（电力系统及其自动化专业论文）基于矩阵变换器的无刷双馈电机控制研究.pdf

a b s tr a c t t h eb r n a h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e ( b d f m ) i sas i n g l e f r a m e ，s e l f - c a s c a d e d i n d u c t i o nm a c h i n ec a p a b l eo fo p e r a t i n gi nb o t ht h ei n d u c t i o na n dt h ea s y n c h r o n o u s m o d e b d f mh a st h er o b u s tm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c st o g e t h e r 、“mc o n t r o l l a b l es p e e d a n dp o w e rf a c t o r , ar e l a t i v e l yl o wr a t i n gp o w e rc o n v e r t e r t h e s eb e n e f i t sa t t r a c tm o r e a n dm o r er e s e a r c h e r sa t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , ac o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nt h eb d f mw i t hc a g er o t o ri sd e v e l o p e d a f t e rr e v i e w i n gt h ep r o g r e s so ft h eb d f m ，i t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p a l s a r ed i s c u s s e d 1 1 1 es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eb d f mi se s t a b l i s h e da n db e h a v i o r su n d e r d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e sa r es t u d i e d t h es t e a d ys t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i t sf o rt h eb d f m i sd e t a i l e dd e v e l o p e d a f t e rs i m p l i f y i n gt h es t e a d ys t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i t , t h ep o w e ro f t h es t a t o rw i n d i n g so f t h eb d f mi se x p l i c i t l ye x p r e s s e d s oi ti se a s yt ok n o wt h ep o w e r f l o wd i r e c t i o n sw h e t h e rt h eb d f mw o r k sa sam o t o ro ra sag e n e r a t o r t h ep a p e rm a i n l yp r o b e si n t ot h ec o n t r o ls t r a t e g yo nt h eb d f ma n dp r e s e n t s c o n t r o ls t r a t e g yo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e sb a s e do nm a t r i xc o n v e r t e r m a t r i x c o n v e r t e ri san o v e la c - t o a cp o w e rc o n v e r t e rd e v i c ew i mb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , s i n n s o i d a li n p u t o u t p u tc u r r e n ta n du n i t yi n p u tp o w e rf a c t o r , t h el a c ko fd c - l i n l ( t h e a b i l i t yo ff o u rq u a d r a n to p e r a t i o n ，t h ee x c e l l e n tw a v e f o r m so fi n p u tc u r r e n ta n do u t p u t v o l t a g e ，v a r i a b l ep o w e rf a c t o ri n p u tc u r r e n t b e c a u s eo fs u c ha d v a n t a g e s ，m a t r i x c o n v e r t e rw i l lb ec h o o s e da sc o n t r 0 1w i n d i n ge x c i t a t i o ns o u l c ：e s i m u l a t i o nr e s u l t s i l l u s t r a t et h eg o o dp e r f o r m a n c eo fs t a b i l i z i n gs p e e df e e d b a c ka n dp o w e rf a c t o rc a nb e f a s t 删u s t e d 。t h er e s e a r c hw o r kh a sb e e ns u p p o r t e db yt h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c t sf u n d e d b yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h ep r o j e c tn a m ei st h er e s e a r c ho f d i s t r i b u t e d w i n d s o l a rh y b r i dg e n e r a t i n gs y s t e m i t sn u m b e ri s6 0 5 3 4 0 4 0 k e y w o r d s ：b r n s h t e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e ( b d f m ) m a t r i xc o n v e r t e r s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n i i 独创忤声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的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 表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。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作了明确的说 明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下 取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 论文作者签名：啪务钐 指导教师签名：强哪、喈 叩等 月髟 第一章绪论 同步电机和异步电机是目前广泛使用的两类交流电机，结构上的差异性，导 致两类电机的运行方式有较大不同。普通同步电机和绕线式异步电机的转子绕组 通常采用电刷和滑环与外电路相连，由于滑动接触和电刷磨损，降低了运行的可 靠性，且需要定期维护。普通笼型转子感应电机虽然具有结构简单、运行可靠等 优点，但不具备绕线式感应电机起动电流和转矩可以控制、可实现串级和双馈调 速和同步电机转速稳定、效率高及功率因数可调的优点。所以如何使交流电机无 刷化并具备双馈运行功能，使交流传动系统具有高效率、高功率因数、高可靠性、 低成本已成为电机制造工业和交流传动系统亟待解决的一项技术难题。 近年来，为了解决这一难题，国内外许多专家学者都将目光投向无刷双馈电 机。由于这种电机在定子上实现了无刷双馈，转子结构简单，而且具有绕线式异 步电机和同步电机的优良特性，既可作为交流调速电机，又可作为变速恒频发电 机，因此作为一种性能优良的新型电机，越来越受到研究者的关注。 1 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 ) 实际上是一类交流 励磁异步化同步电机，由自级联调速电机发展而来。1 8 9 3 年美国学者s t e i n m e t z 和 德国学者g o r g e s 首先提出这一概念，旨在改善电机的低速运行性能。1 9 1 4 年h u n t 1 】 提出更为先进可行的理论，改进了自级联电机的电磁结构，将2 个独立的定子和 同轴的2 个转子经适当的连接，提出将同轴串级联接的两台感应电机合二为一的 方案一单一定转子铁心的自串级电机，避免了使用滑环与电刷，形成了b d f m 的 雏形，可降低成本、提高起动性能和低速运行性能。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，使它可在电阻控制的方式下获得高起 动转矩和良好的速度控制，适用于大转矩低速运行。但由于定转子绕组极数配合 及绕组设计上的种种限制，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。 广东丁业大学丁学碗 学位论文 直至7 0 年代，b r o a d w a y 等人对h u n t 电机进行了较大改进，简化了转子绕组， 使之具有笼型转子的坚固性与可靠性，又能满足b d f m 对转子磁场的要求，使定 转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自级联无刷感应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，为 这种电机进入实用铺平了道路。8 0 年代中期，h e y n e 和e i - a n t a b l y 在自串级感应 电机的基础上，提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机试验结果，该种电机用 磁阻转子结构( a l a 轴向叠片转子) 代替隐极式绕线转子，电机性能指标也有了较 大的提高f 2 i 。 8 0 年代末开始，无刷双馈电机动态数学模型和两轴模型的建立i 7 “，为无刷 双馈电机的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用 与无刷双馈电机，从标量控制1 9 1 发展到矢量控制 1 0 , 1 1 、直接转矩控制 1 2 l ，到目前 基于现代控制理论的滑模变结构控制、非线性解耦控制、模型参数自适应控制”3 1 、 模糊控制、神经网络控制等。目前，国内外部在热衷研究、开发无刷双馈电机调 速控制系统，并在美国、俄罗斯、德国等已有成功经验，并应用于工业电力传动 和恒频恒压发电领域。 1 2 无刷双馈电机的国内外研究状况 目前，国外对无刷双馈电机的研究己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，寻找适于无刷双馈电机的控制方法，促进它进入 实用化的阶段。美国o r e g o n 州立大学在建模及控制策略方面做了较多的研究i l 4 , l s l ， 前后提出了网络模型【“】、d - - q 轴数学模型1 1 7 i ”、同步数学模型l ”1 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，水利发电，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，还未普遍推广应用。 国内无刷双馈电机的研究起步较晚，沈阳工业大学自2 0 世纪s 0 年代末最早 开始了这方面的研究1 2 0 2 “，对电机的基本运行规律和发电机运行方式下的特性等 进行了仿真分析，取得了某些研究成果并曾获得1 9 9 5 年国家自然科学基金资助。 2 绪论 国内的其他一些高校和科研院所如浙江大学f l a - ”i 、西安交通大学1 2 州，华南理工 大学【”芦删、重庆大学_ 3 3 i 、湖南大学”搠等近年来也在着手b d f m 的研究工作， 取得了一定的成就。除沈阳工业大学研究了磁阻型转子无刷双馈电机外，其他高 校都以笼型转子无刷双馈电机为研究对象，并且都已做出了2 k w 一1 5 k w 的试验样 机。华南理工大学新能源研究中心试制了一台1 2 k w 的实验样机，并进行了实验 研究。华中科技大学根据“变极法”设计了绕线型转子绕组【3 6 】，这种新型绕组利 用其中两种不同极数p o 和p c ，对感应电势在理论上可以有不同电回路的特点，对 转子导体进行重复利用，从而有较高的利用率和低的谐波含量。采用这种绕组的 双馈电动机可如同常规电机那样运行，只有在需要时才进入变频调速状态工作。 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，且交流装置只需处理滑差 功率，装置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 课题来源及其研究意义 1 3 1 课题来源 本研究是在国家自然科学基金重点项目( 6 0 5 3 4 0 4 0 ) “分散式风力一太阳能发电 系统的混和控制研究”、广东省科技计划项 子( 2 0 0 4 a 1 0 5 0 2 0 0 4 ) “电梯专用无刷双馈 电机及其控制系统”、粤港关键领域重点突破项目( 2 0 0 4 a 1 0 5 0 6 0 0 3 ) “大型风力发 电机组及其零部件国产化设计与制造技术研究”等项目的资助下，以新型无刷双 馈电机的控制为主要研究目标，通过对一些先进控制算法的尝试，期望达到变速 恒频和良好的调速特性。研究成果预期可为项目的产品化、实用化打下良好基础。 1 3 ：2 课题研究意义， 无刷双馈电机具有绕线式转子感应电机和同步电机的优良特性，既可作为交 流调速电动机，又可作为变速恒频发电机。运行时，无刷双馈电机所要求的变频 器容量小，降低了系统成本。且由于电机本身采用特殊的转子结构，取消了滑环 和电刷，调速系统的结构改变后，系统运行的可靠性提高，具有明显的优于传统 广东- 业大学工学硕卜学位论文 交流调速系统的技术经济指标，在交流调速驱动中有广泛的应用前景。同时该系 统还可以实现变速恒频恒压发电，大范围地调节无功功率，改善电网地功率因素 等特点。无刷双馈电机的研究与应用给变频调速系统的发展提供了一个新的思路， 同时也将为变频调速系统在生产中的进一步推广应用起到促进作用 1 4 本文的主要内容与安排 本文在理论上以数学变换作为主要工具，吸收国内外无刷双馈电机研究的有益 理论和实践经验，着重对无刷双馈电机的控制进行探讨，在无刷双馈电机数学模 型的基础上提出了基于矩阵式变换器的无刷双馈电机控制策略，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 实现了无刷双馈电机模型的构建及其控制系统的仿真，并对 结果进行了分析，得出此控制策略的优越性与可行性的结论。全文共分四章。 第一章综述了无刷双馈电机的发展历史、国内外研究现状及本课题的来源及其 研究意义。 第二章介绍了无刷双馈电机的一些基本概念及其运行原理，并对无刷双馈电机 的多种运行方式分别进行论述分析，并进行了仿真验证。推导了无刷双馈电机的 稳态方程并在此基础上对功率流向进行分析，最后对无刷双馈电机的运行区域进 行了划分。 - 第三章介绍了无刷双馈电机常用的三种数学模型：网络模型、d q 模型、同 步坐标模型。并对无刷双馈电机主要控制策略进行了综述。 第四章介绍了矩阵式变换器的基本原理及其控制策略，并在此基础上提出了基 于矩阵式变换器的无刷双馈电机控制，并利用m a t l a b s i m u l i n k 做了仿真，仿 真结果表明此控制策略的可行性。 4 第一二章无刷双馈电机的基奉理论 第二章无刷双馈电机的基本理论 无刷双馈电机的基本结构是一个定子、一个转子，一套公共磁路，定子有两 套对应不同极数的绕组，一套接至三相工频电源，称为功率绕组，另一套接变频 电源，称为控制绕组。在两套绕组极数确定的情况下，改变控制绕组变频器输出 频率就可对电机的转速进行调节，只要变频器的输出频率一定，那么电机的转速 就完全确定，转速控制十分精确。 2 1 无刷双馈电机的基本原理【1 4 1 无刷双馈电机是在两台级联式感应电机的基础上发展而来的。所谓两台电机 级联就是将两台绕线转子电机同轴相连，转子绕组相互连接而成，这种级联系统 的结构如图2 1 所示。如图我们可以看出：这种感应电机系统从第一台电机( p 。对 极电机) 的定子侧输入电功率，通过转子传递给第二台电机( p c 对极电机) 的原 边，第二台电机的副边绕组即其定子绕组通过外接电阻短接，这样就可以省去滑 环，该系统通过改变外接电阻的阻值即可调节电机的转速。下面详细分析它的运 行原理。 蹬组镬 图2 1 两台感应电机级联结构图 f i g 2 - 1 t h et w oc a s c a d ei n d u c t i o nm o t o rs t r u c t u r ep i c t u r e 为了分析简便，我们忽略两台电机的损耗。假设第一台电机的定子输入电功 率为毋( p ) ，运行于某一转速时的两台电机转差率分别为、& ，由电机学原理可 广东1 二业大学t 学顾t 学位论文 知，第一台电机产生的机械功率为 己( p ) = ( 1 - s p ) p l ( p ) ( 2 - 1 ) 最( 力为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率。由于第二台电机的功 率来源于它的转子，因此称第二台电机的转子为原边，称第二台电机的定子边为 副边，第二台电机轴上产生的机械功率就是： 只( c ) = ( 1 一j 。) s ，只( p ) ( 2 。2 ) 所以，在两台电机转子绕组反相序相连的条件下，整套级联感应电机系统轴上 的输出功率为： = + 气= ( 1 - s p s ，) p ( p ) ( 2 - 3 ) 式中s p s 。e t ( p ) 为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 改变第二台电机定予上电阻的阻值，则消耗在其上的功率s 。& 异( p ) 将会改变， 在系统输入功率一定的前提下，s 。发生变化，相应的第二台电机的定子侧电流频 率将发生变化。因此，如果我们能够改变第二台电机定子侧的电流频率。就会反 过来改变电机的转速。 在此基础上改进的，人们想到用变频器来代替原机中的外接电阻，即可实现 电压频率调节达到调速的目的，又可实现能量传递以提高系统的效率。由图2 2 所示j 但是级联式b d f m ，需要两台电机，成本高，并且体积较大。7 0 年代以后， b r o a d w a y 等人又在此基础上，提出在单一铁心中安放两套定子绕组的无刷双馈电 机模型，如图2 3 所示。其基本结构是一个定子、一个转子，一套公共磁路，定子 有两套对应不同极数的绕组，一套接至三相工频电源，称为功率绕组，频率为l ， 极对数为p ，；另一套接变频电源，称为控制绕组，频率为正，极对数为p 。由于 定子利转子结构采用了合理的设计，使得两套定子绕组产生的磁场只能通过转予 间接耦合；同时转子磁场的极对数可以自动转换，分别与定子磁场的极对数匹配， 因此，无刷双馈电机的工作原理与级联式电机的原理相同。 6 第二章无刷双镄电机的草奉理论 u v w u v w 功率电机控制电机 图2 - 2 级联式无刷双馈电机 f 培2 - 2 s e l f - c a s c a d e db d f m 图2 - 3 无刷双馈电机的结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r ep i c t u r eo f b d f m 电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。由于电机结构的特 殊设计，它们的基波并不交链，分别在转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定 运行，其具体分析如下。 当功率绕组电源正相序连接，控制绕组通过变频反相序连接时，它们产生的 旋转磁场方向相反，同步转速分别见图2 4 。 图2 4 电机内部磁场相互作用关系 f i g 2 - 4i n t e r a c t i o nr e l a t i o ni nm a g n e t i cf i e l do f b d f m 7 广东t 业大学t 学硕 学位论文 栉d ；6 0 f ( 2 - 4 ) 栉“5 p p ：盟( 2 - 5 ) p c 设转子的旋转速度是，l ，则这两个定子磁场在转子中感应电势的频率分别为 厶= ( p l 矿- - n r ) p v ( 2 6 ) 厶：亟芸丝( 2 - 7 ) 。甜 6 0 它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁场。当频率为0 的电 流，通过与功率绕组极对数对应的转予导体时，产生的旋转磁场相对于转子的转 速为 疗：6 0 。f p _ _ = ：胛p l 一体( 2 - 8 ) 疗2 儿2 胛p 1 一体 而相对于定子的转速是：r ，+ n p p r = 栉。，它与功率绕组电流建立的磁场同步， 因此，它们相互作用会产生恒定的电磁转矩。同时，频率为丘的电流，也会通过 与功率绕组极数对应的转予导体，它产生的旋转磁场相对转子的转速为 n p c r ：= 6 0 f c , ( 2 - 9 ) pp 它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转矩，这两个磁场必须 同步旋转，比较式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) ，转子电流频率必须相等，即 ： 厶= 厶 ( 2 1 0 ) 同理，频率为- ，0 和厶的电流也会通过与控制绕组极对数对应的转子导体，只 有在满足式( 2 - 1 0 ) 的条件下，产生旋转磁场与控制绕组电流建立的磁场才会同步， 相互作用产生恒定的电磁转矩，从而维持电机稳定运行。 因此，联立解式( 2 4 ) ( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) ，可得电机稳态运行的转速 r ：6 0 ( f p - f c )(2-11)1 = pd p c 当功率绕组电源正序连接，控制绕组通过变频器也正相序连接时，同理可以 8 第一二章无刷双馈电机的基本理论 得到电机的转速为 r ：= 6 0 ( f p + f c ) ( 2 - 1 2 ) = p ，+ p c 可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频率正，可以很方便 地调节电机转速。当正= 0 时的电机转速称为自然同步转速；低于自然同步转速时 称亚同步调速；高于自然同步转速时称超同步调速。 2 2 无刷双馈电机的运行特性及其仿真 无刷双馈电机不仅具有普通感应电机结构简单的特点，并且还可以运行在不 同的工况下，兼有绕线转子感应电机和电励磁同步电机的某些优点。其运行情况 相当于一台2 ( 岛+ 见) 极绕线式转子感应电机，功率绕组和控制绕组分别相当于绕 线式感应电机的定子绕组和转子绕组。该种电机具有自起动能力，可实现异步运 行、同步运行和双馈调速等多种电动运行方式；当发电机运行时，可实现无刷变 速恒频恒压控制。 2 2 1 自起动和异步运行 无刷双馈电机自起动和异步运行方式下的接线如图2 - 5 所示，功率绕组接至工 频电源，控制绕组通过滑动变阻器短接，调节电阻的大小就可以改变电机的启动 特性。 电机起动后的空载转速接近自然同步转速= 6 0 ( 砟+ 岛) 后，电机进入异 步运行方式。当外加负载转矩一定时，改变控制绕组外接电阻的大小，即可实现 调速运行。 3 8 0 一 a bl cl 功率绕缍 图2 - 5 自起动与异步运行方式接线图 f i g 2 - 5 t h ea s y n c h r o n o u sm o d eo f o p e r a t i o n 9 广东t 业人学下学硕士学位论文 2 2 2 同步运行方式 功率绕组接工频电源供电，控制绕组加直流励磁，则无刷双馈电机工作在同 步运行方式下。 图2 - 6 同步运行方式接线图 f i g 2 - 6 t h es y n c h r o n o u sm o d e so f o p e r a t i o n 在异步起动过程完成以后，当电机转速接近于同步转速时，将控制绕组由 短接状态迅速切换到两并一串方式，并通入直流励磁电流，从异步运行方式过渡 到同步运行方式，电机将稳定地运行在同步转速，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，从而调节电机的功率因数，其接线 图如2 - 6 所示。 2 2 3 双馈调速运行方式 当无刷双馈电机功率绕组由工频电源供电，控制绕组由变频电源供电时，即 是双馈调速运行方式。 。在无刷双馈电机处于异步或同步运行方式时，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 可调节电机转速，其接线图如图2 7 所示。 图2 7 双馈调速运行方式接线图 f i g 2 - 7 t h ed o u b l y - f e dm o d e so f o p e r a t i o n 1 0 第一二荦尤刷双馈电机的摹本理论 当功率、控制绕组的供电频率分别为和z 时，电机转速与功率、控制绕组 电流频率和极数之间的关系为 ，i = 6 0 ( f p 正) ，( p ，+ 刀。) ( 2 - 1 3 ) 上式中，功率绕组、控制绕组电流同相序，分子中取正号，电机超同步双馈运 行，功率绕组、控制绕组电流反相序，分子中取负号，电机为亚同步双馈运行。 2 2 4 发电机运行方式 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，其接 线示意图如图2 8 所示。 图2 8 发电机运行方式接线图 f i g 2 8 t h eg e n e r a t o rm o d eo f o 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之间的关 系可表示为： = ( 纬+ b ) 怫6 0 + 五 ( 2 1 4 ) 由上式可看出，当原动机转速发生变化时，通过调节电机控制绕组三相励磁 电流的相序和频率z 使发电机输出电压和电流的频率五保持不变，当电机的转速 高子同步转速时，式( 2 1 4 ) 右端取负号，即励磁电流相序与电机转向相反，反之， 当电机转速低于同步转速时，式( 2 1 4 ) 右端取正号，即励磁电流相序与电机转向相 同。 2 2 5 运行特性仿真 为了研究无刷双馈电机开环时的稳态及动态特性，有必要对无刷双馈电机进 广东- 业丈学t 学硕e 学位论文 行相应的仿真研究。本文在m a t l a b s i m u l i n k 软件平台下，根据转子的d q 模型， 对b d f m 在各种运行模式下进行了开环控制仿真研究。仿真电机参数如下：r p = 0 8 l q ，r c = o 8 1q ，r r _ l - 5 7 mq ，l 。= 8 0 m h ，l 。= 6 3 0 m h ，l r = o 0 4 l n i ，m p = 0 8 9 m h ，比= 4 3 m h ， f p = 5 0 h z ，p p - 3 ，m = l 。 图2 - 9 中，功率绕组始终接入5 0 h z ，3 8 0 v 的交流电源，而0 一l o 秒控制绕组 短路空载起动，1 0 - 2 0 秒控制绕组接入直流电压源，由图2 - 9 的响应曲线可见，o - 1 0 秒控制绕组短路空载运行时，电机处于自起动和异步运行方式，转子转速接近 1 0 0 0 r p m 。如果控制绕组串接三相对称起动电阻直接启动，则可以通过调节外串电 阻的大小调节转子的转速大小。1 0 - 2 0 秒电机控制绕组加直流励磁，图中可以看出 电机从异步运行方式过渡到同步运行方式，转子转速最终稳定在7 5 0 r p m ，此时可 以通过改变控制绕组直流电压的大小就可以改变功率绕组中电流的无功分量，从 而调节电机的功率因数。从上面的分析可以看到，电机在同步运行和双馈运行时 稳态转速符合式( 2 1 3 ) ，该仿真模型能够较好的描述电机特性。电机在异步运行 方式时具有较好的自起动能力，在上面的仿真参数条件下电机能够顺利地从异步 运行方式过渡到同步运行方式。 | r 一 图2 _ 9 无刷双馈电机空载时的起动及同步运行仿真 f i g 2 - 9 d ca n ds y n c h r o n i z a t i o ns i m u l a t i o no f t h eb d 附 图2 1 0 主要研究无刷双馈电机从同步到亚同步再到超同步运行方式时，改变 控制绕组励磁频率时，电机的响应情况。在空载情况下，功率绕组始终接入上述 的工频电源，而控制绕组的变频电源的频率变化。控制绕组在0 一l o 秒内接入直流 1 2 一叩叩?f。一 一e e 埘毒； 第二章无刷双馈电机的基本理论 电压源，1 0 2 0 秒则接入l o l z 的交流电压源，2 0 一3 0 秒则接入一l o h z 的交流电压 源，而控制绕组电压的幅值可在一定范围内变化，可参照异步机的恒压频比的方 式确定。由图2 1 0 可见，0 1 0 秒b d f b l 处于同步运行状态，转速保持在7 5 0 r p 哪， 1 0 - 2 0 秒控制绕组为l o h z 的交流电压源时转子稳态转速为6 0 0 r p m ；电机均处于亚 同步运行方式。控制绕组为一l o h z 的交流电压源时，转子的稳态转速为9 0 0 r p m ， 电机处于超同步运行方式。由以上结果可见，电机处于双馈运行方式时，稳态转 速符合公式( 2 - 1 3 ) ，即转子转速取决于控制绕组电压源的频率。 b o o l r 营6 0 0 巳 霎。o o 卜 _ 4 0 0 0 - 一 f i g 2 一l o e800 辟 51 01 52 02 5 t ( s ) 3 0 图2 - 1 0 无刷双馈电机的双馈运行仿真 d o u b l y f e ds y n c h r o n o u sb e h a v i o r si m u l a ci o no f t h eb d f m 图2 - 1 1 无刷双馈电机负载变化时的双馈运行仿真 f i g 2 - 1 1 d o u b l y f e ds y n c h r o n o u sb e h a v i o rs i m u l a t i o no f t h eb d p mw i t hc h a n g e dl o a d 图2 - 1 1 研究了当电机处于双馈运行方式时，负载变化对于转子转速的影响。 功率绕组接入5 0 h z ，3 8 0 v 的交流电源，控制绕组接入1 5 h z 的交流电压源，o 一5 秒 广东- i 二业大学1 = 学硕l ：学位论文 为空载运行，5 - 1 0 秒加上阻尼矩为l o n m 的负载。由图2 - 1 1 可见加上负载后，转 速下降，转矩迅速增大，经过迅速的暂态过程调整，转子转速重新恢复到5 2 5 r p m 。 上述过程充分体现了无刷双馈电机双馈运行时的同步特性，一旦电机的转速与同 步速有偏差，立即会产生一个整步转矩将电机重新牵入同步运行。 上述开环控制下仿真试验的结果，既验证了电机模型的正确性，为后续的控 制研究奠定了基础，也表明了无刷双馈电机具有多种运行方式以及其具有的良好 特性。 2 。3 无刷双馈电机的稳态方程及功率流向【3 7 一柏】 无刷双馈电机运行时，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频率折算。 设s 。= ( r i p n , ) n p 为转子相对于功率绕组磁场的转差，= ，( + 怫) 为转子相对 于控制绕组磁场的转差。则控制绕组磁场相对于功率绕组磁场的转差为 s = s p s c = z = 皱，则无刷双馈电机稳态时的电压方程为： j y p 2q p + j p l 0ip + j m p mp ir k s 2 ( r s + j l 。0 i c j m c c o p j g p p lp j m p p l c + u | s p + j l p 弹r = 0 氆1 5 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矿，即 吃= 一o 屹= p 一 ( 2 - 1 6 ) 根据上式，可以得到无刷双馈电机的稳态等效电路图如下。 r p j c o p l 碑 r , sp j c o p l ，。 r c sj 。p h 。 矿p 图2 1 2b d f m 双馈稳态运行时的等效电路 f i g 2 1 2t h es t e a d ys t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tf o rd o u b l y - f e do p e r a t i o n 1 4 第二章无刷双馈电机的皋奉理论 其中，l 一+ m p = k ，l e o + m e = k ， k + 必+ 心= 利用以上等效电路， 对无刷双馈电机的有功功率进行分析，忽略励磁电流，设定功率绕组侧功率因数 角为舻，从功率绕组每相输入功率为 抛) = 唧= 仇+ e 舌叫p 2 量s + 竽c o s ( 伊+ 扔 ( 2 1 7 ) 对上式进行一些处理： e = e ， 鸶= 露以+ 导， 露印+ 孚+ 导， g 以8 竽州州m c o 晰绷+ 生s + 争ss ， 将式( 2 一1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) 得 脚m 伽伊2 蛳化) + 了l - - s p 畦+ 知等c 。岍纠亿1 9 ) + l - - ：一s c + k i p c o s ( 伊+ 妒) + k c o s ( 矿+ 妒) 可以看出上式中第一项代表了电机定子总的铜耗，后三项反映了能量在功率绕组， 控制绕组以及转子问的分布。 假定忽略电阻的影响，可以进一步分析这几个功率问的关系，很明显，当式 中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，式( 2 1 9 ) 简化为： ， 卑( p ) = ( 1 一) ! ：! ! ! ! ：! 竺二坐+ ( 1 一& ) ! ! ! ：! ! ：；! 竺二盟+ v ：l p c o s ( 矿+ ) ( 2 - 2 。) 。从功率绕组传递到转子上的电磁功率一部分转化为机械功率只( p ) 从电机轴 输出；另二部分则作为滑差电功率只( p ) 向控制绕组输出。它们之间的关系为： 匕：掣：型，( 2 2 1 )4 棚 、 、一j p 3p ( p ) 通过转子向控制绕组传递时，一部分成为电功率p r c ) ，从变频器输出；另一 广东t 业大学t 学硕t 学位论文 部分又作为机械能返回转子，从轴上输出，它们之间的关系满足： ( p ) ：掣：型( 2 - 2 2 ) 卜。s cs c 在忽略定转子铜耗情况下，功率绕组和控制绕组输出的机械能之比 鬻= 攮丑p c 与例啪贼黼砒。 无刷双馈电机总的输出功率为： 2 最+ 己2 ( 1 一) 匕+ ( 1 一& ) 匕 佗2 3 ) = ( 1 一j 。& ) 卑( 力= ( 1 一s ) g ( p ) 通过以上的分析可以看出，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。无刷双馈电机运行时，从总的输出机械功率来 看，其特性可以等效于定子绕组为功率绕组。转子转差率等于s = j 。& 的普通绕线 异步电机。 无刷双馈电机运行在不同工况下将有不同的能量关系，在代表功率传递的一 般形式式( 2 2 4 ) 中，除p ( p ) ，p ( c ) 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侧的损耗，前面符号恒为正外，其余各项前的符号，代 表了功率的不同流向，将随着工作状况的不同而变化。 p t ( p ) = 只( p ) + 只( c ) + p ( p ) + p 0 ) + p ( r ) ( 2 - 2 4 ) 下面对双馈运行进行简单的理论分析：双馈是一个电机控制的概念，必须放 到电机运行系统中去理解和使用。双馈运行包括双馈调速和双馈发电两种运行方 式。在双馈调速方式下，就是将电能分别馈入绕线式转子异步电机的定子和转子 绕组，定子绕组接入工频电源；转予绕组接入频率、幅值、相位都可以调节的交 流电源，即采用交交变频器或双向交直交变频器给转予绕组供电。其中，必须保 证的是在任何情况下转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一 致。当改变转子外加电压的幅值和相位就可以调节异步电机的转速、转矩，也可 以调节定子侧的功率因数。双馈调速的异步电动机不仅可以在亚同步转速区运行， 而且可以在超同步转速区运转。 1 6 第一二章无刷双馈电机的苹奉理论 2 4 无刷双馈电机的运行区域m 3 9 1 电机是一种机电能量转换装置，各种电机中都存在一个机电耦合场一气隙磁 场。对于无刷双馈电机来说，它存在着三个同步转速，即功率绕组所产生的旋转 磁场同步转速i l o ，控制绕组所产生的旋转磁场同步转速i l c ，还有自然同步转速n o 由转速表达式 6 0 ( z ) 一= 一 p p p c 当控制绕组通入直流电，即z = o 时，此时转子转速定义为无刷双馈电机的自 然同步转速n o ，即= 6 0 厶i ( p r + 皿) ，按转子速度埤的大小，可将无刷双馈电机 的运行分为几个不同的转速区。 若吣加，此时控制绕组磁场正转且有r l r n o ，此种情况称为“超同步”。若n 。 0 ， 此时控制绕组磁场反转且有o q “n o ，此种情况称为“亚同步”。 显然n 尸1 1 0 是电机采用“和调制”还是“差调制”的临界点。 当n f - - - n v 时，此时定子功率绕组的磁场无法在转子上感应电势，能量转换无法 实现，因此该点是风力发电机的“死点”。 根据n t 、n p 、n o 之间的关系，无刷双馈电机可定义三个运行区域：r r n o 的低 速区、n o 一 的高速区。图2 - 1 3 给出了b d f m 在不同转速区运行时的能量传递关系。 1 ) 无刷双馈电机运行在低速区电动状态 若控制绕组频率以及转子的转速满足o 正 、o 0 ， l 以 0 ，不同功率间的关系为： 最( p ) = o s ，) p 删( p ) 只( p ) - - - - s p 尸蜊( p ) _ ( 2 鳓 只( c ) = ( 1 - s 。) s 。匕( 力 、7 ( c ) ；& s 。匕( p ) 功率流向如图( 2 1 3 ) ( a ) 所示，此时，b d f m 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，另一部分作为滑差功率从 变频器输出。 2 ) 转子反向z 兀、埤 l ， 1 ，有 只( p ) = ( 一1 ) i 匕( 力i 怒! 卷1 ) s 训 q 只( c ) = ( 一。i 匕( p ) i 、7 ( c ) = $ c s 。i 匕( p ) i 功率流向如图( 2 - 1 3 ) ( b ) 所示，此时，b d f m 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铁耗外，剩余部分作为滑差功率 从功率绕组输出。 3 ) b d f m 工作在低速发电状态，控制绕组频率以及转子频率满足0 正 厶、 0 o 、1 o ，不同功率间的关系与式( 2 2 5 ) 相同，但功率流向 如图2 - 1 0 ( 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一致，且z 譬、n o 怫 n p ，0 l 、 s 。 0 ，电机运行在中速区电动状态，各有功功率之间满足： 已( p ) = ( 1 - s p ) 匕( p ) 怒c o ) ：糍能刖p ， 乃 匕= ( 1 + l 屯i ) s 。p 删( p ) 、 ( c ) = i j ，匕( p ) 功率传递关系如图( 2 1 3 x d ) 所示，此时，从功率绕组和控制绕组输入的电功率 扣除定转子损耗外，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h 。 体，s p 1 ，电机运行 在高速区电动状态，各有功功率之间满足： 圪( p ) = ( 1 + ls 。i ) 匕( p ) 。 只p a ( p c ) ) ： ( s & , i p ) ( p ) 1 匕( p ) ( 2 2 8 ) 只( c ) = ( & 一) is 。l 匕( p ) 、 只 ) = & ls 。l 匕( p ) 功率传递关系如图( 2 1 3 ) ( 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。 ( c ) ( e ) 。 图2 - 1 3 无刷双馈电机能量流程图 + f 皓2 1 3 t h ee n e r g yf l o w c h a ro f b d f m 6 ) 控掣绕组电流