（电力电子与电力传动专业论文）基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制策略研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d yo nd o u b l y - f e db r u s h l e s sm a c h i n ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o n e q u i v a l e n tr o t a t i n gc o n t r o lw i n d i n g s a b s t r a c t t h ed o u b l y - f e db r u s h l e s sm a c h i n e ( d f b m ) i san e wk i n do fe l e c t r i c a lm a c h i n e , w h i c h n o to n l yh a st h ec h a r a c t e r so fs i m p l i c i t y ，r o b n s t n e s sa n dr e l i a b i l i t yb u ta l s oc o u l dl u l li n a s y n c h r o n o u s s y n c h r o n o u so rd o u b l y - f e do p e r a t i o nm o d e s c o m p a r e dt os p e e dr e g u l a t i n g s y s t e m su s i n gc o n v e n t i o n a la cm a c h i n e ，t h ed f b ms y s t e mc o n t r o l so n l yt h es l i pp o w e ro f m a c h i n e ，as m a l lf r a c t i o no f t h eo v e r a l ls y s t e mp o w e r , t h r o u g ht h es t a t o rc o n t r o lw i n d i n g s s o i tw i l lh a v ew i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yi nv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e d ( v f a s ) s y s t e m so f w i n dm a c h i n e sa n dp u m pa n dv 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 yf v s c f ) w i n dp o w e ra n d w a t e rp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m s t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e rc o n c l u d et h et h e o r ya n a l y s i s ，p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts t u d yo f t h ed f b m s e v e r a lp a r t sa r ef o l l o w e d f i r s t l y ，b ye x p r e s s i n gs t r u c t u r ec h a r a c t e r s ，o p e r a t i o nm o d e sa n de l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y c o n v e r s i o n , s o m eb a s i cc o n c e p t so fd f b ma r ce x p l a i n e d b a s e do nm a g n e t i cf i e l d m o d u l a t i o nf u n c t i o no fr o t o r , t h eg e n e r m i o np r o c e s so fe f f e c t i v ea i rg a pm a g n e t i cf i e l d c o m p o n e n t si nm a c h i n ew a sa n a l y z e da n de l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s mo f d f b mw a s e x p o u n d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt om a g n e t i cf i e l dm o d u l a t i o np r i n c i p l eo fd f b ma n dp r e v i o u s p r o d u c t i o n so fr e s e a r c h e r s , d f b mm a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pb yu s i n gt h ew a yo f e q u i v a l e n tr o t a t i n gc o n t r o lw i n d i n g s o nt h eb a s i so ft h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es i m u l a t i o n s y s t e mi sb u i l db ym a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e a f t e r w a r d , t h ep e r f o r m a n c e so fs t a r t i n g u po p e r a t i o na n ds t a t i o n a r y s t a t e o p e r a t i o nm o d e s ( a s y n c h r o n o u s ，s y n c h r o n o u s a n d d o u b l y - f e do p e r a t i o n ) f o rd f b mh a v eb e e ns i m u l a t e d t h i r d l y , c o n t r o lm e t h o d so fd f b ma 托s t u d i e d m a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yf o rw o u n dr o t o ri n d u c t i o nm o t o ri si n t r o d u c e db a s e do ne q u i v a l e n tr o t a t i n gc o n t r o l w i n d i n g sm o d e l t h er o t a t i o n a ls p e e do fd f b mc o u l db ea c c o m m o d a t e de a s i l yb ya d j u r i n g c o n t r o lw i n d i n g sc u r r e n t ，a n dt h er e s p o n s es p e e do fm a c h i n ei si m p r o v e dh i g h l y m o r e o v e r , 薹塑夔鳖型塑塑型塑皇型釜盟塑 s o m ei n i t i a li n v e s t i g a t i o n sa b o u ti n t e l l i g e n c ec o n t r o l3 r ed e v e l o p e da l s o f u z z yp i dc o n t r o l m e t h o di s a d o p t e d , w h i c hb o o s tu pd y n a m i c s t a t ep e 娟瑚肋c ee f f e c t i v e l y a n dt h e n , c o r r e c t n e s so f c o n t r o ls t r a t e g yi st e s t i f i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n f i n a l l y ，p a r t i a ld e s i g no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei sc a r r i e dt h r o u g h t h ev a r i a b l e f r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e ds y s t e m si sa n a l y s i sb ye x p e r i m e n tw h i c hf o u n do ne q u i v a l e n t r o t a t i n gc o n t r o lw i n d i n g sm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ef e a s i b i l i t yo ft h e o r e t i ca n a l y z i n ga n d s i m u l a t i o nm e a s u r e sa r ci m p r o v e db ye x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：d o u b l y - f e db r u s h l e s sm a c h i n e ，r o t a t i n g r e f e r e n c ef r a m e ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 忿橇 日期：川多i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) k 编 导师签名：习缸日期： 炒7 ，1 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在需要可逆、可调速与高性能的电气传动领域中，直流电气传动系统在相当长的时 期内占据统治地位。但由于直流电动机具有电刷和换向器，存在着自身机械和电气方面 的弱点，限制了直流电动机向高速、高电压、大容量方向发展。自上世纪6 0 年代以来， 伴随电力电子技术和电机控制技术的发展，交流电机的控制方法日益成熟，使得交流传 动逐步具备了调速范围宽、控制精度高、动态响应快等良好的技术性能，逐步取代直流 电动机调速传动，广泛应用在科研，生产等各个领域。尤其在交频调速和变速恒频控制 方面，交流电机更突显其优势【1 1 。由于交流电机的结构和运行原理不同，构成的系统就 具有各自的特点，适用于不同的场合。 永磁同步电机具有速度稳定、低速性能好、控制系统简单等特点，在一些对调速性 能要求较高的领域有广泛应用。然而由于其转子采用永磁体，气隙磁场接近恒值，难以 实现弱磁调速，无法满足高转速场合。 笼型转予感应电机结构简单、坚固耐用、价格低廉，且易于实现变速，因此应用领 域很广。但这种电机构成的变频调速系统的变频器功率需略大于电机的功率，在大功率 电机的应用场合，所需变频器的功率也随之加大，从而使成本大大提高。 绕线转子感应电机由于其转予电流可以直接从外部控制，因此具有良好的启动和运 行性能，特别适合低速和大起动转矩的应用场合。当绕线转子感应电机定子绕组接电网， 转子绕组接变频器，就构成了双馈电机交频调速系统，变频器只控制转子绕组电流，所 需要的功率较小，节省了成本。然而，它是一种有刷结构的电机，由于滑动接触和电刷 磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且增加了运行成本。此外，滑动接触易产生火 花，限制了电机的应用范围。 开关磁阻电动机结构简单，转动惯量高，定子线圈的端部短，制造方便，而且线圈 的发热量小又容易散热，从而提高了电磁负荷，电机制造成本大为降低。但其主要问题 是所产生的电磁转矩脉动较大，振动与噪声较严重。 基于等效旋转控制绕组的无稻n 取馈电机控制壤略研究 因此，针对上述各种电机调遽系统的特点，研帝一种集多类电机优势子一身，能嶷 现无刷化和通用化的新型交流电机成为电气领域的一个重骤发展方向。j 慝年来，无刷双 馈电援戳其自身铙点号| 起国痰强学者的广泛关注。它结秘熬罄、运孝亍霹纛，班实现髯 步、同步和双馈运行，在交频调逮和变速恒频控制系统中，共有广泛的廒用前景。 1 。2 光刷双馈电机国内外研究现状 秃蠲双绩龟橇爨现较孚，侄蠢予设诗方法秘羟潮技来瓣甓终，其袭震誊毙较缓浸。 直到最近二十年，崧才成为电气工程领域研究的热点。美国、英国和澳大利亚等国相继 展开了对该种电机及其控制系统的研究。以美嗣w i s c o n s i n 大学、o h i o 州纛大学、o r e g o n 熊立大学、澳大穰溉a a l b o r g 大学为健表蘸毫簿貌校窝释磺謇 梅对无磁双续电橇遴行7 较为深入的研究。丽国内的一些商校和科研院所如沈阳工业大学、浙江火学、西安交通 大学、熬庆大学、湖南大学等，近年来也开展了对无刷双馈电机的研究工作，对这种电 橇豹运行原理、分瓣方法、控翻策疆、特性茯嶷骧及实验磷究等方瑟徽了许多工俸，取 得了一定的成果。 1 2 1 茏制双馈电机的发展历史 1 9 氆纪末，s t e i n m e t z 稻g o r g e s 发瑗，将嚣台绕线转予感应逛梳丽辘攀级联接可激 实现遮种电机的无刷化，由此方法构建的串级感应电机就成为了无刷双馈电机的雏型， 由于葜珂以获褥低逮运行，曾经度引起人们豹关注。嚣来，h u n t 采用一套转子绕组朔 两套冀裔不同稷数数定子绕缝荚掰同一定予铰心磁路的方法，在原电梳上实现了无涮 化。厢浓g r e e d y 对这种电机进行了进一步改进，为之设计了精巧的转予绕组，但是由 于定转警绕组极数酝会闽题以及绕组设计上的张种限制，该媳规未毙进入实用。同时嘏 由予警鞋重电力电子器件帮控毒技术的翻终，该瞧税豹发展度陷入停滞。 上世纪7 0 年代，交流电机的变频调速技沭高速发展。然而由于变频器成本较高， 从经济成本上考虑遗切需要具有按铡蔺单且容爨小的调速系绫。由于无瓣双馈电机在运 幸亍时所需的变频嚣装黉容量较小，且通遵调节控常i 绕组电流旒胃以达到撩髓电视转速砖 功率因数的目的，因此无刷双馈电机的研究熏新得到重视。b r o a d w a y 等对h u n t 电机滋 行了较火改进，篱偬了转子绕组，势馒定转予投数配合的藏臻进一步扩大，将审级感殿 沈阳工业大学硕士学位论文 电机理论向前推进了一大步。8 0 年代中期，h e y n e 和a n t a b l y 在串级感应电机的基础上 提出了一种双励磁磁阻电机，设计并制造了一台8 + 4 极的样机，且公布了样机的实验结 果，获得了较高的性能指标。 8 0 年代末9 0 年代初，无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型的建立，为无刷 双馈电机的特性分析和控制优化奠定了坚实的基础，各种控制方法被应用于无刷双馈电 机，如标量控制、磁场定向控制等，而电力电子器件和微处理器的发展又进一步促进了 无刷双馈电机的发展 2 1 。 1 2 2 无刷双馈电机基本理论与设计方法的研究 国外对无刷双馈电机的研究起步较早，分别以笼型转子和磁阻转子为主要研究对象 的两派各持己见，对两种转子结构的无刷双馈电机的分析方法有所差异，形成了两套不 同的分析研究体系。美国o r e g o n 州立大学的a k w a l l a c e 教授和r s p e e 教授以及英 国k e n b r i d g e 大学的w i l l i a m s o n 教授，他们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电机，对 笼型转子各导条及闭合环路在生成转矩时所起的作用进行了对比，得出了在极对数转换 过程中转子导条电流分布与定子极对数、控制绕组频率有关的结论 3 - 5 1 。而w i s e o m i n 大 学的t a l i p o 教授和o h i o 州立大学的l x u 教授以及a e l b o r g 大学r e b e t z 教授和 m j o v a n o v i e 教授，他们重点研究磁阻转子结构的无刷双馈电机，从电机定、转子的基 本耦合参数入手，研究了磁阻转子无刷双馈电机的机电能量转换机理，从电机的非线性 和运行时磁场的分布关系来确定电机的设计原则，并给出了磁阻电机样机的实验结果， 并详细分析了凸极磁阻转子结构、带磁隔离层的磁隙磁阻转子结构和轴向叠片各向异性 a l a 磁阻转子结构的对定子磁场进行调制时的特性，得出了a l a 磁阻转子结构调制特 性最好的结论t a p i r 。 在国内，自2 0 世纪9 0 年代中期以来，研究人员对无刷双馈电机的运行理论和定、 转子绕组结构进行了较为深入的探讨【9 1 0 1 。对笼型转子和磁阻转子结构的磁耦合作用进 行了对比分析，并进行了稳态运行特性实验分析，得出了a l a 磁阻转子具有较好的同 步和双馈调速性能，笼型转子具有较好的起动和异步运行性能【l l 】。关于无刷双馈电机尺 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制饿略研究 寸的确定、电磁参数的选择、电参数计算、损耗计算与健能计算等电机的设计问题h 2 l 以及电机系统建模仿真【1 3 - 1 5 1 ，国内学者也进行了广泛研究，并取得了很多成果。 1 。2 。3 瓮副双镶电撬控裁篆睫豹磷突 上世纪九千年代初期，无刷双馈电机动态数学模型和两辘数学模型的建立，为其动 态仿真和控制性能的优化奠定了爆实的理论基础。在无刷双馈电机的控制研究方面，箨 蓍学誊撼密了多秘擦铡蓑貉，箕审主要有： ( 1 ) 标量控制。该方法采用静态等效电路，算法比较简单，容易在较低速的微处瑷 器上实现，可以在一定程度上提高电机的性能，但其动态蚀能不耐。 ( 2 ) 妻接转矩羧秘。基予绩诗控镶l 绕缝夔激链帮转短交纯瓣壹接转辍控藿l 繁臻，搜 电机及其控制系统对负载及参数的变化不敏感，达到最佳的工作特性h 7 1 。但是直接转矩 控制的计算量较大，需要采用高遵的微处理器，因而成本较商。 ( 3 ) 磁场定囊羧测。在无尉域续逮援魏数学模墅基穗上，采凄与罄遴感应毫撬类毅 的磁场分析方法，实现无刷双馈电机磁链的定向控制【1 3 ，狮。豳外已经有研究人员采用这 种方法进行了系统的实验例，取得了良好的效果，实现了对转矩和功率的有效控制。 ( 4 ) 凌率及功率瓣数控麓。戈溺双续磁辍嘏楗已影藏较党整獒臻率秘功率强数控铡 方案，从其理论分析和仿真结果来看，无刷双馈磁阻电机的功率控制方案达到了较好的 控制效果【2 1 ，2 2 l 。而缆溅电机与磁阻转子电机相比，其电路结构复杂，谐波含量大，控制 方法复杂，龟瓤戆参数交纯对奄枫豹控崩影豌较大，捷褥这耱控毒l 方法豹藏溪受到隈裁。 ( 5 ) 智能控制。随着智能控制技术的成熟，以及实现镏能控制器件的进一步发展， 将智能控制技术运用于无刷双馈电机控制系统怒一个新的研究方向。目前，国内外学嚣 鼹这一凝按术歪逶瑟整广泛臻究 2 3 2 4 j ，冀孛褪荚文藏较多懿楚模凝囊率戮数控翻。虽然 有了一定的理论成果，但将智能控制技术运用平无刷双馈电机的控制上避比较困难。 1 。3 无刷双馈电机的优势及应用前景 露稀，生产中成糟煞交流电梳多为同步电梳和异步电橇。二者用途琴磷，一般是誉 能通用的，且它们又具有各自的优缺点，难以兼顾。而无刷双馈电机是一种无刷结构的 异同步遇耀电机，既其有异步电机良好的自起动性能，又具有同步电枫优良的运幸亍性能， 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 通过简单改变控制绕组的联接和馈电方式，可以方便的实现自起动、异步、同步和双馈 等多种运行方式。 无刷双馈电机作为一种新型交流电机，由其构成的调速系统具有普通电机调速系统 所不具备优势。在传统变频调速系统中，广泛采用笼型转子感应电机，由于所需变频器 的容量要求大于电机的额定功率，而变频器的价格一般要高出同容量电机的几倍，因此 整个调速系统的成本很高，从而限制了该类变频调速系统的推广应用。当采用无刷双馈 电机调速系统时，承担主要输入电功率的定子功率绕组可以直接由工频电网供电，而变 频器只需为控制绕组提供转差功率，降低了变频器的容量，从而大大缩减了调速系统的 成本，非常适合大中型交流电机变频调速系统口5 1 。 在能源危机日趋严重，环境保护受到重视的今天，风能作为一种清洁的可再生的能 源，日益受到世界各国的重视。传统的风力发电机多采用同步电机或异步电机，因为采 用恒速恒频方式，故在风力机向恒频电网送电时无法调速。同步发电机转速保持恒定， 而感应发电机转速相对于同步转速变化范围很小。在这种情况下，风力机在不同风速下 维持或近似维持同一转速，效率下降，被迫降低出力脚，2 _ 7 】。与普通交流电机不同，无论 处于亚同步速还是超同步速，无刷双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随 风速变化做相应的调整，使风力机的运行处于最佳工况，机组效率提高，同时定子输出 功率的电压和频率可以维持不变 2 8 , 2 9 。 无刷双馈电机有非常广阔的应用前景，研究其特性和控制策略，提出行之有效的控 制方法无疑具有重要的科学意义和推广价值。 1 4 本文的主要研究内容 根据以上的概述可以看出，国内外对无刷双馈电机及其控制系统的研究还处在探索 阶段，将无刷双馈电机应用于变频调速控制，使系统具有良好的调速性能，尚需要大量 的研究工作。本文主要以磁阻转子无刷双馈电机及其控制系统为研究对象，对电机的定 转子结构、运行机理、建模与仿真、控制方法以及样机实验等方面进行了分析和研究， 主要内容如下： 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制黹略研究 ( 1 ) 介绍了无剃双馈电机的基本结构葙遮彳子方式，对其运行原理进行研究。在此麓 础上，从转子磁场调制作用的角度出发，分析了气隙磁场中有效磁场分爨的产生及相飘 箨爰，蜒释了规皂熊藿转换戆产黛过程。 ( 2 ) 在无刷双馈电机的磁场调制杌理和前入研究的基础上，利用等效旋转控制绕缀 的思想，建立了无刷双馈电机的数学模型。并依此方法构建了基于m a t l a b 平台的辩 霉l 双馈滚撬痿宾模缀，送行了电壤在多秘运箨穷式下豹特魏仿真。 ( 3 ) 基于等效旋转控制绕组数学模型，引入了绕线转予感应电机的磁场定向控制方 法。在此方法的基础上，又加入了智能控制技术，采用了模糊p i d 的方法。针对两种控 露l 燕竣，糕震m a t l a b s i m u l i n k 软磐，捺建了较秀完整静无弱双馈惫提谖速系绕携 真模黧，对系统进行了仿真研究。 ( 4 ) 无刷双馈电机样机实验的部分软、硬件设计以及实验平台的搭建。以一台磁阻 转_ 予燹攒双续实验榉撬为整割对象，对基于等效旋转控摹l 绕缀数学模型戆交菝诿速控裁 系统避行实验研究。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 无刷双馈电机的基本原理 2 1 无刷双馈电机的定转子结构和运行方式 2 1 1 定子结构和绕组的连接要求 电机定子上嵌有两套绕组，即功率绕组和控制绕组，如图2 1 所示。一般来讲，两 套绕组不能有直接的电磁耦合。这就要求当一组绕组通过电流时，另一组绕组的出线端 的感应电动势为零，以避免功率绕组和控制绕组之问的变压器耦合，两者之间的耦合必 须通过转子的磁场调制作用来实现。 矗 8 c虿 匡 功率三相绕组控制三相绕组 图2 1 无刷双馈电机定子结构示意图 f i g 2 1d i a g r a mo f d f b m s t 乱o rs t r u c t u r e h c 无刷双馈电机要将功率绕组和控制绕组放在同一个定子中，可以采用同两套独立的 绕组，也可以只用一套绕组通过合理的安排使得其具有呈现不同极数的两套端口，两种 方式各有利弊。当定子采用两套独立的绕组时，可采用各自的分布和短距绕组，使两套 绕组均具有较高的绕组系数，使绕组设计具有较大的选择余地。但采用该方案时，每槽 中往往采用四层绕组，槽的利用率低，从而导致电机的有效材料利用率下降。当定子功 率绕组和控制绕组共用一套绕组时，可以提高电机槽的利用率。然而，单套绕组方案由 于要兼顾功率绕组和控制绕组二者的性能，从而限制了绕组设计的灵活性。综合考虑， 设计中多采用两套独立的绕组。 2 1 2 转子的结构类型 无刷双馈电机的转子可以有不同的结构形式，通常分为三类：笼型转子、磁阻式转 子以及混合式转子。笼型转子易于制造，电机定转子之间为均匀气隙，虽然采用的是笼 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制策略研究 型结构，但其与普通笼型感应电机的转子不同，因为要起到“极数转换器”的作用，所 以要求转子绕组有确定的极数，如图2 2 所示。该种转子一共形成p r 组同心式线圈结构， p f = p p + p c ，式中耶为定子功率绕组的极对数，肌为定子控制绕组的极对数，绕组端部可 采用各回路独立的连接形式，也可以采用公共导条连接的形式，但不能将导条用短路环 直接短路，如图2 2 所示。 图2 2 笼型转子 f i g 2 2c a g er o t o r 磁阻转子可采用普通凸极、带磁隔离层的磁障和轴向叠片各向异性a l a ( a x i a l l y l a m i n a t e da n i s o t r o p i c ) 等结构，如图2 3 所示。转予一共形成a 个磁阻磁极，p r = p p + p c ， p p 、仇为两套定予绕组的极对数，各种转子的作用均是通过限定磁路，使两套绕组产生 的不同极数的气隙磁场得以调制。另外，上述的两种转子结构都有其各自的优缺点，为 各取所长，可以在笼型转子的基础上增加适当的磁阻，构成混合式转子结构。 a ) 普通凸极磁 b ) 带磁障的磁c ) 轴向叠片( a l a ) 阻转子阻转子 磁阻转子 图2 3 几种磁阻转子 f i g 2 3r e l u c t a n c er o t o r 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 4 装配成型后的笼型转子图2 5 装配成型后的a l a 磁阻转子 f i g 2 4c a g er o t o r m o l d e df i 孚2 5a l a 糟l u c t 孤r o t o rm o l d e d 图2 4 和图2 5 所示的是装配成型后的两种转子。本文主要研究磁阻转子无刷双馈 电机，如无特别声明，本文中的无刷双馈电机均指磁阻转子式。 2 1 3 无刷双馈电机的运行方式 无刷双馈电机的运行情况和绕线转予感应电机类似，不仅具有自起动能力，还可实 现异步、同步和双馈等多种运行方式。 ( 1 ) 自起动与异步运行。电机自起动或异步运行时，功率绕组直接接到工频电源上， 控制绕组则通过滑动变阻器短接。起动时，调节变阻器的阻值就可以在一定的范围内调 节电机的起动特性。无刷双馈电机的异步运行与串级感应电机构成的机组原理上相似， 只是分开的定转子绕组被单一定转予结构所代替，两磁场共用一个磁路。定子功率绕组 在接到三相电源时产生2 p p 极的旋转磁场，并且在控制绕组中产生2 p o 极磁场感应电动 势，控制绕组可以直接短接，或者通过电阻短接。其连接示意图如图2 6 所示。 图2 6 自起动与异步运行方式 f i g 2 6s e l f - s t a r ta n da s y n c h r o n o u so p e r a t i o n 一9 一 基于等效旋转控制绕组的删4 双馈电机控制綮略研究 辫功率绕组的供电频率为五时，电机的冈步转速为r | r o = 6 0 f s ( p p + p 。) ，电机起动螽窝 载转速接近同步速m ，当外加负载转矩一定时，通过改变外串电阻可以进行调速。 ( 2 ) 嚣步运孬。在司步运纾方式下，功搴绕组壹接接裂王叛电嚣上，蠢控铡绕组以 两并一串的方式通入直流励磁电流，如图2 7 所示。 踅2 。7 燕多逡行方式 f i g 2 7s y n c h r o n o u so p e r a t i o n 当电机异步起动过程完成后，电机运行速度在6 睇帅c ) 附近时，如果此时将控制 绕缓逶入盔滚毫，那么毫秘穆被鬻入磊多速露弱步运霉。秘步运蠢速度哭鸯嚣套绕缀戆 极数和功率绕组通电频率有关，即n t = 6 0 f p ( p p + p 。) 。 ( 3 ) 双馈运行。功率绕组接工频三相电源，控制绕组接变频器，在i 袁种方式下无刷 双 囊奄懿霉实鬓双竣运孬。 在凭刷双馈电机处于异步运行方式或同步遁行方式时，将控制绕组由当前状态迅速 切换到由变频电源供电，电机将进入双馈调速运行方式，改变变频器输出频率，即可调 节毫橇转速。双谈调透方式下熬接线示意图鲡强2 。8 瘊示。 双馈稳定运行时的转速为 撑：曼竺竖兰型 2 。1 ) 挈p 专p 式中的“”号取决予两套绕组的相对相序。幽功率绕组电源和控制绕缀电源相序相同 对取“+ ”号，反之取“一”。獭f 。- - o 时的转速称为自然间步速。磊取负号的调速，称 沈阳工业大学硕士学位论文 为亚同步调速，反之称为超同步调速。由式( 2 1 ) 可知，无刷双馈电机作电动机运行时， 可通过调节控制绕组的供电频率石来调节转速。 图2 8 双馈调速运行方式 f i g 2 8d o u b l y - f e do p e r a t i o n ( 4 ) 发电运行方式。当无刷双馈电机作发电机运行时，通常将控制绕组用作交流励 磁绕组，由提供转差频率的变频电源供电，而将定子功率绕组用作电能输出的发电绕组。 发电机运行方式的接线示意图如图2 9 所示。 图2 9 发电机运行方式 f i g 2 9g e n e r a t i n go p e r a t i o n 功率绕组输出电压和电流的频率与电机的转速及控制绕组励磁电流频率之间的关 系可表示为 石= 学丘 ( 2 2 ) 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制黼究 由( 2 2 ) 式可霸出无刷双馈嘏梳的发电机逶行方式具裔以下特点；警原动机转速发 生变化时，可通过调节电机控制绕组三相励磁电流的相序和频率五使发电机输出电压嗣 毫流豹频率磊穰持不变。当电瓤鹣转速毫于灏步速露，式( 2 2 ) 右蝼取受号；复之，取 正号。阂此，无刷双馈电机很远食用作变速慎频风力发电和水力发电系统的发电机。 2 2 光刷双馈电机磁场调制机理 2 。2 。l 獾嚣转子酌调潮俸爱 本节将从磁场调制的角度分析电机的运行机理。 设功率绕组中邋以角频率为掰。的三相对称电流，且以a 相绕组的轴线作为空阆参 考坐标，簸定a 籀绕缝电濂豹兹秘角为零，瑙它在气豫孛建立夔辘较蒸波旋转磁动势 为【3 0 l ( 妒，f ) = 乒 姗c o s ( p p 矿- c o p t ) ( 2 3 ) 其孛，基波磁动势蟠傻为 = 罢昙譬警l n ， 伊秀褶对定子参考搬括点静梳械惫度，。p 为功率绕组的每褥串联匝数，惫删秀功率绕缀 基波绕组系数。 类似鞠，控制绕组中逯以角频攀为m 。的三穗对称电流，潮它在气隙中建立的2 风 极基波旋转磁动势淹 以( 妒，f ) = ，恤c o s ( p 。矽一吼，一掰) ( 2 5 ) 基波磁动势睡毽 j ；= ：三! 塑虫f “2 刀2 玩。 其孛，搿。失控毒l 绕缀豹每稳串联凝数，孟嘲为挖豢l 绕组基波绕组系数， 控锖绕缀合成磁动势轴线之间夹角的初始值。程上述磁动势表达式中， 转向相同，即功率绕组、控制绕缀电流同相序。 对予磁疆转予纛联双续毫掇，气骧毙磁导瓠越疆运议交零失 ( 2 6 ) d 建功率绕缀秘 假定石和石的 沈阳工业大学硕士学位论文 以( 伊) = 厶+ c o s 【p f ( 矿一只。一q ，) 】 ( 2 7 ) 其中，如为气隙磁导的平均分量， 为一阶分量，p f 为磁阻转子极数，舶为转子参考轴 与功率绕组合成磁动势轴线之间的夹角，为转予角速度。 气隙磁通密度可用磁动势与气隙比磁导如的乘积表示。电机的磁动势为功率绕组和 控制绕组电流产生的磁动势之和，因而气隙磁通密度可表示为 口( 仍d = ( ( 妒，f ) + 工( 仍r ) ) 以( 仍0 ( 2 8 ) 这时如果选取转子极数p ，- - p p + p c ，且当电机转速为d 翻矿。) 慨+ p c ) 时，将( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式代入( 2 8 ) 式，整理后可得出下式： 曰渤，) = + + 圯+ + + ( 2 9 ) 其中 驴等警铀c o 她叫p f ) b p c = 3 d 万2r o o p k 。1 o & zc o s ( p p 一国p f 一口一，) 名。p c ( 2 1 0 ) = 等等扣( 一妒 、 = 等警扣p ，坛) - ( 2 q 棚扭叫 吃：丝粤l 每，+ 2 见) 一( 略+ 2 蚶，一口叫 g i p z 。 可见，无刷双馈电机的磁场经过转子的调制，可以分解成如下六个磁场分量：功率 绕组电流产生磁场的基波分量砩p ；控制绕组电流产生磁场的基波分量b 。；控制绕组电 流在功率绕组中产生的互感磁场分量曰p c ；功率绕组电流在控制绕组中产生的互感磁场 分量b c p ；功率绕组电流和控制绕组电流产生的调制谐波磁场分量砩i 和曰c i 。 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制策略研究 2 2 2 机电能量转换的实现 当无刷双馈电机的定子两套绕组分别通以不同频率的电流后，经过磁阻式转子的调 割作用，在电极气黢磁场孛姆产擞六静不丽投数和旋转速度豹磁场分薰，这些磁场分黧 将在定予绕组中产嫩榴应的不同频率的电动势。由电机原理可知，只有与绕组电流同频 率的遮度电动势才能实现机电能髓转换。在上述磁场分量中，和风。与电机转速无关， 产生瓣楚交基器电动势。整产生速度电动势弱必毒嚣霆秘。其孛，殇。褒定子功率绕缀 中产生的电动势角频率为嘶，丽糍p 在控制绕缎中产生的电动势角频率为c o c 。由于感嫩 于功率绕组和控制绕组内的速度电动势的频率分别与各自绕组的电流频率相同，故可产 生稳定黪毫磁转矩，扶瑟实理毫援熬凝毫缝爨转换。 利用磁场分量的矢量图可以篼好的理解谗一过程，在方程组( 2 1 0 ) 中，磁场分嫩 墨呻和嚣p c 极数相同，为功率绕组极对数西，旋转速度同为掰p ，二者可以合成产生恒您 奄磁转楚熬磁场马。嚣理，磁场分量瓦彝嚣筇产生餐定嚷滋转矩兹会成磁场岛。嚣莛 鼠i 和粕产生转矩的平均值为零，不产生恒定电磁转矩。圈2 1 0 和图2 “用矢量图承 意了缎调制后的磁场分量与合成的有效磁场之间的关系。 圈2 1 0 磁场分鬃甓p 与圆墨的稿赢作用 f i g - 2 - 1 0i n t e r a c to f m a g n e t i cf i e l db p p a n d b 辨 豳2 珏磁场势麓占玉与嚣辜的相互作用 f 蛾2 1 li i l t e r a c t o f m a g n e t i c f i e l d b a n d b q 设上述的两组磁场在空简审瓣合成磁场帮产象约磁链分剐为寝擎矗e 在图2 1 0 中，电流分量钿和都以速度娜旋转相同，只怒在相位上拥麓一定的角度， 在空间中保持静止。豳2 。11 中各掇同样在空阈中保持静止。 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 3 参数计算 以常规凸极磁陬转子无刷双馈电机为例，农忽略高次磁导谐波的情况下，电机功举 绕组魏控露l 绕组产是戆气骧磁逶密度分裂为 嚣p ，f ) = ( 织r ) 。以( 仍f ) ( 2 1 1 ) 或( 仍0 = 五( 仍) 也 仍f ) ( 2 1 2 ) 根据电机绕组濒数理论，定予两套绕组产擞的合成磁链分剐为 o ) = + = f ”岛( 矿，f 蹦妒) 却+ 村f 鼠( 弘帆( 们却 ( 2 1 3 ) = + = r f 甄( 矿，糖。( 办印+ f 5 筑积f 溉辨却 ( 2 。1 4 ) = + 2l 甄( 矿，糖。( 办印+ | | ：筑积f 溉辨却 ( 2 式中 俐= 昙警e o s ( p p 妒) 心( ：三竺生k c o s ( p 。力( 2 1 6 ) 分剐为功率绕组和撩锘i 绕组的稻绕组函数。 电机稳定运行时，有 = 岛h 晦s 母溅s f 叫+ 瑚 ( 2 1 7 ) ( r ) = 瓦呱c o s 鳅一删+ 上雌【、毽c o s 始+ 朋 ( 2 1 8 ) 其中，五弹为功率绕缀鱼感，三。为控制绕组自感，上弹和三印为二者之闻的烈感，如、 嵇巍妨分菊兔产生绋p 、岛c 、岛。秘嚣叩酶电流分簧，巧黼o ，称为电辊静转矩蕉 结合( 2 1 1 ) 到( 2 1 8 ) 式，我们w 以得到电感参数的表达式 = 兰妻峨2 泣，彩 丸葛3 4 r l a o k ( w n , k , - 2 ( 2 z o ) 基于等效旋转控制绕组的无1 6 0 毅馈电机控制策略研究 铲= 軎( 警降) 亿z t ， 从式孛霹鲮看趣，邀感参数戆取毽与绕缀每翱事联匝数，基波绕组系数，绕组极数， 和气隙比磁导都有荧系，从中体现了转子的磁场调制作用。 2 3 双馈运行方戏下的能量传递 燹箨l 露馈电辊爽整瓣运行方茂是瑟续运露，嚣双竣运露又鼍分鸯超麓步速运孬彝黢 同步逾运行，本节斑要分析电机程双馈运行方式下的能量流动关系。 2 3 1 先刷双馈电机的转羞率 臻予无鞭取镶邀橇定子臻率绕维稳控毒l 绕缝鹣极数不阚，嚣量电裰霹戳运行在多耱 方式下，其转差率比较复杂，为了便于分析，我们做统一舰定： ( 1 ) 电机转子相对于功率绕组旋转磁场的转差率： 郎= n p 伟- n r = 瓦p o ；而- p , ：o ( 2 2 2 ) ( 2 ) 电机转子棚对于控制绕组旋转磁场的转差率： & 2 n r 仇- n 。了p i o a i 而- p , f o ( 2 2 3 ) n 。j 。l p 。+ p c l ( 3 ) 无刷双馈嗽机的转差率。沿用传统感威电机转差零的定义，无刷双馈电机的转 差率定义秀电税转逮耱对于同步漆豹转差率，郄 壮詈 。导 s 。，口n 哺 、 4 嘏瓣上蟊懿接簿，霹撂功率绕缝频率磊、控毒l 绕组频率磊之闻熬关累笼 2 虬工 ( 2 2 5 ) 五2 瓯 盆2 6 ) 我们通常称s 为光刷双馈电梳的转差率，而称控制绕缀电流频率盖为转差频率。笼 刷双馈电机定子两套绕组之间的关系相当予传统感应电机定子绕组和转子绕组之间的 关系。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 2 功率、损耗与能量流通关系 根据无刷双馈电机的两套绕组提供的励磁功率，可以得到定子两套绕组的输入功率 分别为 0 = p 曲+ p p & + p 岬 ( 2 2 7 ) e o = p 曲+ p 幽+ p 嗍 ( 2 2 8 ) 上式中，舢。和p c c u 分别为功率、控制绕组的铜损耗，p p f ep c f e 分别为两套绕组 的铁损耗，。和p 赫分别为两套绕组通过气隙向电机转子传递的的电磁功率。 式( 2 2 8 ) 中r 流向取决于电机的运行方式，超同步运行时，电网通过变频器向控 制绕组馈入有功功率，除部分转化为损耗外，其余的将转化为机械功率，电机输出的总 机械功率由两套绕组共同供给：亚同步运行时，电机输入功率仅由功率绕组提供，除了 供给电机的输出机械功率及损耗外，余下的将由控制绕组通过变频器回馈给电网p 1 3 2 l 。 电机总的电磁功率为 ，锄= + 圪。( 2 2 9 ) 计算电机的损耗时，无刷双馈电机等效于由具有不同极数的定子两套绕组分别构成 的两台电机同时向同一个转子供电，因而电机转子的铜损耗应分别为相对于定子两套绕 组输入电磁功率的转差功率。对于普通感应电机，转子铁损耗一般可以忽略不计，电机 转子的铜损耗即等于转差功率，但无刷双馈电机转子铁心中的磁通变化频率不像普通感 应电机那么低，转子铁损耗不容忽略。根据上述分析可得如下关系 p w o = j p = j 。 ( 2 3 0 ) 其中p r f 。为磁阻转予的铁损耗。磁阻转子虽然没有转子绕组铜损耗，但仍有铁损耗以及 转子中导电材料的电阻损耗。 根据以上推导的关系式，可得出以下表达式 1 2 2 ( 2 3 1 ) j 。 ( 2 3 1 ) 基于等效旋转控制绕组的无刷双馈电机控制鳓咯研究 = ( 1 删邓+ 争p 伽 ( 2 3 2 ) 2 击 ( 2 3 3 ) 由式( 2 3 1 ) 可以看出，相对于控制绕组提供的电磁功率，变频器只需为电机的控制 绕组撬供转差功搴。 圈2 1 2 表现了光届双馈电梳在亚同步和超同步两种运行状态下的能量流通关系， 主要区别在于控制绕组能量的流向。 窆塞黛堡：整孟：黧鱼! 堑鳖 t li 钔双馈贬同步运行b ) 双馈超同步避行 毽2 1 2 能纛流遵关系 f i g 2 1 2r e l a t i o n s h i po f e n e r g yn a m i n g 2 4 本章小结 秃簿l 颓馈电橇寇学绕缀结稳童盼特殊往与转予型式的多样性，使它鲍迳行撬理与传 统交流电机有着较大的不同。本文首先分析了电