基于转矩预测的无刷双馈电机的直接转矩控制系统的研究

摘要

无刷双馈电机是一种新型交流电机。其结构与笼型转子异步电机相似，没有滑环碳刷，然而可以实现双馈运行——既可作为电动机运行于交流调速系统，也可作为发电机运行于变速恒频发电系统，具有变频器容量小、功率因数可调的特点，特别适合应用于风机和泵类调速节能系统以及变速恒频风力发电领域。
　　 直接转矩控制方法在异步电机中得到了成功的应用，但是由于无刷双馈电机结构的特殊性以及数学模型的复杂性，不可能将其控制方法拿来就用。本文结合无刷双馈电机的特殊结构、数学模型就其直接转矩控制系统中数学模型、稳态特性、零矢量、减小转矩脉动策略等进行了深入的研究。
　　 针对不同文献中无刷双馈电机转子速d-q坐标系数学模型有差异的问题，本课题小组对相关的数学模型进行了深入的理论分析和推导，得出的结论为电机的控制奠定了有益的基础。在研究无刷双馈电机数学模型的基础上，分析了无刷双馈电机的功角δ与控制绕组三相静止坐标系下电压初相角的关系；并在此基础上搭建了仿真模型，对BDFM在不同运行状态下的稳态特性进行了研究。
　　 研究了零矢量在无刷双馈电机中对转矩的作用效果。结合开关表，在传统直接转矩控制系统下对超同步、亚同步运行状态下零矢量对转矩作用效果进行了仿真和实验验证。其结果一致表明：在双馈超同步运行状态下，零矢量使转矩减小，与异步机中作用效果一致；而在亚同步运行状态下，零矢量是使转矩增大的矢量。
　　 针对无刷双馈电机传统直接转矩控制系统中转矩脉动大的问题，本文推导了两种减小转矩脉动预测控制策略，其中方法一是对含有电流磁链的转矩方程求导；方法二是对含有磁链的转矩方程求导。利用上述两种控制策略在MATLAB环境下分别搭建了仿真系统，仿真结果表明，两种预测方法均能有效减小转矩脉动、改善定转子电流波形。但是数字化实现时方法二编程更为方便。
　　 本文所提出的方法二首先在异步电机上实现，且该方法已在异步机中得到实验验证。
　　 本文在基于DSP2407A的实验平台上对无刷双馈电机预测直接转矩控制系统(方法二)的各个部分进行了程序编写和模块调试，由于时间关系，系统总体调试没有完成，但取得一些阶段性的成果。