（电气工程专业论文）无刷双馈调速系统控制策略的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 无刷双馈电机是在级联电机的基础上，结合电机设计技术和控制策略实现的一 种新型电机。它具有简单牢固的无刷电机结构、可调节的功率因数、可回馈使用的 转子转差功率、小容量的调速控制装置以及多种运行模式等特点，深受研究者的重 视。 本文以笼型转子无刷双馈电机为研究对象，进行了电机运行特性和控制策略的 分析。 在综述了无刷双馈电机研究现状和运行原理之后，借助于m a t la b s i m u l i n k 仿真工具，在其转子d - q 轴系数学模型基础上，建立了无刷双馈电机的暂态仿真模 型，并利用该模型对电机在不同工作模式下的运行特性进行了仿真研究。 为扩大无刷双馈电机的稳定运行范围，本文提出利用电机的暂态模型研究电压 跟踪频率的关系，并根据电机的稳态模型以电机性能最佳为条件优化计算出控制电 压与频率的单值关系。并通过实例仿真分析与电压频率比恒定控制策略作了比较， 结果表明采用本文提出的方法能有效扩大电机的转速运行范围和获得良好的运行性 能。本文提出的无刷双馈电机控制策略，为系统的进行无刷双馈变速驱动系统和变 速恒频发电系统的设计与控制奠定了基础。 最后阐述了无刷双馈调速系统中的谐波及其对系统所带来的影响。建立了无刷 双馈电机的谐波数学模型，利用谐波分析法给出了仿真实例中具体的电流、损耗和 转矩的谐波计算结果。从而有效证明了谐波对系统稳定运行和稳态性能的影响不大。 关键字：无刷双馈电机，控制策略，稳定分析，稳态性能，谐波 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e ( b d f m ) i san e wt y p em a c h i n ew h i c h ：h a s d i f f e r e n td e s i g nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yw i mt r a d i t i o n a li n d u c t i o nm a c h i n e s t h e b d f ms y s t e mh a st h er o b u s tm e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o l l a b l es p e e da n dp o w e r f a c t o ra sw e l la sar e l a t i v e l yl o wr a t i n gp o w e rc o n v e r t e r t h e s eb e n e f i t sa t t r a c tm o r ea n d m o r er e s e a r c h e r s a t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h es t e a d ys t a t eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h e b d f mw i t hc a g er o t o ri sd e v e l o p e d w h l e ep a r t sa r ei n c l u d e d f i r s to f a l l ，b a s e do nt h es u m m a r i z i n go f c u r r e n tr e s e a r c h e so nb d f ma n do p e r a t i o n p r i n c i p l eo fb d f m ，s o m ef u r t h e rs t u d i e sh a db e e nd o n e u s i n gm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nt o o l s ，b a s e do nt h eb d f md - qm o d e le s t a b l i s h e do nt h er o t o rr e f e r e n c ef l a m e ， t h eb d f mt r a n s i e n ts t a t es i m u l a t i o nm o d ew a se s t a b l i s h e d a f t e r w a r d st h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c e si nv a r i o u so p e r a t i o nm o d e sw e r es i m u l a t e d 。i no r d e rt oe x t e n dt h es t a b l eo p e r a t i o nr a n g eo ft h eb d f m ，am e t h o dt od e t e r m i n e t h ec o n t r o lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h e c o n t r o l w i n d i n gb yt h et r a n s i e n ts t a t em o d e lo fb d f mw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l e t h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e si nt h es t a b l eo p e r a t i o nr a n g ef o rt h ed i f f e r e n tv o l t a g ev a l u e w e r ec a l c u l a t e db yt h es t e a d ys t a t em o d e lo fb d f m a c c o r d i n gt ot h ep e r f e c t i o n p e r f o r m a n c e s ，t h ef i n a lv o l t a g ev a l u ef o r t h ee v e r yo p e r a t i o nf r e q u e n c yw a sd e c i d e d b y m e a n so ft h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf o rt h es t a b l e o p e r a t i o nr a n g ea n dt h es t e a d ys t a t eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo f as a m p l eb d f m a r cc a r r i e d o u ta n dc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o ls t r a t e g yo fc o n s t a n tv h zr a t i o r e s u l t ss h o w e dt h a t t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra p p e a r sg o o di nt h ee x t e n d i n gs t a b l eo p e r a t i o nr a n g e a n dt h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e sf o rb d f m t o g e t h e r 、i mt h em e t h o do fc o n t r o l s t r a t e g yr e s e a r c hp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g no fb d f mc a n c o n s t r u c taf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p m e n to ft h eb d f ma d j u s t a b l e s p e e dd r i v es y s t e ma n d t h ev a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m f i n a l l y , t h eh a r m o n i c sa n di t s e f f e c t si nb d f ma d j u s t a b l e - s p e e dd r i v es y s t e mw e r e a n a l y z e d h a r m o n i cm o d e lw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt oh a r m o n i ca n a l y s i s 。m e t h o d , c u r r e n th a r m o n i e sa n dt o r q u eh a r m o n i c si ns y s t e mw e r ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a t h a r m o n i c sh a v eas m a l le f f e c to ns t a b i l i t ya n d s t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c eo f b d f m k e y w o r d s ：b r u s h i e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e , c o n t r o ls t r a t e g y , s t a b i l i t ya n a l y s i s ，s t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e ，h a r m o n i c i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 概述 实际的生产过程离不开电气传动，生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生 产方式。2 0 世纪5 0 年代前，电动机运行的基本方式是转速不变的定速拖动。对于 控制精度要求不高以及无调速要求的许多场合，定速拖动基本能够满足生产要求。 随着工业化进程的发展，对传动方式提出了可调速拖动的更高要求。 纵观电气传动的发展过程，交、直流两种传动方式共存于各个生产领域，由于 直流调速系统的性能指标优于交流调速系统，因此直流调速系统一直在调速领域内 占首位。但由于直流电动机具有机械换向整流器和电刷，因而存在着维护保养工作 量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高电压方向发展等缺点。 同时随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件 产品的出现，阻碍交流调速技术迅速发展的一些因素相继被克服，在原直流调速系 统领先的一些性能上，如宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应和四 象限运行等方面，交流调速系统都能与直流调速系统相媲美。又由于交流电动机本 身具有结构简单、坚固耐用、经济可靠和惯性小等优点，可适用于直流调速无法比 拟的场合。因此，交流调速在电气传动领域中占有越来越重要的地位，并已发展成 机电一体化的电气传动技术。 在众多的交流调速技术中，变频调速技术之所以能在能源危机中应运而生，是 因为它能够根据负载的变化实现自动、平滑的增速减速，从而大幅度的提高工作效 率，尤其是用于风机和泵类负载，节电率在4 0 左右 1 】，节能效果非常显著。因此， 变频调速技术已成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境以推动技 术进步的一种主要手段。目前，变频调速以其优异的调速和制动性能，高效率、高 功率因数和节电效果，广泛的适用范围以及其他许多优点而被国内外公认为是最有 发展前途的调速方式。 通过改变电源频率实现的速度调节过程称之为变频调速。变频调速时，电动机 从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围和高精 度的调速性能。在变频调速技术中，变频器向电动机提供频率可变的电源从而控制 电动机的转速，因而变频器是整个变频调速系统的核心部件。变频器与电动机完美 的控制配合便构成了性能优良的变频调速系统。 然而在工程实践中，交流调速所需变频器的昂贵成本和其复杂的控制系统严重 制约了它的进一步推广和应用；同时绕线式转子电动机的有刷调速系统又不适应恶 劣的使用环境，使得系统的可靠性降低。于是人们就努力寻找一种既经济又可靠的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 变频调速系统，无刷双馈变频调速电动机就应运而生了。 无刷双馈电机( b r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e , 简称b d f m ) 是由h u n t 在 上世纪初提出的，但由于当时控制技术的限制，一直未能得到实际应用。随着电力 电子技术和控制技术的发展，使得对无刷双馈电机的控制成为可能。8 0 年代初 w a l l a c e 等人在无刷双馈电机定子控制绕组上加上频率和电压幅值可调的交流电 源，将该电机与控制系统结合组成无刷双馈电机调速系统【2 l 。这种调速系统的变频 电源容量可大大小于电机的额定容量，从而降低了系统的成本，减少了对电力系统 的谐波污染：且由于电机本身采用特殊的转子结构，取消了滑环和电刷，调速系统 的结构改变后，系统运行的可靠性提高，具有明显的优于传统交流调速系统的技术 经济指标，在交流调速驱动中有广阔的应用前景。同时该系统还可以实现变速恒频 恒压发电，大范围地调节无功功率，改善电网的功率因数。近几年来，国内外许多 学者都把目光投向无刷双馈电机，从而使无刷双馈电机及其系统的研究呈现了新的 热潮，促使无刷双馈电机的研究从实验室研究阶段不断的迈向实用化应用阶段。 总之，交流调速系统代表了电气传动系统的发展方向，在作为交流调速系统主 干研究内容之一的变频调速系统中，无利双馈调速电机的研究与应用又给变频调速 系统的发展提供了一个新的思路，同时也将为变频调速系统在生产中的进一步推广 应用起到促进作用。 1 2 无刷双馈电机的原理及特点 无刷双馈电机基本原理图如下所示： 图1 1 无刷双馈电机基本原理 f i g1 。lt h ef l m d a m e n t a lo f b d f m 无刷双馈电机的定子由两套不同极对数的对称三相绕组( 即p ，见) 构成，它 们可以是彼此独立的两套绕组，或在一定的岛和n 下由一套三相绕组通过变极联 结获得两套对称三相绕组。其中，接入工频( ) 电源的对称三相绕组称为“功率 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 绕组”，接入变频( f ) 电源的对称三相绕组称为“控制绕组”。当电机由工频电源 和变频电源同时供电运行时，定子中必然存在两个独立的不同极数和转速的旋转磁 场。电机的转子为一特殊结构型式的鼠笼，使之能实现同一频率的电流产生两个互 为反向旋转的磁场，分别与定子两种频率电源所建立的磁场相耦合。这种特殊的磁 场交叉耦合运行原理使无刷双馈电机在稳态运行时，电机转速玎与p ，、见、和正 满足关系式【3 ： 。：竺蛭二五2 ( 洲r t l l i 1 )( ) n = l 一i r ， j1 1 1 i n + p 。 式中：以可取正值，也可取负值；当五取正值时表示定子功率绕组与控制绕组电源 相序相反；反之，当正取负值时表示定子功率绕组与控制绕组电源相序相同。式 ( 1 1 ) 表明，在乡，、见和不变的情况下，改变变频电源频率工，即可有效改 变转子速度，从而可实现电机调速。 根据定子控制绕组馈电方式的不同，无刷双馈电机在电动运行方式下，总体来 说有异步和同步两种运行模式。 异步运行模式：在这种运行模式下无刷双馈电机定子两套绕组中只有一套绕 组馈电，而另一套绕组可以置为开路、短路或连接至一个无源网络中。无刷双馈电 机异步运行时具有典型的交流异步电机的运行特性，即开环运行时电机转速将随负 载的变化而变化。 同步运行模式：在这种运行模式下无刷双馈电机定子两套绕组都需要馈电。 根据控制绕组所接电源性质的不同又可分为自然同步( 控制绕组接直流电源) 和双 馈同步( 控制绕组接交流变频电源) 两种运行模式。同步稳态运行时，电机转速由 公式( 1 1 ) 确定。由公式( 1 1 ) 我们可以得知，无刷双馈电机同步运行时具有典 型的交流同步电机的运行特性，在给定，、p 。和l 的情况下，电机的转速只取决 于控制绕组电源频率正，而独立于负载条件。特别是在自然同步运行模式下， 丘= 0 ，因而有转速n 。为： ：? 鉴t ( r m i n )( 1 2 )甩o = 二t r ，m l n jt l z j ( p p 十p c ) 此时的转速被称为自然同步转速。双馈同步运行时，低于自然同步转速运行称为次 同步调速，反之称为超同步调速。同传统的同步电机一样，无刷双馈电机同步运行 时也需要有一个牵入同步的过程。 与传统的交流电机相比，无刷双馈电机主要有以下特点： 电机本身实现了交流电机的无刷化。由于电机转子采用了不需引向外部电路 的笼型或磁阻式结构，所以电机无滑环和电刷，结构上更加安全可靠，降低了运行 和维护费用。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可方便的实现多种运行方式。通过改变定子控制绕组的供电方式，同一台电 机既可作同步电机使用，也可作异步电机使用。 当作为变频调速电机应用于电气传动系统时，由于只需经变频器向定子控制 绕组提供“转差功率”，因此可大大降低变频器的容量和系统的成本。 由于变频器容量的减少，使得因变频器中的开关元件而产生的谐波减少，从 而有益于电网的安全和经济运行，也有利于电机的运行。 当变频器发生故障时，电机可以作为一个相应的异步电机工作，从而使得生 产不受影响，对提高整个系统的可靠性相当有利。 该电机用于调速系统中时，其调速范围宽广，速度调节平滑，功率因数可调。 该电机也可作为变速恒频发电机应用于航天事业和风力发电设备中，从而大 大提高系统的可靠性。 1 3 无刷双馈电机的研究现状 无刷双馈电机的历史可追溯到上世纪初，由h u n t 提出的自级联感应电机。这 种电机从原理上说是由两台绕线式异步电机同轴串级而成，这样就避免了使用滑环 和电刷，并有良好的低速运行和起动性能。近年来，随着交流调速技术的快速发展， 在探究一种能够有效降低变频器成本的方法研究中，许多学者对自级联感应电机产 生了浓厚的兴趣。后来的c r e e c i y ，特别是到了7 0 年代b r o a d w a y 等人在h u n t 发 明的电机结构基础上进行了较大改进，研究了实用的定转子绕组，简化了电机结构， 拓宽了电机的应用范围，使该类电机具有同步电机的运行特性。8 0 年代初w a l l a c e 等人提出在该电机的控制绕组上加频率和电压幅值可变的电源后，将其构成了无刷 双馈调速系统 2 】。该调速系统以其变频器容量小、性能可靠和价格低等一系列优点， 越来越受到国内外学者的关注。研究该类电机的控制策略及相应的控制器是开发该 产品的重要任务。 1 3 1 数学模型的研究现状 对无刷双馈电机进行控制时，首先需要建立起其数学模型。早期对无刷双馈电 机的性能仿真研究，都是建立在自级联感应电机的数学模型基础上，但这只能用于 原理上的理解分析，对于实际的无刷双馈调速系统的研究应用还是远远不够的。根 据目前的研究，无刷双馈电机的数学模型可大致分为三种：网络数学模型【4 l _ 转子d - q 轴系模型【习；同步d - q 轴系模型1 6 。 网络数学模型从电机的基本元件入手，以定转子各线圈组的电流作为自变量， 线圈组两端的电压作为输入量建立了电机的数学模型。网络数学模型能较好的反映 无刷双馈电机中电流的分布情况，对电机的设计有很好的指导意义，但由于计算比 较复杂，不利于直接进行电机及其系统控制特性的分析。当两套绕组具有合适的极 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 对数配合时，无刷双馈电机可理想化为两个子系统，即p 。对极系统和以对极系统。 通过一系列坐标变换，电机的网络数学模型可以转换为建立在转子速度d - q 坐标轴 系上的电机模型。此模型在转子恒速时为6 阶常系数微分方程，能较好的应用于无 刷双馈电机的动稳态特性的仿真以及简单的闭环控制。但当无刷双馈电机通过控制 定子控制绕组的电流局，、扫，来实现调速和性能分析时，此模型的定子方输入量都 是正弦量，这对于控制来说很不方便。如果忽略转子饱和，将功率绕组和控制绕组 分别建立在各自的同步坐标系统下，可得到该电机的同步速度d - q 坐标轴系模型。 该模型在稳态时，定子方各输入量均保持为常数，有利于控制的实现，且应用起来 方便、准确性较高。 1 3 2 控制策略的研究现状 在无刷双馈电机数学模型的基础上，几乎所有可用于传统异步电机的控制策略 都可以用在无刷双馈电机的控制中。但是由于无刷双馈电机定子只有一套绕组可控， 而另一套绕组是不可控的，因此必将导致其控制策略与传统异步电机的各种控制策 略有所不同。以下是国内外目前已用于该电机的一些控制策略。 开环控制【7 】。它包括有电流控制和电压控制两种方式，实验表明控制效果不 好。 标量控制【7 。无刷双馈电机的理想工作方式是双馈同步运行。在这种运行方 式下，按公式( 1 1 ) ，通过控制定子控制绕组电源的幅值和频率，即可实现对电机 速度、转矩以及性能( 如功率因数、效率) 等的控制，这是标量控制的基本思想。 标量控制算法比较简单，文献 7 】对无刷双馈电机的标量控制策略进行了较为详细的 研究。可以看出，标量控制比开环控制运行稳定性有较大提高，动态性能也有所改 善，适用于对动态性能要求不高的场合，如风机、水泵等。 直接转矩控制 8 】。由于无刷双馈电机定子功率绕组是不可控，因此用来使转 矩和磁链达到所需方向的电压矢量是不确定的，这导致传统的直接转矩控制方法必 须加以改进才能应用于无刷双馈电机。因此基于一套绕组来估计磁链和转矩变化的 直接转矩方法被提出来。直接转矩控制的计算量较大不能采用一般的微处理器，因 而成本较高，但其性能十分优越。 近年来，在直接转矩控制基础上又出现了一种模型自适应控制 9 1 ，使无刷双 馈电机对负载惯量的变化不敏感，以达到更佳的性能，但这种方法的实现更加复杂。 转子磁场定向控制【1 1 。这种控制策略采用同步速度d - q 坐标轴系数学模型， 忽略了定予绕组的电阻及磁路饱和的影响，将无刷双馈电机分为两个独立的予系统。 转子磁场定向控制的实现难度与异步感应电机的矢量控制相当。从文献 1 0 1 1 来 看，使用这种控制策略的系统动态性能优良，可满足大部分工业上的要求。 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 3 3 国、内外的研究现状 从国内外对无刷双馈电机的研究来看，国外对无刷双馈电机的研究已经从对电 机结构的改进阶段，发展到通过建立起比较准确实用的数学模型找到适用于无刷双 馈电机的控制方法，从而使无刷双馈电机进入实用化的阶段。近二十几年来，美国、 英国、l e l 本和澳大利亚等国相继展开了对这种电机的研究。其中以美国w i s c o n i s n 大学、o h i o 州立大学、o r e g o n 州立大学为代表的高等院校和科研机构对无刷双馈 电机的研究较为深入。 9 0 年代中期我国许多高校和科研部门也对无刷双馈电机进行了研究。沈阳工业 大学的王风翔教授等在对笼型和磁阻型2 种转子结构电机的对比研究方面做了大量 的工作，研制了实验样机，并进行了对比性实验【1 2 o 浙江大学的章玮等人对无刷双 馈电机的原理和运行性能进行了详细的分析，并对该电机调速系统控制策略的确定 提出了有益的建议 1 3 】。而我们学院电机实验室在杨顺昌教授的带领下也已在电机设 计和数学模型等方面取得了重要的突破 14 】【1 5 1 6 】 1 7 】。 作为无刷双馈电机应用的另一个方面，无刷双馈变速恒频风力发电系统是风力 发电最有应用前景的一种发电方案1 1 8 1 ，它不仅可以达到最大风能转换条件下实现风 能向恒频电能的转换，同时由于电机无刷，使系统能够安全可靠运行，减小风力发 电系统设计的复杂性及运行的维护费用，降低了风力发电成本，使之与常规的水、 火发电成本相近，在一定程度上能够充分的利用可再生、且无污染的风能资源。目 前也有很多国家在这方面投入了大量的研究。 1 4 本文的主要内容 综上所述，无刷双馈电机作为一种新型电机，其结构和运行的特殊性带来了建 模及控制上的特殊性，要得到优良的控制性能，必须将合理的数学模型和控制策略 相结合。本文以鼠笼式无刷双馈电机为研究对象，根据电机自身结构特点，在其转 子速度d - q 坐标轴系数学模型基础上，借助于m 芦汀l a b s i m u i - n k 仿真工具，建立了 无刷双馈电机的暂态仿真模型，并利用该模型研究了无刷双馈电机的控制策略，为 系统的进行无刷双馈变速驱动系统和变速恒频发电系统的设计与控制奠定了基础。 同时本文还进一步研究了无刷双馈调速系统中的谐波及其所带来的影响，以期将无 刷双馈电机的研究推向实用化。本文主要的工作有： 第一，在前人研究的基础上，根据无刷双馈电机转予速度d - q 坐标轴系数学模 型，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，建立了无刷双馈电机的暂态仿真模型。 第二，利用所建模型，对无刷双馈电机各种运行模式进行了仿真分析。 第三，根据无刷双馈电机自身运行特点，利用其暂态模型和稳态模型，通过稳 定运行分析和稳态性能分析，研究了定子控制绕组电压跟踪频率的关系，从而确定 重庆大学硕士学位论文l 绪论 无刷双馈电机的控制规律。 第四，分析计算无刷双馈调速系统中的电源谐波，根据谐波计算的结果，分析 电源谐波给系统稳态性能带来的影响。 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 2 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件介绍 随着计算机技术的飞速发展，仿真软件也取得了巨大的进步，其突出的表现是 广泛的图形化操作和软件的高度集成化。目前常用于仿真的软件有：m i c r o s - m 公司 的p s p i c e 常规电路仿真软件，美国a n a l o g y 公司的s a b e r 仿真软件和 m a t h w o r k s 公司的 a 丁l a b 软件。其中，m a t l a b 软件虽然问世的时间不长，却 以其出色的数值计算能力和强大的图形图像处理功能而深获广大科研工作者以及工 程技术人员的青梨19 】【圳。作为一种工程计算和数值分析软件，m a t l a b 拥有功能全 面的函数库，它将大量复杂的函数封装起来，使用户摆脱了传统的程序设计模式， 不必为如何实现复杂函数而浪费宝贵的时间，而只需将精力投入到组建模型等更为 关键的工作中，从而大大提高了工作效率。 m a t l a b 提供的动态系统仿真工具s i m u l i n k ，是众多仿真软件中功能最强大、 最优秀和最容易使用的一种，已经在学术和工业等领域得到了广泛的应用。s i m u l i n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者 混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。与m a t l a b 其 他应用工具箱相同，s i m u l i n k 中含有大量的功能模块集，是系统仿真建模的基础。 其中电系统模块集中又包含有电源、电机、电力电子装置和测量设备等多种典型元 器件模型，可以用来组建系统模型模拟真实电气系统。 s i m u l i n k 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，使得建模就像用纸和笔 来画一样容易。它与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。其 主要特点为： 用方框图的绘制代替程序的编写。构成任何一个系统框图有三个步骤，即选 定典型环节、相互连接和给定环节参数。这三步可以在一个图形界面上用鼠标和键 盘来完成。 仿真模型的建立和运行是智能化的。首先，画好了框图并保存起来，它就自 动建立起了仿真的方程；其次，在运行时用户可以不给步长，只给出要求的仿真精 度，软件会自动选择能保证给定精度的最大步长，使得在给定的精度要求下系统仿 真具有最快的速度。 输入输出信号来源形式的多样化。其输入信号可以是各种信号发生器；也可 以来自一个设定的记录文件；还可以来自m a t l a b 的工作空间( w o r k s p a c e ) 。输 出信号也类似，这就扩大了仿真系统与各种外部软件和硬件的接口能力。 总之，m a t l a b s i m u l i n k 有效的解决了仿真技术中建立仿真模型这一关键性 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 问题。使用s i m u l i n k 仿真软件，对系统的建模变得非常简单，而且整个过程是交互 的，可以随意改变模型参数并马上看到参数改变后的结果，同时结合m a t l a b 的分 析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。在这样的环境中用s i m u l i n k 进行建 模和仿真将是一件非常有趣的事，这一环境会激励着你不断提出新问题，并对问题 进行建模，最后得到仿真结果。 2 2 无刷双馈电机的数学模型 电机的数学模型确定了电机各变量之间的关系，因此电机运行的性能通常是通 过求解电机的数学模型而获得的。由于无刷双馈电机的精确数学模型阶次较高，有 变系数，用之仿真分析电机在动、稳态条件下的特性较为费事，同时也给确定电机 的控制策略带来很多不便。因此有必要建立一个合适的模型对电机的运行和控制特 性进行仿真分析。而下面要讨论的转子d q 轴系数学模型是一种简化了的电机动态 数学模型，它由精确数学模型通过纯数学变换推导得出，阶次较低，转子恒速时没 有变系数，易于对无刷双馈电机的运行和控制特性进行仿真分析。 2 2 1 无刷双馈电机的定、转子绕组结构 为了得到转子d - q 轴系数学模型，先来考察无刷双馈电机的定、转子绕组结构。 定子绕组结构 鉴于无刷双馈电机自身的特点，其定子有两套分别对应于p 。对极和p 。对极的 绕组出线端，它们的关系如图2 1 所示。 ( a ) 2 p p 极定子绕组 ( b ) 2 p c 极定子绕组 图2 1 定子绕组等效结构 f i g2 1e q u i v a l e n ts t a t o rc o n f i g u r a t i o n 图2 1 中，b 为a a 相轴线间的机械夹角。本文中用到的实例电机采用定子为 9 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 两套绕组的结构形式，故0 ，可为任意值，在后面的所有分析中都取o , - o 。功率绕组 接工频= 5 0 h z 电源时产生2 p ，极旋转磁场，控制绕组接频率为正的变频电源时 产生2 p 。极旋转磁场。 转子绕组结构 为了耦合由定子功率绕组和控制绕组产生的两个不同极数和转速的气隙旋转磁 场，转子为一特殊型式的鼠笼，其导条数( 即相数) 等于定子两套绕组的极对数之 和1 1 4 1 ，即q 2 = p 。+ 只。每相为一组短路回路，短路回路数的多少由转子槽数z ：及 p 。、p 。决定。如图2 2 所示。 千千十 印+ p c印+ p c y x w y u 上 阳 图2 2 转子绕组结构 f i g2 2r o t o rc o n f i g u r a t i o n 斛e 妻班 - ， 2 主n 寺i ( n m ) ( 2 - 2 ) 式( 2 1 ) 的矩阵方程中，含下标j ，j 。的参数和变量分别与2 p ，极定子绕组和2 p 。极定 1 0 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 子绕组相关，含下标，的参数和变量与鼠笼型转子有关。厶。、压。分别为2 p 。极、 2 以极定子阻抗矩阵，厶。r 、z s 。r 分别为2 p 。极和2 以极定子绕组与转子绕组回路 问的互阻抗矩阵。值得注意的是，由于在无刷双馈电机中存在着两种不同极对数和 转速的定子旋转磁场，因此在建立数学模型时，必须采用机械角度来计算。 在无刷双馈电机双馈运行时，定子两套不同极对数的绕组同时产生两个不同极 数和不同转速的旋转磁场，在电机达到稳定运行状态时，这两个同步旋转磁场在转 子导条中产生相同频率的速度电动势，在忽略转子铁心饱和的前提下，转子导条上 的感应电势和感应电流又可以表示为田】： u ，= u + u ，i r = 1 5 + i ( 2 3 ) 因此式( 2 1 ) 又可以表示为： 仉p v s 。 u r u 办， 0 z j 4 ， 0 0 厶。 0 z s c r 豇p ， 厶。r 厶 0 厶。7 z r 0 z r b ， b 。 也 i ( 2 4 ) 由此，从能量变换的角度来看，一台无刷双馈电机可以看成是由转子中对应于p 。对 极和p 对极磁场系统的分量与产生该分量的定子系统构成的两个子系统之和，即 p 。对极系统和p ，对极系统口】 根据坐标变换理论，建立一个合适的坐标系将有利于电机数学模型的建立和电 机运行特性的分析。在无刷双馈电机中，两个子系统通过转子绕组发生耦合，在转 子绕组上建立一个合适的坐标系统将给无刷双馈电机的分析带来方便，这样转子速 度d - q 坐标轴系将是最好的选择。假定转子以顺时针方向旋转，由于无刷双馈电机 两个子系统中旋转磁场的转向一般不同，为了得到一个统一的转子速d - q 坐标系， 在p 。对极子系统中，选转子q 轴绕组轴线与定子q 轴绕组轴线重合，d 轴绕组在旋 转方向上超前其9 0 。；在以对极子系统中，选转子q 轴绕组轴线与定子q 轴绕组轴 线重合，d 轴绕组在旋转方向上落后其9 0 0 。由于这两个坐标系以同一个转子速度 旋转，这两个d q 轴坐标系可以合并为同一个转子速d - q 轴坐标系。无刷双馈电机 的d - q 原型电机模型如图2 3 示。 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 - + ( a ) 2 p p 极系统 “一 ( b ) 2 p c 极系统 。c 图2 3 无刷双馈电机的原型电机模型 f i g 2 3p r i m i d v em a c h i n em o d e lo f b d f m 变换矩阵 按照电机的坐标变换理论，在三相绕组对称且忽略零序分量的前提下，将定转 子绕组的多相电流、电压及磁链等参数量转换到转予速d - q 两相系统的统一变换矩 阵为 2 1 ： 中辱 鬟c o s p o 三黧s i n p o ( 2 5 ) 式中，p 为极对数，n 表示定子绕组相数或转子回路数，妒为相邻定子绕组相间或 转子回路组间的机械夹角。很显然c 。是一个正交矩阵，它满足： c g _ 1 = c 。7 ( 2 6 ) 式中，c 。、c 。分别是c 。的逆矩阵和转置矩阵。 因此，在转子d - q 轴系下，所有定、转子变量的变换矩阵都可以通过适当指定 式( 2 5 ) 中的参数p 、n 和y 而获得。详细的说明如下： ( a ) 2 p ，极定子变换矩阵q ：p = p ，”= 3 ，g 2 1 2 0 。p ，0 = 见； 厅怄压压：再一 重庆大学硕士学位论文 2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 ( b ) 2 或极定子变换矩阵o 。：p = p 。，n = 3 ，￥f - = 1 2 0 。7 见，占= 一b ) ： ( c ) 2 p ，极转子变换矩阵c o ；为2 【6 b ，+ 髓* 阶矩阵。p = p ， ，l = 6 x ( p ，+ p 。) ，p = 1 2 0 。，- p + n ) ，其子阵c o ( i = z 、y 、x 、形、v 、u ) 与c o 的关系为： c r = f 晰j( 2 7 ) ( d ) 2 p o 极转子变换矩阵c ：也为2 【6 x b ，+ a ) j 阶矩阵。p = p 。， - - 6 x c o p + 以) ，g = 1 2 0 。b ，+ p 。) ，其予阵( b ( i = z 、y 、x 、矽、v 、u ) 与c 的关系为： c 5 【c kj ( 2 8 ) 电机电压方程 因此，用电机变量表示的精确电压方程式( 2 1 ) 通过以上一系列的坐标变换可 以得到无刷双馈电机在转予d - q 轴系下，以定转子绕组的电流作为状态变量的电压 矩阵方程为： 0 + 丘。p p 工s 3 0 0 m p p o p 工s p r r p 七l s + p o 0 0 m p 0 o 坞。p p c k ， m c p o o o p 五s p r + 丘。p o m 。p p * p ， m c p p 婵p r + p m c p 0 p 弛p r m p p m p r m c p 0 t r 七l r p 【2 卵 式中： p 微分算子： p 。、p 。功率绕组和控制绕组的极对数； “、u a p 、0 、0 功率绕组电压和电流的d 、q 分量； “。、k 、t 控制绕组电压和电流的d 、q 分量： “。、0 、0 转子绕组电压和电流的d 、q 分量； 0 、，功率绕组、控制绕组和转子绕组电阻； l 。、三，功率绕组、控制绕组和转子绕组全电感； m m 。功率绕组、控制绕组与转子绕组之f 霹的互感； ，转子机械角速度。 电机转矩方程 对电磁转矩方程式( 2 2 ) 进行变换，简化后得到转子d - q 轴系下的电磁转矩 为： 协0， 缘鳓如 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 t = 毛+ 又2 p p m ，( f 郎i d , 一，) 一p c m 。( i q o i d , + i ai q , ) ( 2 1 0 ) 式中，疋、分别为功率绕组和控制绕组产生的电磁转矩。 电机机械运动方程 粤：q ( r a d ，s )( 2 1 1 ) d ， t 一疋一k 。0 9 r = - ，旦亨 ( 2 1 2 ) 式中，疋为负载转矩，厂、髟为转子转动惯量和转动阻尼系数。 式( 2 9 ) ( 2 1 2 ) 即构成了无刷双馈电机在转子d - q 轴系中的数学模型。 该模型具有如下优点 2 1 1 ： 阻感性参数可以由电机的几何尺寸和一定的变换求得。 与精确模型相比，转子d - q 双轴模型的简化和降阶，使之能较好的应用于 无刷双馈电机动稳态特性的仿真以及简单的闭环控制。 在整个速度和频率范围及对所有的连接方式，此模型适用于下列运行状态： 电动或发电状态； 单馈或双馈状态； 同步或异步模式。 2 3 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 上述公式( 2 9 ) 又可以写成： v 扫= z i 科 ( 2 1 3 ) 若把公式( 2 1 3 ) 中的阻抗矩阵z 州按是否含有微分算子p 分为尽，) 和l 一，两部 分，则进一步可以得到： v 州= i 尽0 ，) + l 叫，j i 耐= r 0 ，) i 州+ l 叫- p ( i 一) ( 2 1 4 ) 因而有： p ( i 和) = l 庐一- l q d 1 r 0 ，) i 叫 ( 2 1 5 ) 公式( 2 9 ) ( 2 1 2 ) 和公式( 2 1 5 ) 放在一起就构成了对无刷双馈电机动态特性 的完整描述。 这种以定转子绕组的电流作为状态量的状态变量方程是无刷双馈电机时域内 数学模型的一种形式，特别适合用于数字计算机数值求解，从而可摆脱繁杂的解 析运算，专心致力于解决问题的方案分析，而这种状态变量方程也正是最为直接 的m a t l a b s i m u n k 仿真建模基础。 在m a t l a b ，s i m u n k 建模过程中，首先用基本的函数模块定义电机的电压方 1 4 重庆大学硕士学位论文2 无刷双馈电机暂态仿真模型的建立 程、电磁转矩和速度方程，电压3 s 2 r 变换( 三相定子轴系到两相转子轴系变换) 方程和电流2 r 3 s 变换( 两相转子轴系到三相定子轴系变换) 方程，从而形成各个 子系统模块，然后利用s i m u l i n k 把他们封装起来，即可形成完整的无刷双馈电机 暂态仿真模型。使用时只需在模型中调用已输入参数的m 文件，并设置好算法， 即可进行系统的仿真研究。无刷双馈电机暂态仿真模型如图2 4 示。 图2 4 无刷双馈电机暂态仿真模型 f i g 2 4t r a n s i e n ts i m u l a t i o nm o d e lo f b d f m 图2 4 是封装前的无刷双馈电机暂态仿真模型，其中v , 6 、v s 2 和t l 是系统的 三个输入端，分别对应接工频电源、变频电源和负载转矩。通过v s 6 和v s 2 输入电 机的三相电源经3 s ，2 r 变换变成d - q 域电压分量，在电机参数已知的情况下可以利 用模型中函数模块构造的( 2 1 5 ) 式计算出d - q 域电流分量，进而得出电机电磁转 矩和转速并输出。而d - q 域中的电流分量又可再经过2 r 3 s 反变换变成三相系统中 的定、转子电流各相分量并输出。 2 4 无刷双馈电机暂态仿真模型