（电机与电器专业论文）基于模糊神经网络的无刷双馈电机调速系统的研究.pdf

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c a s c a d em o t o r ) 逐步发展演化而来的。 所谓级联式电机，即h u n t 电机，它是由两台电机的轴机械相连，转子绕组反 相序相互连接而成的，其结构简图如图1 1 所示。从结构简图中我们可以看出， 这种级联系统从第一台电机的定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机的 原边( 即第二台电机的转子绕组) ，第二台电机的副边( 即第二台电机的定子绕 组) 通过外接电阻短接。该系统通过改变外接电阻的大小来实现调速。级联式电 第一章绪论 机是一种两体机的形式，它存在着成本高、安装不方便、性能指标不理想等问题 【3 1 。 图i - 1 无刷双馈电机的原型电机 在此基础上，人们就想到用一台电机来替代这种两体机系统，即两台电机共 用一套磁路。由此，便出现了一体的自级联机。 一体的自级联机只有一个定子，一个转子。但定子上放有两套极对数不同的 绕组，一套为功率绕组，一套为控制绕组。转子中也有两套绕组，电机等效于一 台极对数为( e + 最) 的异步电机。这种电机通过改变串联在第二套绕组中的电阻 大小来实现调速，转速控制十分精确。这种一体的自级联机，结构比两体机更紧 凑，更适合在低速运行的场合，在实际使用中比较成功。 7 0 年代，b r o a d w a y 和b u r b r i d g e 提出了一种新型的自级联机转子结 构，避免了绕组的使用，其结构与鼠笼型转子相仿，但导条的布置与前者大不相 同。这种转子工作时能够产生不同极对数的磁场，分别对应着定子中两个不f 司极 对数的磁场，其工作原理与自级联机相似。这种电机有同步和异步两种运行模式， 当第二套定子绕组( 控制绕组) 外串接电阻或逆变电路把能量馈回电网时为异步 工作模式，通过改变电阻大小或逆变角，就可以实现调速。当控制绕组通过以直 流电时工作在同步模式，在一定负载转矩范围内其转速保持恒定，此时的电机转 速称为自然同步速。 在功率双流向的逆变器出现以前，自级联机控制绕组中能量只能单方向流 动，由整流一逆变电路把滑差公率通过控制绕组馈回电网，电机只能甄同步运行。 功率双流向变频器的出现，又一次引起了人们对自级联机的广泛兴趣。2 0 世纪 第一章绪论 8 0 年代初w a l l a c e 等人提出，通过变频器从电网吸收能量，电机既可以亚同步( 自 然同步速) 运行，也可以超同步速运行。同时，它避免了电刷的使用，所以称为 无刷双馈电机( 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 s ，简称b d f m ) 。无刷双馈电机结 构图如图1 - 2 所示。 工频电源 转子导条 图l - 2b d f m 结构图 与普通的异步变频调速相比，无刷双馈变频调速电机有以下优点： l 、以同步速运行时，在一定的转矩范围内，负载变化，转速不变。只要控 制绕组、功率绕组电源频率确定，转速就确定了；调速范围宽，既可以亚同步运 行，也可以超同步运行。 2 、变频器容量小，投资少，也减小了对电网的谐波污染。 3 、功率因数可调。 4 、在变频器发生故障不能工作时，无刷双馈电机可以以异步方式运行。 与绕线式异步机双馈变频调速相比，在相同的调速范围内，无刷双馈变频调 速电机有以下优点： l 、以同步速运行，在一定的转矩范围内，负载变化，转速不变。 2 、无转子电刷，使得电机运行可靠，受环境的限制少。 3 、设备少，因前者需要差频信号检测。 1 1 2 国内外对无刷双馈电机的相关研究概况 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，即可同步运行又可异步运行，且变流装置功率容量小， 对电网的谐波污染小，因此对它的研究具有十分重要的意义。目前，国外对无刷 双馈电机的研究已从对改进电机结构，建立比较准确的数学模型阶段，发展到寻 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o r e g o n 州立大学在电机结构的分析、数学模型的建立、控制策略的探讨方面做了较多的 第章绪论 研究。先后提出了网络模型、d q 轴数学模型、同步数学模型及基于这三种模 型的多种控制方法。近来，无刷双馈电机应用方面的研究也比较热门，如风力发 电、水力发电、中高压调速系统等。总的看来，无馈电机尚处于应用基础研 究阶段，还未普遍推广应用。, 届f l x 2 国内对同步电机的无刷励磁、异步化同步电机、绕线式异步电机双馈系统都 有不同程度的研究，然而对无刷双馈电机的研究还不多见从九十年代开始，才 有一些高等院校( 如重庆大学、沈阳工业大学、西安交通大学、浙江大学等) 和 一些研究机构对无刷双馈电机进行了一定的研究，但是国内研究文献大部分主要 还只是对这种电机的原理、性能以及电机的建模方面进行一些理论研究，在控制 策略方面的研究还不多见。 1 2 无刷双馈电机的研究意义和应用前景 无刷双馈电机包括电机本身和交流励磁自动控制系统，是电机与电力电子技 术和微机控制技术相结合的产物，是机电一体化和高新技术产品。无刷双馈电机 调速传动系统将很好的解决变频调速系统中的“成本问题”以及“谐波污染问题”。 无刷双馈电机调速系统由无刷双馈电机和变频调速装置组成，可实现异步运行、 同步运行和双馈调速运行，具有以下特点：1 ) 作为变频调速电机用，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力能指标，降低线 路损耗和无功功率补偿装置的投资；3 ) 与有刷双馈和串调系统相比，取消了电 刷和滑环，从而提高了系统运行的可靠性；4 ) 在变频器发生故障的情况下，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，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性；6 ) 可 解决高压电机的调速传动可靠性差、成本高、对电网的谐波污染严重等问题。7 ) 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。 目前，无刷双馈电机的开发以耗电量占全国发电量3 1 的风机、泵类机械为 重点市场，如果对全国现有的3 7 0 0 万台中的3 0 进行调速节能改造，可节约电 能2 0 以上，因此对于节能降耗、提高经济效益有着重大的意义和广阔的应用前 景。 第一章绪论 1 3 模糊神经网络概述 1 3 1 模糊控铡技术 模糊控制理论源于模糊数学的出现。模糊数学的概念是由美国加利福尼亚大 学著名教授查德于二十世纪六十年代首先提出的，从此开创了模糊逻辑的历史。 模糊逻辑虽然只有短短几十年的发展过程，但其理论和应用的研究已经取得了丰 硕的成果。尤其是随着模糊逻辑在自动控制领域的成功应用，模糊控制理论和方 法的研究引起了学术界和工业界的广泛关注。自从1 9 7 4 年英国的m a m d a n i 首次 将模糊逻辑用于蒸气机的控制后，模糊控制在工业过程控制、机器人、交通运输 等方面得到了广泛而卓有成效的应用。模糊控制是利用人类专家的控制经验和知 识，以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的智能控制，与传统控 制方法相比。其对非线性复杂对象的控制显示了鲁棒性好和控制性能高的优点 嘲。 模糊控制系统基本结构框图如图1 3 所示。 图1 - 3 模糊控制系统基本结构框图 由图可见，模糊控制器由以下四部分组成： ( 1 ) 知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库 和规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、量化因子、比 例因子以及模糊空间的等级数等。是关于模糊化、模糊推理和解模糊的一切知识； 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它反映了控制专家的经验 和知识。 ( 2 ) 模糊化接口 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量，主要完成论域变换及模糊 化两项功能。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。较常使用 第一章绪论 的二维模糊控制器采用输入偏差信号及其变化率作为输入量。 ( 3 ) 模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基本模糊概念的推理能力。 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。 ( 4 ) 清晰化接口 、 这部分的作用是将模糊推理得到的模糊控制量变换成清晰量作为模糊控制 器的输出，可以看作是模糊化的反过程，主要完成解模糊及论域变换两项工作。 由以上的介绍可以看出，相对于常规控制，模糊控制具有以下的特点： ( 1 ) 模糊控制是基于领域专家的经验知识迸行控制，不需要像传统控制那样 对被控对象进行定量的数学建模，因此特别适合于复杂的系统和模糊化对象，是 解决不确定性问题的一种有效途径： ( 2 ) 模糊控制器的设计以计算机为主体，因此具有计算机控制的特点，如软 件编程的柔软性等； ( 3 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，能较好的适应参数变化，可用于非线性、 时变、时滞系统的控制。 1 3 2 人工神经网络理论 人工神经系统的研究可以追溯到1 8 0 0 年f r u e d 的精神分析学时期，那时他 已经做了一些初步工作。1 9 z t 3 年，美国心理学家w a r r e nsm x c u i | o c h 与数学家 w a l t e rh p i t t s 合作提出形式神经元数学模型( m p ) ，从此开创了神经科学理论的 新时代。1 9 5 7 年，f r a n kr o s e n b l a t t 。首次提出并设计制作了著名的感知机 ( p e r c e p t r o n ) ，将神经网络第一次从理论研究转入过程实现阶段。1 9 8 6 年 r u m e l h a r t 等人提出了误差反向传播神经网络，简称b p 网络，成为目前应用最 为广泛的神经网络。从1 9 8 7 年发展至今，神经网络的研究已经取得了重大的进 展【1 0 1 。 神经网络系统实质上是由大量的，同时也是很简单的处理单元( 神经元) 广 泛互连而成的复杂网络系统。它反映了人脑功能的许多基本特性，但它并不是人 脑神经系统的真实写照，而只是对其作某种简化、抽象和模拟。神经网络系统是 一个高度复杂的非线性动力学系统，除了具备一般非线性动力学系统的共性之 外，还具有一些明显的特点：快速并行处理能力和自学习能力。研究神经网络主 要有三个方面的内容；神经元模型、神经网络结构、神经网络学习方法。从神经 元模型的角度来看，有线性处理单元和非线性处理单元；从神经网络结构方面来 看，主要有三大类：前向网络、反馈网络和自组织网络。所谓学习则是指神经网 络能根据某种学习方法调整它内部的参数以完成特定的任务的过程。根据不同的 第一章绪论 神经网络结构，学习方法主要有两大类：有教师指导下的学习和无教师指导下的 学习【1 l 】f 1 2 】； 神经网络在控制系统中的作用大致可分为四类： ( 1 ) 在基于模型的各种控制结构中充当对象的模型； ( 2 ) 在反馈控制系统中直接起控制器的作用； ( 3 ) 在传统控制系统中起优化计算的作用； ( 4 ) 在与其他智能控制方法和优化算法，如模糊控制、专家控制及遗传算法 的融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模型及故障诊断等。 神经网络控制的灵活性和多样性等许多优点，使它成为近年来比较活跃的智 能控制之一，主要表现在： 、 ( 1 ) 神经网络可以充分逼近任意复杂的非线性系统，这使它可以用于复杂非 线性系统的辨识和控制中； ( 2 ) 神经网络的并行分布式处理结构使它具有很强的鲁棒性和容错性，可以 用于非结构化过程的控制； ( 3 ) 神经网络具有快速优化和大量计算的能力，这使它用于复杂问题的优化 计算成为可能； “1 神经网络能够自适应复杂的非线性、不确定、不确知系统，因此可以被 用于控制系统的补偿环节和自适应环节； ( 5 1 神经网络对大量的定量或定性信息有分布式存储能力、并行处理能力以 及合成能力，这使它被用于复杂系统中的信息转换接口，以及对图像、语言等感 觉信息的处理和识别。 1 3 3 模糊神经网络 模糊控制利用专家经验来建立模糊集、隶属度函数和模糊推理规贝i l _ 等，从而 实现对复杂系统的控制。但是，现有的基于专家经验和知识的设计方法存在很大 的主观性。自适应模糊控制系统的设计思想就是利用自身的模糊经验，并从系统 中获取有用的信息来调整和修改模糊控制规则或隶属度函数，从而达到模糊控制 器的自适应。怎样把学习机制引到模糊控制中来，使系统本身能够通过不断的学 习、修改和完善隶属度函数及模糊推理规则达到最佳的控制状态，是模糊控制理 论研究中的热点问题。 神经网络具有高度的非线性映射i i e 力才钉目字习能力，就够从样卒数据中进行 学习和泛化，加上它的快速计算能力，它已在非线性系统的控制中呈现出强大的 生命力。然而神经网络的主要缺陷是无法处理语言变量，也不可能将专家的先验 控制知识注入到神经网络控制系统的设计中去，从而使得原本并不属于“黑箱” 第一章绪论 结构的系统设计问题只能用“黑箱”系统设计理论来进行。此外，神经网络的训 练往往从某一随机点出发，因此容易导致局部收敛问题。 利用神经网络的学习功能来优化模糊控制规则和相应的隶属度函数，将一些 专家知识预先分布到神经网络中去是提出模糊神经网络理论的两个基本出发点。 模糊神经网络系统实现了模糊逻辑控制思想与神经网络学习能力的结合，从而使 得模糊控制规则和隶属度函数可以通过对样本数据的学习而自动生成，克服了人 为选择模糊控制规则主观性较大的缺陷。此外，这种神经网络结构很容易将专家 经验加到系统中去，从而大大提高了神经网络自身的控制能力。 将模糊系统和神经网络融合起来的研究始于七十年代，s c l e e 和e t l e e 首次提出了模糊神经元的概念，但后来由于未能找到有效的神经网络学习算法而 发展缓慢。随着神经网络技术、模糊控制技术的飞速发展，模糊神经网络技术在 八十年代后渐渐得到了人们的重视，并取得了较快的发展。特别是日本研究工作 者在这方面的研究非常活跃，将之应用到了温度控制、家用电器、模式识别、图 像处理等领域。早期的尝试，主要是利用神经网络来改善模糊系统的学习能力， 如采用神经网络来逼近模糊系统的输入输出，调整隶属度函数和模糊推理规则， 利用神经网络学习关系矩阵等。但是，现在备受瞩目的方法是将模糊系统用等价 的神经网络来实现，形成模糊神经网络或称为神经模糊推理系统。这样，模糊神 经网络就一方面具有表达模糊知识和实现模糊推理的能力，另一方面又继承了神 经网络的非线性映射能力和强大的数据信息处理能力和自适应能力【1 4 】【1 5 l 。 模糊神经网络的发展历史虽然不长，但它结合了模糊控制和神经网络控制的 双重优点，因而引起了各国学者越来越多的关注，目前已有大量的研究和实际应 用，如利用模糊神经网络进行建模、辨识 1 6 1 1 1 7 】，或是直接用作控制器1 1 辄1 卿等。 1 4 本论文的研究内容 如上所述，尽管国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，研究的主要内容包括以下几个方面： l 、本文介绍了无刷双馈电机的定转子结构、工作原理、运行方式、双轴坐 标模型以及电机不同状态下定转予间的能量流动，为下一步对电机的控制策略研 究提供了理论基础。 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，用m a t l a b s i m u l i n k 软件对无刷双馈电机进行了开环仿真， 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 第二章无尉双馈电机的结构及工作原理和数学模型 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，下面简要介绍一下该种电机的定转予结 构。 2 1 1 转子绕组结构 无刷双馈电机的气隙磁场有极对数不同的磁场并以不同的速度旋转，若使电 机正常工作，就必须使这两个极对数不同的磁场相互耦合。无刷双馈电机的转子 就耦合了这两个旋转磁场。其作用的强弱直接影响到电机的性能。结构如图2 1 所示。 一确 图2 - 1 具有独立回路的转子 我们可以将这种结构的转子看成是普通的笼型转子的一个特例，由两套定予 绕组产生的气隙磁场在定子坐标系中可表示为 6 9 i ( 口，f ) = b g l c o s 慨f l f l + a ij ( 2 一1 ) 6 9 2 ( p ，t ) = b 9 2 c o s 妇2 t - p 。o + a 2 ) ( 2 - 2 ) 其中吃。、b g ：为磁通密度的幅值，0 、只为定子功率绕组和控制绕组的极 对数，护为在定子坐标系下的机械角，a 。、0 【：为初相角，卿、国：为电角频率， 鳓、，的正负视各自的磁场旋转方向而定。上述磁场表达式在转子坐标系中则 为： b g 。咿，f ) = 吃。c 。s l h 一只研) ，= 0 p + 】 b 9 2 ( 0 ，r ) = 吃：c o s 【( 吐一只m ，弘一。口+ a 2 】 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 上式中0 为转子坐标系下的机械角，国，为机械角频率。 无刷双馈电机运行的基本条件是啪1 ； i 由功率绕组和控制绕组产生的磁场在转子导条中分别感应的电流频率相 等。 2 这两种电流各自在相邻转子导条中的相位移应相等或相差3 6 0 。的整数 倍。 这样，两套绕组才能通过转子而相互作用，产生转矩。 从式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 及条件i 中有： 0 3 1 一只国，= 缈2 一只，( 2 5 ) 由此可得： 。一国l 一吐 q 2 章盲 由条件2 有： 丑薏= e 等+ 2 窖万 g = o ，1 蛳 由此可得： ：墨二量( 2 - 6 ) g 为了使转子导条数，尽可能大，g 应取l ，这样得： ，= 只一b ( 2 - 7 ) 式( 2 - 5 ) 、( 2 - 7 ) 分别是无刷双馈电机的同步运行速度及所应具有的转予导条 数。 由于c o s 卜一) = c o s 0 ) ，根据式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 及条件1 和条件2 还可以得到第 二种情况： 铲精( 2 - 8 ) j = 月+ 足( 2 9 ) 显然，应取第二种情况的_ ，这样可以获得更多的转予导条数，以减少转 子漏抗。对实际电机丑、最按式( 2 - 9 ) 选取的转子导条数还是比较少，会产生较 高的转子漏抗，因此应增加转子槽数，使用分布绕组的概念，将上述的一个“导 条”分布在几个槽中，图2 1 为这种转子的示意图。图2 1 中，几个同心式布置 的转子导条回路构成一项绕组( 回路数为只) ，每项绕组之间独立，共有，相。 2 1 2 定子绕组结构 无刷双馈电机的功率端和控制端加电压时，就能够在定子中产生两种极对数 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 的气隙磁场，为了实现这种效果，人们首先想到了在定子中安排两套相互独立的 绕组，极对数各不相同，这种方法能够很方便地实现任意极对数的组合，并且对 只、极对数的绕组来说，我们可以令它们具有不同的节距的分布绕组，这样 一来就可以实现削弱定子磁势谐波的目的嘲嘲。 有的人也提出了这样的一种想法，那就是定子中只有一套绕组，它经过不同 的出线端供电就能够产生不同极对数的磁场，这在单绕组多速电机中已经得到了 成功的应用。但对于一套定子绕组同时双馈时，必须满足其六个出线端，作为功 率端和控制端的输入端，当两个端口同时供电时，在气隙中能够产生两种极对数 的磁场。为使两个电源间没有相互干扰，功率绕组旋转磁势在定子绕组中产生的 感应电势，应在控制绕组的三个出线端间无电势差，当控制端通电时，不会引起 功率端的附加电流，反之亦然，按照此原则考虑绕组的排列和选择6 个出线端， 可达到两个电源彼此独立，无电功率的直接传递的目的，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 定子绕组原理接线图 由于一套定子绕组可以提高槽空间利用率，增加导体截面积，电机运行有较 高的效率，但绕组设计不灵活，尤其是设计不当时，谐波分量增加，反而会降低 电机的效率，影响电机的性能。同时对控制端来说，由于蜀及9 2 、9 2 及岛、岛 及歌间互感不相等，所以支路电流不平衡，引起电机的环流损耗。 由于无刷双馈电机的同步转速由式( 2 8 ) 确定，因此对应一定的转速要求， 可以确定只+ 最的值，但不能确定只、最的值，它们的具体取值对电机的性能影 响很大： l 、无刷双馈电机两定子磁场不能直接耦合，所以e 最； 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 2 、两种极对数影响功率分配； 3 、由于定、转子磁场相互作用产生径向磁拉力，所以应使e 一只 l ，并且 使只一b 的值尽量大些，这样能够减弱电机的振动和噪声； 4 、只最的最简分式中的分子、分母最好是一奇一偶，这样可以避免它们的 各次谐波相互交链，而且定、转子都要采用整数槽以避免分数次谐波的出现。如 果分子分母都是奇数，则要通过绕组的适当排列来消除有可能相互耦合的谐波。 5 、在普通异步电机中，额定负载时转差率很小，因此转子铁损可以忽略。 当无刷双馈电机以同步速运行时，定子功率端的转差率s 。= 昱e + 只) ，转子损 耗与j 。有关，j 。越大，损耗越大。如果最值取得较大的话，转子损耗和铜耗都 将大大的增加，从而影响电机的性能，所以希望只只尽量小。 6 、如果置、最的值相差太大，则对最、最值中较大的那个来说，绕组系数 会很小，这也将影响电机的整体性能，所以置最的值不能太大。 总之，无刷双馈变频调速电机定子绕组的极数配合问题是错综复杂的，在实 际应用中应综合考虑以上各种因素，根据具体情况进行极对数的选择。 2 2 无刷双馈电机的工作原理 2 2 1无刷双馈电机的工作原理及运行方式 通过以上分析，我们知道无刷双馈电机的转速可以表示为； ，+ ， 拧= ! ：! ：6 0 r r a i nf 2 1 0 ) 0 + 只 式中，为功率绕组的频率，正为控制绕组的频率，只为功率绕组的极对 数，只为控制绕组的极对数，“+ ”表示功率绕组与控制绕组产生同转向的基波磁 势，“一”表示功率绕组与控制绕组产生反转向的基波磁势。 无刷双馈电机具有自起动能力并可实现同步、异步和双馈运行，其运行特性 类似于一台2 1 只+ 只 极的交流电机。 1 、自起动能力与起动特性 无刷双馈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， 同时也可像绕线型感应电机一样实现串电阻调速。 2 、双馈运行 无刷双馈电机双馈调速运行时，功率绕组接至工频电源，控制绕组则由变频 电源供电，通过改变功率绕组和控制绕组的供电相序，可以实现电机的超同步和 亚同步调速。由式( 2 - 1 0 ) 可看出，通过改变控制绕组供电频率以及功率绕组、控 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 制绕组的相序，可使电机的转速高于或低于同步速n o = 6 0 也+ 只j 。与绕线 型感应电机的串级调速相比，省去了滑环电刷，运行也更加可靠、方便。 3 、同步运行 当无刷双馈电机功率绕组r h t 频电源供电而控制绕组短接或串接电阻时，电 机将进行异步自起动。当电机转速接近同步速时，如将y 接的控制绕组改为两并 一串的型式接于直流电源，即可实现它的同步运行方式。运行于同步方式的无刷 双馈电机相当于一台2 只+ c ) 极的同步电动机。由于励磁绕组是放在定子上， 从而实现了无刷励磁。 4 、异步运行 如果将控制绕组的a b e 端子短接或外串三相对称可调电阻，可实现无刷双馈 电机的异步运行方式。此时相当于一台2 1 只+ 只) 极的绕线式感应电机。无刷双 馈电机异步行时具有与普通绕线式感应电机相同的工作特性。 2 2 2 无刷双馈电机的能量分析 无刷双馈电机作为一种新型电机，无论是电机结构还是运行特征都有其特殊 性。在稳定运行状态下，两套不同极对数的定子绕组所建立的磁场可以在转子上 生成相同频率的电动势，并在转子磁场的调制作用下，定子的两套绕组间可发生 耦合关系。无刷双馈电机定子两套绕组与转子回路之间的能量传递和分配与普通 交流电机有着很大的不同。以下论述从电机的稳态模型出发，分析了无刷双馈电 机作为调速电机在各种不同转速范围内定、转子之间的能量传递关系，为无刷双 馈电机的变频器容量的选择提供了依据“羽。 电机稳定运行时，两定子绕组、转子上各时间变量的频率互不相同。为了从 等效电路对其中的能量关系进行分析，首先需要对不同频率的电量进行频率折算 酬。设定j ，= b ，一珥) ，为转子相对于功率绕组磁场的转差；& = 怫饥一怫) 为 控制绕组磁场相对于转予的转差。贝4 控制绕组磁场相对于功率绕组磁场的转差为 j = j 。s 。= s , i l 。将控制绕组以及转子上各电量的频率折算为功率绕组频率，则 无刷双馈电机稳态时的电压方程为： 哥p - - ( r p + j o , p l 沁p + j p mp j f 争c | s ；b c | s 十j 田p l 、l 。一j p mc l r o = 乜f s p + j c op l r l lr + j c op m p i ，一j 国p m c l 。 ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) r 2 1 3 ) 其中功率绕组和控制绕组所加电压通过频率折算后保持恒定的相位差，即 矿，= p 。o( 2 1 4 ) 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 n = e c - 1 5 ) 对无刷双馈电机的有功功率进行分析，忽略励磁电流，假定功率绕组侧功率 因数角为0 ，从功率绕组每相输入的有功功率可表示为： 2 巧s 口嘞+ e 舌+ i 去+ 等坤埘 令； e 毒2 鬈 ，+ 导， 乃 ，；去2 i i + 半扣导q 丽v f l pc o s ) 嘲c o s 导 | - - & s 0 1 j ( 2 1 9 ) 鸬扣州h + ，) + 导k + 韵+ 詈扣) + ! 蔓匪+ 屹c 。s p + ) 】+ 圪c o s p + 妒) ( 2 - 2 0 ) 可以看出式( 2 - 2 0 ) 中第项代表了电机定转子总的铜耗，后三项反映了能量 在功率绕组、控制绕组以及转子间的分布。 假定忽略电阻的影响，进一步分析这几个功率间的关系，可知，当( 2 - 2 0 ) 各 项前符号均为正的情况下，功率绕组输入的有功功率全部当作电磁功率传递到转 子。 异。) = ( 1 一，掣+ ( 1 一，! 兰土剑s p s 。+ s ，掣 ( 2 2 1 ) 该电磁功率一部分转化为机械功率巴0 ) 从电机轴输出，另一部分则作为滑 差电功率只( p ) 向控制绕组输出。它们之间的关系满足： 厶) ：晏盟：三盟( 2 垅) 1 一j po ， 只0 ) 通过转子向控制绕组传递时，一部分成为电功率只0 ) ，从变频器输出。 另一部分又作为机械能只0 ) 返回转子，从轴上输出。它们之间的关系满足： 只) ：掣：幽( 2 - 2 3 ) 在忽略定转子铜耗的情况下，功率绕组和控制绕组输出的机械能之比 裂= 丽l - - s p 专与它极对数脏比。 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 无刷双馈电机总的机械输出功率为： 只= 只0 ) + 只0 ) = ( 1 一s ，玩扫) + ( 1 一屯x ，气) = ( 1 一s ，& 她0 ) ( 2 2 4 ) 通过以上分析可以看出，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组输出的机械能 基本上与它们的极对数成正比。无刷双馈电机电动运行时，从总的输出机械功率 来看，其特征类似于定子绕组为功率绕组，转子转差率等于s 。j 。的普通异步机。 无剧双馈电机运行于不同状态时会具有不同的能量传递关系。在代表功率传 递一般形式的( 2 - 2 5 ) 中，除了p 0 ) 、p 0 ) 和p ( ，) 分别代表了定子侧与功率绕组、 控制绕组有关的损耗以及转子测的损耗，前面符号恒为正外，其余各项前的符号 代表了功率的不同的流向，并将随工作状态的不同而变化。 最0 ) = 己( p ) + 只g ) + ( c ) + p ( p ) + p ( c ) + p ( ，) ( 2 - 2 5 ) 定义? t o = 6 0 f p ( p ，+ 见) 为无刷双馈电机的同步转速，则按转子速度h ，的大 小，可将电机的运行分为几个不同的转速区：砟 r o 的低速区；埠o p r n 。的高速区。图2 3 给出了无刷双馈电机运行在不同转速区的能量 传递关系，其中己为总输出机械功率。 1 、无刷双馈电机工作在低速区，即0 z ，0 0 ， 1 & 0 ，此时 f 己) = o - s ，k ( p ) 己黎础) 1 己o ) = ( 1 一妇，) f “ 1 只( c ) = s p s 。，饼扫) 功率流向如图2 3 ( a ) 所示。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，另部分作为滑差功率从变频器输出。 2 、转子反向，即正 ，一 1 ， 1 ，此时 fp o ) - - - o - s ，k 纠 只蕾翁i 锉纠( 2 - 2 7 ) - - $ e1 只t ) = - o一乞纠 1 只( c ) = s t , & 陈纠 功率流向如图2 3 0 ) 所示。电功率从变频器输入，除去转化为机械功率的那 部分电功率以及铜耗、铁耗外，剩余部分作为滑差功率从功率绕组输出。 3 、控制绕组电流相序与功率绕组一致，且频率z 厶， ，。 ，l ， 玎， 0 1 ，s e o ，电机运行在中速区。此时 f 只妇) = ( 1 一s ，k 0 ) p 岳曼i 惫，、( 2 - 2 8 ) 乞0 ) = o + k 阮匕( p ) 只0 ) = m ( p ) 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 能量传递关系如图2 3 ( c ) 所示。在这种工作状态下，从功率绕组和控制绕组 输入的电功率在扣除定转子损耗后，转换为轴机械功率输出。 巴 只一 ( c ) 一卜e 一 ( ” 只 图2 - 3 功率流向示意图 4 、控制绕组电流相序与功率绕组致，且胛p 拧，j p 1 ，电机 运行在高速区，此时 i 匕= 【1 + h k ( p ) 巴麓为2 1 巴0 ) = g 。一l 淞，i ，l d ) p 。叫 1 只( c ) = p ，k 匕0 ) 功率传递关系如图2 3 ( d ) 所示。在这种工作状态下从控制绕组和功率绕组输 入的电功率，扣除损耗后，全部转化为转子轴上的机械功率输出。 从上述对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，当无 刷双馈电机运行在低速区时，真正地使滑差功率得到了回馈使用。 根据以上能量分析可以知道，无刷双馈电机在通过改变控制绕组的电流频率 调节转速的同时，有效地利用了功率绕组产生的转差能量，在一定的调速范围内 流经变频器的有功分量大约为电机输出功率的i 二i ，这在确定调速范围基础 r 口音r c 上为变频器的控制及容量的选择提供了理论依据。 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 2 3 无刷双馈电机的基本方程 2 3 1 无刷双馈电机的电气结构 要想了解无刷双馈电机的基本方程，我们有必要先来了解一下交流电机的多 回路理论，这个理论把电机看作是有多个相对运动的回路组成的电路，当电机运 动时，由于各线圈之间会产生相对运动，其电感系数是时变的。如果我们把电机 看成是由多个相互运动的回路组成的电路，我们就能够利用传统的电路原则来列 写定子还有转子各回路的电压方程和电流方程。下面，我们就来看一看无刷双馈 电机的定、转子电压方程。 无刷双馈电机的定子结构在上一章已经有所介绍，当a 、b 、c 通电时将会 j l 凡 4 a 图2 - 4 转子一回路磁势分布图 产生6 极磁场，a 、b 、c 通电时会产生2 极磁场，当他们同时通电时，电机中同 时会存在6 、2 级磁场。下面我们来看一下转子绕组的情况。 图2 - 4 ( a ) 表示转予一个回路绕组的分布，图2 - 4 ( b ) 表示回路绕组一个线 圈的电流沿气隙所产生的磁场。图2 5 表示的是定子一个线圈的电流沿气隙产生 的磁场。 q i12m l + ym+yq - 一l 1 图2 - 5 定子一线圈磁势分布图 因为无刷双馈电机存在不同极对数的绕组，这就必然导致电压的频率不可能 总是相等的，那么电角度的概念已经不合适了，在推导过程中采用的都是机械角 度。 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 下面我们来看一看用定、转子线圈变量表示的电动机模型。无刷双馈变频电 机的矩阵方程可表示为： 吲乏乏旧i r 在磁路线性的假定下，转子运动方程中的电磁转矩可以按下式计算 z = 圭嚣f ( ：2 - 3 1 ) 式中三一电机阻抗矩阵中的电感( 自感和互感) 0 一机械角度 式( 2 - 3 1 ) 的阶数，取决于定、转子槽数以及( 只+ ) ，即阶数为 q 1 + r 0 + 只胪】，当q ，= 3 6 ，巴= 3 ，只= 1 ，p = 6 ( p 为转子回路中的回路数) 时，其阶数为6 0 。如果我们忽略齿槽的影响，z 。、z k 是具有常数的对称阵， 定、转子问的互感阵中的元素表示为0 在两个值间的梯形函数。这些子矩阵中的 电阻、自感和互感的值，可以按照电机相应的几何尺寸来确定。因此，从该类电 机电磁计算的角度来看，在额定值及主要尺寸确定后，上式提供了计算电机运行 性能所需的全部关系，这样就可以不依赖于传统电机磁势正弦分布的假定和相应 的计算方法。 2 3 2电机的内部联结 对定子槽数q 1 2 3 6 ，0 = 3 ，只2 1 的无刷双馈电机，定子的3 6 个线圈棼照图 2 2 组成的9 个线圈组并形成3 y 联结，线圈与线圈组之间的电流关系，可以用 联结矩阵表示为： h 1 2 ： 1 1 7 ，1 9 ： z 1 3 6 1 oooooooo 1oo0ooooo ooooooool o00o ，oo0 01 一l00000000 00 0 00 00 0 1 0000000 0 1 - 1 9 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 即 = g 联结后的电压方程为： 乏 鞠 刁 上式中的子阻抗矩阵可以表示为： z 蠢= c n z 镕c l z 二= q z 。( 2 3 3 ) z k = z # t 这里甜代表的是定子9 个线圈组的电压，表示转子绕组每个回路的电流。 如图2 - 2 所示，当a 、b 、c 接通工频电源时，定子9 个线圈组每个线圈的电 压的瞬时值为： 2 虬一 一心 一 h 口一h 8 = i 蚝一 虬- - u b h o 一“c 蚝一 一 ( 2 - 3 4 ) 上述方程中的未知量可以通过可以通过二阶龙格库塔法求得。 下面，我们就来推导一下式( 2 3 0 ) q a 各阻抗矩阵的表达式。 1 、定子线圈的自感 每个定子线圈的电感可分为槽漏感、端部漏感、以及气隙磁密所对应的自感， 前两个可以通过传统的方法计算，后者则可以由线圈磁势所产生的磁通导出。跨 距为y 槽的线圈磁通决定于磁阻r = 露，+ 如，。 其中 。 珞 。l f l 1j o p。l 2 3 5 6 7 3 9缸船眼红鲰鲰啦船螂 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 2 一 一甜 h f 一越 材口一”b 。一 o 一 如一 虬一 k 2 面 ( 2 - 3 5 ) 式中三一电动机的轴向长崖 d - - i 柄j j 机气隙平均直径 g 一电动机等效气隙 设线圈匝数为n ，通过单位电流时，则线圈的磁通为 晚= 盟警幽 艇并 因此，图2 - 5 中有： b = = 鲁= n l z o 矿l z d ( q i - y ) 耻南= 错产= b 南 乃 其中，t l 定子槽距。 所以得到线圈的气隙电感为 乞= 掣 2 、定子线圈间的互感 图2 - 5 中的l 号线圈与i n 号线圈的互感，可以通过1 号线圈的磁通与m 号线 圈的交链、i ，。求出。这样一来，互感m l 一，可以表示为 m = 1 - m = ( 1 + y 一所) 占o ( 所+ y ) 一( y + 1 ) 恁1 = ( 1 + y - m ) 一( 所一1 ) 南卜 = ：! ! ：i 笋 y ( g y ) 一蜴( ，雄一1 ) ( 2 3 9 ) l 2 3 5 6 7 i 9圳蛳删衄啦衄船蛳脚 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 这样，任意两个线圈问的互感( 例如m 号线圈与n 号线圈) 可以表示成： 鸠，n 2 l 鲥t o l n d l y ( q l j ，) 一q ( m 一一) ( 2 - 4 0 ) 式中，m = l ，2 ，q l ，n = l ，2 ，q l 3 、定子线圈的电阻 定子线圈的电阻用常规的方法就可以计算求出。 4 、转子的自感 由于转子回路组中的线圈宽度不同，因此不同的线圈具有不同的电感，其漏 感仍按照常规的方法进行计算，第k 个线圈的气隙电感可以写成： 上。：l a o t r l d k 币( q 2 一- k ) ( 2 - 4 1 ) g k 红 其中的七为其所跨转予的槽数，当要求其他转予线圈的气隙电感时，仅需要 将上式中的k 置换成相应的线圈所跨的转子槽数即可。 5 、转予线圈间的互感 这与计算定子两线圈间的互感的方法十分相似，第k 个线圈的正磁密为 取= 掣 g q i f 2 负磁密为 吼咖= 镂 ， 式中“一转子的槽距。 对于转子同一回路组中的任意两个线圈，当第k 个线圈通以单位电流时，与 第，个线圈所交链的磁通，也就是k 、，线圈问的互感肘。，可以表示为： 掣 ( 2 如果，= k 那么，上式就与式( 2 - 3 7 ) 相同。 对于不同回路组中两个线圈的互感，例如某回路的第k 线圈与另一回路的第 线圈的互感虬可以表示为 一：亡舻一警 ) 6 、转子线圈的电阻 转予线圈的电阻按照常规的方法计算，但是在阻抗矩阵中还必须考虑端环共 同部分及相邻回路组最外层共同线圈部分的互电阻项。 7 、定转子线圈问的互感阻抗 第二章无刷双馈电机的结构及工作原理和数学模型 设定转子任意两线圈轴线问的夹角为口，则由图2 4 、图2 5 可推导出z 。中 的各个元素。 8 、当两个线圈互相重合时( 即口= o ) 的互感 当定予一号线圈与转子某回路中的第七号线圈轴线重合时，可以知道其互感 为正，记为肘l i ，当蔚2 赡时 m i _ k y t t b y 一( k t 2 - - 蚓南q 】 ：i t o z r l d n ( q 2 - k ) y g q l q 2 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) g l _ k m b 一趔訾尘 ( 2 4 8 ) 。、两线圈轴线相差丢c 娟圳卜( 言+ 割时的互感 由图2 嘲还有图2 - 5 可以知道轴线相劫邓嗜噎3 的互感为负，经过 = 啦神y - 上- - b ，一镶茅 2 4 无刷双馈电机在d - q 坐标系下的数学模型 在普通的异步电机中，电机的转子是在不断地旋转运动的，这就使得定子、