（电力电子与电力传动专业论文）无刷双馈电机专家自适应pid控制系统的研究.pdf

华南理上火学硕+ 学位论文 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 w s t y l em a c h i n e i th a st h e s i m p l e s t r u c t u r ea ss a m ea st h e c a g e r o t o ra s y n c h r o n o u s m a c h i n eh a s a l s o ，i t p o s s e s s e ss o m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o u n d r o t o ra s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n d t h es y n c h r o n o u sm a c h i n e ，t h a ti s ，i tc a no p e r a t es y n c h r o n o u s l yo ra s y n c h r o n o u s l y m o r e o v e r ，b d f mc a nw o r ka saa ca d j u s t a b l es p e e dm a c h i n eo rav a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c yg e n e r a t o r ，a n dc a nr e a l i z ed o u b l y f e de l e c t r i c i t y w i t h o u tb r u s h t h ea d j u s t a b l es p e e dd r i v es y s t e mo fb d f mc a nb eu s e dt oa d j u s tt h er o t o rs p e e do fa m a c h i n ew i t hl a r g ep o w e rt h r o u g hac o n v e r t e rw i t hs m a l lc a p a c i t y t h e r e f o r e ，i ti sa p r o m i s i n ge n e r g y s a v i n ga d j u s t a b l es p e e d d r i v es y s t e m ，w h i c hi s s p e c i a l l ys u i t a b l ef o r e l e c t r i c i t yg e n e t a t i o nw i t hs o m er e p r o d u c i b l er e s o u r c e s ，s u c h a sw i n dp o w e r ，w a t e r p o w e r a n dt i d el o a d w i t hm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w a d a y s ，i t i so f g r e a t s i n g n i f i c a n c et 0s t u d yt h eb d f md e e p l y i nt h i st h e s i s ，ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fb d f mw i t hc a g er o t o ri s p r e s e n t e d ， i n c l u d i n g t h e o r i g i n o fb d f m ，i t s d e v e l o p m e n t ，c u r r e n t s i t u a t i o n ，r e s e a r c h s i g n i f i c a n c e a sw e l la si t s a p p l i c a t i o n t h e n ，o t h e rf e a t u r e s o fb d f m ，s u c ha st h e s t r u c t u r eo fs t a t o ra n dr o t o r ，i t s o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，o p e r a t i n g m o d ea n dp o w e r d i s t r i b u t i o n ，a r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h r e em a t h e m a t i c a lm o d e l so fb d f m ，n a m e l yt h en e s t e dl o o p sm o d e l ，t h e t w o a x i sm o d e li nt h er o t o rr e f e r e n c ef r a m ea n dt h eh y b r i dr e f e r e n c ef r a m em o d e l ，a r e c o m p a r e da n da n a l y z e di n t h i st h e s i s e x p e c i a l l y ，t h et w o a x i s m o d e li sf o c u s e do n a n das i m u l a t i o nm o d e lo fb d f mf o rt h ea d j u s t a b l es p e e dd r i v es y s t e mi se s t a b l i s h e d b y t h es o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k a n dt h e d y n a m i cs i m u l a t i o n r e s u l t si n a n y b d f m o p e r a t i n gm o d ea r eo b t a i n e d b a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m ，t h e a b o v er e s e a r c hp r o v i d e sag o o dw a yf o rt h es i m u l a t i o no fc o n v e r t e r b d f md r i v e s y s t e mb yn u m e r i c a lc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n a sar e s u l t ，i tp r o v i d e sac o n v e n i e n t w a yt oe x p l o r et h eh a r m o n i ci n f l u e n c eo nt h em a c h i n ea n df i n dt h ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h es i m u l a t i o n sc a ns h o wt h ei m p r o v e m e n to ft h eb d f m s t a r t i n gp e r f o r m a n c eb yu s i n gt h es o f ts t a r t i n g w h e nb d f mr u n si nt h es t a t eo fo p e n l o o p ，i t ss t e a d ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e c a n n o tm e e tt h ed e m a n do f o p e r a t i o n f o r t h et i m e b e i n g ，m a n ye x p e r t s h a v e r e s e a r c h e do nt h ed i f f e r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g i e so fb d f md e e p l ya th o m eo r a b r o a d ，s u c ha ss c a l a rc o n t r o l ，r o t o r f l u xo r i e n t e dc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， i i a b s t r a c t s e l f 。a d j u s t i n gp a r a m e t e rc o n t r o le t c b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb d f m sp r o p e r t i e s i nt h es t a t eo fo p e n l o o pa n dt h er e s e a r c ho ft h ee x p e r ts e l f a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r ， e x p e r ts e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rs y s t e mo fab d f m f o ra d j u s t a b l es p e e dd r i v e si s p r e s e n t e d s u b s e q u e n t l y ，t h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t si n t h ec o n d i t i o no fs t a r t u pa n d d y n a m i c s t a t e a r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i ca n d d y n a m i c p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e ma r ei m p r o v e dg r e a t l yb yu s i n g t h ec o n t r o l l e r ，a n dt h e o v e r s h o o to ft h em a c h i n ed e c r e a s e sw h e nt h e r o t a t i n gs p e e d o rt h el o a d t o r q u e c h a n g e sc o m p a r e dw i t ht h eo p e n l o o pc o n d i t i o n a l lt h e s ei n d i c a t et h a tt h es c h e m e p r o p o s e di nt h i st h e s i si s as i m p l ea n dc o n v e n i e n tc l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e b d f md r i v e k e y w o r d s ： b r u s h l e s s d o u b l y f e d m a c h i n e ；c h a r a c t e r i s r i c s a n a l y s i s ；s y s t e m s i m u l a t i o n ；e x p e r ts e l f a d a p t i v ep i d c o n t r o l i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：礴专节 目期：抄弘年多月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 琦，之f 扫 凡 导师签名：磺馅阳缮 曰期：一一。年石月，f 日 日期：如锄，年f 月f j ，日 第一章绪论 第一章绪论弗一早三= 酉下匕 1 1 电力传动及调速系统的发展和无刷双馈电机产生的背景 由t ：电能的生产、变换、传送、分配、使用和控制都比较方便经济，因此电 能是现代最主要的能源。在电力工业巾，电机足发电和变电所的主要设备，是 与电能的生产、传输和使用相关的机电能量转换或改变电能特性的机械，也是工 业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一。 电动机根据它使用的电源可分为交流电机和直流电机两大类，相应的根据在 完成电能一机械能的转换过程中所用的电机的不同，工程上通常把电气传动分为 直流电气传动和交流电气传动两大类。其中直流电动机由于其在控制性能方面的 优势，在2 0 世纪7 0 年代以前一直在需要可逆、可调速与高性能的电力拖动领域 占据统治地位。随着生，技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。 由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及 使用环境等都受到限制。6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来，随着电力电子技术 与变流技术、微电子学和控制技术的飞速发展，特别是矢量控制技术和直接转矩 控制技术的相继提出，交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性 能卜与直流传动相媲美的问题，使得交流电气传动逐步具备了宽调速范围、高稳 速精度、快速动态及四象限运行等良好的技术性能，并且实现了交流调速装置的 产品系列化，取代直流调速传动已是必然的发展趋势。 目前，调速系统已经形成直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系 统并存的局面。这三种调速系统虽然仍在不断的获得发展，但是它们本身的同有 缺陷并没有得到克服。例如笼型转子感应电机，它以其结构简单、价格低廉、维 护少、控制相对简单和运行可靠等众多优势在交流调速系统中得到了普遍的采用。 然而由丁笼形电机所需的变频驱动装置的容量要大于电机的额定功率，其价格是 电机价格的二到三倍，特别是高压变频装置，价格更是电机的十几倍，因此限制 了其在大容量范围内的推广采用。近来，人们又把研究重点放在了对绕线转子感 应电机转差频率控制系统( 简称有刷双馈调速系统) 的研究上，由于它控制的是 具有转差频率的转子电流，其功率仪为定子绕组输入功率的几分之，因此这种 控制系统具有所需变频器功率较小的优势。但是，由于这种电机是有制结构，运 行可靠性差，需要经常维护，特别是有些易燃易爆的应用场合不能使用。 鉴于这三大调速系统各有其优缺点，那么能否找到一种新的调速系统，使其 既兼有l 述笼型转子和绕线转子感应电机的共同优点，同时又具有同步电动机调 速系统功率因数可调的优点呢? 在这种背景下，近几年来，从事电机领域研究的 华南理工大学硕士学位论文 国内外学者丌始把目光投向了无刷双馈电机( 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 ) 。无刷双馈电机爿；仅具有笼型转子异步电机结构简单的特点，而且具 有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性：既可同步又n ，异步运行，既可作 为交流调速电机，又可作为变速恒频发电机，可以在无刷的情况下实现双馈电。 无刷双馈电机在运行时所需要的变频器容量小，降低了系统的成本。作为发电机 可实现变速恒频发电，特别适用于风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再 生能源的开发、利用，因此无刷双馈电机的应用越来越受瞩目，作为一种新型电 机的研究也正在获得不断发展。 1 2 无刷双馈电机的发展历史和研究现状 1 2 1 无刷双馈电机的发展历史 一组摧一组鲤 图1 1 两台感应电机的串级连接 f i g 1 - 1s t r i n gc o n c a t e n a t i o no ft w oi n d u c t i o nm a c h i n e 无刷双馈电机源于两台感应电机的串级联接【2 1 3 】，b r o d w a y 【4 。8 1 曾为该种电机的 研究发展作出了卓越的贡献。感应电机串级运行是将两台绕线式异步电机同轴串 级连接而获得的一种运行方式( 如图1 一l 所示) 。这种方法首先在1 8 9 3 年由美困 的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，并 日i 一 - 以在一定范围内调速，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运 行性能，曾经有几次将其发展成单一机组串级电机的尝试。其中贡献最大的要数 h u n t 9 , 1 0 1 。h u n t 发明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论。这种电机 具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。 后来g r e e d y 对这种电机进行进一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组，使它 2 第一章绪论 u j 。以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够胜任需要可靠 性和坚固性的大力矩低速运行的工作中】，形成了无刷双馈电机的雏形。但是由 于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。而且也 由于电力电子器件发展的限制，该电机的发展一度停滞。 一卣到了2 0 世纪7 0 年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展，在 生产生活中发挥了越来越大的作用。但是调速系统的成本高昂，特别是其中的变 频器在总成本占较大比重。由于变频器的成本基本上与容量成正比，因此降低变 频器的容量具有很大的意义。同时使用变频器给电网带来了谐波污染，因此从确 保电网供电质量方面，也要求降低变频器的容量。由上分析，无论是从经济成本 出发还是从电网质量角度出发，都迫切需要具有控制简单且变频容量小的凋速系 统。山于无刷双馈电机在运行所需的变频器装置容量较小，占调速系统总功率较 小的一部分，而且通过调节控制绕组可以达到控制电机转速与功率因数的目的， 因此无刷双馈电机的研究重新引起人们的广泛兴趣【l ”。 上世纪7 0 年代，b r o a d w a y 用转子槽矢量图详细研究了自串级电机的笼型转 了或绕线式转予对定子两套不同极数绕组的“极数转换器”调制作用 4 - 5 ，奠定 了无刷双馈电机运行原理的分析基础。后来的研究者大多都沿用了这种分析方法 一一即无刷双馈电机是源于两台感应电机的串级联接，并据此分析无刷双馈电机 的运行原理。一些学者对该类电机进行了进一步的研究和完善，至上世纪8 0 年代 术9 0 年代初发展成为无刷双馈变频调速电机。随着无刷双馈电机双轴坐标数学模 型和i 司步坐标系数学模型的建立，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优 化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制，转子 磁场定向控制，直接转矩控制，模型参数白适应控制等。而电力电子器件和微处 理器d s p 技术的发展，又进一步促进了无刷双馈电机的发展。 1 2 2 无刷双馈电机的研究现状 近年来，对无刷双馈电机的研究主要集中在英美等国，而且基本形成两大流 派：其一是以a w a l l a c e 教授和r s p e e 教授为首的美国o r e g o n 州立大学以及以 w i l l i a m s o n 教授为首的英国剑桥大学，他们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电 机( b d f m ) ”。1 8 】；另一流派是以t a l i p o 教授为首的w i s c o n s i n 大学和以l x u 教授为首的o h i o 州立大学，他们重点研究磁阻转子结构的双励磁磁阻电机 1 “” 。 他们对无刷双馈电机的转子结构各持己见，对两种转子结构的无刷双馈电机的分 析方法有所差异，并且形成了两套不同的分析研究体系。 等效电路是对交流电机进行特性分析的一种有效工具和分析手段，而结构上 的巨大差异决定了传统的交流电机的等效电路不能再直接应用于无刷双馈电机， 华南理t 大学硕士学位论文 冈此，导出无刷双馈电机的等效电路和电磁转矩表达式对于进行该种电机的电磁 设计和性能计算具有十分重要的指导意义。lx u 和f l i a n g i 坶o q 从电机的基本方 程入手，借助坐标变换技术，分别导出了同步和双馈运行的无刷双馈磁阻电机在 d q 一0 坐标下的等效电路及其参数简化计算公式。r u q il i 等人则在文献【1 3 】中导m 了笼型转子无刷双馈电机的双轴模型一即在d - q 一0 坐标系中的d 轴和q 轴等效 电路及转矩计算公式。该等效电路由功率绕组、控制绕组和转子绕组三部分组成， 含有八个电路分支，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化提供了坚实 的基础。各种控制方法也丌始被应用于无刷双馈电机，如标量控制，转子磁场定 向控制，直接转矩控制，模型参数自适应控制等 2 7 - 3 0 。而电力电子器件和微处理 器的发展，如i g b t 、8 x c l 9 6 、d s p 等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展 ”。 但d q 一0 坐标下的等效电路也不够直观，使用起来也不够方便。因此，推导出无 刷双馈电机在实际的a b c 坐标下的基本电磁关系并导出等效电路及其参数的计 算公式，不仅为分析研究无刷双馈电机的参数和稳态运行特性提供了一种简便的 j f ：具，而且对于完善该种电机的设计手段、分析方法和仿真计算等都具有重要的 指导意义。文献3 2 提出了一种混合坐标模型，该模型将定子功率绕组和转予绕 组变换为静止坐标系下的咖0 系统，定子控制绕组采用静止a b c 三相系统，因此， 当控制绕组与变频器连接时，其接口变量可直接与变频器及有关的网络方程联立 求解，而不必经过坐标变换，且与变频器的连接方式及导通模式无关。该模型电 机的基本方程仅7 阶，从而大大减小计算工作量，为变频器一无刷双馈电机调速系 统仿真计算提供了有力的理论工具。 在近二十几年的时间中，美国的w i s c o n s i n 大学、o h i o 州立大学、o r e g o n 州 ：芷大学等高等学校和科研机构对无刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究 t3 - 2 6 , 3 3 - 3 4 ，其中，o h i o 州立大学对该种电机的研究还曾获得了9 1 年度美国国家 自然科学基金的资助【3 引。英国、日本和澳大利亚等国也在在对该种电机进行研究 3 6 - 4 6 。国内对无刷双馈电机研究起步较晚，9 0 年代以来，国内一些高等院校和科 研机构对该种电机进行了研究，取得了一些成果她，4 7 63 1 ，但总的来说，国内对无 刷双馈电机的研究尚处于基础研究研究阶段，还未推广应用到实际生产中，因此， 对该种电机的研究开发还有许许多多的工作要做。 帽刑+ 于理论方面的研究，无刷双馈电机的研制水平略显滞后。就所查阅的有 关文献来看，到目前为止，以美国o r e g o n 州立大学w a l l a c e 教授为首的研究小组 在文献6 4 1 中公布了一台5 h p 笼型转子无刷双馈电机样机的试验结果，并将台 4 5 k w 的实用样机应用于某废水处理厂1 6 ”。国内对无刷双馈电机样机的实验也正 处丁二起步阶段。 综上所述，研制较大功率的无刷双馈电机的实验样机，并从理论和实验两方 面来进行对比研究，对于推动该种电机的发展具有重要意义。 4 第一章绪论 1 3 无刷双馈电机的研究意义和应用前景 无刷双馈电机不但和笼型转予或磁阻型转子感应电机一样，取消了电刷和滑 环，提高了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，而且具有良好的起动与运行 性能，并可方便地实现异步，同步，双馈和变速恒频发电等多种运行方式。对该 种电机的研究和丌发可望有效解决制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关 键技术问题，以及水力，风力发电系统的恒频变速问题，因此，无刷双馈电机有 着广阔的应用前景，能够取得一定的经济效益和社会效益，对其进行深入的研究 具有十分重要的意义。 1 作为变频调速电机，当应用于大容量的电气传动系统时，由于变频器的容 量大大减小，无刷双馈电机可以大大降低调速系统的成本。 在许许多多的生产应用领域，如发电厂和钢铁企业中，水泵和通风机等负载 面广量大，如果采用交流变频调速装置替代阀门，挡板来调节流量，可获得很好 的节能效果。然而，不幸的是在风机泵类负载中采用普通的变频调速系统，尽管 可以起到良好的节能效果，但是存在的最大问题是变频器( 特别是大中容量的变 频器) 的价格太高，往往使大中型电机的变频调速变得可望不可及，有些观点认 为，大中硝电机采用变频调速后，一次性投资成本的利息比由节能所省下的钱还 要多。网此，如何降低所需变频器容量从而降低整个调速系统的成本成为在更大 范围内推广变频调速节能技术的关键所在【6 。 在变频调速系统中一般采用笼型感应电机，由于所需变频器的容量大于电机 的额定功率，而变频器的价格一般要高出同容量电机的3 4 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在更大范围内的推广应用。近些年 来，一些学者对绕线式感应电机转差频率控制系统一有刷双馈调速系统进行了 分析和研究 6 7 - 6 9 ，由于该类调速系统可以通过控制转差功率的转子电流来实现电 机的渊速，因此所需变频器的容量只是有定子绕组提供给系统的功率的一小部分。 在风机和泵类负载中，一般调速范围在7 0 1 0 0 额定转速之间，所需变频器 的功率很小，因此绕线式感应电机双馈凋速驱动系统与笼型电机的变频调速系统 相比只需一个较小的变频器，因而大大降低了变频器的容量和造价，减小了调速 系统的成本。但是，绕线式感应电机具有电刷和滑环，其运行的可靠性差，需要 经常维护，特别在某些易燃易爆和多灰的场合难以推广应用。 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，而变频器只需为定予控制绕组提供“转差功率”，不仅降低 了调速系统的成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性。 此外，无刷双馈变频调速系统与其他调速系统相比，具有以f 突出优点： 华南理上人学硕士学位论文 ( a ) 通过变频器的功枣仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的 容量，从而降低了调速系统的成本； ( b ) 功率因数可调，【u 以提高调速系统的力能指标： ( c ) 与有刷双馈和串调系统相比，取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠 性： ( d ) 即使在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状态 卜 ： ( e ) 电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关，而与负载 转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。 2 无刷双馈电机可以有效解决高压电机变频调速系统中存在的技术难题。 实现高压电机的变频调速一般有两种方法：种是采用高压变频器；另一种 是采用高一低一高变频方案。当采用高压直接变频时，由于需要采用多器件的串 并联，线路复杂，技术难度大，系统的可靠性较差，高压变频器的价格比同容量 的普通低压变频器要高得多，而且这种调速系统必须采用耐高压的g t o 或g t r ， 丌关频率不能过高，因此性能不够理想；当采用高一低一高变频方案时，需要先 用降压变压器把高压变为低压，经低压变频后，再用升压变压器升压，该方案的 优点是可采用普通的低压变频器，缺点是多了两台同容量的变压器，增加了调速 系统的成本。 如果采用无刷双馈电机的调速系统，功率绕组可以由高压电源供电，控制绕 组山普通的低压变频器供电，则高压电机变频调速系统存在的上述问题可以得到 有效的解决。 3 作为异步和同步通用的电机，无刷双馈电机可以实现无刷化和通用化。 目前应用于工农业生产中面大量广的交流电机主要是同步电机和感应电机， 由丁- 电机结构上的差异，同步电机和感应电机一般是不能兼用的，而它们各有自 己的优缺点。 同步电机和绕线式感应电机都采用电刷和滑环来实现转子绕组与外部电路的 连接，由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需要 定期维护和更换，增加了运行费用。此外滑动接触容易产生火花，从而限制了有 刷电机在含有易燃和易爆气体环境中的应用。普通笼型感应电机虽然结构简单， 但是它又不如绕线式转子感应电机的控制那样方便，也不如同步电机的运行性能 指标高。 因此，开发研制一种集各种电机优势，既无刷化( 坚固可靠) 又通用化( 能 实现多种运行方式) 的新型交流电机是电机的一个重要发展方向，也是当前我国 第一章绪论 电机制造业亟待解决的一项重大技术难题。目前在部分同步电机中采用的无刷励 磁虽然取消了滑环和电刷，但并未使电机结构得到简化，而是将励磁控制元件固 定在转子上随电机一起旋转，增加了电机结构的复杂性和制造成本，并未从根本 上解决电机的运行可靠性问题，凶为随转子一起高速旋转的电子元件和控制电路 增加_ 转子运行的不可靠因数。永磁电机虽然可以实现无刷化，但是t - 其励磁 不能凋节从而限制了它的应用范围。目前在国民经济各部门中大量应用的同步电 机和绕线式转子感应电机仍然采用有刷结构。而大中型异同步无刷通用交流电机 其有广阔的市场。 无刷双馈调速电机从根本上解决了无刷化问题。除了无刷可靠外，该类待机 的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。通过 简单的改变控制绕组的联接与馈电方式，可以方便地实现自起动、异步、同步和 蚁馈等多种运行方式，使其既具有良好的起动特性，又具有优良的运行性能。 4 无刷双馈电机作为变速恒频交流发电机，应用于水力或风力发电系统时， 可以大大提高发电系统的可靠性。 水力或风力发电机一般极数较多，特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了 很高的要求。近年来，将绕线式转子感应电机用于交流励磁发电机的研究工作已 引起国内外众多学者研究兴趣，取得了许多研究成果并已成功地应用于生产实际 7 0 - 7 2 1 。但绕线式感应发电机具有电刷和滑环，可靠性差是其致命的弱点。 无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适合 于多极低速水力或风力发电系统 3 5 】。无刷双馈电机的功率绕组用于发电，控制绕 组用作交流励磁，根据原动机的转速变化调节励磁电流的频率便可实现变速恒频 发电，通过改变励磁电流的幅值和相位可以实现无功调节。因此在水力和风力变 速恒频发电系统中，无刷双馈电机具有。阔的应用前景【7 。”j 。 在我国，已经将“交流励磁变速发电机的研究”列为三峡工程水力发电机组 技术急需进一步研究的几项关键技术的首位。有理由相信，在对无刷双馈电机的 研究取得重大进展和突破以后，将其用于抽水蓄能电站机组以取代绕线式感应电 机，从而提高电机的运行可靠性，也是无刷双馈电机一个很有发展前景的应用领 域州。 上述应用展示了无刷双馈电机广阔的应用前景。但是，任何事物都具有两面 性，无刷双馈电机也有其固有的缺陷。由于该种电机的定子内同时嵌有两套对称 的i 相绕组，因此，与常规的交流电机相比，其功率密度较低，体积较大。但与 串级联接的两台感应电机相比，体积要小得多。在无刷双馈调速系统中，虽然电 机的成本稍高些，但所需变频器容量和价格的下降，仍能使整个系统的成本大 大降低。 7 华南理【人学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文是在广东省自然科学基金项目( 3 1 3 8 4 ) 、湖南省自然科学基金项目 ( 0 1 j j y 2 0 4 7 ) 和华南理工大学高水平建设资助项目( b 0 5 3 1 8 ) 的支持f ，以笼 型无刷双馈电机及其调速系统为研究对象。 由上述分析可知，尽管困内外学者对无刷双馈调速电机做了许多研究工作， 但仍有许多理论和技术问题，特别是控制策略方面的问题需要解决。本文结合国 内外的有关文献，对无刷双馈电机进行建模和仿真，并对无刷双馈电机的控制策 略等进行了研究，取得了一些创新性的研究成果。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 介绍无刷双馈电机的定转子结构、工作原理、运行方式以及双轴坐标、混 合雀标等数学模型。 2 无刷双馈电机的双轴坐标数学模型为电机的进一步仿真研究提供了方便。 本文利用该数学模型，对无刷双馈电机各种运行方式进行仿真研究，并建立了 s p w m 电压型逆变器供电的无刷双馈电机调速系统的数字仿真模型，对其进行了 动态性能的仿真：同时在此基础上，研究了软起动对电机起动性能的改善作用。 3 研究了专家自适应p 1 d 控制器在无刷双馈电机调速系统中的应用，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 工具建立了无刷双馈电机专家自适应p i d 控制系统仿真模型， 在起动和动态情况下进行仿真实验。结果表明，与开环状态相比，该控制器大大 提高了无刷双馈电机调速系统的静态和动态性能，使得电机在转速或者负载发生 改变时超调量减小，且转速更快重新趋于稳定，是一种控制思想简单、硬件实现 方便的闭环控制调节方案。 一蔓三兰重型翌堡生塑塑竺塑兰兰! ! 垦堡 第二章无刷双馈电机的结构与运行原理 2 1 无刷双馈电机的结构 为了了解无刷双馈电机的工作原理，下面先简单介绍一卜 该种电机的定转子 结构。 无刷双馈电机的基本结构如图2 一l 所示，定子侧有两套绕组，分别为功率绕 组和控制绕组。转子侧是特殊的结构，有两种形式：鼠笼式和磁阻式。 f a ) 定子绕组 1 ! ! ! ： ， ( b ) 转子绕组 图2 1 无刷双馈电机结构示意图 f i g2 - 1c o n f i g u r a t i o ns k e t c ho fb d f m 无刷双馈电机基于“磁场调制”的原理运行，所以电机的定转子绕组结构与 传统的交流电机有较大的差异。如图2 2 所示，电机的两套定子绕组之间没有直接 耦合，而是分别和转子绕组进行直接耦合。为了使定转子之间能更好的耦合使能 量得到有效的传递，在产生两种不同极对数的磁场时，定子两套绕组的排列应尽 可能使所需磁场接近正弦波，并消除其他谐波；转子绕组结构也需满足极数调制 的要求，并加强与定子绕组的磁耦合。因此，转子绕组建立的磁场主要分量应该 与定子绕组产生的两种基波磁场极数相同，这是无刷双馈电机绕组设计所要追求 的目标。 无刷双馈电机转子有两种结构形式，一种是磁阻式转子结构，孩种转子结构 形式简单，转子一共形成p ，( p ，= p 。+ 只，其中p 。为定子功率绕组的极对数，p 。 为定子控制绕组的极对数) 个凸极磁阻磁极，定转子之间气隙为非均匀气隙；另 - 。种是笼型绕组结构形式，定转子之间气隙为均匀气隙，该种转子绕组也是一共 形成p ，组同心式线圈结构，绕组端部可以采用各回路独立的连接形式，也可以采 用公共笼条连接形式。 9 华南理工大学硕+ 学位论文 功率绕组控制绕组 图2 2 无刷双馈电机定转子绕组之间耦合示意图 f i g2 - 2t h ec o u p l i n gb e t w e e ns t a t o rw i n d i n g sa n dr o t o rw i n d i n g s 无刷双馈电机的定子可采用一套或两套绕组。当定子功率绕组和控制绕组采 用两套独立的绕组时，采用各自的分布和短距绕组，可以使两套绕组均具有较高 的绕组系数，可以有目的地消除某些谐波的影响，使绕组设计具有较大的选择余 地。因此，绕组的设计具有很大的灵活性，这是无刷双馈电机在定子绕组设计中 最为简单的。+ 种方法。但是，采用该类绕组方案时，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的降低。而当定子功率绕组和控 制绕组采用一套绕组时，可以大大提高电机槽的利用率，从而大大提高了电机有 效材料的利用率。但是，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，特别是要求该套绕组在连接成功率绕组和连接成控制绕组时要保持各并联支 路均具有相同的电势，从而限制了绕组设计的灵活性，另外，绕组节距的选取也 要受到限制。文献7 7 介绍了功率绕组与控制绕组的极比为3 ：1 时的一套定子绕组 的连接应电势方式，但是，该绕组在接成控制极时每相并联的三个线圈组具有4 0 。 的相位差，因此会产生环流。 2 1 1 定子结构 无刷双馈电机的定子铁心与普通交流电机基本相同，研制时其结构尺寸可以 按照一般异步电机的设计方法来设计，以降低制造成本。但是定子绕组的连接却 有很大的不同。 1 0 第二章无刷双馈电机的结构与运行原理 无刷双馈电机调速系统一个特点就是能够降低调速用的变频器的容量，这只 有将极数较少的绕组接至电网爿能实现。 无刷双馈电机的定子绕组般有两种型式。一种是单绕组型式，一种是双绕 组型式。单绕组型式即是从单一的定子绕组中引出两个端1 ：3 ( 如3 y ) ，从不同端 口看进去时，绕组应呈现不同的极数2 匕和2 p 。这样单一的定子绕组同时起到了 主、副绕组的作用。两种不同频率的电流同时流入不同的端口时，在电机内形成 不同极数、不同转速的旋转磁场。设计的单定子绕组对于2 n 极和2 只极必须是各 自对称的，使两种电流“互不干扰”，严格禁止功率绕组和控制绕组间有直接功 率传递。由于单绕组可以提高槽空问的利用率，增加导体截面积，减少了铜耗， 减少了漏抗，因此无刷双馈电机有较高的效率和堵转力矩。但如绕组设计不当， 会出现较多的空间谐波。 当无刷双馈电机采用单绕组型式时，为了使一套定子绕组采用两套电源馈电 时产生两种不同极对数磁场并保持两磁场激励源互相独立，定子绕组的构成需作 山特别的安排。这种情况下，定子绕组有6 个出线端，当其中的3 个出线头与恒频 恒压的工频电源相连时，在气隙中产生极数为2 只( 功率绕组的极数) 的基波磁 势；当另外的3 个出线头与变频变压的变频电源相连时，在气隙中产生极数为2 p ( 控制绕组的极数) 的基波磁势。功率绕组的控制绕组同时供电时，该定子绕组 中将产生两个独立的不同极数的旋转磁场，为使两个电源互不干扰，p 。极对旋转 磁场在定子绕组中产生的感应电势，应在p 。极对绕组的3 个出线端( 即控制端口) 间无电势差，当控制端口通电时，在工频电源端口不会引起变频电源的附加电流； 同理要求p 。极对旋转磁场在定子绕组中的感应电势，也应在匕极对绕组的出线端 间无电势差，一i 引起变频电源的附加电流。此外，绕组在选择线圈节距和线圈组 排列时，须同时兼顾两种极对数下削弱有害谐波的要求。按此原则设计无刷双馈 电机定子绕组，可达到2 个电源彼此独立，且无电功率的直接传递，同时又能准确 控制无刷双馈电机转速的目的。功率绕组和控制绕组极对数( 和一) 的确定与 无刷双馈电机调速范围、变频装置的额定容量、电机的运行特性等有密切的关系。 同时由于无刷双馈电机正常运行时，电机中存在2 个彼此独立、不同极对数的定子 旋转磁场，因此当r 与尸c 配合不当时，将会在电机中产生不平衡磁拉力，引起电 机的振动和噪声，影响电机的转矩特性。 采用单绕组的好处是定子槽和绕组的利用率高，铜损耗相对小些，但设讣困 难，不易得到功率绕组、控制绕组两全其美的方案。双绕组方案虽然槽利用率低 些，降低材料的利用率及电机效率，但设计容易，便于获得功率绕组、控制绕组 之间较理想的耦合关系，会给定子绕组设计带来较大的灵活性。对于远极比的无 刷双馈电机，由于两种极数绕组参数相差过大，采用单绕组方案比较困难，这时 可采用双绕组设计方案，即极数分别为2 凡和2 r 的两套独立三相对称绕组，这时 华南理工大学硕士学位论文 两种极数的绕组皆能得到较充分的利用。当采用双绕组方案时，为了避免三次谐 波磁场在定子绕组中产生环流，一般多采用y 型接法。 a a a b c a ) “3 y 3 y ”接法 a a b b c c b ) “4 y 3 y ”接法 图2 - 3 单套定子绕组的连接方法 f i g2 - 3t h ec o n n e c t i o nm o d ef o ro n es e ts t a t o rw i n d i n g so fb d f m a b c 根据以上分析，较为理想的功率，控制绕组的连接方式可为“3 y 3 y ”和“4 y 3 y ” 两种接线方式。这两种接线方式分别如图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 所示。在图2 2 中，a 、b 、c 接电源时产生2 只极基波旋转磁场，a 、b 、c 接电源时产生2 c 极基 波旋转磁场。图2 3 ( a ) 中，绕组分为9 个线圈组，图2 3 ( b ) 中，绕组分为1 2 个线圈组。 2 1 2 转子结构 在无刷双馈电机中，转子采用自行闭合的环路结构。当这两套定子绕组同时 供电时，会在气隙中产生出两种不同极对数的磁场，它们同时环链转子，经作为 调制波的转子磁场对某一个定子磁场进行调制后，可得到与另一定子磁场具有相 同极对数的磁场，并与其保持相对静止，以实现能量转换。由于无刷双馈电机是 通过不同对极数磁场之间的极变换发生耦合，既要提升有用谐波磁场来产生转矩 做功，又要削弱无用谐波磁场及其影响。这使无刷双馈电机转子的结构对电机性 能方而会有决定性的影响。 2 第二章无刷烈馈电机的结构与运行原理 图2 - 4 转子结构示意幽 f i g2 - 4t h er o t o r ss t r u c t u r eo fb d f m 在早期的工作中，h u n t 设计的单转子绕组是基于两套合适极数的