（电力系统及其自动化专业论文）无刷双馈电机直接转矩控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 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 ) h a ss i m p l es t r u c t u r e ，d e p e n d a b l ef a s t n e s s ， a n dc a i lo p e r a t o r si ns y n c h r o n o u sm o d ea n d a s y n c h r o n o u sm o d e s oi tt a k e si t sa d v a n t a g e s i nt h el a r g e - s i z e ds p e e da j u s t m e n ts y s t e m ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c ha r es u i t a b l ef o r i n d u c t i o nm o t o ra l lc o u l db eu s e dt oc o n t r o lt h eb r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e d i r e c t t o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yh a sn e w l yd e v e l o p e df r o mt h em i d d l eo f8 0 so fl a s tc e n t u r y ，a n d t h et e c h n o l o g yh a st h ep e r f o r m a n c e so fe a s yc o n t r o la l g o r i t h m ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n d s u f f e r sl e s sf r o mm o t o rp a r a m e t e r sp e r t u b a t i o n i ti sah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lm e t h o d a f t e rv e c t o rc o n t r o li ni n d u c t i o nm o t o r , a n dm o r e o v e ri tt e n d st os u r p a s st h ev e c t o rc o n t r o l i nf u t u r e f i r s t l yt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr u n n i n gm e t h o da sw e l la st h ep o w e rf l o wd i r e c t i o no ft h eb r u s h l e s s d o u b l y f e dm a c h i n ea r es t u d i e di nt h i st h e s i st od e d u c ei t sm a t h e m a t i c a lm o d e l b yu s i n g m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n ei sc o n s t r u c t e db a s e d o nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb d f mi nd - qc o o r d i n a t es y s t e ma n dm o t o rp a r a m e t e r s ，a n dt h eo p e n - l o o p c h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e nb a s e do i ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d so fi n d u c t i o n m o t o ra n dc o m b i n e dw i t has e to fs t a t o rw i n d i n go fb d f m ，ad i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fb d f mi s b u i l t , s e c o n d l y ，w i t hb a s i so na n a l y s i st oa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sm a g n e t i c c h a i no b s e r v i n gm o d e l s ，t h ef l u e o b s e r v i n gm e t h o do fm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ea n d m a g n e t i cc h a i na r ep r o p o s e df o rs i m u l a t i o na n dt h eb a s i cc o n s t r u c t i o na n dd e s i g np l a no f m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d ，f r o mw h i c ht h em a g n e t i cc h a i no b s e r v i n g p r o c e s si sd e d u c e d , a n di tc o n t r i b u t e st od e v e l o p m e n to fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m a t t h es a m ew h i l e ，c o m b i n e dw i t hf e a t u r e so fm o t o ra n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a c c o r d i n gt o e s t i m a t i n g t h ei n c r e m e n to fe l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e ，an e we l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e e s t i m a t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fp r o g r a ma b o v e m e n t i o n e d a n db u i l du pt h es p e e da 由u s t m e n ts y s t e mo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n ef o rs i m u l a t i o n , t h ec l o s e d l o o pc h a r a c t e r i s t i ci ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i st h e s i s k e y w o r d ：b d f m ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e ；t o r q u ee s t i m a t i n g s y s t e r n 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授杈书。 ( 请在以上方框内打“1 j ”) 学位论文作者繇弛洛 同期：芝d o ，、 指导老师签名： 同期：2 矽f 秒6 、乙 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、简述了无刷双馈电机的发展历史和研究意义，介绍了无刷双馈电机的结构、工 作原理、各种运行方式以及不同运行方式下的功率流向，为电机的控制提供了理论依 据。详细推导了无刷双馈电机的d q 坐标系的数学模型并在m a t l a b s i m u l i n k 里建立无 刷双馈电机的仿真模型，进行了开环情况下的异步自起动运行、同步运行、双馈调速 运行，验证了无刷双馈电机数学模型的适用性和理论分析一致性。 2 、基于异步电机直接转矩控制方法的研究提出基于一套定子绕组的无刷双馈电机 的直接转矩控制方法，在分析多种磁链观测模型的优缺点的基础上，提出了模型参考 自适应磁链观测方法，介绍了模型参考自适应控制器的基本结构和设计方法，推导其 磁链观测过程，对无刷双馈电机的直接转矩控制系统进行改进。 3 、结合无刷双馈电机的本身的特性和直接转矩控制的特点，运用了一种不同于传 统转矩估算的方法，通过估算转矩的变化量来估算转矩，建立转矩观测器的仿真模型， 同时搭建了无刷双馈电机直接转矩控制系统的其他各个仿真模块，对整个系统进行闭 环特性仿真验证，并对仿真结果进行了分析。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者黧涨亳。冬 日期：。9 - o p 多、8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 在全球经济高速发展过程中，能源和环境是两条显著的相互交织的主线。其中能 源产业不仅对发达国家产生着深远的影响，也是制约发展中国家能否实现经济快速发 展的一个重要因素。因此，对能源的有效利用在我国已经迫在眉睫，电气传动系统作 为能源体系的一个重要的组成部分，在节能方面大有潜力可掘。 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与逐步完善，交流电机的变频调速技术获得了 极大的发展，广泛应用在科研、生产等各个领域。为了适合各种应用场合，人们开发 了各种不同结构的交流电机，构成的交流调速系统就具有各自的特点。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不高的领 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；笼型转子感应电机结构简单、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子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，就构成了双馈电机变频调速系统，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的电磁转矩脉动较大，振动与噪声较严 重。对比上述各种电机调速的特点，能实现无刷化和通用化的新型交流电机成为的一 个重要发展方向。近年来，无刷双馈电机以其自身优点引起国内者的广泛关注。它结 构坚固、运行可靠，可以实现异步、同步、双馈运行和发电运行，在大功率的变频调 速和变速恒频控制系统中，具有广泛的应用前景【1 。2 1 。 1 2 国内外无刷双馈电机的发展历史及研究现状 1 2 1 无刷双馈电机的发展历史 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 ) 是由串级感应电机发 展而来的，串级感应电机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1 3 卅：这种方法首先由美国的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 发现。由于采用这种方法可 以获得低速运行，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，h u n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和c r e e d y 等人对单一机组串级电机进行了较深入的研究，并取得了重大成果。h u n t 发明的串级电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有个共 同的磁路。后来c r e e d y 对这种电机进行了进一步的改进，设计了合理的定、转子绕 组，使它可以在串电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够适用于 大转矩低速运行的场合。但是由于定、转子绕组极数配合和转子结构设计上的种种限 制，该电机未能进入实用。同时也由于当时电力电子器件和控制技术的限制，该电机 的发展一度停滞1 5 刁j 。 上世纪7 0 年代后期，交流电机的变频调速技术获得高速发展。但是调速系统的 成本高昂，其中变频器在总成本占交大比重。从经济成本上考虑迫切需要具有控制简 单且容量小的调速系统，由于无刷双馈电机在运行时所需的变频器装置容量较小，且 通过调节控制绕组电流就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 机的研究重新得到重视 8 0 1 2 j 。 功率电机 控制电机 图卜1 级联式无刷双馈电机的结构 基于上述原因，h u n t 和b r o a d w a y 等学者在级联式无刷双馈机组如图卜1 的基础 上简化了转子绕组，并使得定、转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自串级无刷 双馈异步电机理论向前推进了一大步。后来b r o a d w a y 又将相调制理论应用到极变换 绕组中，从而使得定子绕组对称化，简化了定子绕组，使之可以通过对普通双层绕组 经过适当的连接来得到，这为无刷双馈电机进入实用铺平了道路。另外，电力电子器 件和微处理器的快速发展又进一步促进了无刷双馈电机的发展。 1 2 2 无刷双馈电机及其控制方式的研究现状 目前，国外对无刷双馈电机的研究已从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立 比较准确实用的数学模型，开始寻找适于无刷双馈电机的控制方法，从而促进它进入 实用化的阶段。美国、英国、日本和澳大利亚等国相继展开了对该种电机及其系统的 研究，其中以美国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 州立大学、澳大利亚a a l b o r g 大学为代表的高等院校和科研机构对无刷双馈电机进行了较为深入的研究。国内对无 刷双馈电机的研究起步较晚，沈阳工业大学自2 0 世纪8 0 年代末最早开始了这方面的 研究，建立比较准确的数学模型，对电机各种运行方式进行了仿真分析，并研制出样 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 机，进行了双馈运行和发电运行实验，得到了理论分析和实际运行下的大量数据，为 以后的研究工作奠定了基础。国内其他一些高校和科研院所如浙江大学、西安交通大 学、华南理工大学、重庆大学、湖南大学、中国矿业大学等近年来也在着手无刷双馈 电机的研究工作，取得了一定的成就 1 3 - 1 5 】。 ( 一) 无刷双馈电机本体的研究与设计 无刷双馈电机的结构设计与传统异步电机一样，有主要尺寸的确定、电机参数的 选择、参数计算、损耗计算与性能计算。近十年来，国内学者对无刷双馈电机的设计 进行了大量研究，其中包括电机主要尺寸的确定和电磁负荷的选取，讨论研究包括定、 转子绕组结构设计的特点和原则。 ( 1 ) 定子绕组的研究和设计 无刷双馈电机在工作时，两个定子绕组都需要加励磁电压，并在电机磁路中产生 两个不同的磁场。它们只能通过转子来间接耦合，即在定子绕组中不相互耦合。对于 不同的转子结构，定子绕组结构可以完全相同。为了满足上述定子磁场的要求，需要 对定子绕组进行特殊的设计 16 1 。不少学者分别对单绕组和双绕组的连接方式进行研究 和设计。 ( 2 ) 转子结构的研究和设计 自b r o a d w a y 设计出具有笼型结构的转子并且分析出“转子磁场极数自动转换”作 用机理后，又有许多学者提出了不少新的转子结构，主要分为笼型和磁阻结构。 ( 二) 无刷双馈电机等效电路模型的研究 等效电路是对电机特性进行分析的有效工具。无刷双馈电机是定子双绕组同时加 励磁，并且磁场是通过转子极数转换后间接耦合的，因此其等效电路与普通的交流电 机有很大的不同。不少学者从电机的基本电磁分析入手，推导出无刷双馈电机在不同 运行方式下的电压方程和相应的稳态等效电路模型。为电机的特性研究提供了有力的 理论依据。通过分析不同参数对电机性能的影响，利用等效电路模型对无刷双馈电机 的特性进行了较深入的研究，并且取得了不少成剽1 7 】，为电机的优化设计提供了理论 支持。 ( 三) 无刷双馈电机控制策略的研究 无刷双馈电机动态数学模型的建立，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能的优 化设计提供了坚实的基础。适用于异步电机的各种控制理论和方法都被应用于无刷双 馈电机，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参考自适应控制等等。 ( 1 ) 标量控制【l8 1 。该方法利用无刷双馈电机的稳态等效电路模型和电压方程， 控制算法比较简单，对微处理器的性能要求不高。该方法可以在一定程度上提高电机 的功率因数、速度稳定性等指标，但其动态性能指标较低。 ( 2 ) 直接转矩控制【l9 1 。该控制是直接在定子坐标系上计算磁通和转矩的大小， 并通过磁通和转矩的直接跟踪实现p w m 控制。在直接转矩控制基础上的模型参数自 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 适应控制策略，使无刷双馈电机对负载及电机参数的变化不敏感，能够达到较好的动 态和静态特性。但是直接转矩控制的计算量较大，需要采用高速的微处理器，因而成 本较高。 ( 3 ) 矢量控制。在无刷双馈电机的同步坐标模型基础上，采用与普通感应电机 类似的矢量控制方法，实现对电机转矩、无功功率和有功功率的有效控制。该方法目 前在国内多为仿真研究阶段，只是对无刷双馈电机转子磁链定向矢量控制策略进行了 相关的仿真研究，仅仅从理论上证明了控制策略的有效性。国外有学者，将矢量控制 方法应用在实验样机控制中，取得了较好的动态效果【2 0 1 。 ( 4 ) 模糊控制方法【2 1 1 。该方法是将模糊控制理论应用于无刷双馈电机的动态和 静态特性控制中。主要针对转子磁场定向控制、功率控制等控制策略的不足，设计相 应的模糊功率因数控制方法，确立相应的模糊控制规则，对功率绕组的功率因数控制 进行仿真研究。该控制比较简单，硬件实现方便。 总之，无刷双馈电机作为一种新型电机，由于它可以在无刷的情况下实现双馈， 速度及功率因数均可调节，既可同步运行又可异步运行，且变流装置只需处理滑差功 率，装罨容量比电机容量小得多，因此在大容量调速系统和变速恒频发电系统中将会 获得广泛的应用。 1 3 课题研究的现实意义及其内容结构 、 1 3 1 课题研究的现实意义 研发性价比优良的新型交流调速系统是当今电机及自动控制领域的热门课题，随 着变频调速技术的发展，矢量控制，直接转矩控制，模糊控制等一些控制方法应用于 感应电机的控制已经相当成熟，但存在两个问题 1 2 】：一是调速系统的成本高昂，其中， 变频器成本所占比重较大，变频器的成本基本上与容量成正比。二是变频器给电网带 来了谐波污染。因此从经济成本和电网质量角度出发，迫切需要具有控制简单且变频 容量小的调速系统。由于无刷双馈电机在运行时所需的变频器装置容量较小( 只占调 速系统总功率较小的一部分) ，而且通过调节控制绕组就可以达到控制电机转速与功 率因数的目的，因此采用无刷双馈电机构成的变频调速系统基本上可以解决成本和谐 波污染问题【2 2 | 。 无刷双馈变频调速系统与其他调速系统相比，具有以下突出优点【2 3 】： ( 1 ) 通过变频器的功率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； ( 2 ) 功率因数可调，可以提高调速系统的性能指标； ( 3 ) 取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性； ( 4 ) 即使变频器发生故障的情况，电动机仍然可以运行于感应电动机状态下； ( 5 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。 总之，无刷双馈电机具有如此多的优势，研究和发展无刷双馈电机将会有很大的 发展空间，选择此课题的目的是进一步研究这种新型电机，并采用一种改进的直接转 矩控制方法来对无刷双馈电机进行控制研究，使它的优势能够最大地发挥出来，能够 应用于生活的各个领域，达到节约能源的目的。 1 3 2 本文内容的结构安排 第一章、首先对交流调速技术的现状和发展做了概述，综合比较各种电机及其 调速系统的优缺点后，进而引入无刷双馈电机，其中对无刷双馈电机的机体结构和控 制方式的发展与研究做了较为详细的阐述。最后对本文的内容结构安排给予说明。 第二章、介绍无刷双馈电机的基本原理、各种运行方式，详细推导电机的稳态 方程，介绍不同运行方式下的功率流动，为电机模型搭建提供了理论依据。 第三章、介绍无刷双馈电机的三种数学模型，重点推导无刷双馈电机转子速d - q 坐标系的数学模型，以该模型为基础，在m a t l a b s i m u l i n k 里，建立无刷双馈电机的仿 真模型，并进行在开环情况下的各种运行方式的仿真，通过对仿真结果的分析，验证 无刷双馈电机数学模型适用性和理论的正确性。 第四章、阐述直接转矩控制原理和基本概念，构建无刷双馈电机的直接转矩控 制系统。在分析多种磁链观测模型的优缺点的基础上，提出模型参考自适应磁链观测 方法，介绍模型参考自适应控制器的基本结构和设计方法，推导其磁链观测过程，进 而建立基于模型参考自适应控制的直接转矩控制系统。 第五章、结合无刷双馈电机的本身的特性和直接转矩控制的特点，运用一种不同 于传统转矩估算的方法，通过定子绕组电压来估算转矩的变化量，进行积分以估算出 转矩，在此基础上建立转矩观测器的仿真模型，同时搭建无刷双馈电机直接转矩控制 系统的其他各个仿真模块，对整个系统进行闭环特性仿真验证，并对仿真结果进行了 分析。最后对全文进行了总结 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章无刷双馈电机的基本理论及特性分析 2 1 无刷双馈电机的磁场调制原理 无刷双馈调速系统的整体结构如图2 - 1 所利2 4 1 。 u v w 极对数p p 图2 - 1 无刷双馈电机调速系统的整体结构 无刷双馈电机的基本结构与普通感应电机相似，但又区别于普通的感应电机，它 是由一个定子，一个转子，一套公共磁路构成，定子上装有两套不同极数的三相对称 绕组，一套为功率绕组，接至工频电源，另一套为控制绕组，接至变频器。通过对功 率绕组和控制绕组单独馈电而工作，因而是一种双馈电机，由于同时取消了电刷和滑 环，所以叫做无刷双馈电机。两套绕组磁场相互正交，没有直接耦合关系，通过“极 调制”机理，以特殊结构的转子为中介实现两种不同极对数、不同转速的磁场耦合， 并完成能量的传递1 2 5 | 。 根据电磁理论，无刷双馈电机依靠转子绕组的特殊结构进行磁场调制。无刷双馈 电机运行时，定子两套绕组产生极对数分别为只和p 的基波磁场，通过气隙使转子绕 组产生感应电流，这时转子绕组也产生了只和e 的磁场，功率绕组只对极基波磁场在 转子内感应出p 对极磁场与控制绕组只对极基波磁场相互作用，控制绕组e 对极基波 磁场在转子内感应出只对极磁场与控制绕组只对极基波磁场相互作用，实现了两套不 同极对数绕组磁场的耦合，从而实现了机电能量的传递。无刷双馈电机的控制在控制 绕组这一侧，同时功率绕组的频率基本不变，因此只要改变控制绕组变频器的输出频 率，就可以方便而精确的调节电机转速。稳态运行时，电机转速的关系式为： 6 0 ( f p 丘)，、 仃，2 = - = 一l z 。l ， 只+ 、 。 当f 前取正号时，表示控制绕组的三相电源相序与功率绕组的三相电源相序相同， 称为“和调制”；f 前取负号时，表示两个绕组外加电源相序相反，称为“差调制”。 通过上述电机稳态转速公式可以看出，通过调节控制绕组的频率疋，可以很方便地调 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 节电机转速。当f - - 0 时，电机的转速为自然同步转速；低于自然同步转速时，称为 亚同步调速；高于自然同步转速时，称为超同步调速【2 引。 因此按照一定的控制策略，通过调节控制绕组电源的频率可实现对电机转速的控 制和功率调节，并且可以采用较小容量的变频装置来控制较大功率容量的电机，同时 也使得无刷双馈电机能在亚同步速至超同步速的较大范围内平滑调速，达到经济节能 的目的。 2 。2 无刷双馈电机的运行方式 无刷双馈电机是由两台同轴级联的调速电机发展而来，其运行情况相当于一台 2 ( p 。+ p 。) 极绕线式转子感应电机。虽然是无刷结构，但仍可像绕线型感应电机一样， 通过绕组串接电阻改善起动特性( 降低起动电流和增大起动转矩) ，具有良好的自起动 能力，可以实现异步运行，同步运行和双馈运行等多种电动机运行方式2 7 伪】。 2 2 1 无刷双馈电机的异步运行 无刷双馈电机的异步运行与两台电机级联的异步电机相似，只是用一套定、转子 替代了两个级联的定、转子，这套定、转子磁场共用一个磁路。 无刷双馈电机异步运行时，功率绕组接到工频电源上，控制绕组通过滑动变阻器 短接，这样调节电阻的大小就可以在一定的范围内调节电机的转矩一转速特性。如果控 制绕组接整流器，可以实现滑差功率的回收。无刷双馈电机与传统的绕线式感应电机 相比，没有电刷，能够很方便的维护，适用范围进一步扩大。无刷双馈电机异步运行 时具有如下的特点【3 0 】： ( 1 ) 定子绕组在接到三相电源时必须产生一个2 p ，极的旋转磁场，并且必须提 供一个由2 p ，极磁场感应的电动势的短接回路，这个回路可以在绕组内部短接也可以通 过电阻在外部短接。当外接电阻或整流器时，定子绕组必须至少有6 个抽头。其连接 示意图如图2 2 所示。 a b c 图2 - 2 无刷双馈电机串联电阻的调速 ( 2 ) 转子绕组必须由串联连接的2 p p 极绕组和2 p 。极绕组组成，并且将二者短接。 前面的推导表明，在低速运行时，二者必须具有相反的相序，也就是说，两绕组必须 产生方向相反的旋转磁场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 2 无刷双馈电机的同步运行 同步运行方式是无刷双馈电机特有的运行方式，在同步运行方式下，定子侧功率 绕组直接接到工频电源上，对控制绕组加直流励磁，而控制绕组通过变频器连接到电 源上，接线如图2 3 所示。 u 矿 酽 图2 3 无刷双馈电机i 司步运行接线图 当异步起动完成以后，电机转速接近于自然同步转速，这时将控制绕组由短接状态 迅速切换到直流励磁状态，电机将从异步运行方式过渡到同步运行方式，并且稳定地 运行在自然同步转速，通过改变控制绕组励磁电流的大小，可以改变功率绕组中电流 的无功分量，调节电机的功率因数，无刷双馈电机同步运行方式相当于2 ( p ，+ p ，) 极 的同步电机。由于励磁绕组放在定子上，从而实现了无刷励磁。 2 2 3 无刷双馈电机的双馈运行 无刷双馈电机在双馈调速运行时，功率绕组接工频电源，控制绕组由变频器提供 一定频率，通过改变控制绕组频率疋以及功率绕组和控制绕组的相序，可以实现电机的 超同步速和亚同步速运行，使电机转速高于或低于同步速1 1 。= 6 0 f p ( p p + 见) 。与绕线 型感应电机的串级调速相比，省去了滑环电刷，运行更加可靠方便3 1 1 。 根据电机的基本理论可知，功率绕组和控制绕组在转子中感应的电流频率分别为： q ，= 一所僻 ( 2 2 ) = + - t o c + 见嘭 ( 2 3 ) 式中，t o p = 2 ；r t f p p j p ，皱= 2 ；r f 。p 。分别为功率绕组、控制绕组的磁场旋转角速 度，以为转子旋转角速度。 2 3 无刷双馈电机的稳态方程 定子绕组全部采用电动机惯例，假设k 、k 、厶、m 、m 。为功率绕组、控制 绕组和转子绕组的自感和互感矩阵，、名、r 为定子绕组、转子绕组的相电阻矩阵， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 0 、t 、和“印、“卵、“，分别为功率绕组、控制绕组和转子绕组的电压和电流，乞 为转子等效匝数与控制绕组等效匝数之比；七。为功率绕组等效匝数与转子绕组等效匝 数之比 3 2 1 。 ( 1 ) 功率绕组基本方程：当电机运行时，转子正转磁场在功率绕组感应的互感和自感 电动势分别为： = 一岛生d t= 一m 鲁 ( 2 4 ) “即= 乞t + e + 巨。( 2 5 ) 其中： k = 蜂+ 乙- ( 2 - 6 ) 则功率绕组的电势平衡方程为： “卵= t + 五+ e 。( 2 7 ) 即： = 名岛+ 瓦d i r + k 鲁 ( 2 - 8 ) 功率绕组等效申路如2 4 图所示： e 盯 图2 _ 4 功率绕组等效电路 ( 2 ) 控制绕组基本方程 转子绕组的反转磁场在控制绕组中感应的互感和自感电动势分别为： k m ，e 虻吐c 等 其中： k ：孥+ 丘。 庀 则控制绕组的电势平衡方程为： u s c = r i s c + e 了七es c 即 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 驴噍一m 。鲁+ k 鲁 控制绕组的等效电路如2 - 5 图所示 图2 - 5 控制绕组的等效电路 ( 3 ) 转子绕组基本方程 定子两个绕组的电流在转子绕组中感应的互感电势分别为： 印一m 。等 转子绕组的自感电势为： e 一m ，等 l r ：垒；巴+ l n + k c m q 疗4 绕子绕组的自感电势为： 其中： 绕子绕组的电势平衡方程为： 0 = r a e r e 。+ e 甲 即： 。= 啊+ 鲁一鲁+ 以警 转子绕组等效电路如2 - 6 图所示 图2 - 6 转子绕组等效电路 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 生以 嵋 0一 一 生 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 据以上分析，无刷双馈电机运行时的基本方程如下： 对其求导后，可得： 驴。鹄，鲁+ k 鲁 = 屯一心鲁+ k 鲁( 2 - 1 9 ) 吨f r + t 鲁一鲁啦鲁 u s p = 0 p + j p l o i i p 七j p m ”i r u 0 = ( 名+ j o g 。l , c ) k j c o 。m 。i ( 2 2 0 ) q = 吨七j 国r l - ir j o g ，m v r i s v + j r m ，is c 2 4 无刷双馈电机中的能量流通关系 2 4 1 转差率和转子电流频率 无刷双馈电机运行时，定转子绕组各时间变量的频率互不相同。为了从等效电路 对其中能量关系进行分析，首先需要对不同频率的电量进行频率折算 3 3 】。由功率绕组 和控制绕组的频率可以得到定子两套绕组产生的旋转磁场的同步转速分别为： 。警协( 2 - 2 1 ) 【，2 。= 6 0 以p c 假定n 尸 甩， 刀。，则 ( 1 ) 电机转子相对于功率绕组旋转磁场的转差率： 旷警= 丽p c f p 而- p p f 。 ( 2 - 2 2 ) 胄 = ：- 一= 一 i ，、 p n pj p o pp 七p c 、) 、 。 ( 2 ) 电机转子相对于控制绕组旋转磁场的转差率： 铲塑= g 宝娑 ( 2 2 3 ) n 。以( p ，+ p 。) 、 ( 3 ) 根据传统感应电机转差率的定义，无刷双馈电机的转差率应为电机转速相对于同步 转速的转差率，即： s ：旦鱼= 冬：s l ( 2 - 2 4 ) n 0 jp 3c 根据上面的推导，可得功率绕组频率厶、控制绕组频率无和转子电流频率，之间 的关系为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 f f = sp 1 ) = s c c弋2 - 2 5 ) 丘= 叽( 2 2 6 ) 在无刷双馈电机中，s 为这种电机的转差率。无刷双馈电机功率绕组和控制绕组之 间的关系相当于传统感应电机定子绕组和转子绕组之间的关系，而转子绕组中的电流 频率，并非传统感应电机转子绕组电流所具有的转差率，由于s ，比常规感应电机的转 差率大得多，所以无刷双馈电机中转子电流的频率较高，转子不仅有铜损耗，其铁损 耗也不容忽视。 2 4 2 功率、损耗与能量流通关系 考虑功率、控制绕组提供的励磁功率，可以得到功率绕组和控制绕组的输入功率 昂，分别为【3 4 】： 昂= r ，p + + r e e 甲 _ ，+ + ( 2 2 7 ) 只= r c + ，赢+ r e e 甲，：】= c b + ，赢+ 只：跏 ( 2 2 8 ) 式中0 白，只白，分别表示功率绕组、控制绕组的铜损耗，铁损耗， 以及功率绕组和控制绕组通过气隙向电机转子传递的电磁功率。 当无刷双馈电机超同步运行时，式( 2 2 7 ) 取正号，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 由两套绕组共同提供。当电机亚同步运行时，式( 2 2 7 ) 取负号，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【3 5 】。 电机总的电磁功率为： 尸跏= + ( 2 - 2 9 ) 无刷双馈电机与传统的感应电机有两点不同：一是无刷双馈电机等效于由具有不 同极数的两台电机同时向同一转子供电，因而电机转子的铜损耗应分别为相对于定子 功率绕组和控制绕组输入电磁功率的转差功率；二是无刷双馈电机的转子铁心中的磁 通变化频率不像感应电机那么低，转子铁损耗不容忽略，因为对应于转差功率的不只 是转子铜损耗，而且包括转子铁损耗。 e 已+ 毛= s p 只硎= s c 哪 ( 2 3 0 ) 其中只。，分别表示转子绕组的铜损耗和铁损耗。根据上式可以得到： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 p = 2 p = 妒岛(231cem p e r u ) 。删。， s c 1 匕= ( 1 - i - s ) = ( 二+ 1 ) ( 2 3 2 ) j 根据无刷双馈电机的稳态方程和等效电路分析，当电机电动运行时，将得到如下 式所示的功率平衡关系。 圪= 04 - 只= 只印+ 只。+ 足+ p p + p 。- i - p ， ( 2 3 3 ) 其中，己为输入的有功功率，圪为从变频器输出的有功功率，气，厶分别为与 功率绕组和控制绕组相关的输出的机械功率，p 尸，p 。，p ，分别代表定子侧功率绕组、控 制绕组以及转子侧的损耗，并且恒为正。因为无刷双馈电机在不同转差率下运行时， 具有不同的能量传递关系2 3 1 ，所以其他项的符号由功率流向决定。 可将电机的运行区域分为：n n o 的低速区，n o n 咒j d 的高速区。 图2 7 给出了无刷双馈电机在不同转速区运行时的能量传递关系。 ( 1 ) 无刷双馈电机工作在低速区电动状态，控制绕组频率以及转子的转速满足 0 丘 、0 0 、1 s 。 0 。不同功率间的关系为： = ( 1 一s p ) 。p 印， - s p p p e m 。( 2 - 3 4 ) 1 匕= ( 一s c ) s ，0 。 = s c s p p 嗍 式中，足分别为定子功率绕组和控制绕组输出的转差功率。功率流向如图2 - 7 ( a ) 所示，电机运行在亚同步电动状态，从功率绕组输入的电功率，一部分转化为机械功 率从轴上输出，另一部分作为转差功率从变频器输出。 ( 2 ) 转子反向，f c ，z l ，s 。 1 ，有： = ( 一1 ) l i 弓鄙p 叫i ( 2 - 3 5 )i、一一一， 厶= ( & 一1 ) 郎1 0 。i 足= & 1 0 。l 功率流向如图2 - 7 ( b ) 所示，此时，电机运行在反转电动状态，电功率从变频器输入， 除转化为机械功率的部分电功率和铜耗外，剩余部分作为转差功率从功率绕组输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 ( 3 ) 无刷双馈电机工作在低速区发电状态，控制绕组频率以及转子频率满足 0 正 、0 0 、1 s 。 0 。不同功率间的关系与式( 2 3 4 ) 相同， 但是功率流向如图2 - 7 ( c ) 所示，此时，从轴上输入机械功率，从变频器输入电功率，从 功率绕组输出电功率。 ( 4 ) 控制绕组电流相序与功率绕组相序一致，且丘 挚、咒o ，l 咒p 、0 s p 1 、 rp s 0 。电机运行在中速区电动状态，各有功功率之间满足： = ( 1 一s p ) 。名2 惫。 = _ - - 、l l 。晦( 2 - 3 6 ) 1 + i s 乞= l s c l s p 功率传递关系如图2 - 7 ( d ) 所示，此时，从功率绕组和控制绕组输入的电功率除损耗外， 全部转换为轴机械功率输出。 ( 5 ) 控制绕组电流相序与功率绕组一致，且胛p ，z ，s p 1 。电机运行在高速区 电动状态，各有功功率之间满足： = ( 1 + i 1 ) 名制_ ( 2 - 3 7 ) 厶= ( 1 + & ) m p 一 艺= & h 功率传递关系如图2 - 7 ( e ) 所示，此时，从控制绕组和功率绕组输入的电功率除损耗 外，全部转化为转子轴上的机械功率输出。 ( 6 ) 控制绕组电流相序与功率绕组一致，且正 厶旦，咒。 ，z ，l ， p p 0 s 。 l ，s 。 0 。无刷双馈电机运行在中速区发电状态，各功率间关系与式( 2 - 3 6 ) 相i - s j ， 但是功率流向如图2 - 7 ( f ) 所示，从轴上输入机械功率，从功率绕组和控制绕组输出电功 率。 ( 7 ) 控制绕组电流相序与功率绕组一致，且n p 甩，s ， 1 。无刷双馈电机运行 在高速区发电状态，各功率间关系与式( 2 3 7 ) 相同，但是功率流向如图2 - 7 ( g ) 所示，从 轴上输入机械功率，从功率绕组和控制绕组输出电功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 根据无刷双馈电机在不同转速区的能量传递关系的分析可以看出，电机运行在中 速区和高速区电动状态时，功率绕组和控制绕组同时从电网吸收能量；在低速区电动 状态时，转差功率通过控制绕组经变频器返回电网，使能量得到回馈使用。无刷双馈 电机运行在低速发电状态时，控制绕组通过变频器从电源吸收能量；运行在中速区、 高速区发电状态时，控制绕组通过变频器向电网回馈能量。 ( a ) ( c ) ( e ) ( b ) ( d ) 鬯填 l 式一卜 ( f ) 一一 上皇乡拳0 一 一 ( g ) 图2 7 无刷双馈电机的功率流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章无刷双馈电机的数学模型及其开环仿真 无刷双馈电机的电磁关系比普通的感应电机更为复杂，需要针对其复杂的电磁关 系建立新的数学模型。根据国内外学者研究，目前无刷双馈电机的数学模型大致分为 3 6 - 3 9 】：( 1 ) 网络模型；( 2 ) 转子速d - q 轴数学模型；( 3 ) 同步坐标数学模型。 网络数学模型加】即电机的基本方程，以转子线圈组两端的电压作为输入量，各线 圈组的电流作为自变量，其中的阻抗矩阵可以通过网络分析法以及传统的计算方法获 得。网络数学模型能很好的反映无刷双馈电机中电流分布情况，对电机的设计有很好 的指导意义，但由于计算比较复杂，不利于进行控制方法的研究。转子速d - q 轴数学 模型是对网络数学模型进行坐标变换得到的，其在转子恒速时为6 阶常系数微分方程， 能较好的应用于无刷双馈电机的动态、稳态特性的仿真以及闭环控制，该模型被广泛 引用来研究无刷双馈电机的各种特性。同步坐标数学模型是电流源数学模型，它是在 转子速d - q 轴数学模型的基础上，作进一步的简化推导而来的，其中各输入量和输出 量在稳态时都不再是时变量，而是某一常数，该模型应用比较方便，而且准确性较高， 方便于控制策略的实现1 4 1 | 。 3 1 无刷双馈电机的两相旋转坐标系中的数学模型