無刷雙饋電機運行特性的研究
張岳1,2，王鳳翔1
(1沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110023；2遼寧科技學(xué)院，遼寧本溪117022)
摘要：討論了元刷雙饋電機在空載、帶載及負(fù)載突變幾種狀態(tài)下的異步運行特性，為今后進(jìn)一步研究元刷雙饋電機控制策略奠定了理論和仿真基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：元刷雙饋電動機；運行特性；仿真分析
中圖分類號：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)06—0021—03
0引 言
無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是在20世紀(jì)初由Hunt提出的自級聯(lián)感應(yīng)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是一種結(jié)構(gòu)簡單、堅固可靠的新型電機，可在無刷情況下兼有籠型、繞線型感應(yīng)電機和電勵磁同步電機的共同優(yōu)點，具有降低所需要變頻器的容量，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)等特點，可以用于交流調(diào)速傳動系統(tǒng)和變速恒頻恒壓發(fā)電系統(tǒng)。目前國內(nèi)外對BDFM的研究已從對電機結(jié)構(gòu)的改進(jìn)階段發(fā)展到建立比較準(zhǔn)確實用的數(shù)學(xué)模型[1-3]以及適合于BDFM的控制方法，先后提出了網(wǎng)絡(luò)模型、d—q軸數(shù)學(xué)模型、同步數(shù)學(xué)模型以及基于這三種模型的多種控制方法。本文以BDFM的d—q軸數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用MATLAB的強大矩陣計算功能和sIMu—LINK的交互式仿真集成環(huán)境，建立BDf_M的狀態(tài)方程的S-Function函數(shù)，研究了BDFM在異步運行狀態(tài)下的幾種特性。
1無刷雙饋電機的原理及數(shù)學(xué)模型
1．1無刷雙饋電機的原理
BDFM的基本結(jié)構(gòu)是一個定子、一個轉(zhuǎn)子和一套公共磁路，定子上裝有兩套三相繞組，一套為功率繞組(主繞組)，直接接到工頻電源上，另一套為控制繞組(副繞組)，通過變頻器接至工頻電源上，如圖1所示。通過改變變頻器的輸出電源頻率可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)BDFM元級調(diào)速。調(diào)速范圍與極對數(shù)和兩套電源的的輸出頻率有圖1---關(guān)。BDFM的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速表達(dá)式為[1,5]
式中fp、pp，分別為功率繞組的頻率和極對數(shù)，fe、pc分別為控制繞組的頻率和極對數(shù)�！�+”表示功率繞組與控制繞組產(chǎn)生同轉(zhuǎn)向的基波磁勢，“-”表示功率繞組與控制繞組產(chǎn)生反轉(zhuǎn)向的基波磁勢。從式(1)可知，只要變頻器輸出頻率一定，電機的轉(zhuǎn)速就完全確定，轉(zhuǎn)速控制變得十分精確。當(dāng)fc=0，即控制繞組通人直流，此時轉(zhuǎn)速稱為自然同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)控制繞組加電壓為0，即控制繞組短路，電機運行于異步電機狀態(tài)，相當(dāng)于一臺2(Pp+Pc)極的異步電動機；當(dāng)控制繞組輸入三相交流電源時，電機運行于雙饋調(diào)速狀態(tài)。fe前取負(fù)時，電機轉(zhuǎn)速稱為亞自然同步轉(zhuǎn)速，fc前取正時，電機轉(zhuǎn)速稱為超自然同步轉(zhuǎn)速。
1．2無刷雙饋電動機的數(shù)學(xué)模型
為了建立BDFM的通用數(shù)學(xué)模型，作如下假設(shè)：
(1)磁路是線性的，不計飽和；
(2)忽略鐵損和定子諧波影響；
(3)不計功率繞組和控制繞組之間的直接耦合。
在上述假設(shè)的前提下，根據(jù)電機對回路理論，以定轉(zhuǎn)子各線圈組的電流作為自變量，線圈組兩端的電壓作為輸入量，得到無刷雙饋電機的網(wǎng)絡(luò)電路方程，再從恒功率變換得到用于推導(dǎo)d—q軸數(shù)學(xué)模型式中：Pp、RpL、Lsp、Lpr為功率繞組的極對數(shù)、電阻、自感和與轉(zhuǎn)子的互感;Pc、Rc、Lsc、Lcr為控制繞組的極對數(shù)、電阻、自感和與轉(zhuǎn)子的互感；Rr、Lr、ωr為轉(zhuǎn)子電阻、自感和電機的機械角速度；uqp、udp、uqc、udc、uqr、uqp、udp、uqc、udc、uqr、udr、均表示電壓電流的瞬時值。下標(biāo)p為功率繞組，下標(biāo)c為控制繞組；s為定
子側(cè)，r為轉(zhuǎn)子側(cè)；q、d為q、d軸分量；p表示對時間的導(dǎo)數(shù)。
式中：J為轉(zhuǎn)子機械慣量，T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
這樣就由式(2)、式(3)、式(4)構(gòu)成了BDFM的d—q軸數(shù)學(xué)模型，它能較好地用于BDFM的運行狀態(tài)的仿真和簡單的閉環(huán)控制。
2無刷雙饋電機的仿真模型的構(gòu)成 |
