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無刷雙饋電動機的雙饋運行特性實驗研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4499


摘要:在利用Simulink的S-function函數所構成的無刷雙饋電動機模型的基礎上,研究了無刷雙饋電動機(BDFM)在雙饋運行狀態下的幾種調速特性,并通過實驗加以驗證,為今后進一步研究:BDFM控制策略奠定一定理論基礎。

0引  言

 無刷雙饋電機(Brushless Doubly—fed Machine,簡稱BDFM)是在21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,可以實現異步、同步、雙饋等多種運行方式。它既可以作為電動機運行于交流調速傳動系統,也可以作為發電機運行于變速恒頻恒壓發電系統;具有變頻器(勵磁裝置)容量小、獨立調節有功功率和無功功率、功率因數可控制,實現4象限無級調速,無刷化運行等特點,在風機和泵類機械的節能調速系統及變速恒頻的水利和風力發電系統中具有廣闊的應用前景。

1原理及仿真模型

   BDFM的基本結構是一個定子、一個轉子和一套公共磁路;定子上裝有兩套對稱3相繞組,一套為2p極的主繞組,直接接到工頻電源上,另一套為2q極的副繞組,通過變頻器接至工頻電源。兩套繞組之問的耦合是通過特殊設計的轉子來實現的,通過改變變頻器的輸出頻率可以調節轉速,實現無級調速。調速范圍與極對數和兩套繞組電源的輸出頻率有關。BDFM原理如圖1所示。

    圖l無刷雙饋電機原理圖

   當副繞組短路,即副繞組施加的電壓為0 V時,電機能夠異步起動并運行于異步狀態,相當于1臺2(Pp+Pc)極的繞線轉子感應電機。當副繞組由直流電源饋電(如兩并一串),即電源頻率fc=O Hz,電機將工作于同步運行狀態,稱為自然同步轉速,轉速定義為60fp/(Pp+Pc)。當副繞組由變頻電源供給頻率可調的電源時,電機處于雙饋運行狀態。這時BDFM的穩定轉速表達式為  (1)式中,fp、Pp分別為主繞組的頻率和極對數;fc、Pc分別為副繞組的頻率和極對數。取正號表示主繞組與副繞組電流相序相同,電機運行于超同步電動狀態。這時的電機轉速稱為超自然同步轉速;

取負號表示主繞組與副繞組電流相序相反,電機處于亞同步電動狀態,這時的電機轉速稱為亞自然同步轉速。

   從式(1)可知,只要改變變頻器(即副繞組)輸出頻率,就可以調節電機的轉速。

   在基于Simulink的S-Function函數構成的BD-FM d—q軸數學模型基礎上,進行雙饋運行的仿真模型如圖2所示。

    圖2無刷雙饋電機的雙饋運行仿真框圖

2運行特性研究

   采用圖2所示的BDFM雙饋運行仿真模型,在主繞組施加工頻電源、副繞組分別施加不同頻率的三相電源,在電機運行于雙饋狀態下,詳細研究BDFM在超同步和亞同步狀態下幾種調速特性。仿真所用BDFM的主繞組功率為1 5 kW,副繞組功率為0.55 kW,繞組接法3Y/3Y,極數為6/2,6極為主繞組,2極為副繞組。電機參數為Rp=

0.81 Ω,Lsp=80 mH,Lpr=0 89 mH,Rc=0.81 Ω,Lsc=630 mH,Lc=4.3 mH,Rr=1.57 m Ω,Lr=0.04 mH,J=0.02 kg·㎡。

2.1恒轉矩特性

   在恒轉矩條件下(所施加負載轉矩為5 N。m),無刷雙饋電機雙饋運行仿真結果如圖3所示。圖3(a)表示亞同步時電機的主、副繞組電流和轉速變化情況,副繞組施加的電源頻率為1 Hz,幅值為5 V,穩態轉速為735 r/rain。圖3(b)表示超同步時電機的主、副繞組電流和轉速變化情況。副繞組施加的電源頻率為2 Hz,幅值為10 V,穩態轉速為780 r/min。從圖3可見,電機轉速經過短暫調節后,其穩態轉速與理論表達式(1)相吻合,說明無刷雙饋電機在負載轉矩恒定時,電機的轉速只與副繞組的電源頻率大小和相序有關。無刷雙饋電機的起動特性與恒轉矩特性類似,這里不再累贅。    

   圖3恒轉矩時雙饋運行的轉速波形

2.2變轉矩特性

   在變轉矩條件下,無刷雙饋電機雙饋運行仿真結果如圖4所示。圖4(a)表示亞同步時電機的主、副繞組電流和轉速變化情況。副繞組施加的電源頻率為1 Hz,幅值為5 V,在仿真時間為3。時,負載轉矩由5 N·m突變為10 N·m,電機的主、副繞組電流、轉速經過短暫調整后,電機轉速又穩定在735 r/min。其穩態轉速值與理論表達式(1)一致。圖4(b)表示超同步時電機的主、副繞組電流和轉速變化情況,副繞組施加的電源頻率為2Hz,幅值為10 V,在仿真時間3 s時,負載轉矩由5 N.m突變到8 N·m電機轉速值最后又穩定在為780 r/min。由圖4可知,負載轉矩突變前后,電機的穩態轉速保持不變,只是在負載轉矩變化時,電機的轉速需經過較長時間動態調節過程,且有較大的超調量。這說明無刷雙饋電機的負載轉矩在一定范圍內變化時,電機的轉速僅與副繞組的電源頻率和相序有關。

   圖4變轉矩時雙饋運行的轉速波彤

2.3恒磁通特性

   在磁通恒定條件下,無刷雙饋電機雙饋運行仿真結果如圖5所示。圖5(a)表示亞同步時電機的轉矩和轉速變化睛況,負載轉矩為5 N·m,副繞組施加的電源頻率為1 Hz,幅值為10V。在仿真時間為2.5 s時,電源頻率改為3 Hz,幅值改為30 V,電機穩態轉速值由735 r/min變為705 r/min;圖5(b)表示超同步時電機的轉矩和轉速變化情況。負載轉矩為5 N·m,副繞組施加的電源頻率為1 Hz,幅值為5 V。在仿真時間為3 s時,電源頻率調節為3 Hz,幅值調節為15 V,電機穩態轉速值由780 r/min變為815 r/min。由圖5所示,雖然電源頻率和幅值發生變化,但是變化前后Uc/fc保持恒定,電機的轉速僅與電源頻率和相序有關,其穩定轉速與理論表達式(1)一致,不過此時電機

的電磁轉矩、轉速調節時間較長,波動較劇烈。

    圖5恒磁通時雙饋運行的轉矩、轉速波形

2.4變幅特性

   改變副繞組電源幅值的無刷雙饋電機雙饋運行仿真結果如圖6所示。圖6(a)表示亞同步時電機的轉速變化情況,負載轉矩為5 N·m,副繞組施加三相電源頻率為1 Hz。在仿真時問為3 s時,電源幅值由10 V調整為5 V或由10 V調整為5 V,電機經過暫短時間調整,仍能工作在亞同步狀態,穩態轉速值仍保持為735 r/rain,與理論表達式(1)

一致。圖6(b)表示超同步時電機的轉速變化情況,負載轉矩為5 N·m,副繞組施加電源頻率為1 Hz,在仿真時間為3 s時,電源幅值由5 V調整為10 V或由10 V調整為5 V,電機經過暫短時間調整,仍能工作在超同步狀態,穩定轉速值為780 r/min,與理論表達式(1)一致。這說明在電機穩定運行時改變副繞組的幅值,轉速不受影響,也就是說,減少變頻器的輸入電壓幅值,可以減少變頻器的容量,這對變頻調速是非常重要的。但是,副繞組電源幅值的改變不是無限的、任意的,是有一定范圍限制的,超出這個范圍電機就不能正常工作,而且副繞組電源幅值變化程度越大,過渡時間越長,超調量越大,甚至導致電機無法正常工作。

   總之,由圖3~圖6可知,BDFM在雙饋運行狀態下的幾種運行特性與理論分析的結果一致。

    圖6變幅時雙饋運行的轉速仿真波形

4實驗結果

   為了驗證上述理論分析及仿真結果,采用自制的一臺實驗用(2+6)級無刷雙饋電機進行雙饋狀態下的幾種調速特性測試。電機參數:Pp=3,Pc=1,Rp=0·087Ω,Rc=O,228Ω,Lp=42mH,Lc=37mH,Lm=35mH。圖7~圖9分別表示雙饋運行狀態下的副繞組實驗測試的電流波形。通過在無刷雙饋樣機上對幾種雙饋運行狀態的實驗研究,說明所論述理論和仿真結果的正確性。從實驗結果來看,無論對電機設計,還是電機運行理論的研究都具有指導意義。

 圖7 735 r/min亞同步運行時的副繞組電流測試波形

 圖8 780 r/min超同步運行時副繞組電流測試波形

 圖9 V/F控制式下的副繞組電流測試波形

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