無刷雙饋電機運行特性的研究

    張岳^1,2，王鳳翔¹

(1沈陽工業大學，遼寧沈陽110023；2遼寧科技學院，遼寧本溪117022)

    摘要：討論了元刷雙饋電機在空載、帶載及負載突變幾種狀態下的異步運行特性，為今后進一步研究元刷雙饋電機控制策略奠定了理論和仿真基礎。

    關鍵詞：元刷雙饋電動機；運行特性；仿真分析

    中圖分類號：TM34  文獻標識碼：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世紀初由Hunt提出的自級聯感應電機的基礎上發展起來的，它是一種結構簡單、堅固可靠的新型電機，可在無刷情況下兼有籠型、繞線型感應電機和電勵磁同步電機的共同優點，具有降低所需要變頻器的容量，可以調節系統的功率因數等特點，可以用于交流調速傳動系統和變速恒頻恒壓發電系統。目前國內外對BDFM的研究已從對電機結構的改進階段發展到建立比較準確實用的數學模型^[1-3]以及適合于BDFM的控制方法，先后提出了網絡模型、d—q軸數學模型、同步數學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軸數學模型為基礎，利用MATLAB的強大矩陣計算功能和sIMu—LINK的交互式仿真集成環境，建立BDf_M的狀態方程的S-Function函數，研究了BDFM在異步運行狀態下的幾種特性。

1無刷雙饋電機的原理及數學模型

1．1無刷雙饋電機的原理

    BDFM的基本結構是一個定子、一個轉子和一套公共磁路，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節轉速，實現BDFM元級調速。調速范圍與極對數和兩套電源的的輸出頻率有圖1---關。BDFM的穩定轉速表達式為^[1,5]

式中f_p、p_p，分別為功率繞組的頻率和極對數，f_e、p_c分別為控制繞組的頻率和極對數。“+”表示功率繞組與控制繞組產生同轉向的基波磁勢，“-”表示功率繞組與控制繞組產生反轉向的基波磁勢。從式(1)可知，只要變頻器輸出頻率一定，電機的轉速就完全確定，轉速控制變得十分精確。當f_c=0，即控制繞組通人直流，此時轉速稱為自然同步轉速；當控制繞組加電壓為0，即控制繞組短路，電機運行于異步電機狀態，相當于一臺2(P_p+P_c)極的異步電動機；當控制繞組輸入三相交流電源時，電機運行于雙饋調速狀態。fe前取負時，電機轉速稱為亞自然同步轉速，f_c前取正時，電機轉速稱為超自然同步轉速。

1．2無刷雙饋電動機的數學模型

    為了建立BDFM的通用數學模型，作如下假設：

    (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。

    在上述假設的前提下，根據電機對回路理論，以定轉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絡電路方程，再從恒功率變換得到用于推導d—q軸數學模型式中：P_p、R_pL、L_sp、L_pr為功率繞組的極對數、電阻、自感和與轉子的互感;P_c、R_c、L_sc、L_cr為控制繞組的極對數、電阻、自感和與轉子的互感；R_r、L_r、ωr為轉子電阻、自感和電機的機械角速度；u_qp、u_dp、u_qc、u_dc、u_qr、u_qp、u_dp、u_qc、u_dc、u_qr、u_dr、均表示電壓電流的瞬時值。下標p為功率繞組，下標c為控制繞組；s為定

子側，r為轉子側；q、d為q、d軸分量；p表示對時間的導數。

式中：J為轉子機械慣量，T₁為負載轉矩。

    這樣就由式(2)、式(3)、式(4)構成了BDFM的d—q軸數學模型，它能較好地用于BDFM的運行狀態的仿真和簡單的閉環控制。

2無刷雙饋電機的仿真模型的構成