（电机与电器专业论文）无刷双馈电机调速系统的研究.pdf

二圳投馈i 也机d h 述系统的圳宄 a b s t r a c t l h ee n e r g ys o u r c e sp r o b l e mi sag r e a tp r o b l e mt h a ts h o u l db es e t t l e du r g e n t l yl b rt h e w o r l d sd e v e l o p i n g n o v , ，a se n e r g ys o u r c e sc o n s u m ei si n c r e a s i n ga tf a s ts p e e d ，p e o p l eh a v e p a i dg r e a ta t t e n t i o no nt h er e s e a r c ho fh i g he f f i c i e n td r i v et e c h n o l o g y v a r i a b l ef r e q u e n c y a d j u s t i n gs p e e d ( v f a s ) t e c h n o l o g y i san e wt e c h n o l o g yt h a ts p r i n g su p t b l l o w i n gt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a le l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dd i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a m o n g t h e m ，t h eb r u s h t e s sd o u b l yf e dv f a ss y s t e mh a sm o s tp o t e n t i a l t h eb r u s h l e s sd o u b l y f e d m a c h i n e ( b d f m ) i san e ws t y l em a c h i n et h a ti n t e g r a t e st h ed e s i g nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nt h ec a s c a d e dm a c h i n e t h eb d f ms y s t e mh a st h er o b u s tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c st o g e t h e rw i t hc o n t r o l l a b l es p e e da n dp o w e rf a c t o r ，r e u s e ds l i pp o w e ra n da r 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 ep a p e rh a sd o n ea l l a r o u n ds t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g yo fb d f mv a r i a b l e f r e q u e n c ys y s t e m f r o mt h e o r yt os i m u l a t i o na n dh a se s t a b l i s h e d s t a b i l i t y t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rc o n t i n u es t u d yw o r k f i r s t l y ，b yc o m p a r i n gt h el a t e s td e v e l o p i n gs t a t u s ，t h ep a p e rd r e wo u tt h a t i th a dg r e a t i m p o r t a n c et or e s e a r c hb d f mv f a s a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h eb d f ms y s t e m ，i tp u t f o r w a r da n dd e s i g n e dt h ed u a lp w m c o n v e r t e r ，w h i c hh a dt h ea b i l i t yo fd u a ld i r e c t i o ne n e r g y f l o w i ta l s oa n a l y z e dt h eb a s i ct h e o r ya n dm a t h e m a t i cm o d e lo ft h r e ep h a s ev o l t a g ep w m r e c t i f i e ra n di n d u c t e df e e d f o r w a r dc o n t r o lo f l o a dc u r r e n t s i m u l a t i o nt e s t i f i e dt h a tt h es y s t e m c a nm e e tb d f md r i v es y s t e m sa l lr e q u e s t st oc o n v e r t e r s e c o n d l y ，t h ep a p e rb r i e f l ya n a l y z e db d f m sb a s i ct h e o r y s i m u l a t i o nr e s e a r c hh a s b e e nt a k e nf o ri t so p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tb d f mw a sv e r y s u i t a b l ef o rt h eu s eo fv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e d a c c o r d i n gt ot h ec o o r d i n a t e t r a n s f o m at h e o r y ，t h ep a p e rd e d u c e dt h eb d f m sd u a ls y n c h r o n o u sc o o r d i n a t em a t hm o d e l b yt h i s ，i td e s i g n e dt h es t a t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g ya n dr o t o rf l u xo r i e n t e dv e c t o r d e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g y s i m u l a t i o nt e s t i f i e dt h a t t h ec o n t r o lm e t h o dh a dp r e f e r a b l e c o n t r o lc a p a b i l i t y l , a s f l 3 7 ，t h ep a p e rd e l a i l e d l ye x p l a i n e dt h ew h o l es y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f l w m e s tf h c t i , i f ea n di t sr e a l i z i n gm e t h o d ，w h i c hh a sp r e p a r e dl b rn e x te x p e r i m e n tr e s e a r c h k e yw o r d s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e d ；b d f m ；d u a lp w m c o n v e r t e r ；d e c o u p l i n g f e e d f o r w a r d 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郧重声明：所里交的论义是本人在导师的指导下独一血进行研究所 取得的研究成果。除了文1 i 特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 饲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，均已在文中以叫确方式标明。本人完全意识到本声 蝎的 法律后果由本人承担。 作者签名： 锄、易击每日期：p 哼年月岁日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 清在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 帮。纽辱 童疆7 日期：p 罗年争月房日 日期：沙晦千月侈曰 第l 章绪论 1 1交流调速技术的发展现状 能源、环境问题足当今世界发展亟待解决的熏大刚题，在能耗e 速增k 的今天， ! 【l l 何高效地利用现有能源成为缓解能源压力的有效途径之，丁是，能源经济效率、能 源技术效率等词汇随之诞生1 1 1 。t d 前，国际上用于比较分析的能源效率是能源生产、中 间环节的效率与终端使用效率的乘积，这一个方法是进行围际能源效率比较可比性较强 又比较准确的方法。1 9 8 0 2 0 0 0 年，我国包括能源加工、转换、和终端利用各个环节存 内的能源效率由2 6 提高到3 3 ，但仍比中东欧国家的平均效率低1 - 8 个百分点。我圈 的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，目前我国电机的总装机容量己达4 亿千 瓦，年耗电量约占全国用电量的6 0 ，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低，j 占 本上要比国外平均水平低2 0 ，7 0 的电机只相当于国际2 0 世纪5 0 年代的技术水平， 电机驱动系统能效比国外低2 0 左右，电能浪费十分严重。 究其原因，除了产业结构、能源结构、管理水平等因素外，先进技术设备的普及 率低是一个极其重要的原因，其中冶金、机械、水泥生产、风机、泵类负载等驱动系统 是能源浪费的重点，用新的节能调速技术取代目前落后的技术迫不及待。 现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等阴大 部分组成。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称为变频器f 变频 调速装置) 。交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统【2 1 。目前较常用的有三种方案， 它们是异步电动机交流调速系统、开关磁阻电动机交流调速系统和永磁同步电动机交流 调速系统。随着一些新型电机的出现，现在又有有刷双馈电机调速系统、无刷双馈电机 调速系统出现。在调速设计中，究竟哪种方案比较合适，这需要进一步地分析。 1 异步电动机交流调速系统。 由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率p m 可分为两部分：部 分p d = o s ) p m 是拖动负载的有效功率：另一部分是转差功率p s = s p m ，与转差率s 成正比。转筹功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的 效率高低p _ 卜1 4 。 2 开关磁阻电动机交流调速系统。 开关磁阻电动机交流调速系统是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制装置、角 位移传感器和推动电路五部分安装在一起的一种新型机电一体化调速装置，它的效率在 很宽的调速范围内可大于8 7 以卜，比传统的直流电动机、同步电动机和异步电动机都 简单，同时，开关磁阻电动机控制方便，可以四象限运行，具有结构简单、体积小、霞 量轻、i 作可靠、控制方便的优点，其性能和经济指标优于普通的异步电动机交流调速 系统。 允删烈馈i u 付l 训蚀系统的7 圮 3 同步电动机调速系统。 山同步电动机转速公， 知同步电动机惟一依靠变频渊速。根据频率控制方式的 小同，同步电动机调速系统u j 分为两类，( 1 ) 他控式同步电动机渊速系统：如永磁州步i 【i 动机、磁阳同步电动机：( 2 ) 自控式同步电动机凋速系统：如负载换向自控式同步电动机 涮速系统( 无换向器电机) 、交交变频供电的同步电动机凋迷系统。 4 有刷双馈电机调速系统。 有刷双馈电机与变通感应电机相比，只是将转子绕组通过电刷引出，作为控制绕 组外接变频器，它的优点是变频器只需提供电机的转差功率，变频器的容量比电机的功 率小很多，节约大量成本，并且随着近年来矢量控制理论的成熟，有刷双馈电机的控制 已经完全可以实现，另外，它还具有高速范围宽、可四象限运行等优点，因此已越来越 受到人们重视。但是，它有一个与生俱来的缺陷，就是与直流电机一样带有电刷，这就 严重影响了它的应用范围，无法适应在恶劣环境下长期运行，因此应用也受到限制。 5 无刷双馈电机调速系统。 无刷双馈电机一出现，就受到广大学者的普遍关注，它与生俱来的优点注定将成 为高速领域的首选。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： 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r 调速系统的成本；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；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；即便在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感 应电动机状态下；电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及相序有关，而与 负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。无刷双馈电机采用定子磁场定向矢量控 剖，可快速控制电机输出转矩和转速，具有良好动态性能，因此，与其他交流调速传动 系统相比，此系统用于风机、泵类和压缩机的节能调速，具有无可比拟的优势。 由于无刷双馈电机的这些优势，本文决定以无刷双馈电机调速系统为研究对象， 深入探讨其控制策略。 1 2 变频器技术的发展和研究现状 变频调速是通过改变供电频率来达到电机调速目的的。由于异步电机的同步转速 与输入电源频率成正比关系，所以改变输入电源的频率就改变了电机的同步转速，这电 就达到了交流电机的调速要求。但在许多条件下，为了保持在调速时电机的最大转矩不 变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是利 用变频调速技术丌发的典型产品，兼有调频调压两种功能，通常称为v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 变频器，也称作“交。直交”变频器i ) j 。 变频器随着现代电力电子技术与微机技术的发展应运而生，可以蜕，一个闲家变 堋器技脏n 0 水卜标志竹廷能源利川能力n 1 高低，所以人力研发现代t ：、扑卧0 娈频器 ! i 仃怍带+ t 匠人n 勺意义。 1 2 1电力电子器件 l 包力f 乜子技术包括电力r 也子器件和l b 这些器件组成的各种变换电路及装霄两个，j 。 i 其中 4 3 3 f i 子器件是基础，它对装髯的尺寸、重量、技术性能和价格有着极大的影 响。每种新器件的出现，都将引起相关技术的重大变革。电力电了器件经历了普通晶闸 管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t r 、g t o ) 、绝缘栅取极晶体管( i g b t ) 、智能功率模块( i p m ) 的发展过程| 6 | _ l ”，其可控性、功率等级、智能化、模块化等得到了飞速的发展， 一代f n 力电子器件带米代变频调速装嚣，性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代 后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是2 1 世纪最重要的髓大技术。 1 2 _ 2 整流器技术的发展 通用变频器大都为电压型的交一直，交型，一般都是先通过二极管不可控的整流电路 得到直流，然后通过电容的滤波稳压，最后经过逆变输出电压频率可变的交流电。由于 二极管整流桥能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧的滤波电容上，产生泵升 电压。而一般的全控型的电力电子器件如g t r 、i g b t 等的耐压比较低，过高的泵升电 压有可能损坏开关器件，滤波电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统的安全工作， 这就限制了通用变频器的应用范围m ，4 ，”。 为了解决电机处于再生发电时所产生的能源的再利用的问题，国内在中小型这样 的系统中一般采用能耗制动，实现电机的四象限运行，但是如果电机负载很重或者起动， 制动频繁，那么能耗电阻就必须设计得足够大，这样大功率的电阻，不但能源浪费严重， 而且所产生的热会影响系统的其他部分的正常运行。在所有的静止电力变换电路中，整 流器是出现最早的。最常见的整流电路是单相和三相二极管不可控整流电路。为了实现 可控整流，出现了晶闸管的相控整流电路，并且得到了广泛的应用。据1 9 9 2 年日本电 器学会的调查报告，在所有的电力电子设备中，整流装置占到7 0 ，由于整流设备用量 如此之大，所以对电网的影响就更加深远。 传统的二极管整流电路和相控整流电路的缺陷主要体现在以下几个方面产生 很大的电流谐波，对公共电网造成污染。整流器处于深度相控状态时，功率因数很低， 与电网交换火量的无功功率，降低了发电和输电设备的利用率，同时产生了大量的附加 损耗。输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波，造成装置体积增大，损耗 有岜随之上升。相控滤波器的调节周期长，响应速度慢，在一些场合难以满足用电设 备的要求。 高频p w m 整流器采用全控器件。器件工作在高频状态。t 自于刀关器件的丌通和 关断都r i j 。以控制，所以整流器的电流波形是可以控制的，其理想的状态是和输入电胍同 相的正弦波，此时输入电流的功率因数接近1 ，输入电流的谐波含量接近0 。而且能够 丘i l ；| j 双馈l 也机渊速系统l , j f j 刈n ，允输电，k 进行4 目糨，使之稳定在。定的设定位，在负载变化叫，i _ ； f 比较快的| | j | l , k 0 盘度。， 1 23 变频器技术 在传统的变频器的基础h 变频器的变化将趋向于智能化( 软件) 、简单化( 删件) 。 为r 提高系统的稳定性，一般是增加反馈环，这样不仅增加了系统的构成，丽目增加了 系统出现问题的可能性，提高了j e 产：成本。当变频器的硬件结构趋向稳定的时候，对变 频器的结构的改造将集中到如何在不降低变频器的性能的基础上降低变频器的生产成 本。在变频器的硬件成本中，除了功率器件占有较大的份量外，各种为了提高控制性能 的传感器如电流传感器、电眶传感器、速度传感器也占了相当大的份额。 1 2 3 1世界变频器技术的发展趋势 1 ，开发研制以s c r 、g t o 为功率逆变器件的大功率变频调速装置或系统，其输入 r 巳源电压为2 0 0 0 8 0 0 0 v 及8 0 0 0 v 以上，功率为4 0 0 2 0 0 0 0 k w 及2 0 0 0 0 k w 以上吼 2 发展完善以g t o 模块为功率逆变器件的中小功率变频器，其输入电源电压为 1 0 4 6 0 v ，功率为0 4 - 4 0 0 k w ，这是近年来中小规律性变频器的主体。 3 研制生产和推广应用以i g b t 、i p m 等新器件为基础的新一代高载波、低噪声变 频器，其输入电压一般为1 1 0 1 2 0 0 v ，功率等级目前已达1 2 0 0 k w 甚至更高。 l | 2 3 2 推进中国变频器产业的发展 中国现有1 0 0 余家科研生产单位在从事变频器技术的研究与产品生产，个别厂家还 从日、美等国引进了较为先进的变频器生产线f lo 】。与国外相比，中国变频器产业的发展 还不尽如人意，仍存在许多问题和困难，集中体现在变频器技术产业尚显稚嫩、产品技 术水平和档次很低( 如功率等级大多在1 5 0 k w 以下) 、相关配套产业( 如所用功率电子器件 和半导体器件制造业) 基础薄弱等方面。然而从市场来看，其应用在各个领域已逐渐展 厅。中国仅水泵和风机就有4 0 0 0 余万台( 套) ，如果其中7 0 的产品进行变频调速改造， 那么就需要变频器近3 0 0 0 力| 台( 套) ，故市场潜力极大。据悉，目前中国用于购置变频器 的费用虽高达数1 0 亿元，但真j f 用于购买国产变频器的费用仅占8 左右，这无疑值得 中心变频器行业的经营者深思。 综上所述，通用变频器调速是强弱电混合，机电一体的综合性控制装置，它既要 进行电能的转换( 整流、逆变) ，又要进行信息的收集、变换和传输。所以，它不仅要解 决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器材的应用问题，还要解决控制策略和 控制理论问题。f 1 前，它主要朝高水平的控制、高速度的数字控制、清洁电能的变流器、 岛集成度元件的应用、高压大容量变频器的广泛应用等方向发展】。 - 4 一 3 无刷双馈电机的发展和研究现状 近，l ，f 求，旧i 外许多学者挪：l i 口光投向_ 兀酬双馈h 机( b r u s h l c s sd o u b l y 。f e d m a c h i n e b d f m ) 1 ”i 。由于这种电机存定了i ：实现了无刷双馈，不仅“j 简单的转结 构，而且具有绕线式转r 异步电机和同步 乜机的优良特性，既u j 作为交流调迷i b 圳4 l ， 叉f - j _ 作为变速恒频发f 乜机。可以在无刷的情况下实现烈向馈电。无l _ j ：】取馈u 机以远行叫 所要求的变频器容量小，降低了系统的成本。作为发电机可实现变频恒述发电，特别迪 用于风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等叮再生能源的丌发、利用，因此无刷取馈 电机的应片j 越来越受关注，作为一种新型电机的研究也j f 在获得不断发展。 1 3 1 无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机是由串级感应电机发展而来。串级感应电机远行足将两台绕线式片 步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式( 如图11 所示) 。这种方法首先在1 8 9 3 年出 美国的s t e i i m l e t z 和德国的g o r g e s 所笈现。由于采用这种方法可以获得低速运行，并口， i l ：r 以在一定范围内凋速，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， 曾经有几次发展单一机组串数电机的尝试。其中贡献最大的要数h u n t | 】“。h u n t 发明的 电机采用_ 比以前的电机更为先进可行的理论。这种电机具有套转子绕组和一套具有 不同极数的定子绕组，井且具有一个共同的磁路。后来c 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，使它可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 1 ”。但是出 于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种| ；6 1 制，该电机未能进入实用。而且也山于电 力电子器件发展的限制，浚电机的发展一度停滞。 定了绕组 一镩 动变阻器 注串楹感应电机的串级连 接是两台绕线式异步l 电机机械 上同轴城接、转子绕绸直接按l e 或反相序相连。 图1 1 两台感应电机的串级连接 直到了7 0 年代，交流电机的变额调速技术获得了极大的发展，存生产g 二活中发 挥了越来越大的作用。但是调速系统的成本高昂，而其中变频器在总成本占较大比重| 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就具有很大的意义。使用变 频器给屯州带来了谐波污染，因此从确保电网供电质量膏面，也要求降低变频器的容鞋。 频器给电网带来了谐波污染，因此从确保电刚供电质量方面，也要求降低变频器的容量。 1 3无刷双馈电机的发展和研究现状 近，l 年来，国内外许多学者都将1 7 1 光投向无刷双馈f 乜机( b r u s h l c s sd o u b l y h d m a c h i n e b d f m ) i ”1 。由丁：这种电机存定了上实现了无刷双锁，不仅具有简单的转 i 结 构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性，既可作为交流调速巾, t - i t ， 叉r , j - 作为变速恒频发电机。叮以在无刷的情况下实现双向馈电。兀刷双馈电机铂二运彳时 所要求的变频器容量小，降低了系统的成本。作为发电机可实现变频恒速发电，特别通 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关注，作为一种新型电机的研究也l f 在获得不断发展。 1 3 1 无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机是由串级感应电机发展而来。串级感应电机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 1 所示) 。这种方法首先在1 8 9 3 年由 美国的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，并且 可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， 曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试。其中贡献最大的要数h u n t 【1 ”。i t 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，使它可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【l3 1 。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。 定子绕组定子绕 动变阻器 注：串极感应电机的串级连 接是两台绕线式异步电机机械 上同轴联接、转子绕组直接按正 或反相序相连。 图1 1 两台感应电机的串级连接 一直到了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，而其中变频器在总成本占较大比重。 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就具有很大的意义。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。 rj t i l ；。双馈l 扎， 一运行时所需的变频器装嚣容量较小，而且通过渊节控制绕纠就t 、” 丛到控制il t d , jl 4 ：速与功率凶数的目的，闭此无刷双馈电机的研究晕新引起r 人们i t , js 泛 兴趣。7 0 年代，b r o a d w a y 等剥h u n t 发明的电机进行了较大改进，简化了转于绕组，他 ：纠_ ；仃笼型转子的r 怪固性，可靠性，又能满足无刷般馈r 巳机对转予磁场的要球，并使定 4 5j i 绕组极数配合的范围进步扩大，将自串级无刷异步电机理论向i 狮推进厂一人步。 后水b r o a d w a y 又将相调制理论应用到扳变换绕组中，从而使定子绕组剥称化，简化j 定予绕组，使之u ，以通过对普通双层绕组经过适当的连接米得到，为这种电机进入实川 | i l j 、i 了道路”“。 8 0 年代底9 0 年代初，无刷双馈电机d - q 动态数学模型和同步坐标系数学校型的建 立”。”j ，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 数自适应控制等f 1 8 。3 1 ，而电力电子器件和微处理器得发展，如i g b t 、8 x c l 9 6 、d s p 等，) 之进一步促进了无刷双馈电视的发展1 2 7 j 。 1 3 2 国内外研究现状和应用前景 日前，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，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：以各定 子线圈组、转子各环路电流作为状态变量，在实际a b c 坐标下建立了数学模型，并在此 基础上对电机的稳态、动态特性进行仿真口8 1 1 f 29 1 。利用坐标变换后所得到的转子速小印 坐标系下的电机参数，以定转子的d - q 轴电流为状态变量，建立了转子速小4 坐标系f 的数学模型，并给出了不同运行方式下的动态仿真结果 2 4 - 2 6 。从频域分析的角度对电 机运行的稳定性进行了分析，讨论电机参数对稳定性的影响1 2 9 。这些仿真结果较好地揭 示了无刷双馈电机的运行特性，以及在不同运行方式下定转子电流、电压和转矩的调节 过程，同时简化了对象数学模型。但由于其在建模过程中忽略了谐波的影响，凶而理论 与实际存在差距。若能考虑磁场谐波的影响和参数的变化，仿真值与实际值将能进一步 相符合。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。 在无刷双馈电机的控制研究方面，各国学者提出了多种控制策略，其中主要有： 标量控制 3 0 j 。该方法采用静态等效电路，算法比较简单，容易在较低的微处理器上实 现，川。以在一定程度上提高电机的机电性能，但是其动态性能不高。考虑到无刷双馈 电机一套绕组的电压、频率不可控，提出了基于一套绕组的估计磁链和转矩变化的肖接 转矩控制策略l ，取得了很好的控制性能。但是直接转矩控制的i i 。算量较大，需要采用 高速的微处理器，因而成本较高。在无刷双馈电机的同步模型基础上，采用了与普通 感应r 【l 机类似的控制方法，实现了无刷双馈电机转子磁链的定向控制，取得了优良的控 制效果拉4 。与普通感应电机磁链定向解耦控制存在的问题一样，运行过程q 嘈 子参数 6 坝l 学位论文 i 。门变化仍是影i 帕该模型准确。h - ：的个洲题。从i n 机的基小力柙f “发，推导功率控拍 数学模型，捉 n 了功率绕组功率控i 剐策m 子。实现了有、无功功率的独口控制，仰处 锎j j 饽法仍然比较复杂。功率绕组模糊功率冈数控制策略| 1 。该控制思想简单，碗f l ：宴删 疗便，对于像风机和水泵类等对电机的动态性能要求刁i 高的场合，基本二满足控制的婴 求。但是浚控制策略存在电机反转现象，使得其应用场合受到了限制。总之，无制取馈 电机控制策略计算量大，硬件实现时难，运行过程中转予参数的变化仍是影响控制准确 性的一个问题，使得无刷双馈电机控制只处于理论仿真阶段。 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调速挪有不 同程度的研究，然而对无刷双馈电机的研究却极少见。从九十年代丌始，才有一- 黑人专 院校( 如沈阳工业大学、浙江大学、西安交通大学、重庆大学等) 和一些研究机构刘无刷 双馈电机进行了一定的研究，但是国内研究文献大部分只是对这种电机的原理及性能做 过简单介绍，并没有对其进行深入探讨。 无刷双馈电机作为一种新型交流电机，其作为变频调速电机时具有普通电机无可 比拟的优势p ”，具体如下： 1 无刷双馈电机作为变频调速电机，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，从而可以大大降低调速系统的成本。 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 0 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。 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，而变频器只需为定子控制绕组提供“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。 2 用无刷双馈电机取代常规高压感应电机，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：一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关联，线路 复杂，技术难度大，系统的可靠性较差，而且高压变频器的价格比同容量的低压变频器 要高得多。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通用的低压变频器，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，控制绕组由普通的 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，既具有 感应电机良好的自起动性能，又具有同步电机优良的运行性能。 f = i = l 前应用于工农业生产中的交流电机主要是同步电机和感应电机，由于电机结构 j 异，州，i r ii n i 机利感应f 乜机一般是4 i 能_ k 用的，而它们各有m 的优缺一i 。无枷坝 馈峒速机从根本嘲* 决了无剧化问题，除了无刷可靠外，该类l 电机的另个特点足_ k 仃笼1 型、绕线式感应电机牙j 1 i 乜励磁同步电机的共同优点。通过简单的改变控制绕组的暇 接1 j 馈i 乜疗：r ，j 以方便地实现自起动、异步和双馈等多种运行方式，使其既其有【乜好 的起动特。盹，又具有优良的运行性能。 】4 本文选题的目的和意义 当今世界研究玎发性能优良、成本低廉新型交流电机变频调速系统是电机及其自 动控制领域的重大科研课题之一。交流变频调速传动发展趋势已表明，其性能完全t 伸】 直流调速传动榭嫂美、相抗衡，并在逐步取代直流调速传动系统。目前我国变频调速传 动系统应用推j 。缓慢，主要由于下述原因：绝大部分变频调速装爱是从国外进r _ ， 系统价格昂贵。对于高压中型电机的变频调速装置要用的方案：一是高压直接变频： ：是高一低一高变频。两者均存在谐波含量大，功率因数低，投资巨大等缺点，而且可 靠性蔗。 冈此，发展适用于节能高压中型调速系统用的特殊电动机越来越受到关注，这方 面无刷双馈电机有其独特的优势。无刷双馈电机是电机与电力电子技术和微机控制技术 相结合的产物，是机电一体化的高新技术产品，能实现无级高效调速传动。本课题研究 的无刷双馈电机调速传动系统由专门的无刷双馈电机和变频调速装置组成，在3 0 调速 范围内，所需变频装置容量低，因而价格低廉，可靠性高；另外还可改善电网的功率因 数，降低线路损耗和减少无功补偿装置的投资。在交流传动中，定子接工频高压电网， 控制绕组接低压的变频装置，较好地解决了高压中型电机调速的关键问题。 综上所述，无刷双馈电机作为一种新型电机，结构特殊，运行机理异于传统电机， 在节能高压高性能的交流调速传动领域具有广阔的应用前景，但也存在许多需深入探讨 的理论与技术问题。目前，国内为对无刷双馈电机的研究主要还只是对电机的原理、性 能以及电机的建模方面进行一些理论研究，很少进入实验研究阶段。无刷双馈电机及其 变频调速系统存在的关键技术未能得到很好的解决，为使无刷双馈电机的研究尽快赶上 国际水平，并在我国得到应用与推广，有必要深入开展这方面的研究。为此，本课题埘 无刷观馈变频调速系统的节能技术、无刷双馈电机及其调速系统等进行深入研究，做到 有所创新，并力争有所突破。 1 5 本文的主要研究内容 本课题以鼠笼式无刷双馈电机试验样机研究为基础，结合国内外有关文献对 无刷双馈电机变频调速系统作了深入研究，主要包括以下内容： l 变频器整流器部分的研究，包括整流器的基本理论、硬件结构、软件结构及控 8 剖性：能等： 2 变频器逆变器部分的研究，包括逆变器的 本理论、砸件结构、j k f t ：结构及拧 禹i 川能等； 3 在现有无删双馈电机转子速模型的基础上，推导出无刷双馈电机在双同步_ 二标 系卜的数学模型，为系统的控制策略的研究奠定了基础； 4 分析了无刷双锁电机的控制策略，对电机定子磁场定向、转予磁场定向作了研 究，推导出电机的矢量控制模型，最后进行了仿真和试验分析。 第2 章电压型p w m 整流器 2 1 电压型p w m 整流器的基本原理 2 1 1电压型p w m 整流器原理概述 绪论中己谈到，传统整流器主要是不控整流器、相控整流器，这类整流器存d - ：g j 率数低、刈电网产爿i 谐波污染、动态响应慢等缺点 3 6 j ，因此无法满足要求越来越高的 陶氏经济发展的需要，新型整流器必将随着f 乜力电子技术的发展而诞生。p w m 整流器 就是在这种情况下应运而生的，经过学者们多年来不懈的努力，目前p w m 整流器技术 己达到相当优越的水平，与传统整流器相比，p w m 整流器具有以下优良性能 1 ： ( 1 ) 网侧电流为正弦波，实现单位功率因数控制，减少谐波污染； f 2 ) 电能双向传输； f 3 ) 较快的动态响应； f 4 ) 优化开关矢量，降低开关频率，提高直流侧电压利用率。 显然，p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器，由于电能双向传输， p w m 整流器可工作于整流或逆变状态，它实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行 的变流装置，其工作机理可通过矢量图来说明。 图21 是p w m 整流器稳态条件下交流侧矢量关系图，只考虑基波分量而忽略谐波 分量，反映输入电压u s 、输入电流i s 、交流侧控制电压u r 间的关系。a ) 图中，整流器 工作在整流状态，电流矢量i s 与电压矢量u s 平行且同向，此时整流器网侧呈现正电阻 特性，实现单位功率因数整流控制，负载从电网吸收有功功率。b ) 图中，整流器工作在 逆变状态，电流矢量i s 与电压矢量u s 平行且反向，此时整流器网侧呈现负电阻特性， 实现单位功率因数逆变控制，负载向电网释放有功功率。 从向量图中可以看出，理论上p w m 整流器可以实现单位功率因数控制，具有能量 双向流动的功能。要实现以上功能，关键在于网侧电流的控制，u ，是控制量，控制其大 小和相位，就可控制输入电流的相位雨实现单位功率因数控制，然后控制输入电流的大 0 整流状态 ( 1 ) il 0 图2 i 电压向量图 u b ) 逆变状态 i 。l 小，也就控制了卣流侧的f f u j 。h f j 尤从整流器的撰本数学模型小发，找种t l i 。优 良动念一h - 能、简便易行的直接i 乜流挖制方案。 2 】2电压型p w m 整流器的一般数学模型 荫先介绍p w m 整流器的：| 彳；i 扑结构。在三相系统中，最常采用的结构足二相二| 1 1 _ 桥结 构，它比通常的单相仝桥多一桐桥臂，如图2 2 所示。电网通过变“i 器给整流器1 ：j i 也， 经电感l 滤波后，接到三相桥臀交流侧，桥臂采用6 个功率丌哭管，每个功率管反向并 联一个续流二极管，用以缓冲p w m 过程中的无功电能，直流侧接大电容，作平波与储 能用，通常所溜三相桥式电路即指这种三相半桥电路。 斟美醇两一 l 零卧k 牮，l 一# r 妊 喜e 一瞄一蛙一彗j 图2 2 三相p w m 整流器的主电路结构 三相电压型p w m 整流器的数学模型就是在这种拓扑结构上建立起来的，模型建 立在三相静止坐标系中，利用基尔霍夫电压、电流定律得到基本方程，并考虑到数学模 型反映拓扑主要性质，作如下假设【8 l ： ( 1 ) 电网电势是理想的三相正弦波( “。、甜扩梯。) ； ( 2 ) 网侧电感三是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关管损耗以电阻足，即实际的功率开关管由理想开关与损耗电阻胄。串联 等效表示； ( 4 ) 为描述整流器的双向传输，三相p w m 整流器直流侧负载由电阻r ，和蓖流电势 e 串联表示。 因为开关函数描述数学模型是对整流器开关过程的精确描述，故采用开关函数建 立模型。图2 r 2 中，当直流电势e = 0 时，直流侧为纯电阻负载，整流器运行于整流模式， 当e “。时，三相整流器运行于逆变模式，当e t + 1 2 0 。) ( 213 j e = 詈( “+ 口“小+ “2 “。) = ，。( s i n ( o t i c o s c o t ) 这两种形式本质是一样的，只是起始相位不同， 但是在系统的数字实现过程中，需要检测起始时刻位 置，若用余弦表示，则当f = 0 时，a 相电压值为u ， 也就是需检测“柏电压幅值，这髭然是极不方便的； 若用正弦表示，则当f = 0 时，a 相电压值为0 ，这将 很容易实现，故三相静止对称( ，6 ，c ) 坐标系至两相同 步旋转( d ，q ) 坐标系的变换将在式( 2 1 3 ) 的基础上进 行。 b 确定电网电压形式后，需确定( d ，坐标系的位 置。与感应电机中坐标变换相似，可将d 轴放在电动 势矢量f 上，如图2 3 所示，图中目角是矢量e 的位 置角。根据几何关系，容易推得变换关系如下： 图2 3 ( 口，b ，c ) 至( d ，g ) 变授 i q 。亏【屯c 。s 目+ 屯c 。s ( p 一1 2 0 。) + f 。c 。s ( 口+ 1 2 0 。) 】 ：詈f 毛s i n 口+ 蠢s i n ( o - 1 2 0 。) + ( ：s i n ( o + 1 2 0 。) 】 2 1 4 逆变换关系为： i ，= i 。e o s o + i , , s i n 0 i b = c o s ( o 1 2 0 。) + i ds i n ( o - 1 2 0 。) i c = i 。c o s ( o + 1 2 0 。) +