繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)控制分析

1、精品3 繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)分析無(wú)刷雙饋電機(jī)在雙饋方式下運(yùn)行時(shí)具有普通同步電動(dòng)機(jī)的特性， 可能在恒壓頻比的開(kāi)環(huán)控制下穩(wěn)定運(yùn)行， 但是其轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能比較差， 負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速容易振蕩，存在失步的危險(xiǎn)。為了改善 BDFM的運(yùn)行性能，需要對(duì)它進(jìn)行閉環(huán)控制。由于 BDFM又具有異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，因此適用于異步電動(dòng)機(jī)的控制策略都可以用于對(duì) BDFM的控制，如標(biāo)量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制、參數(shù)自適應(yīng)控制等。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì) BDFM的控制進(jìn)行了較為深入的研究。本課程主要對(duì)幾種常用的控制策略進(jìn)行分析。3.1無(wú)刷雙饋電機(jī)的標(biāo)量控制BDFM理想的運(yùn)行方式是雙饋運(yùn)行。在雙饋方式下

2、，按照式nr60 f p ，p p pc通過(guò)閉環(huán)控制 BDFM控制繞組的頻率和電壓大小，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)等特性的動(dòng)態(tài)控制。這就是標(biāo)量控制的基本思想。圖 3-1 為 BDFM的標(biāo)量控制框圖，系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的 PI 調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制。本系統(tǒng)有兩個(gè)給定，即速度和功率因數(shù)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率繞組電量的檢測(cè)，利用 CPU計(jì)算出實(shí)際的轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)，再將它們與給定值進(jìn)行比較。 當(dāng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差（有可能失步）時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)節(jié)控制繞組頻率來(lái)減小和消除偏差。當(dāng)功率因數(shù)出現(xiàn)偏差時(shí)， 系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)節(jié)控制繞組的勵(lì)磁電流（或電壓）來(lái)減小和消除偏差，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載一定和功率

3、因數(shù)給定時(shí)， 對(duì)應(yīng)的控制繞組的勵(lì)磁電流可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)電路來(lái)計(jì)算。只考慮控制繞組系統(tǒng)的等效電路如圖 3-1 所示。根據(jù)該圖可以計(jì)算出控制電流與負(fù)載和功率因數(shù)的關(guān)系。感謝下載載精品圖 3-2 BDFM標(biāo)量控制框圖假設(shè)功率繞組系統(tǒng)的功率因數(shù)角為 （帶后），電磁功率為 Pemp ，則在忽略定子損耗時(shí)功率繞組電流 I p 為I pPemp（3-1 ）3U p cos假設(shè)功率繞組電流系數(shù)為 kip ，則轉(zhuǎn)子電流 I r ，為PempI r kip 3U p cos（3-2 ）感謝下載載精品由圖 3-2 可得轉(zhuǎn)子回路的電壓方程為U sp I r Zr Ecr I r Zr I c jx crm（3-3 ）式中

4、Zr 轉(zhuǎn)子復(fù)阻抗；xcrm 定子與轉(zhuǎn)子間互感。結(jié)合式（ 3-2 ），式（ 3-3 ）可以計(jì)算出控制繞組電流I c 為PempI cU spkip 3U p cosZr(3-4)jxcrm控制系統(tǒng)中要求功率因數(shù)維持常數(shù)，以提高電機(jī)的效率和減少無(wú)功功率。因此，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，就可以按照式（3-4 ）的規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)控制繞組電流（電壓），以保證功率因數(shù)等于給定值不變。標(biāo)量控制是利用穩(wěn)態(tài)電路模型來(lái)建立控制算法，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單， 硬件和軟件都容易實(shí)現(xiàn)，可以在較低價(jià)格的微處理器上實(shí)現(xiàn)。采用標(biāo)量閉環(huán)控制，BDFM的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能得到了較大的改善和提高。該控制適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合，如煤態(tài)的通風(fēng)機(jī)、水泵

5、等。3.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩是直接在定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)功率變換器的PWM輸出，來(lái)控制電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為， 該方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換， 對(duì)參數(shù)變化也不敏感， 可以很好地滿足系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)性能的要求。異步電動(dòng)機(jī)的矢量圖如圖3-3 所示。感謝下載載精品利用異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電路和轉(zhuǎn)矩關(guān)系，可以推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的電磁矩表達(dá)式為ps r sin（3-5 ）TemL2式中 L 2 轉(zhuǎn)子漏電感；s 定子磁鏈；r 轉(zhuǎn)子磁鏈；定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角?？梢?jiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈成正比。與角成正弦關(guān)系。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，需要控制定子電壓來(lái)維持定子磁鏈幅值為額定值，以便充分利用

6、電機(jī)鐵心。轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。由式（3-5 ）可知，要控制電磁轉(zhuǎn)矩大小，可以通過(guò)直接改變角來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，可通過(guò)控制定子繞組電壓矢量在空間瞬時(shí)加速或減速來(lái)改變角的大小。異步電子機(jī)定子繞組電壓矢量在空間的轉(zhuǎn)速和方向是通過(guò)控制功率變換器的開(kāi)關(guān)開(kāi)斷時(shí)間和順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3-4 為功率變換器電路，主電路由三組開(kāi)關(guān)（SU 、 SV 、 Sw ）組成。感謝下載載精品當(dāng) SU （ SV 、 Sw ）=1 時(shí)，表示橋臂上邊開(kāi)關(guān)閉合，下邊開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)（ SU 、 SV 、 Sw ）=0 時(shí)，表示橋臂上邊開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，下邊開(kāi)關(guān)閉合，則這三組開(kāi)關(guān)共有 8 種狀態(tài)，見(jiàn)表 3-1 。它能輸出 8 種電壓狀態(tài)，

7、電壓加在繞組上產(chǎn)生電流， 形成的合成磁動(dòng)勢(shì)也有 8 種狀態(tài)，相應(yīng)的空間矢量如圖 3-5 所示。由圖 3-4 和圖 3-5 可知，如果控制變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)按照1、3、2、6、4、5、1 順序變化，則在電機(jī)中產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)及其磁鏈變化的軌跡為正六邊形， 旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針?lè)较颍?如果控制變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)按照 1、5、4、6、2、3、1 順離變化，則在電機(jī)中產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)及其磁鏈變化的軌跡仍為正六邊形，旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針?lè)较颉?可見(jiàn)，定子磁鏈變化規(guī)律由定子電壓決定。表 3-1變換器開(kāi)關(guān)狀態(tài)狀態(tài)SU SV SwFiU i0000F0（ 000）U 0（000）1001F1U 1（ 001）（001）2

8、010F2（ 010）U 2（010）3011F3（ 011）U （011）34100F4（ 100）U 4（100）感謝下載載精品5101F5（ 101）U 5（101）6110F6（ 110）U 6（110）7111F7（ 111）U 7（111）在直接轉(zhuǎn)矩控制中，就是通過(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向，控制定子磁鏈走走停停或正走走反走走，以改變定子磁鏈的瞬間速度大?。欢D(zhuǎn)子磁鏈速度由定子頻率的平均速度決定， 它不會(huì)突變。 因此，瞬間改變定子磁鏈的速度，就改變了 角的大小。由圖 3-3 可知，當(dāng)定子磁鏈的速度增加時(shí)，角會(huì)變大，相應(yīng)地電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)增加。由于 BDFM的功率繞組不可

9、控制， 僅控制繞組勵(lì)磁可控， 機(jī)時(shí) BDFM的總電磁轉(zhuǎn)矩由兩套繞組的勵(lì)磁共同產(chǎn)生， 因此不能用傳統(tǒng)的普通異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法來(lái)控制 BDFM。于是，有學(xué)者提出了基于一套繞組來(lái)估計(jì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化的 BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制方法。該方法使用轉(zhuǎn)子速dq 坐標(biāo)系 BDFM數(shù)學(xué)模型。并引入一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩變化量表達(dá)式（3-6 ），來(lái)進(jìn)行輔助計(jì)算和控制。&& &&dsp&&TemPp (iqsp dspiqspi dspqspidsp qsp )&&&（3-6 ）dscidsc&pc (i qsc dsciqscqscidsc

10、qsc )由此就可以得出控制繞組電壓與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為uqsc122&*3Tem（3-7）udsc*3122 111&sc式中， 13、 13 是與電機(jī)參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。 可見(jiàn)控制繞組電壓與轉(zhuǎn)矩的變化量直接相關(guān)。 只要估計(jì)出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化值， 控制繞組需要的勵(lì)磁電壓就可以根據(jù)式（ 3-7 ）計(jì)算出來(lái)。然后可以求出功率變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，控制功率變換器使之輸出 BDFM所需要的電壓值和頻率值。 BDFM的直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖 3-6 所示。感謝下載載精品BDFM的直接轉(zhuǎn)矩控制需要測(cè)量定子繞組的各相電壓、電流以及轉(zhuǎn)子速度，并進(jìn)行計(jì)算估計(jì)電機(jī)的磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。 然后計(jì)算轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系

11、下控制繞組的電壓值，再進(jìn)行坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)下三相電壓控制值。 最后控制功率變換器輸出相應(yīng)的電壓， 需要高速處理器來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)， 因而成本較高， 但其控制性能十分優(yōu)越。3.3 無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行矢量控制時(shí)， 需要先將電機(jī)的空間矢量經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換， 將三相靜止坐標(biāo)變換成同步旋轉(zhuǎn)的 dq 坐標(biāo)，并將坐標(biāo)的 d 軸固定在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上。因此，經(jīng)過(guò)變換后的空間合成矢量（電流、電壓、磁動(dòng)勢(shì)、磁鏈等）都變成了直流物理量，電機(jī)的控制量很容易確定， 也很容易控制。 但是 BDFM在雙饋運(yùn)行時(shí)，電機(jī)中存在不同轉(zhuǎn)速的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 不能像普通異步電機(jī)那樣確定一個(gè)惟一的同步坐標(biāo)系，因此

12、BDFM的矢量控制需要建立雙同步坐標(biāo)系統(tǒng)。感謝下載載精品為了簡(jiǎn)化模型， 將控制子系統(tǒng)和功率子系統(tǒng)建立的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行定向， 即將功率子系統(tǒng)的同步坐標(biāo)中 d 軸固定在功率子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈方向上， 將控制子系統(tǒng)的同步坐標(biāo)中 d 軸固定在控制子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈方向上， 將控制子系統(tǒng)的同步坐標(biāo)中 d 軸固定的控制子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈方向上。 因此，兩個(gè)子系統(tǒng)中 q 軸方向的轉(zhuǎn)子磁鏈等于零，即drpLrp 2idrpLsrp 2idsprp（ 3-8）Lrp 2iqrpLsrp 2iqsp0qrpdrcLrc 2i drcLsrc2idscrc（ 3-9）Lrc 2i qrcLsrc2iqsc0qrc將式（ 3-8

13、）、式（3-9 ）代入雙同步速模型中，會(huì)得到達(dá) BDFM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的數(shù)學(xué)模型為udsprspLsp2 pp Lsp200Lsrp 2 pp Lsrp 2uqspp Lsp2 rspLsp2 p00pLsrp 2Lsrp 2 pudsc00rscLsc2 pcLsc2Lsrc 2 pcLsrc2uqsc00cLsc2rscLsc2 pc Lsrc 2Lsrc 2 p0Lsrp 2 p0Lsrc 2 p0rrLr p00s Lsrp 20sLsrc 20s Lrc 2sLrp 2rridspiqspidsciqscidriqr（3-10 ）BDFM在雙饋運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率相等，即ssp

14、sc 。由此，可進(jìn)一步得到BDFM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的電磁轉(zhuǎn)矩為L(zhǎng)srp 2Lsrc 2Tempp Lrp 2rp iqsppc Lrc 2rc iqsc（3-11 ）BDFM在雙饋運(yùn)行中，只有控制子系統(tǒng)的勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)，因此對(duì)BDFM的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)只能通過(guò)改變控制子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。在 BDFM矢量控制中，被控制的物理量是控制繞組的電流。從BDFM的雙同步模型中尋找控制繞組感謝下載載精品電流與其他量的關(guān)系是BDFM矢量控制的關(guān)鍵。由式（ 3-10 ）的第五行求得轉(zhuǎn)子電流d 軸分量為drpprc(3-12)idrrr由式（ 3-9 ）和式（ 3-12 ）可得定子電流 d 軸分量為idsc Tc2 p1

15、rcLrc 2 p rp(3-13)Lsrc 2Lsrc2式中 Tc2 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)， Tc2Lrc2 / rr ?？梢?jiàn)，控制子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈rc僅由子電流 d 軸分量 idsc 產(chǎn)生，與 q 軸分量 iqsc 無(wú)關(guān)。由式（ 3-10 ）的第六行求得轉(zhuǎn)差頻率與控制電流的關(guān)系為srriqr（3-14 ）rprc將式（ 3-9 ）代入式（ 3-14 ）得sLsrc 2iqsc（3-15 ）T(rprc)c 2式（ 3-15 ）是轉(zhuǎn)差頻率控制方程，反映了轉(zhuǎn)差頻率與iqsc 之間的關(guān)系。所以，式（ 3-11 ）、式（3-13 ）和式（ 3-15 ）構(gòu)成了 BDFM的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方程。在控制子系

16、統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈rc 由 idsc 控制，轉(zhuǎn)矩由 iqsc 控制。這樣在維持 rc不變時(shí)，通過(guò)改變 iqsc 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) BDFM的動(dòng)態(tài)控制?；谏鲜隹刂扑惴ǖ腂DFM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制框圖如圖 3-7 所示。感謝下載載精品系統(tǒng)先檢測(cè)出BDFM的功率繞組和控制繞組的電壓、電流和轉(zhuǎn)子速度等物理量，利用雙同步模型計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩等。系統(tǒng)將角速度物理量，利用雙同步模型計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩等。系統(tǒng)將角速度給定值r* 與實(shí)測(cè)反饋值r 合成后，經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定值Temc* ，與轉(zhuǎn)矩計(jì)算值Temc 綜合后，經(jīng)過(guò)PI 調(diào)節(jié)器輸出控制繞組q 軸電流分量的控制信號(hào)。轉(zhuǎn)子磁鏈給定值drc* 與計(jì)

17、算值drc 合成后，經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器輸出控制繞組d 軸電流分量的控制信號(hào)。最后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到三相控制信號(hào)去控制功率變換器輸出。3.4 繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制目前文獻(xiàn)關(guān)于無(wú)刷雙饋電機(jī)控制策略大多集中于BDFM作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)策略?；蜃鳛椴⒕W(wǎng)發(fā)電控制策略。無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行特性類(lèi)似極對(duì)數(shù)為p ppc 的繞線式電機(jī)，從控制角度感謝下載載精品來(lái)看可以把應(yīng)用于普通異步電機(jī)的控制策略如標(biāo)量控制、磁場(chǎng)定向控制、 直接轉(zhuǎn)矩控制用于 BDFM的控制。但是 BDFM由于其本身電機(jī)的特殊性， 它存在兩套定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組與兩套定子繞組均有磁場(chǎng)耦合， 其電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)耦合關(guān)系復(fù)雜。普通異步電機(jī)最復(fù)雜的磁鏈方

18、程， 電感矩陣是交變的定轉(zhuǎn)子互感， 與定轉(zhuǎn)子繞組軸線夾角成比例。 無(wú)刷雙饋電機(jī)的電感矩陣更復(fù)雜， 包含功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組互感和控制繞組與轉(zhuǎn)子繞組互感， 由于功率繞組和控制繞組極對(duì)數(shù)和通入電流頻率不一樣，其定轉(zhuǎn)子繞組軸線也不一樣。 因此其控制方程式更為復(fù)雜， 控制方法也復(fù)雜。做發(fā)電或電動(dòng)運(yùn)行時(shí)由于只有控制繞組可控， 而功率繞組是不可控的， 導(dǎo)致其控制策略和方法與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略和方法有所不同。 另外電機(jī)的參數(shù)，特別是定轉(zhuǎn)子繞組互感相對(duì)普通異步電機(jī)而言不易估算準(zhǔn)確， 目前針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)參數(shù)估算的方法主要有理論計(jì)算方法和基于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)合方法，這些方法都只能是近視計(jì)算。 前面推導(dǎo)的無(wú)

19、刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)等效電路參數(shù)特別敏感， 電機(jī)參數(shù)又無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)， 特別是定轉(zhuǎn)子間互感。 對(duì)電機(jī)控制更是帶來(lái)了很多不利的影響。通過(guò)借鑒目前 BDFM作為電動(dòng)運(yùn)行的一些控制策略，結(jié)合無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電模型，對(duì)無(wú)刷雙饋單機(jī)發(fā)電的各種閉環(huán)控制方法， 下面主要就無(wú)刷雙饋單機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行標(biāo)量控制、 單機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略進(jìn)行研究， 在此基礎(chǔ)上提出一種基于轉(zhuǎn)子電流測(cè)量的控制模型。3.4.1無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電運(yùn)行數(shù)學(xué)模型以上數(shù)學(xué)模型都是依照電動(dòng)機(jī)慣例推導(dǎo)出無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型，當(dāng)其用于單機(jī)發(fā)電（不并網(wǎng)）時(shí)，系統(tǒng)給定量是原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，要求控制量是功率繞組端輸出電壓（電流）幅值和頻率。為了更好得到

20、帶載仿真模型，需要按照發(fā)電機(jī)慣例重新改寫(xiě)方程式。無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)單機(jī)發(fā)電帶載運(yùn)行時(shí)，假定三相負(fù)載對(duì)稱(chēng)，負(fù)載阻抗ZLRjXL，其中X L 2 f p LL。按照發(fā)電機(jī)慣例，圖中所表示均為電壓和電L流正方向。感謝下載載精品整流icaK1i paL LRLC逆 icb BDFMi pbL LRL變 i cci pcL LRL不控整流市電原動(dòng)機(jī)220V圖 3.8無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電帶載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 ）電壓源模型如果控制繞組側(cè)變頻器是電壓源型逆變器， 則可控量為變頻器輸出交流電電壓和頻率。下面推導(dǎo)電壓控制源控制模型。在靜止坐標(biāo)系下，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)電壓方程可寫(xiě)為：uspRp00ispLsp0M pri spu

21、sc0Rc0iscp 0LscM cri sc（3.16 ）ur00RrirM rpM rcLrir其中功率繞組端電壓滿足基爾霍夫電壓定律：uspaRL00i spaLL00ispauspb0RL0i spbp 0LL0ispb（3.17 ）uspc00RLi spc00LLispc由此得功率繞組定子電壓方程可得：ispa RLpLL ispaRp00ispaLsp0M prispaispbRLpLL ispb0Rp0ispbp Lsp0M prispbispc RLpLL ispc00RpispcLsp0M prispc整理后可得功率繞組定子電壓方程：0Rp RL00i spaLspLL0M

22、 prispa00Rp RL0i spbp LspLL0M prispb000Rp RLi spcLspLL0M prispc定子轉(zhuǎn)子電壓方程改寫(xiě)為：感謝下載載精品0Rp RL00i spLsp '0M prispusc0Rc0i scp 0LscM criscur00 Rri rM rpM rcLrir其中：LspLmsp LLLmsp / 2Lmsp / 2Lsp 'Lmsp / 2L sp Lmsp LLLmsp / 2Lmsp / 2Lmsp / 2L sp Lmsp LL由于負(fù)載電感并不參與電機(jī)勵(lì)磁，因此定子控制繞組、轉(zhuǎn)子自感沒(méi)有變化、定轉(zhuǎn)子互感磁鏈并沒(méi)有影響。靜止

23、abc 坐標(biāo)系下， 轉(zhuǎn)矩方程沒(méi)有變化， 磁鏈方程僅電機(jī)定子功率繞組三相自感磁鏈增加LL 。采用前面坐標(biāo)變換無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子速dq0 坐標(biāo)系上電壓方程變?yōu)椋?rp rL pLsp 'p p r Lsp '00pM prp p r M pr0pp r Lsp 'rL rp pLsp '00pp r M prpM pruqc00rcpLscpcr LscpM crpcr M crudc00pcr LscrcpLscpcr M crpM cr0pM p0pM c0rrpLr000pM p0pM cr0rrpLr（ 3.18 ）上式是在已知負(fù)載阻抗大小情況下推導(dǎo)無(wú)刷雙

24、饋發(fā)電機(jī)模型， 該模型適合仿真運(yùn)算推導(dǎo)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)律。 在單機(jī)發(fā)電實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際上由于無(wú)法提前預(yù)知負(fù)載大小， 因此上式不能應(yīng)用于控制模型。 控制模型中給定量仍然是功率繞組端電壓大小，因此控制模型數(shù)學(xué)模型仍然不變。無(wú)刷雙饋電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行，通常是在功率繞組端開(kāi)路情況下先自勵(lì)發(fā)電起動(dòng)，等電壓穩(wěn)定后再切入負(fù)載。2）電流源模型如果控制繞組側(cè)變頻器是電流源型逆變器， 則可控量為變頻器輸出交流電電流和頻率。電流控制源控制模型相比電壓源模型更為簡(jiǎn)單， 其控制動(dòng)態(tài)相應(yīng)更快。如果控制繞組電流已知可控，那么去掉控制繞組電壓方程，轉(zhuǎn)子速 dq 坐標(biāo)系下電壓方程變?yōu)椋篿qpidpi qci dci qri dr

25、感謝下載載精品uqprppLspppr LsppM prppr M priqpudpppr Lspr ppLspp pr M prpM pridp（3.19）M cr piqcpM pr0rrpLr0iqrM cr pidc0pM pr0rrpLridr與前述相比，方程組進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化。3.4.2繞線式無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電標(biāo)量控制1）功率側(cè)電壓幅值穩(wěn)定的控制算法由同步發(fā)電機(jī)發(fā)電的內(nèi)部磁場(chǎng)分析，忽略電機(jī)的漏感、 磁路飽和和繞組內(nèi)阻的影響，我們可以得到功率側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的時(shí)- 空矢量圖 ( 圖 3.9) 。q?. jI p xtE0?U p?I p?I qpI f?dI dp圖 3.9功率側(cè)的穩(wěn)定

26、運(yùn)行時(shí)的時(shí)- 空矢量圖?端電壓 U p 為我們的控制量。電機(jī)攜帶感性負(fù)載，因此有一個(gè)滯后的功率側(cè)?電流 I p ，其在直軸 d 的分量為 I dp ，在交軸 q 的分量為 I qp ，與端電壓滯后一個(gè)功?率因數(shù)角。類(lèi)比于同步電機(jī)，這里也有一個(gè)勵(lì)磁電流I f ，在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，在?功率繞組側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0 ，其經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組的自感xt 壓降，就得到了功率?端發(fā)電電壓。勵(lì)磁電流I f 在無(wú)刷雙饋電機(jī)里為轉(zhuǎn)子繞組電流的一部分分量，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)調(diào)制的理論， 推理出，這一勵(lì)磁分量與控制繞組電流的 I c 成線性關(guān)系。因此，從控制繞組建立電流 I c 的閉環(huán)，可以控制功率側(cè)的電壓，從而能穩(wěn)定電壓值。感謝下

27、載載精品當(dāng)突加電阻性負(fù)載時(shí)， 功率側(cè)電流 I p 會(huì)突然增大， 功率因數(shù)角不變，勵(lì)磁電流不變，因此會(huì)造成端電壓 U p 小幅度下降，但突加感性負(fù)載時(shí)， 功率側(cè)電流 I p會(huì)突然增大，且滯后電壓角也會(huì)增大，這會(huì)造成直軸的去磁分量電流I dp 增大，?從而造成合成的勵(lì)磁電流減小， 使功率側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 下降，造成端電壓 U p 的0?跌落厲害，因此感性負(fù)載對(duì)發(fā)電系統(tǒng)影響很大。這時(shí)就需要增大勵(lì)磁電流I f ，因此我們要增大控制繞組的電流I c 。相反，當(dāng)突減感性負(fù)載時(shí)，要穩(wěn)定電壓，我們需要減電流 I c 。為保持功率端電壓 U p 的穩(wěn)定，采用電流、電壓雙閉環(huán)的標(biāo)量控制策略。 BDFM 在發(fā)電狀態(tài)

28、下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， 主要擾動(dòng)量為負(fù)載的波動(dòng)， 當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)， 會(huì)引起功率端電壓 U p 下降，低于給電壓給定。此時(shí)，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)控制繞組電流 I c 增大， I c 建立的閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)功率側(cè)勵(lì)磁電流的增大，提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而抬升U p 值。反之亦然，這樣，經(jīng)過(guò)電壓、電流控制環(huán)，我們就能穩(wěn)定功率側(cè)電壓 U p 的值。負(fù)載電壓變換功電壓測(cè)量率繞um組*-i變um+*+PIPIc頻BDFM-器ic電ia流ib ic測(cè)電流變換量f p*f cf p ( pppc ) nr160s轉(zhuǎn)速測(cè)量 nr圖 3.10繞線式 BDFM發(fā)電的標(biāo)量控制圖感謝下載載精品2）繞線式無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電的過(guò)

29、程分析繞線式無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電的控制策略是建立在一定的調(diào)速范圍的，本文設(shè)定的調(diào)速范圍為（ 3501500） r/min 。發(fā)電過(guò)程會(huì)有兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為自啟動(dòng)建立電壓的過(guò)程；第二個(gè)階段為加入負(fù)載之后動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題。(1) 自啟動(dòng)建立電壓過(guò)程：如圖 3.8 的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定速度后，開(kāi)啟不控整流為母線上的電容充電到一定電壓后開(kāi)啟逆變， 在電壓建立之前，電機(jī)是不能攜帶大功率負(fù)載的。 因?yàn)榻㈦妷簳r(shí)， 母線上的電壓不穩(wěn)定， 在亞同步速和超同步速啟動(dòng)時(shí)， 母線上的功率流動(dòng)會(huì)反向， 因此加入負(fù)載很容易造成母線電壓不穩(wěn)造成系統(tǒng)崩潰。 但是我們單機(jī)發(fā)電必須攜帶變頻器的整流和逆變部分才能建立

30、符合要求的電壓， 因此，開(kāi)機(jī)時(shí)必須攜帶變頻器負(fù)載， 變頻器負(fù)載為非線性負(fù)載，它的電壓和電流非正弦化，這樣就會(huì)給功率端的發(fā)電造成諧波污染，對(duì)電機(jī)的控制很有影響。 解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就靠變頻器的 PWM整流模塊，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ?使變頻器功率側(cè)的電壓、 電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦量， 且功率因數(shù)接近1。這樣無(wú)論在亞同步速還是超同步速，都能使發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)建壓。(2) 電機(jī)完成自啟動(dòng)建立電壓穩(wěn)定后，需要帶負(fù)載運(yùn)行，由上面的分析知，發(fā)電系統(tǒng)帶感性負(fù)載時(shí)， 響應(yīng)速度很慢， 為提高系統(tǒng)對(duì)感性負(fù)載的響應(yīng)速度， 我們?cè)谶@里提出一種方法：在 PI 電流環(huán)前引入負(fù)載無(wú)功電流分量，做前饋補(bǔ)償。這種算法是采樣負(fù)載端的三相

31、電流， 通過(guò)功率側(cè)的鎖相環(huán)得出功率側(cè)發(fā)電的功率因數(shù)角p ，經(jīng)過(guò)功率繞組側(cè)的同步坐標(biāo)變換，求取電流的無(wú)功電流分量iqp ，將他等比例折算到控制繞組側(cè)，在控制側(cè)的PI 環(huán)上進(jìn)行電流補(bǔ)償。改進(jìn)的控制策略圖見(jiàn)圖 3.11 。感謝下載載精品負(fù)載um電電壓變換壓測(cè)量iqpp電流折算電流變換功率繞組iqcum*+ -PIic*+ +PI變BDFM-頻器ic電ia流ib測(cè)電流變換量icf p*ff( pp ) nr1cppc60s轉(zhuǎn)速測(cè)量nr圖 3.11 加入電流前饋補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D圖中的功率繞側(cè)的電流到控制繞組側(cè)的電流折算目前是按定子繞組的級(jí)對(duì)數(shù)比來(lái)等比例分配的，即 iqcpciqp 。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這一比例

32、可以根據(jù)實(shí)際情pp況靈活調(diào)試，以達(dá)到最佳效果。經(jīng)過(guò)電流前饋補(bǔ)償后， 發(fā)電系統(tǒng)帶負(fù)載時(shí)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)加快。 在實(shí)際控制系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)突減負(fù)載的情況。 因?yàn)樨?fù)載電流的采樣濾波時(shí)間常數(shù)較大， 在突減感性負(fù)載瞬間， 前饋電流仍然保持負(fù)載存在時(shí)的較大值， 而導(dǎo)致控制側(cè)勵(lì)磁電流較大，因此會(huì)出現(xiàn)功率側(cè)輸出電壓過(guò)沖， 尤其是在突減感性負(fù)載時(shí)， 如卸掉異步電機(jī)負(fù)載。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要給控制側(cè)電流設(shè)定一個(gè)上限幅值，這相當(dāng)于一種保護(hù)。3）繞線式無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電的矢量解耦控制策略異步電機(jī)可以根據(jù)坐標(biāo)變換理論，將三相繞組轉(zhuǎn)換為正交的兩相繞組，從而實(shí)現(xiàn)互感參數(shù)與轉(zhuǎn)子速度的解耦。將交流量變換成偽直流量， 方便我們

33、對(duì)其進(jìn)行有功和無(wú)功的分解，實(shí)現(xiàn)像直流電機(jī)那樣的，轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)分開(kāi)控制。對(duì)于BDFM，其氣隙中存在兩個(gè)不同速度的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，無(wú)法通過(guò)一個(gè)坐標(biāo)變換就能將功率側(cè)、感謝下載載精品控制側(cè)的電壓、 電流量轉(zhuǎn)換為我們易于控制的直流量，不能在一個(gè)坐標(biāo)系下就實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的定向控制， 為了解決這一問(wèn)題， 采用一種雙同步速的坐標(biāo)變換，試圖實(shí)現(xiàn) BDFM在單機(jī)發(fā)電時(shí)，穩(wěn)定功率側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定向控制，從而提高電機(jī)發(fā)電時(shí)帶負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)推導(dǎo)，可以得到轉(zhuǎn)子速 d-q 坐標(biāo)系下的電壓方程。uqprppLspPpr Lsp00pM prppr M priqpudpPpr LsprppLsp00ppr M prpM pridpu

34、qc00rcpLscPcr LscpM crpcr M criqcudc00Pcr LscrcpLscpcr M crpM cridcuqrpM p0pM c0rrpLr0iqrudr0pM p0pM c0rrpLridr(3-20)轉(zhuǎn)子繞組短接，所以有：ururpurc0(3-21)i ri rpirc其電磁轉(zhuǎn)矩為：Te pp M pr (iqp idc idp iqr ) pc M cr (iqc idr idc iqr )(3-22)從轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系的電壓模型來(lái)看， 方程實(shí)現(xiàn)了定子、 轉(zhuǎn)子側(cè)三相對(duì)稱(chēng)繞組到直角正交的兩相繞組的變換， 使繞組間的互感參數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速解耦。 功率側(cè)、控制側(cè)的電流頻

35、率不同， 模型中耦合著兩種不同頻率的電流， 無(wú)法在轉(zhuǎn)子速上進(jìn)行解耦。這個(gè)時(shí)候，我們根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性， 將電機(jī)等效拆分成兩臺(tái)異步電機(jī)，分別成為功率子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)， 根據(jù)各自的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度， 進(jìn)行同步坐標(biāo)變換， 這樣就將功率和控制繞組的交流量， 轉(zhuǎn)換成我們易于控制的直流量。假如上式控制繞組電流可測(cè)，則電流iqc 、 idc 為已知。又 urpurc0 則 3-20式子簡(jiǎn)化為 :uqprppLspp pr LsppM prppr M pri qpudpppr LsprppLspp pr M prpM pri dpM cr piqcpM pr0rrpLr0(3-23)i qrM cr

36、pidc0pM pr0rrpLri dr感謝下載載精品根據(jù)功率繞組磁鏈方程可得下式：qpM pr i qriqp(3-24)LspdpM pr i dridp(3-25)Lsp聯(lián)立 3-23 、3-24 、 3-25 并化簡(jiǎn)，可得到轉(zhuǎn)子電流與功率繞組磁鏈和控制繞組電流的關(guān)系：rr(LrM pr2M cr piqcM pr) p iqrpLspLsprr( LrM pr2M cr pidcM pr) p i drpLspLspqpdp(3-26)(3-27)由雙感應(yīng)電機(jī)級(jí)聯(lián)模型， 可以將轉(zhuǎn)子電流分解成為功率繞組和控制繞組分別感應(yīng)的電流 irp 、 irc 。如果忽略轉(zhuǎn)子磁路飽和，這兩個(gè)電流分量在

37、轉(zhuǎn)子速d q 坐標(biāo)系下又有如下關(guān)系：iqri qrpi qrc( 3-28)idri drpidrc將式 3-28 代入 3-27 中可得，功率側(cè)感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為：rr( LrM pr2) p iqrpM prLsppqpLsp(3-29)M pr2M pr prr( Lr) p idrpdpLspLsp由控制側(cè)的磁場(chǎng)和其感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為：rr(LrM cr2) piqrcM cr pi qcLsp(3-30)M cr2rr(Lr) pidrcM cr pi dcLsp電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)門(mén)e ppM pr( qpidrpdpiqrp )pcM cr (idrpiqci qrp idc )Lsp(

38、3-31)M prp p( qpidrcdpiqrp )pcM cr (iqrc idcidrp i qc )Lsp式 3-29 中的各量只與功率側(cè)相關(guān)， 式 3-30中的各量只與控制側(cè)相關(guān)， 這樣感謝下載載精品就把 BDFM的數(shù)學(xué)模型分解成兩個(gè)解耦的子系統(tǒng)。以上推論的電壓電流量在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下都是交流， 這不便于控制。 根據(jù)式 3-29 和 3-30 的電流和勵(lì)磁關(guān)系， 建立兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 按各自的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度， 進(jìn)行同步坐標(biāo)變換， 這樣就將功率和控制繞組的交流量，轉(zhuǎn)換成易于控制的直流量。dcrdccrpqpprprdrqcrqrprqccrd pprd prc圖 3.12 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和同步坐標(biāo)系之間的關(guān)系圖假定無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行在亞同步速下，功率側(cè)與控制側(cè)電流相序相反時(shí)，轉(zhuǎn)子速與雙同步坐標(biāo)系關(guān)系如圖3.12 。圖中 cr 表示控制繞組的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，pr 表示功率繞組的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系， r 表示轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系。由第二章分析知：prcr(pppr )tspt(3-32)cpcr )tsct(3-33)根據(jù)坐標(biāo)變換理論，功率側(cè)和控制側(cè)的坐標(biāo)變換矩陣分別為：prcos(pr )sin( pr )Crsin(pr )(3-34)cos( pr )Crcrcos(cr )sin( cr )sin( cr )(3-35)cos( cr )分析功率繞組子系統(tǒng)下的同步坐標(biāo)模