .. TERMINAL ..

END $ .. PROGRAM ..

101

Subroutine Stat(EF,Id,Iq,Ig,Xd,Xq,Xc,Rd,Rq,Alfa,Ub,Epq,Rg,EE,NI) Real Iact,Irea,Id,Iq,Ig,Mu,MuO,Mu2,MuM EF - 0.0 Pi - 4.0*ATan(1.0) Wa - Sqrt(1.5) Con - 1. 5/Pi/Xc CT - 2.0*Pi*Xc*Ub/Sqrt(3.0)/(3.0*Xc+Pi*Rg) CN - Cos(Alfa)*(6*Xc/(3.0*Xc+Pi*Rg)-1) FO - Epq - Ub/3.0/Sqrt(3.0)*Pi/Cos(Alfa)*Wa If (FO.LE.O.O) Then

Write(6,'("FO <- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuO-0 FO-",FI4.7)') FO MuM - Pi/3.0 If (Alfa.GT.(2.0*Pi/3.0» MuM - Pi - Alfa E - CT/(Cos(Alfa+MuM) + CN) Iact - Con*E*Sin(MuM)*Sin(2.0*Alfa+MuM) Irea - Con*E*(MuM - Sin(MuM)*Cos(2.0*Alfa+MuM» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps If (F.GE.O.O) Then

Write(6,'("FM >- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuM-",FlO.8," FM-",F14.7)') MuM,F Mu - MuM/2.0 MuO - 0.0 Do 8 K-l,NI

E - CT/(Cos(Alfa+Mu) + CN) Iact - Con*E*Sin(Mu)*Sin(2.0*Alfa+Mu)

Page 110: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

102

Irea - Con*E*(Mu-SIN(Mu)*Cos(2.0*Alfa+Mu» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps Write(6,' ("Mu -" ,FlO. 8," F-" ,F14. 7)') Mu, F If (Abs(F).LE.EE) Then

EF - 1.0 GoTo 99

EndIf If (Mu.EQ.MuO) Then

WRITE(6,'("Mu-MuO-",F9.4," F-" ,Fll.7)') MU,F GoTo 99

EndIf FF - (F-FO)/(Mu-MuO) Mu2 - Mu - F/FF IF (Mu2.GT.MuM) Mu2 - (MuM+Mu)/2.0 IF (Mu2.LT.0.0) Mu2 - Mu/2.0 FO - F MuO - Mu Mu - Mu2

8 Continue 99 Continue

Ig - Sqrt(3.0)*E/2.0/Xc*(Cos(Alfa)-Cos(Alfa+Mu» If (EF.LT.O.S) Write(*,'("**** Stat loopt niet goed ****")')

End

Page 111: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

103

BIJLAGE 3 HET ACSL-PROGRAMMA VOOR DE MODELVERIFICATIE

In deze bijlage wordt het bij de verificatie gebruikte ACSL­

programma gegeven.

PROGRAM SYNCHRONE MACHINE MET DIODEBRUG; VERI; 89-01-04 'Verificatie met Siemens-machine'

Integer IU,NI

INITIAL CONSTANT CF - 0.02082 CONSTANT LaF - 0.00916 CONSTANT LaD - 0.02425 CONSTANT LDF - 0.00642 CONSTANT Rf - 4.45 CONSTANT RD - 0.0737 CONSTANT Ldll - 0.0032 CONSTANT LaQ - 0.0157 CONSTANT RQ - 0.2 CONSTANT Lqll - 0.0032 CONSTANT Alfa - 0.0 CONSTANT UThy - 3.8 CONSTANT Lg - 0.044 CONSTANT Rg - 0.5 CONSTANT EE - 1.0E-4 CONSTANT NI - 15 CONSTANT TFIN - 0.99 Call InitU(IU) Call ResetDat(IU) Call NextV(IU,Tl,Frl,Ufl,Ifl,Ubl,Igl) Call NextV(IU,T2,Fr2,Uf2,If2,Ub2,Ig2) Pi - 4.0*ATAN(1.0) W3 - SQRT(3.0) Wa - SQRT(1.5) Lc - (Ldll+Lqll)/2.0 C2 - 1.5/Lc/Pi C3 - 2.0*LcjW3 Lc3Pi - Lc*3.0/Pi LgT - LG + 2.0*LC CosAlf- Cos(Alfa) CAlfa - 3.0*W3/PI*Cos(Alfa) RFD - CF*CF*Rf + RD Lfl - (LaF-LDF - LDF*LDF/(LaD-LDF) )/CF/CF LDl - LaD-LDF - LDF*LDF/(LaF-LDF) LfD - «LaF-LDF)*(LaD-LDF) -LDF*LDF)/LDF/CF CFF - CF*Rf/Lfl - RD/LfD CDD - RD/LD1 - CF*Rf/LfD CQQ - RQ/LaQ Ub - Ubl + UThy Xd - 2.0*Pi*Frl*(LaF+LaD+Lc) Xq - 2.0*Pi*Frl*(LaQ+Lc) Xc - 2.0*Pi*Frl*Lc Epq- 2.0*Pi*Frl*LaF/CF*Ufl/Rf

Page 112: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

104

Call Stat(EF,ld,lq,lgO,Xd,Xq,Xc,RFD,RQ,Alfa,Ub,Epq,Rg,EE,NI) PsfO _ LaF/CF*ld + (LaF-LDF)/CF/CF*UfljRf PsDO - LaD*ld + LDF*Ufl/Rf/CF PsQO - LaQ*lq

END $ " INITIAL "

DYNAMIC DERIVATIVE

CINTERVAL Clnt - 0.0005 Procedural(Fr,Uf,liM,Ub,lgM-)

LA .. Continue If (T .LT. T2) GoTo LI Tl-T2 Frl-Fr2 Uil-Uf2 lil-H2 Ubl-Ub2 Igl-lg2 Call NextV(IU,T2,Fr2,Uf2,lf2,Ub2,lg2) GoTo LA

LI .. Continue

End

Fr - Linlnt(T,Tl,Frl,T2,Fr2) Uf - Linlnt(T,Tl,Ufl,T2,Uf2) liM - Linlnt(T,Tl,lfl,T2,If2) Ub - Linlnt(T,Tl,Ubl,T2,Ub2) IgM - LinlnT(T,Tl,Igl,T2,lg2)

Omega - 2.0*Pi*Fr Ed - - Omega*PsQ - CF*Uf + CFF*Psf + PsD*CDD Eq - Omega*(CF*Psf+PsD) + CQQ*PsQ Sq - SQRT(Ed*Ed+Eq*Eq) SinEps- -Ed/Sq CosEps- Eq/Sq E - Sq/Wa Mu - - Alfa + ACOS(CosAlf - C3*Omega*Ig/E) SinMu - Sin(Mu) Con - C2/Omega*E lact - Con*SinMu*Sin(2.0*Alfa+Mu) Irea - Con*(Mu-SinMu*Cos(2.0*Alfa+Mu» Id - - (Iact*SinEps + Irea*CosEps)*wa Iq - (Iact*CosEps - Irea*SinEps)*wa Ifs - - CF*Id + Psf/Lfl - PsD/LfD PsfDot - Uf - Rf*Ifs PsDDot - - RD*(- Id + PsD/LDl - Psf/LfD) PsQDot - - RQ*(- Iq + PsQ/LaQ) IgDot - (E*CAlfa - (Rg+Omega*Lc3Pi)*Ig Ub - UThy)/LgT Psf - Integ(PsFDot,PsfO) PsD - Integ(PsDDot,PsDO) PsQ - Integ(PsQDot,PsQO) Ig - Limint(IgDot,IgO,O.O,lOOOOO.O)

END $ • DERIVATIVE • TERMT«T.GT.TFIN).OR.(EF.LT.O.5»

END $ • DYNAMIC •

TERMINAL Call ExitU(IU)

END $ • TERMINAL •

END $ • PROGRAM •

Page 113: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

105

Subroutine Stat(EF,Id,Iq,Ig,Xd,Xq,Xc,Rd,Rq,A1fa,Ub,Epq,Rg,EE,NI) Real Iact,Irea,Id,Iq,Ig,Mu,HuO,Hu2,MuM EF - 0.0 Pi - 4.0*ATan(1.0) Wa - Sqrt(1. 5) Con - 1. 5/Pi/Xc CT - 2.0*Pi*Xc*Ub/Sqrt(3.0)/(3.0*Xc+Pi*Rg) CN - Cos(Alfa)*(6*Xc/(3.0*Xc+Pi*Rg)-l) FO - Epq - Ub/3.0/Sqrt(3.0)*Pi/Cos(Alfa)*Wa If (FO.LE.O.O) Then

Write(6,'("FO <- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuO-0 FO-' , ,Fl4.7)') FO MuM - Pi/3.0 If (Alfa.GT.(2.0*Pi/3.0» MuM - Pi - Alfa E - CT/(Cos(Alfa+MuM) + CN) Iact - Con*E*Sin(MuM)*Sin(2.0*A1fa+MuM) Irea - Con*E*(MuM - Sin(MuM)*Cos(2.0*A1fa+MuM» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps If (F.GE.O.O) Then

Write(6,'("FM >- 0")') GoTo 99

EndIf Write(6,'("MuM-",FlO.a," FM-",F14.7)') MuM,F Mu - MuM/2.0 MuO - 0.0 Do a K-1,NI

E - CT/(Cos(Alfa+Mu) + CN) Iact - Con*E*Sin(Mu)*Sin(2.0*Alfa+Mu) Irea - Con*E*(Mu-SIN(Mu)*Cos(2.0*Alfa+Mu» Y - (Xq-Xc)*Iact+Rd*Irea X - E + (Xq-Xc)*Irea-Rd*Iact Sq - Sqrt(X*X+Y*Y) SinEps- Y/Sq CosEps- X/Sq Id - - Wa*(Iact*SinEps+Irea*CosEps) Iq - Wa*(Iact*CosEps-Irea*SinEps) F - Epq + (Xd-Xc)*Id + Rq*Iq - Wa*E*CosEps Write(6,'("Mu -" ,FlO.a," F-" ,Fl4.7)') MU,F If (Abs(F).LE.EE) Then

EF - 1.0 GoTo 99

EndIf If (Mu.EQ.MuO) Then

WRITE(6,'("Mu-MuO-",F9.4," F-",F11.7)') MU,F GoTo 99

EndIf FF - (F-FO)/(Mu-MuO) Mu2 - Mu - F/FF IF (Mu2.GT.MuM) Mu2 - (MuM+Mu)/2.0

Page 114: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

106

IF (Mu2.LT.0.0) Mu2 - Mu/2.0 FO - F MuO - Mu Mu - Mu2

8 Continue 99 Continue

Ig - Sqrt(3.0)*E/2.0/Xc*(Cos(Alfa)-Cos(Alfa+Mu» If (EF.LT.O.S) Write(*,'("**** Stat loopt niet goed ****")')

End

Subroutine InitU(InUnit) C Opent datafile met op te geven naam bij een eveneens op te ge-even unit-nummer.

Integer Code Logical UnitOpen,FileExist Character*lS InFi1e

C Inlezen te gebruiken Unit-nummer Write(*,'("OSpecificeer data-file; bijbehorend unit·nummer")')

110 Continue Write(*,'(" Geef Unit-nummer: ",\)') Read(*,*) InUnit

C Nagaan of dat nummer in gebruik is Inquire(Unit-InUnit,Opened-UnitOpen) If (UnitOpen) Then

Write(*,'(" Unit-nummer" ,11," bezet.")') lnUnit GoTo 110

EndIf C Input filenaam van data-file

140 Continue Write(*,'(" Geef Data-filenaam: ",\)') Read(*,'(A1S)') InFile

C Nagaan of file bestaat, en zo ja, openen Inquire(File-InFile,Exist-FileExist) If (.Not. FileExist) Then

Write(*,'(" Opgegeven file bestaat niet.")') GoTo 140

EndIf Open(Unit-InUnit,File-InFile,Status-'OLD') End

Subroutine ResetDat(InUnit) C Positioneer filepointer van OAT-file na identifikatie

Integer Code 200 Continue

Read(InUnit,210) Code 210 Format(I2)

If (Code .NE. 99) GoTo 200 End

Subroutine NextV(InUnit,T,YI,Y2,Y3,Y4,YS) C Leest volgende meetwaarden uit file (Eventuee1 lijst uitbreiden)

Ta-T Yla-Yl Y2a-Y2 Y3a-Y3 Y4a-Y4 YSa-YS Read(InUnit,*,Err-300) T,YI,Y2,Y3,Y4,YS Return

Page 115: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

300 Continue Write(*,'(" Fout in (NextV).")') T-Ta Yl-Yla Y2-Y2a Y3-Y3a Y4-Y4a YS-YSa End

Real Function LinInt(T,Tl,Yl,T2,Y2)

107

C Geeft bij gevraagde Teen waarde van Y, die geinterpoleerd is C tussen (Tl,Yl) en (T2,Y2). Als T>T2 of Tl-T2 dan wordt Y-Y2. C Als T<Tl dan wordt Y-Yl

If (T .LT. Tl) Then LinInt-Yl

ElseIf «T .GT. T2) .Or. (Tl .EQ. T2» Then LinInt-Y2

Else LinInt-Yl+(T-Tl)*(Y2-Yl)!(T2-Tl)

EndIf End

Subroutine ExitU(InUnit) C Sluiten van datafile

Close(InUnit) End

Page 116: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

Eindhoven University of Technology Research Reports Faculty of Electrical Engineering

(188) Jozwiak, J.

ISSN 0167-9708 Coden: TEUEDE

THE FULL DECOMPOSITION OF SEQUENTIAL MACHINES WITH THE STATE AND OUTPUT BEHAVIOUR REALIZATION. EUT Re~ort 8B-E-188. 1988. ISBN 90-6144-188-9

(189) Pineda de Gyvez, J. ALWAYS: A system for wafer yield analysis. EUT Report 88-E-189. 1988. ISBN 90-6144-189-7

(190) Siuzdak, J. OPTICAL COUPLERS FOR COHERENT OPTICAL PHASE DIVERSITY SYSTEMS. EUT Report 88-E-19D. 19B8. ISBN 90-6144-190-0

(191) Bastiaans, M.J. LOCAL-FREOUENCY DESCRIPTION OF OPTICAL SIGNALS AND SYSTEMS. EUT Report 88-E-191. 1988. ISBN 90-6144-191-9

(192) Worm, S.C.J. A MULTI-FREQUENCY ANTENNA SYSTEM FOR PROPAGATION EXPERIMENTS WITH THE OLYMPUS SATELLITE.

(193 )

EUT Report 88-E-192. 19B8. ISBN 90-6144-192-7

Kersten, W.F.J. and G.A.P. Jacobs ANALOG AND DIGITAL SIMULATION OF LINE-ENERGIZING OVER VOLTAGES AND COMPARISON WITH MEASUREMENTS IN A 400 kV NETWORK. EUT Report 8B-E-193. 198B. ISBN 90-6144-193-5

(194) Hosselet, L.M.L.F.

( 195)

( 196)

MARTINUS VAN MARUM: A Dutch scientist in a revolutionary time. EUT Report B8-E-194. 1988. ISBN 90-6144-194-3

Bondarev, V.N. ON SYSTEM IDENTIFICATION USING PULSE-FREQUENCY MODULATED SIGNALS. EUT Report 88-E-195. 1988. ISBN 90-6144-195-1

Liu Wen-Jiang, Zhu Yu-Cai and Cai Da-Wei MODEL BUILDING FOR AN INGOT HEATING PROCESS: Physical modelling approach and identification approach. EUT Report 88-E-196. 1988. ISBN 90-6144-196-X

(197) Liu Wen-Jiang and Ye Dau-Hua x-NEW METHOD FOR DYNAMIC HUNTINC EXTREMUM CONTROL, BASED ON COMPARISON OF MEASUREO AND ESTIMATED VALUE. EUT Report 8B-E-197. 198B. ISBN 90-6144-197-B

(198) Liu Wen-Jiang ANlEXTREMUM HUNTING METHOD USING PSEUDO RANDOM BINARY SIGNAL. EUT Report 88-E-198. 1988. ISBN 90-6144-198-6

(199) Jozwiak, L. THE FULL DECOMPOSITION OF SEQUENTIAL MACHINES WITH THE OUTPUT BEHAVIOUR REALIZATION. EUT Report 88-E-199. 1988. ISBN 90-6144-199-4

(200) Huts in It Veld, R.J. A FORMALISM TO DESCRIBE CONCURRENT NON-DETERMINISTIC SYSTEMS AND AI~ APPLICATION OF IT BY ANALYSING SYSTEMS FOR DANGER OF DEADLOCK. EUT Report B8-E-200. 19B8. ISBN 90-6144-200-1

(201) Woudenberg, H. van and R. van den Born HARDWARE SYNTHESIS WITH THE AID Or-nvNAMIC PROGRAMMING. EUT Report 88-E-201. 1988. ISBN 90-6144-201-X

(202) Engelshoven, R.J. van and R. van den Born COST CALCULATION FOR INCREMENTAL HARDWARE SYNTHESIS. EUT Report 88-E-202. 1988. ISBN 90-6144-202-8

(203) Delissen, J.G.M. THE LINEAR REGRESSION MODEL: Model structure selection and biased estimators. EUT Report B8-E-203. 19B8. ISBN 90-6144-203-6

(?()il) I\d13~t'k, V.K.I. CllNPAH I ~llN or AN ANAl.Y fI CAL STUDY AND Emr I t-1PLH1ENTAT I ON OF COt-1PLI eATED IHRLE-I'HASI:. SCH~:J1ES FOR RI:.ACTOR INTERRUI'l ION. EUT Report H8-E-204. 1988. ISBN 90-6144-204-4

Page 117: Een model van de synchrone machine met gelijkrichter ... · Een model van de synchrone machine met gelijkrichter, geschikt voor regeldoeleinden door M.J. Hoeijmakers en J.M. Vleeshouwers

Eindhoven Univer~ity of Technology Research Reports Faculty of Electrical Engineering

(205) Hutterweck, H.J. and J.H.F. Ritzerfeld, M.J. Werter FINITE WORDLENGTH EFFECTS IN DIGITAL FILTERS: A review. EUT Report 88-E-205. 1988. ISBN 90-6144-205-2

ISSN 0167-9708 Coden: TEUEDE

(206) Bollen, M.H.J. and G.A.P. Jacobs ExlENSIVE TESTING OF AN ALTIORTiRM FOR TRAVELLING-WAVE-BASED DIRECTIONAL DETECTION AND PHASE-SELECTION BY USING TWONFIL AND EMTP. EUT Report 88-E-206. 1988. ISBN 90-6144-206-0

(207) Schuurman, W. and M.P.H. Weenink STABILITY OF A TAYLOR-RELAXED CYLINDRICAL PLASMA SEPARATED FROM THE WALL BY A VACUUM LAYER. EUT Report 88-E-2D7. 1988. ISBN 90-6144-207-9

(208) Lucassen, F.H.R. and H.H. van de Ven A NOTATION CONVENTION IN RIGID ROBOT MODELLING. EUT Report 88-E-208. 1988. ISBN 90-6144-208-7

(209) Jozwiak, L. MINIMAL REALIZATION OF SEQUENTIAL MACHINES: The method of maximal adjacencies. EUT Report 88-E-209. 1988. ISBN 90-6144-209-5

(210) Lucassen, F.H.R. and H.H. van de Ven OPTIMAL BODY FIXED COORDINATE SYSTEMS IN NEWTON/EULER MODELLING. EUT Report 88-E-210. 1988. ISBN 90-6144-210-9

(211) Boom, A.J.J. van den Hoo-CONTROL: An exploratory study. EUT Report 88-E-211. 1988. ISBN 90-6144-211-7

(212) Zhu Yu-Cai ~THE ROBUST STABILITY OF MIMO LINEAR FEEDBACK SYSTEMS. EUT Report 88-E-212. 1988. ISBN 90-6144-212-5

(213) Zhu Yu-Cai, M.H. Driessen, A.A.H. Damen and P. Eykhoff x-NEW SCHEME FOR IDENTIFLCATION AND>CONTROL. EUT Report 88-E-213. 1988. ISBN 90-6144-213-3

(214) Bollen, t~.H.J. and G.A.P. Jacobs IMPLEMENTATION OF AN ALGORTTRM:fOR TRAVELLING-WAVE-BASED DIRECTIONAL DETECTION. EUT Report 89-E-214. 1989. ISBN 90-6144-214-1

(215) Hoe; imakers, M.J. en J.M. Vleeshouwers EEN MODEL VAN DE SYNCHRONE MACHINE MET GELIJKRICHTER, GESCHIKT VOOR REGELDOELEINDEN. EUT Report 89-E-21S. 1989. ISBN 90-6144-21S-X