无刷双馈电机运行特性的研究

    张岳^1,2，王凤翔¹

(1沈阳工业大学，辽宁沈阳110023；2辽宁科技学院，辽宁本溪117022)

    摘要：讨论了元刷双馈电机在空载、带载及负载突变几种状态下的异步运行特性，为今后进一步研究元刷双馈电机控制策略奠定了理论和仿真基础。

    关键词：元刷双馈电动机；运行特性；仿真分析

    中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)06—0021—03

0引  言

    无刷双馈电机(以下简称BDFM)是在20世纪初由Hunt提出的自级联感应电机的基础上发展起来的，它是一种结构简单、坚固可靠的新型电机，可在无刷情况下兼有笼型、绕线型感应电机和电励磁同步电机的共同优点，具有降低所需要变频器的容量，可以调节系统的功率因数等特点，可以用于交流调速传动系统和变速恒频恒压发电系统。目前国内外对BDFM的研究已从对电机结构的改进阶段发展到建立比较准确实用的数学模型^[1-3]以及适合于BDFM的控制方法，先后提出了网络模型、d—q轴数学模型、同步数学模型以及基于这三种模型的多种控制方法。本文以BDFM的d—q轴数学模型为基础，利用MATLAB的强大矩阵计算功能和sIMu—LINK的交互式仿真集成环境，建立BDf_M的状态方程的S-Function函数，研究了BDFM在异步运行状态下的几种特性。

1无刷双馈电机的原理及数学模型

1．1无刷双馈电机的原理

    BDFM的基本结构是一个定子、一个转子和一套公共磁路，定子上装有两套三相绕组，一套为功率绕组(主绕组)，直接接到工频电源上，另一套为控制绕组(副绕组)，通过变频器接至工频电源上，如图1所示。通过改变变频器的输出电源频率可以调节转速，实现BDFM元级调速。调速范围与极对数和两套电源的的输出频率有图1---关。BDFM的稳定转速表达式为^[1,5]

式中f_p、p_p，分别为功率绕组的频率和极对数，f_e、p_c分别为控制绕组的频率和极对数。“+”表示功率绕组与控制绕组产生同转向的基波磁势，“-”表示功率绕组与控制绕组产生反转向的基波磁势。从式(1)可知，只要变频器输出频率一定，电机的转速就完全确定，转速控制变得十分精确。当f_c=0，即控制绕组通人直流，此时转速称为自然同步转速；当控制绕组加电压为0，即控制绕组短路，电机运行于异步电机状态，相当于一台2(P_p+P_c)极的异步电动机；当控制绕组输入三相交流电源时，电机运行于双馈调速状态。fe前取负时，电机转速称为亚自然同步转速，f_c前取正时，电机转速称为超自然同步转速。

1．2无刷双馈电动机的数学模型

    为了建立BDFM的通用数学模型，作如下假设：

    (1)磁路是线性的，不计饱和；

    (2)忽略铁损和定子谐波影响；

    (3)不计功率绕组和控制绕组之间的直接耦合。

    在上述假设的前提下，根据电机对回路理论，以定转子各线圈组的电流作为自变量，线圈组两端的电压作为输入量，得到无刷双馈电机的网络电路方程，再从恒功率变换得到用于推导d—q轴数学模型式中：P_p、R_pL、L_sp、L_pr为功率绕组的极对数、电阻、自感和与转子的互感;P_c、R_c、L_sc、L_cr为控制绕组的极对数、电阻、自感和与转子的互感；R_r、L_r、ωr为转子电阻、自感和电机的机械角速度；u_qp、u_dp、u_qc、u_dc、u_qr、u_qp、u_dp、u_qc、u_dc、u_qr、u_dr、均表示电压电流的瞬时值。下标p为功率绕组，下标c为控制绕组；s为定

子侧，r为转子侧；q、d为q、d轴分量；p表示对时间的导数。

式中：J为转子机械惯量，T₁为负载转矩。

    这样就由式(2)、式(3)、式(4)构成了BDFM的d—q轴数学模型，它能较好地用于BDFM的运行状态的仿真和简单的闭环控制。

2无刷双馈电机的仿真模型的构成