无刷双馈电动机变频调速系统控制方法研究

摘要

无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM）作为一种新型交流电机，因其结构上具有诸多优点，近年来得到了迅速发展。这种电机定子上布置有两套彼此绝缘的绕组，所以需要一个经过特殊设计的转子以完成它们之间的耦合。无刷双馈电机能够在几种不同的运行模式下运行，表现出某些与传统异步电机或同步电机相似的运行特性。此外，这种电机既能作发电状态运行，实现变速恒频发电，也能作电动状态运行，实现变频调速。本文重点研究无刷双馈电机作为电动机在交流调速领域的应用，主要研究内容包括以下几个方面： 首先，分析了无刷双馈电机的基本运行原理，推导得出电机稳定运行时转子旋转速度的表达式，并且对两套定子绕组间的功率分配规律和电机不同运行状态下两套定子绕组的功率流向进行了研究。推导了无刷双馈电机在功率绕组同步速两相旋转坐标系下的数学模型，通过该模型，可以方便进行电机瞬态过程的仿真分析和进一步的控制算法设计。本章以无刷双馈电机在同步运行模式下的稳态等效电路为基础，分析了电机在这种运行模式下具有的转矩角特性和无功功率的调节特性。 其次，在上述同步运行等效电路的基础上，进一步发展得到了无刷双馈电动机在两种异步运行模式下的等效电路，即单馈异步和双馈异步。以此为基础，对电机在这两种异步运行模式下的机械特性进行了详细地分析。分析得到电机在单馈异步运行模式下，控制绕组励磁电感需算作转子的漏感，电机的转矩输出能力极为有限，因此这种运行模式并不具有实用意义。而双馈异步运行模式可以有两个方面的作用：一是用于无刷双馈电动机的异步启动；再就是在控制绕组侧变频器故障后通过运行模式切换保证电机的继续运行。通过对电机控制绕组侧变频器逆变桥工作状态的研究，提出了几种适用于无刷双馈电动机的异步启动方法，以满足不同应用场合的需求。通过在Matlab/Simulink中建立相应的仿真模型，对比分析了无刷双馈电动机在这几种启动方法下的启动性能。 第三，在无刷双馈电机功率绕组同步速两相旋转坐标系下数学模型的基础上，通过采用功率绕组电压矢量定向，可以进一步简化电机的数学模型，设计得到一种适用于无刷双馈电动机的矢量控制策略。通过该控制策略，可以实现对电机电磁转矩和功率绕组无功功率的解耦控制，具体为通过控制控制绕组的d轴电流分量，可以实现对电机电磁转矩的控制，而通过控制控制绕组的q轴电流，可以实现对电机功率绕组无功功率（或功率因数）的控制。推导了一种软件锁相环算法，以获得电机控制算法中所需要的功率绕组电压矢量的相位。通过在Matlab/Simulink中建立相应的仿真模型，对该电机控制算法的控制效果进行了仿真验证。 第四，通过对无刷双馈电机内部磁场分布的特点进行研究，分析得出了电机铁心容易出现局部饱和原因。局部饱和会增大电机的铁耗，降低电机的效率，还会使气隙磁通密度波形出现畸变，进而在转子绕组中感应出谐波电流。转子谐波电流产生的谐波磁场切割两套定子绕组，再在其中感应出相应频率的谐波电动势和电流。通过对一台绕线转子无刷双馈电机样机进行有限元仿真分析验证了这一推论。 最后，以一台30kW绕线转子无刷双馈电机为基础，配以相关的外围设备，建立了无刷双馈电动机变频调速实验系统。通过大量实验验证了本文所提无刷双馈电动机异步启动和同步运行相关控制算法的有效性。通过对实验样机在不同运行条件下定子电流波形中的谐波含量进行分析，验证了前面所提谐波分析方法的正确性。

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