（电机与电器专业论文）无刷双馈电机及解耦控制策略的研究.pdf

a b s t r a c t a cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o nh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o ni n e l e c t r i cd r i v ei n d u s t r y i nc o n v e n t i o n a li n d u c t i o nm o t o ra d j u s t a b l es p e e dd r i v e s ，t h e c o s to ft h ep o w e re l e c t r o n i c ss u b s t a n t i a l l ye x c e e d st h a to ft h em a c h i n ea l o n ea n dt h e r e s u l t i n gs y s t e m s a r ee x p e n s i v e m e a n w h i l e ，t h e r ee x i t sas e r i o u sp r o b l e m - h a r m o n i c c u r r e n tp o l l u t i o n i nt h el a r g eb u l ko ft h ec o n v e r t e r t h eb r u s m e s sd o u b l y f e d m a c h i n e sa san e wt y p eo fe l e c t r i c a lm a c h i n e ，c o s t sm u c hl e s st h a na ni n d u c t i o n m o t o rs y s t e mr e s u l t i n gf r o mt h el o w e rr a t i n gc o n v e r t e r , a n dt h eh a r m o n i cc u r r e n ti s g r e a t l yr e d u c e d b d f mc a nr e a l i z ec o n t r o l l a b l es p e e do p e r a t i o np r e c i s e l y , w h i c hi s s i m p l e r , i t sr o t o rs t r u c t u r eb e i n gc o m p a c ta n dr o b u s tt h a t i tc a nu n d e r t a k ea r d u o u s w o r k i nt h i s p a p e r , a l la n a l y s i sa n ds t u d yo nb d f m i sc a r r i e do u t f i r s t l y , t h e s t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，d q m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n m e t h o do fb d f ma r e a n a l y z e d s e c o n d l y ，a s i m u l a t i o nm o d e li ns - f u n c t i o no f m a t l a b 5 3s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n d l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a ls y s t e m u n d e r o p e n - l o o p a r eb u i rt o v e r i f yd y n a m i c ，s t e a d y , a n d d i f f e r e n t o p e r a t i o n m o d e s p e r f o r m a n c ef o ra ( 6 + 2 ) p o l eb d f m t h i r d l y , d o u b l e s y n c h r o n o u sf r a m em o d e l i s d e d u c e d v e c t o rc o n t r o li san o v e lk i n do fm e t h o d ，h a sb e e nu s e di na ci n d u c t i o n m a c h i n e i nt h i sp a p e r , n e g l e c t i n gp o w e rw i n d i n gr e s i s t a n c e ，t h eb d f mm o d e lc a nb e m a n i p u l a t e di n t ot w od e c o u p l e ds u b s y s t e m w i t l lt h eh e l po f ad o u b l e - s y n c h r o n o u s m o d e l ，ar o t o rf l u xo r i e n t a t i o ns c h e m e i su s e dt or e a l i z ec o m p l e t ed e c o u p l i n gc o n t r o l o f m a g n e t i c f l u xa n dt o r q u e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wf a v o r a b l es y s t e mr e s p o n s e k e y w o r d s ：b d f m m a t h e m a t i c a lm o d e l d e c o u p l i n g c o n t r o l s y s t e m s i m u l a t i o n 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指蜉下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特剥加以糠注翻致谢之处外，论文中不包含其 l 巍人甚经发表 或撰写避黪疆宠藏莱，鑫不蘸会为获缮墨鎏蠢燕蠛其毯敦弯撬魏豹学位或涯 书两使用避的奉孝料。与我一丽工作的同志对本研究所做的任何贡献均融在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文撵者签名：女瘩毫签字丑鬻；。每年，嚣糖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有燕保留、使用学位论文的规定。 特授权基凄盘堂可以将学经论文的全部或部分内容编入有关数搬痒进行检 索，势采鲻影印、缭瘁或 曩臻等菱裁手莰保存、滋编疆供壹援嚣氆阗。溺惹学校 向国家有关部门或枧梅送交论义的复印侔帮磁盘。 ( 保密的学位论文在解掰厢适用本授权说明) 学位论文佟者签名；翻鎏翁 导j | | l 煞名： 至国睦 签字日期：，即，年，月力惘 签字日期：。岁年a 7 月堪日 第一章缝论 第1 章绪论 ， 嗣内羚对无刷双馔电视麓相关磷究凝瀑 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 下实现敝馈，速度及功率因数均可调节，既可同步运行又可异步 运行，羹交流装置功率褰爨小，减小了对电嬲的谐波污染，因此 宅其毒黪臻熹决定了辩它熬磷究戆重要塞义。嚣蔻，嚣终露走鼷 双馈电帆的研究已从对电机结构的改避阶段，发展到通道建立比 较准确实用的数学模型，开始寻找适于无删双馈电机的控制方法， 从而促谶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 麴分析、数学模型豹建立、控制策略的搽讨方面做了较多的研究， 竞嚣摄滋了甄终模垄、d 一母麓数学模囊、霹步数学模型及鏊予这 三种模缀的多静控制方法。近来，无利双馈电机应用方蕊的研究 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，无刷双馈电机尚处于应用基础研究阶段，还未普濑推广应 用。 国内辩潮步电飒貔冤蠲籀磁、舅步纯翊步电橇、绕绫姣异步 电视双馈调速都有不丽程发静研究，然 l 孬对无捌双馈耄瓠瓣研究 却极少见。从九十年代歼始，才有一些高等院校( 如浙江大学、 沈阳工业大学、西安交邋大学等) 和一然研究机构对无刷双馈电 机进行了定的研究，假是国内研究文献大部分主要还只是对这 魏电枫熬豢理、性能戳及遗规豹建摸方嚣遴李亍一些理论研究，在 控潮策溉等方蟊静臻究缎少。 1 2无刷双馈电机研究的目的和意义 当今啦赛研究开发拣能倪良、成本 氛豢豹薪型交流电机变频 烫速终渤系统是邀辍及蒺鑫羲控裁领域魏萋大耱骚漂题之一。 交流调速的几种方法中，变频调遽魑簸有发展前途的一种， 第一章绪论 似乎已经成为交流调遗的主干内容。交流调速系统的市场竞争也 闩趋激烈，变颓调速系统的发展应翔与功率器件、控制器件投控 制技术的进步恩息相关，而觳是相互促进的。在变频技术日擞进 步、变颓调速技术嗣菔发袋蠲今天，我们必须认识至在异步枫交 频调速中存在的两个问题：第一，成本问题，由于普邋的变频调 速系统中变频籍静容鬃与掰拖动的异步瓿额定容量相当，丽次 性投资很大，程一定程度上限制了它的应用。第二，谐波污染问 巷，交颓调速系统中瓣凌率开关器件工佟在蔫邃开关获态，输密 电压是一周内脉宽成准正弦分布的调制波，因此，在变频电源的 输密电艨中，除了毒麓豹基波乡 ，必然存在一系列戆谮渡分蘩。 特别是“死区”的存钷，使谐波增大，尤其在低速运行下的交流 诞速及镯鞭系统孛，潜波赘藏努更大。谐波静存在一方嚣对惑爨 的运行不利，方面对电网产生“污染”，导致谐波振游。 秃测双续惫耀包戆毫壤本身彝交流励磁鑫动控裁系统，怒毫 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 的离囊鼓术产瑟。无劂双馕电枧调速健动系统姆缀好遮惩决上述 问题，该系统幽专门设计的无刷双馈电机和变频调速装置组成， 可实现舅步运行、同步运行帮双馈调速运行，具凑以下特点：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鲍蜜爨，从露降低了调速系统躲成 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 损耗稆炙功功率补偿装置的投资；3 ) 与有别双馈秘串调系统相比， 取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性；即使猩变频器发 生敞障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状态下；4 ) 电机的运行转速仅与功率绕组和控稍绕组的频率及其稠序有关， 而与负载转矩光关，因此电机具有硬的机械特性；5 ) 可解决辩压 电机的调速传渤的可靠往差、成本高、对电网的谙滚污染严蘸等 的问题。无刷双馈电机的开发以耗电量占全国总发电爨的3 1 的 风机、浆类枫械为重赢市场，粥采农全国谦有萋静3 7 0 0 万台中静 3 0 进行调速节能改造，可节约电能2 0 姐上。因此对于节能降 耗、疆离经济效益有鬻巨大豹现实意义。 。3 本论文豹舔究内容 第一苹绪论 本论文在总结前人的研究成果的基础上，按照当今无刷双馈 电机的发展方向，提出了无刷双馈电机解耦控制系统。 i 本论文介绍了无刷双馈电机的发展、工作原理、定转子结构及 其电机不同状态下定转子间的能量流动，为下一步的电机变频器 的控制及容量的选择提供了理论依据。 2 本论文介绍了无刷双馈电机的数学模型，并基于 m a t l a b s i m u l in k 仿真软件对电机进行了开环仿真，并给出了系 统的仿真模型及仿真结果，得到了电机的在开环运行下的速度响 应及其特点。 3 本课题采用变频器，结合样机设计了无刷双馈电机开环控制系 统，对电机性能进行了验证。当通过改变控制端的电压频率时， 电机转速响应速度很快达到稳定，结果表明电机的转速与控制端 的电压频率成严格的对应关系， 4 通过对异步机的矢量控制系统和国外学者近年来对无刷双馈电 机控制系统研究的深入学习，建立了无刷双馈电机解耦控制系统， 用m a t l a b s i i n u l i n k 软件对系统进行了仿真，仿真结果验证了无 刷双馈电机解耦控制系统优于电机在开环状态下运行。 一一 笺兰里 燕塑翌堡囊垫墼三缝基垄 第2 辇无剐双馈电毫逢的工作蔗理 2 。1 无刷双馈电机的发展 早在媳子器卡孛出现以藤，人 | 、】已经列用各糖技术来克服异步极的匿 有转速近似不变的限制，尤其嫩满足低速运行的需要。其中第一种就是 级联式电机( s e l f c a s c a d em o t o r ) ，即h u n t 魄机。所谓2 台电桃级联， 既两台电机的轴机械相谶，转予绕组度相序相互连接，这种缀联系统的 结构简图如图2 - 1 所示。从结构简图我们可以疆出，这种级联系统从第 一台电机的定予方输入电功率，通过转子传递给第二螽宅祝的琢边 既 第二台电机的转予绕组) ，第二台电机的副边( 既篇二台电机的定子绕组) 遴过外接电阻短接。该系统通过改变井接电融静大，j 、就可以滚变电机的 转速。这种电机模型的提出目的是为了改善感成电机的起动及低速特性。 缀联式电梳是一葶孛两俸税静形式，这静两俸枫系统存在着成本商、寝装 不方便、性能指标不理想的问题“1 。 囤2 ，l无捌瑷馈嘏视静藩麓电梳 在它的基穑之上入稍虢戆翔把这释两体枫系统蔫一台毫枫来替代， 即两台电机公用一套磁路，这种电机将是比较理想的。 一舔弱自缀联辊哭商一个霆子，令转孑。毽宠予上藏餐覆套狻对 数不同的绕组，一套为功率绕缀，一套为控制绕组，转予中也有两套绕 第二露茺稀骚馕毫鞔豹工穆簸瑾 组，电枫等效于一台( s + 端) 的异步电枫。通过改变串联在第= 套定 子绕组中的电阻大小来调遮，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，更遥台在低速运行的场合，在实际中使厢比较成 功。 ? 0 年代，b r o a d w a y 弱b u r b r i i ) g e 提窭了一转戆型豹叁级联穰转子结 构，避兔了绕组的使用，蔟络梅与鼠笼型转予穗仿，僵导条的稚蹩与前 者大不桐同，这种转予工作时能够产生不同极对数的磁场，分别对应着 定子中两个不同极对数的磁场，工作原理与肉级联机相似。这种电机有 同步和晃步两种运行模式，当第二套定子绕组( 控制绕组) 外串接电阻 或遵交怒鼹恕糍耋镇强毫嘲辩为异步工 筝摸式，泼变瞧阻丈小域遴交热， 就可以调速。当控髓绕缀遥淤整流电时工俸程越步模式，在一懋受鼗转 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爨只能单 方向流动，由整流一逆变电路把滑差功率通过控制绕组馈回电网，电机只 爱翌同步逡行。功率黢流彝炎频器的出现，又一次弓 起了人们_ ；l 寸爨级联 辊懿广泛兴趣，2 e 整纪8 年代裙魄i l a c e 等人据窭，在该毫瓿黪控 绕组上加上电源频率和电聪幅值可变的变频器，通过变频器从电网吸收 能量，电机既可以亚同步逡行( 自然同步速) 遂行，也可以超同疹速运行。 同时，它避免了电刷的使用，所以称为无刷嫩馈电机( 简称b d f m ) ，结 构舀如潮2 2 辑示。 工频电游 图2 - 2 无刷双馈电机的结构图 与黪邋的异步变频调遮稠比，无利双馈变频调速电枫有以下优点； 1 滚疑步速运嚣，在一定静转短范銎内，受载交强，转邃誉受。只 要控制绕组、功率绕组魄源频率确定，转速就确定了；调速藏嘲觉，既 第二章无霉1 1 z , 馈电嚣羽工箨藜建 可以豫同步运行，也可以趟同步运行。 2 。变鞭嚣容量，l 、，投资少，迎减夺了对逛鼹煎谐波污染。 3 功率因数可调。 4 在交额器发生酸障不髭工俸时，无躐瑟续电嫒可强强翼步方式逡 行。 与绕线式冥步壤双馕燮频谴逑糨逝，在梧爨的谖速蕊匿武，无霉双 馈变颁调速电机有以下优点： l ，娃同步速运嚣，在一定蛉转缝范整凑，负载变纯，转速不变。 2 无转予电刷，使得电机运行可靠，鼹环境的限制少。 3 。设备少，因浆者需要楚频信号检测。 2 2无刷双馈良机的建、转予结构 2 。2 ， 转子缝梅 橱鼬 曹宠，将这释结梅懿转予番或是普蘧懿笼羹转子簿一个特饿( 骛遵 的笼型转子肖相同的均匀分布导祭) ，在忽略定予磁势谐波的情况下，分 裂蠢两套定予绕组产生魏气藤磁场鑫定予坐挺系牵哥表示先： b 9 1 ( 0 ，t ) = b f lc o s ( 0 9 1 t 一以目+ 1 2 i ) ( 2 - 1 ) 姆2 够；棼= b 9 2 c o s ( o j z t 一磊孝群2 ) ( 2 - 2 ) 上两式中b 。、曰。：为磁密幅值，只、岛为定予功率绕组和控制绕组 羧对数，0 必定子黛标系下翡祝械角，强、理：灸裙耪角，毡、彩：为亳麓 频率，甜，、m ，的芷受视各姆的磁场旋转方向而譬。卜述磁场表达式在转 第二章秃利双馈电机的工作原理 予坐标系中则为： 螬l ( 毋，f ) = 玫lc o s 【 1 一只q ) f 一置学+ 堙2 ( 拶，f ) = & 2c o s ( o 如一最彩，弦一只秽+ 9 2 】 上式中0 1 为转子坐标系下的机械角，国，为机械角频率。 无蓐l 双馈电搬运行的基本条譬是。“： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 1 由功率绕缎和控制绕组产生的磁场在转予导条中分别感应的电流 频率应相等。 2 这两种电流各自在两相邻转子导条中的相位移应相等城相差3 6 0 。 的整数倍。 这样，两套绕组才能通过转予而相压作用，产生转矩。 从式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 及条件1 中有： 褥 由条传2 袁： l 一置彩，= 街2 一岛国， 旗一 q 2 章芽 磋= 最等嘲石删，l 越- ( 2 - 5 ) 褥n ，：生墨 ( 2 6 ) 譬 为了使转子导条数，尽可能大，g 鹿取1 ，这样褥： n ，= 只一昱 ( 2 - 7 ) 式 1 熬毽 要大一黧，且置一冀静值越大，越髓减弱电概的振动和嗓声。 4 鼻岛的最简分式中分子、分母最好是一奇偶，否则，鬯们包含 的各次谐波相互交链，而鼠淹、转子都要采用熬数槽以避免分数次谐波 的出现。如果分子分母都怒奇数，就要通过绕组的适当排列来消除有可 麓捅互疆愈靛谐波。 5 程慧逶异步电瓿中，缀定负载爵转差率缀，l 、，西藏转子铁攒可鞋 忽略。凭刷双馈电机以同步速运行时，定子功率端的转差率 s ，= 最( 鼻十尸2 ) ，转子损耗与s ，有关，s ，越大，损耗越大，如果忍值取 得较大的话，转子损耗和钢髓都大大增如，影峨电机性能，所以希望恐魍 尽量小。 6 如果e 、最值相差太大，则对置、最俊中较大的那个来说，绕维 系数会很小，这影响电机的艇体性能，所以舅b 不能太大。 综合以上各种因素可以发现，无刷双馈蹙频调速电机定予绕组的极 数琵台阏戆是错综复杂懿，舆髂兹选择要辗攒蜜际情况来定。 2 3 秃刷双馈电机电渤状态下的雏蠢分析 从上节内容我们知邋，无刷双馈电机作为一种新型电机，光论是 毫枫结构逐是运行特性都饔疑特殊性。在稳定运行状态下，两襄不同极 对数豹跫予绕维薪建立筑磁场霹在转予上玺袋鞠弱菝率静毫麓势，并在 转予磁场的调制作用下，滗予两套绕组闯可发生磁耦合关系。与普通交 篓兰兰重型坚塑皇熬魑兰堡堕垄 流电机远行过程中能量在定转子间只有一次传递相比，无刷双馈电机定 子两囊绕组与转子回路之间的能量传递与分配有很大的不间。本节从电 机稳念模型出发，分丰斥了无刷双馈电枫作为调速电动机在各种不同转速 范霆逡定、转子阕戆鼹爨传递关系，戈嚣瓣双馈电援戆交鼗嚣容量熬选 择方两提供依据”“。 电机稳定运行时，两定子绕组、转予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。设定；，= 国，一n r ) i n ，为转子相对于功率绕缀磁场的转 菱；s 。= 。发毪拜，) 秀浆鲻绕缝磁场稳砖予转子骜转差；翔羧秘绕缝磁场 相对予功率绕组磁场的转差为j = s p s 。= 兵厶。将控制绕组以及转子上 各电爨的频率折算为功率绕组频率，无刷双馈电机稳态时的电压方程为： v p = 虹p + j r o p l p ) i p + j c o p mp lr 览s = 魄，s - 了，是) 支- j o j ，m 。l ( 2 一l e ) o = ( r r s p + j 。p l r ) i r + i c a p m p i p m j 。p j d c l c m 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m ，即 匕= # 印 览= 矿 对应的单相等效电路如图2 5 示 昌! 铷警= ! 燃描! 地 k 下势q 卜t 缸 图2 - 5 等效电路 圈2 - 5 孛豹各参数黎基辑篓裂功攀绕缀，为毫錾，互毙毫惑，下蠡 尹、c 、，分别表示凌宰绕组、控制绕缝、转子绕组以及京们之间的量， m 。、m 。为功率绕组、控制绕组与转子绕缀之间的互感。且p 3 如o + m p ， 星二兰垄型苎兰里里! ! 塑! ! 堡堡 l c = l c o + m c 。 利用图2 - 5 所示的稳态等效电路，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： 砌哗l p c o s 0 = i ；+ 蟹屿2 妒r c 。+ 等c o s ( ) ( 2 _ 1 1 ) 对式( 2 - 1 1 ) 进行一些处理，即 i 讥= i 讥 唾叫卜孚卅 ，毒卜导扣导叫 瓦v i pc o s 咿c o s 。，i l + 孚p 毒+ 爿c z s 口s c j 6 c6 c j 将通过式f 2 1 2 1 变换后的各分量代入式( 2 1 1 ) 得 砌m 。c o s o = i p 2 c ，埘小等卜+ 耖喜伊咿圳 + 导b 七+ s 圳】十s p 删 ( 2 。1 3 ) 可以看出式( 2 1 3 ) 中第一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、控制绕组阻及转子间的分布a 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 式( 2 1 3 ) 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作 为电磁功率传递到转予。 e c p ，= c t s ，! 半+ c t s 。，s ，! 半+ s ，s 。警 ( 2 一1 4 ) 该电磁功率一部分转化为机械功率只( p ) 从电机轴输出；另一部分则 第二章无刷双馈魄枫的工作原理 作为滑差电功率p a p ) 向控制绕组输出。它们之间的关系满熙： pf 趴：生盟。p a p ) ( p ) = 半* 1 一s p5 p p a p ) 髓转子淘控翻绕组簧递辩，一部分藏为邀功率只( e ) ，放交菝 器输出：另一部分又作为机械能咒( c ) 邋潮转子，从轴上输出。它们之间 的关系满足： ：墨熊。pac)pap)= 型。 l 一5 05 e 袭忽略定转子铜鹈辩獯下，葵率绕筑鞠羧潮绕组瓣趱豹祝缀蕤之托 鬻= 悬= 墨p o 矧m 极对数成跳。 凭利双馈电机总的机械输出功率为： p o = 只力+ 足e ) = l s ，) 毛彩+ ( 1 一s 。) s ，气( 力= 鞋一s s o ) p z ) 通过以上分辑胃班看出，无刷双馈魂机的功率绕组稠羧制绕组输密 的机械能基本上与它们的极对数成正比。无刷双馈电机电幼运行时，从 总的输出机械功率来麓，其特性类似于怒予绕组为功率绕缀，转子转差 搴等予s p s 。懿普逶舅多极。 无捌双馈电机运行在不阕状孺簿将鼹有不同鞠髓董传递关系。在代 表功率传递一般形式的式( 2 1 5 ) 中，除了p ( p ) 、p ( c ) 和p ( r ) 分别代表了 定予侧与功率绕组、控制绕组有关的损耗以及转子侧的损糕，前面符号 恒为正外，其余各项前的符号，代表了功率的不同流向，将随藿工作状 况懿不围恧交往。 ( 尹) = 力+ 霉。( e ) + 乏靶) + 芦( p ) + p 辩。的高速区e 圈2 - 6 给出了无删双馈电机运 行在不囊转速嚣的麓爨转递关系、英孛瓦为基臻蠢瓤辕凌搴。 1 ) 无刷双馈电机工作在低速区，即0 兀 0 ， 1 s 。0 ，此时 第二章无刷取馈电机的工撵原理 e ( p ) = ( 1 一s p ) 只。( p a p ) 一s 。( 圆 只( c ) = ( 1 一s e ) s 。，( p ) p o ( c ) = s p s 。于赢( 尹) ( 2 一l6 ) 葫率流向如图2 6 a 示。觚功率绕组输入的逛凌攀、一部分转纯为辊 被功攀麸聋鑫上输密，舅一髂分终建撵差功率麸变频嚣输出+ 2 ) l 兀，卯，o ，即转予反向，s ，1 ，j 。 l ，此时 只( p ) = 一( 1 一s ，) ( p ) i 鬈( 。s ，l 珞( 力l 咒( c ) 。一( 1 一s 。) s p l j 麓( p ) p a c ) = s p s 。1 只。( p ) l f 2 - 1 7 ) 劝率流向如图2 6 b 示。电功率从变频器输入，除去转化为机械功率 的邪部分龟功率外黻及锅耗铁耗外、剩余部分作为淆差翡率簸霸率绕盔 输毒。 3 ) 改变控制绕组电流稳序与功率绕组致，且频率五 兀鼽7 玛， n ，。 ”，h p ，o s f l ，s 。 o ，电机运杼在中速区此时 ( p ) = ( i 一) 忍( p ) = 聱岛m ( 力 置) = ( 呈 s # 1 ) 。p j 鼍m ( p ) e c ( c ) = s pf i ( p ) ( 2 1 8 ) 功率传递关系如图2 - 6 c 所示。在这种工作状态下，从功率绕组和控 翻绕缱输入静照功率在翔除定转予畿耗嚣，转换为辘褫辕葫攀输密n 4 ) 控测绕缝电浚撩黪譬功率绕缝一致，携， 群，s p 1 ，电 税运行在意速区。北对 鼓( 尹) = 口 常重示渡器 增益 加法器 口，田国 ，田母。 积分嚣乘法嚣输出 口，口) 。 i l a s l a b 函数延时器 干系统 矢量台成器矢置分解器输 图4 - 1s i m u l i n k 中常用的功能模块 用s i m u l i n k 创建的模型可以具有递阶结构，通过层层建立，有利于 理解模型结构和各模块之间的关系。由于将m a t l a b 和s i m u l i n k 集成在 一起进行系统的仿真，对于仿真过程中所要观测的量，只需将其输入到 s i n k s 中的示波器或显示器上，即可打开进行观测，以便及时发现问题 并加以改进。 4 2无刷双馈电机开环系统的建模和仿真 在上一章中推导了无刷双馈电机的转子速坐标系下的模型，我们将 此模型变换成状态方程的形式，利用s i m u l i n k 和s - f u n c t i o n 进行编程， 建立了无刷双馈电机的动态仿真模型。如图4 - 2 示。“” 墨婴茎垂型翌堡皇塑茎堑堡堑坌堑 网 r 7 u 1网 叫嚣卜 斗 1 j 网 畔 帼掣 0 珞乙 恼i 同 b d f m 同个 图4 - 2 无刷双馈电机的仿真结构图 j 伊 j 节 0 f u n c t i o n s y s ，x 0 ，s t r ，t s 】2 d b f m ( t ，x ，u ，f l a g ，p p ，l s p ，m p ，r s p ，p c ，l s c ，m c ，r s c ， l r ，r r ，j ，r i g a ) 转子速旋转坐标系下的双馈电机模型的sf u n c t i o n 电机的参数：馈电绕组部分p pl s pm pr s p 电机的参数：控制绕组部分p cl s cm er s c 电机的参数：转子部分 l rr r 电机的参数：机械部分 j r o m i g a ( 电机及机械负载转动阻尼系 数) 输入：u ( 1 ) = u q s p ，u ( 2 ) = u d s p ，u ( 3 ) = u q s c ，u ( 4 ) = u d s c ；u ( 5 ) = t m 输出：s p ，q s c ，i d s c ，i q r ，i d r , t e ，w m ( 转子“机械”角速度) 状态变量x ( 1 ) = i q s p ，x ( 2 ) = i d s p ，x ( 3 ) = i q s c ，x ( 4 ) = i d s c ，x ( 5 ) = i q r ，x ( 6 ) = i d l x ( 7 ) = w r w r 为转子“电气”角速度 k = 1 ( 一m p “2 + l s c + l r + l s c + l s p m c “2 + l s p ) ； s w i t c hf l a g ， c a s e0 ，r e t u r nt h ed e r i v a t i v e sf o rt h ec o n t i n u o u ss t a t e s s y s = 【70 8500i 】； x 0 = z e r o s ( 7 ，1 ) ； i n i t i a l i z et h ei n i t i a lc o n d i t i o n s s t r = 口； s t ri sa l w a y sa ne m p t ym a t r i x t s = 【00 ； i n i t i a l i z et h ea r r a yo f s a m p l et i m e s c a s e1 ，d e r i v a t i v e s d i d r - - ( - m p + 【成+ u ( 2 ) + m p + l + r s p + x ( 2 ) - p + l s c * p p + x 仍+ l s p + 1 ) - m r p 2 + l s c 4 p 矿x + 5 ) 一l m c u ( 4 ) l s p + m c r s c + x ( 4 ) + l s p m e + p c + x ( 7 ) + l s c + x ( 3 ) 浮槲赫母睫m啦；i|嚣毋随 第潮章无捌双馕电机舞环运行分橱 c a s e2 ， c a s e3 ， 8 l s p p c 4 x ( 7 ) 4 m c “2 4 x ( 5 ) 4 l s p - r r 8 x ( 6 ) 4 l s e + l s p ) + k ； d i d s c 。( m c + m p + u ( 2 ) m e 8 m p 4 r s p 8 x ( 2 ) + m e 4 l m p 8 p p 4 x ( 7 ) + l s p 4 x ( 1 ) + m e + m p “2 4 p p + x ( 7 ) + x ( 5 ) + m c + r r + x ( 6 ) + l s p - u ( 4 ) + m p “2 十 n ( 4 ) 唪l r 半l s p + r s c 水x ( 4 ) + m p “2 r s c + x ( 4 ) 斗l r 4 l s p p c 4 x ( 7 ) 卑l s c 4 x ( 3 ) 4 m p 2 + p c 4 x 7 ) 奉l s e 事x ( 3 ) 枣l r 毒l s p m c 4 p c 皋x 7 ) 幸x ( 5 ) 4 m p 2 + m c 卓p c 幸 x ( 7 ) + x ( 5 ) + l r + l s p ) + k ； d i d s p 一( m e + m p 4 u ( 霹) 一m e 4 m p + r s c 4 x ( 4 ) + m c + m p + p c + x ( 7 ) 4 l s c 8 x ( 3 ) + m p + p c + x ( 7 ) + m c “2 + x ( 5 ) + m p + r r + x ( 6 ) + l s c + u ( 2 ) + l r 4 l s e - u ( 2 ) + m c 2 - r s p x ( 2 ) 4 l r 枣l s e + r s p 牛x ( 2 ) 年m c 2 + p p + x ( 7 ) 唪l s p + x o ) l r + l s c p p 章x ( 7 ) 隶l s p 事x ( 1 ) 4 m c 2 + p p 8 x 7 ) 卓m p 串x s ) 4 l r 章l s c p p 雄x ( 7 ) 毒m p 幸x 5 ) 8 m c “2 ) + k ； d l q r = ( * m p + l s c + u ( 1 ) + m p 4 l s e 4 r s p x 0 1 十 m p + l s c + p p + x ( 7 ) + l s p + x ( 2 ) + m p “2 + l s c 4 p p + x ( 7 ) + x ( 6 ) - m c + u ( 3 ) + l s p + m e 4 r s c * x ( 3 ) + l s p + m e + p c + x ( 7 ) 4 l s c + x ( 4 ) + l s p + p c 。x ( 7 ) + m c “2 + x ( 6 ) 8 l s p r r + x ( 5 ) 4 l s e + l s p ) 4 k ； d l q s c = ( m c + m p + u ( d - m c 4 m p + r s p 4 x o ) * m c 4 m p + p p 4 x ( 7 ) + l s p + x ( 2 ) - m e + m p “2 + p p + x ( 7 ) + x ( 6 ) + m c + r r + x ( 5 ) + l s p u ( 3 ) + m p “2 + 毽( 3 ) + l r + l s p + r s c + x ( 3 ) 4 m p 4 2 * r s c + x ( 3 ) + l r + l s p + p c + x ( 7 ) + l s c + x ( 4 ) + m p “2 一p c * x ( 7 ) * l s c + x ( 4 ) + l r + l s p + m c + p c 4 x ( 7 ) + x ( 6 ) 4 m p “2 一m c + p c + x ( 7 ) + x ( 6 ) 4 l r 9 l s p ) k ： d l q s p = ( m c 。m p 4 u 3 ) * m c 4 m p + r s c 4 x ( 3 ) - m c + m p p c 4 x ( 7 ) 4 l s e 4 x ( 4 ) - m p 4 p c 4 x ( 7 ) + m e “2 4 x ( 6 ) + m p + r r 。x ( 5 ) 幸l s e + u ( 1 ) + l r 4 l s e u ( 0 4 m c “ 2 - r s p + x ( 1 ) + l r + l s e + r s p + x ( 1 ) + m c “2 * p p + x ( 7 ) l s p + x ( 2 ) + l r l s c + p p * x ( 7 ) * l s p 8 x 2 ) + m e “2 p p 4 x 一x 2 ) 4 x ( 5 ) ) + 3 2 4 p c l m c 4 ( x ( 3 ) 4 x ( 6 ，x ( 4 ) 唪x ( 5 ) ) ； s y s 2 【x ( 1 ) ；x ( 2 ) ；x ( 3 ) ；x ( 4 ) ；x ( 5 ) ；x ( 6 ) ；1 e ；x ( 7 ) 】； c a s e4 ， s a m p l e t i m e 。1 ； e x a m p l e ，s e tt h en e x th i tt ob eo n es e c o n d l a t e r + s y s2t + s a m p l e t i m e ； c a s e5 ， s y s 一【j ； o t h e r w i s e e r r o r ( + u n h a n d l e df l a g 一，n u m 2 s t r ( f t a g ) ) ； e n d 4 2 1 荤馈运行的仿真 在电机仿真中，功率绕级出线端a 、b 、c 赢接接到3 8 0 v 、5 0 h z 的工 频电甄，靛翱绕组塞线壤a 、b 、e 壹接短路，帮= 琢= 0 ，受载转矩 为0 。 图4 - 3 a 和图4 - 3 b 给出了在起动期间功枣绕组和控制绕组线电流曲 线。与常规感应电机的起动过程相似，两个线电流随着转速的上升而下 降，但在7 5 0 r m i n 时又有所上升，这主要是因为在转速7 5 0 r m i n 附近 嚣套绕缀之阉嚣稳互终霜翔强了。 圈4 - 3 d 楚鑫由藤这狳羧转遮藏线，该馥线东0 7 5 0 r m i n 除袋嚣露 接近感威电机的曲线。7 5 0 r m i n 时的变化率突然下降，速度的这变化 延时，说明了转速在7 5 0 r m i n 附近，由于控制绕组的影响使得系统产生 的总转矩照著下降。图4 - 3 e 给出了无刷双馈电机的起动转矩曲线。图 4 3 f 绘滋了茺剩双馈电辍豹起动转矩转遮特瞧蘧线。在转遴低予 7 5 0 r 蕊i n 辩，无磁双馈毫壤鹣转矩一转速特缓藏线专8 稷感瘦毫爨戆特 性曲线致；在转速超过1 0 0 0 r m i n 时，无刷双馈电机的转矩一转速特 性很像6 极感应电机。从嘲上，还可以看出电机在7 5 0 r m i n 时有很大 的振荡，这表明这个转速点魁电机转速的“陷阱”，在起动负载转矩大、 电辊参数变纯范囝大等情掇下，电机靛转速将穆整在这个“陷辫点”上， 嚣不会上势蘩功率绕寇豹瓣步速( 1 0 0 0 r m i n ) 。逮诱秘萃绩运行辩豹转 速既取决于负载，也取决予电机的设计参数。“蛆醯吣。田 第鞠翠无尉取馈电摄嚣琢运行分毫蠢 圈4 。3 a 功率绕组的q 轴电流 分量变化过程 圈4 ，3 c 转子绕组的q 轴电流 分量变化过程 圈4 3 b 控制绕组的q 轴电流 分量变化避穰 圈4 3 d 异步空载起动的转速 变化过程 霾4 3 e 异步空载起动羽魄磁转矩交纯过耧 圈4 ，3 f 电磁转矩。转速特性曲线 燕溷毒无涮毅镬电撬嚣蠲运行分橱 4 2 2 无刷双馈电机的同步运行仿真 起初电机加载3 0 n m 的负载运行在单馈时的稳定状态，擞t = 3 s ，给 控制缀缎上加入直流励磁，= l v 、圪。= 一o 5 v 、k 。= 一0 5 v ，即副绕组 逶遭淫劳一事懿形式热入褒滚毫压嚣，毫瓿稔定运行在“羹然”嚣步速 7 5 0 r m i n ；同时，控制绕缀电流也由交流变为直流，这是阉为单馈运行 时，控制绕组与转子之间存在着耦合，而当加入直流电压后，电机开始 同步逡行，迫使控制绕组电流为直流电流，如图4 4 示。”钔c 4 ” 蚕4 4 a魄橇转速帮控翱绕缀奄流交馋过程 4 2 3 无刷双馈电机双馕运行豹彷冀 当控制绕组上加入三相交流电源时，觅刷双馈电机运稽予双馈调速 状态。当无刷双馈电机的控制绕组与功率绕组相序相反时，丘 0 ，电 援款转速小予同步速，j 琏：瓣瞧撬运行于“驻赛然”同步逮l 警无裁双馕 电梳静控锱绕组窝功攀绕缀稳序穗丽辩，丘 8 ，毫掇黪转速大亏：同步 速，此时电机运行于“越自然”同步速，如图4 5 a 示。从豳中可以看出 无刷双馈电机在双馈状态下运行其转速与控制绕组的频率满足式( 2 8 ) 的关系。 越蹦岫蟛蝉擞避l 0 图4 - 5 a 控制绕缎频率和转速 图4 - 5 b 控制绕组电聪幅值 之间必系曲线帮转速之间关系曲线 第四拳无尉默馕电极嚣邵运行分撰 仿真时，减小加程按制绕组的电压，魄机不会失去同步，如图4 5 b 示。避一点正是无刷双馈电机最重要的特性，因为减小控制绕组励磁电 压的大小就可以减小变频器的容量，减少成本。“” 此外，从理论上 磬，巍无刷双馈电机的控制绕组频率越过功率绕组 豹颓率粒，电疆瘟该藏转。毽是，在实嚣中，我镯不会羁建罴裂双渎毫 机的遮个特性，因为扶保持恒电压频率蹴的角度来说，这种情况下，就 意味蒋需要更大的控制绕组电压，从而魁通过变频器输入的能量增大， 无刷双馈电机也就失去了它的优势，因此谯此处没有做研究。 4 2 + 4 负载发生变能的仿真 蕊4 - 6 和4 7 给爨了无鼷双馈邀税崔受载转矩突然变化豹情况下， 电机的转速、转矩的变化过程。 焱t = 4 s 时，负载转矩从零上升到l o n m ，电机经过短时间的暂态过 渡过糨又达到稳态，转矩上升到l o n m ，转速又稳定在同步速上；t = 6 s 时，受载转矩扶l o n m 下降刘5 n m ，在电磁秘视械衰减过后，笼捌双馈电 掇镄然可班维耱羁多遮逡行。壶魏我镪甏驻鲡遘，转矩在稳定允诲戆范 围内改变对，对转速没肖影响。 h 0 均 圈4 6负载变化对转速的影响 气，0 h ) 圈4 7 电磁转矩的变化过程 4