基于SVPWM无刷双馈电机矢量控制系统场路耦合有限元的仿真研究

摘要

无刷双馈电机具有结构简单、功率因数可控、变频器容量小、运行可靠性高、制造成本低等一系列优点，在大功率、高电压、高扭矩、低转速的调速系统以及变速恒频发电领域具有广阔的应用前景。
　　目前，无刷双馈电机变速驱动系统作为国内外研究的热点，正处在模拟仿真和样机试制阶段。现阶段的仿真多数是针对无刷双馈电机或者控制系统的单独仿真，鲜有文章涉及无刷双馈电机及其控制系统的高性能联合仿真;试验样机及配套系统虽已问世，但是其结构优化、参数调试等工作依然需要高精度仿真的支持。所以，无刷双馈电机及其控制系统亟需一种高性能仿真方法为其提供技术参考。因为无刷双馈电机定转子结构和内部电磁关系复杂，传统的交流电机性能分析方法并不能准确的对无刷双馈电机进行模拟仿真;又因专业的电磁仿真软件只能针对电机电磁场进行仿真，不能考虑电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)供电和矢量控制等复杂外电路对电机运行性能的影响，这使得无刷双馈电机及其控制系统仿真困难重重。针对此问题，本文采用场路耦合联合仿真的方式，对转差型矢量控制SVPWM供电的无刷双馈电机变速驱动系统进行了仿真，获得了高精度的仿真结果。本文所做具体工作如下:
　　首先，研究无刷双馈电机的工作原理、运行方式，SVPWM供电方式和转差型矢量控制系统的原理及实现方法，为建立SVPWM供电的转差型矢量控制系统打下理论基础。
　　其次，在前人对无刷双馈电机数学模型研究的基础上，推导无刷双馈电机动态数学模型方程，并在MATLAB/Simulink软件中搭建基于动态数学模型的电机模型，并利用该模型，建成整个驱动系统的Simulink仿真模型。
　　然后，建立由SVPWM供电转差频率矢量控制的变速驱动系统Simulink模型，实现无刷双馈电机异步启动、转速快速跟踪、功率因数可控等功能，获得相关控制器的具体参数，为实现联合仿真做好准备。
　　最后，在Maxwell电磁仿真软件中建立无刷双馈电机的有限元仿真模型，在Simplorer仿真软件中建立了SVPWM供电的转差型矢量控制系统，并将两个仿真软件进行实时数据交互的场路耦合联合仿真，获得无刷双馈电机在SVPWM供电转差型矢量控制下的运行仿真数据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 现代交流调速系统简介

1．1．1 永磁同步电机及其驱动系统

1．1．2 异步感应电机及其驱动系统

1．1．3 开关磁阻电机及其驱动系统

1．1．4 无刷双馈电机及其驱动系统

1．2 交流变速驱动系统仿真工具简介

1．2．1 MATLAB／Simulink仿真软件

1．2．2 Maxwell仿真软件

1．2．3 Simplorer仿真软件

1．3 本文选题意义和目的

1．4 本文主要工作及安排

2 无刷双馈电机的基本结构和工作原理

2．1 无刷双馈电机的基本结构

2．1．1 级联式感应电机

2．1．2 笼型转子与磁阻转子无刷双馈电机

2．1．3 径向叠片磁障式转子无刷双馈电机

2．1．4 磁齿轮无刷双馈电机

2．2 无刷双馈电机的工作原理

2．3 无刷双馈电机的运行方式

2．3．1 异步起动与运行

2．3．2 同步运行

2．3．3 双馈运行

2．3．4 发电运行

2．4 本章小结

3 SVPWM供电的矢量控制系统

3．1 SVPWM的工作原理

3．1．1 空间矢量

3．1．2 磁链与电压的空间矢量关系

3．1．3 PWM逆变器输出电压矢量

3．1．4 SVPWM控制的磁链

3．2 磁链定向矢量控制系统

3．2．1 坐标变换

3．2．2 矢量控制系统

3．2．3 磁链开环转差矢量控制系统

3．3 本章小结

4 无刷双馈电机的Simulink模型及仿真

4．1 无刷双馈电机的动态数学模型

4．1．1 无刷双馈电机动态模型的数学表达式

4．1．2 静止两相正交坐标系中无刷双馈电机的动态数学模型

4．1．3 旋转两相正交坐标系中无刷双馈电机的动态数学模型

4．1．4 无刷双馈电机在正交坐标系中的状态方程

4．2 无刷双馈电机的Simulink模型及仿真

4．3 本章小结

5．无刷双馈电机控制系统的Simulink模型及仿真

5．1 无刷双馈电机开环控制系统Simulink模型及仿真

5．2 无刷双馈电机转差型矢量控制系统Simulink模型及仿真

5．2．1 SVPWM供电模块的Simulink仿真

5．2．2 转差型矢量控制系统的Simulink仿真

5．3 本章小结

6 无刷双馈电机控制系统场路耦合有限元仿真

6．1 无刷双馈电机的有限元模型及仿真

6．2 无刷双馈电机开环控制场路耦合模型及仿真

6．3 无刷双馈电机转差型矢量控制系统场路耦合有限元仿真

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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