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無刷雙饋電機調速特性的仿真和試驗研究

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:96096


 摘要:基于無刷雙饋電機的工作原理,對d—q軸坐標系下的數學模型進行了分析;采用Matlab/simulink對無刷雙饋電機控制系統進行了仿真,同時對無刷雙饋電機進行了試驗測量。試驗數據與仿真結果進行了對比,從而進一步驗證了無刷雙饋電機的調速特性及優點。

1無刷雙饋電機的工作原理

   無刷雙饋電機具有整體結構簡單、運行可靠、調速精度高、容易控制的優點,而且大大減小了電機調速系統所需的變頻器的容量。無刷雙饋電機分為無刷雙饋磁阻電機和無刷雙饋感應電機、既籠型無刷雙饋電機。下面所討論的是籠型無刷雙饋電機,此電機具有與傳統籠型感應電機不同的結構。在該電機的定子上具有極對數分別為Pp(功率繞組)和Pc(控制繞組)的兩套三相對稱繞組。電機的轉子為特殊形式的籠型自行閉合環路導條結構,其導條數通常為Pp+Pc;但是,在實際中電機的轉子導條數不可能僅僅為Pp+Pc,這對于任一臺電機來說,導條數都是太少了。轉子導條數少,將引起轉子側的漏抗和諧波很大,電機的各項性能指標變差。要使電機有較好的性能指標,必須增加轉子的導條數,可以對轉子導條數(即槽數)進行擴展。此處以Pc=3、Pc=1無刷雙饋電機為例,最少的轉子導條數為3+1=4根,可以以這4根導條為基礎,向兩邊擴展轉子導條數,如圖1所示。

   圖l  無刷雙饋電機定轉子結構示意圖

   籠型無刷雙饋電機運行時,功率、控制繞組中分別流過不同頻率的三相對稱電流,因此,將會有不同極數、不同轉速的兩個旋轉磁場同時共存于同一電機中,而同心式籠型轉子繞組在電機中同時耦合著上述兩個磁場,起到了“極數轉換器”的作用。在此作用下,兩繞組中將分別產生與本繞組中電流同頻率的互感電動勢,從而產生能量轉換。當控制繞組加上頻率和電壓幅值均可控的變頻器后,該電機與控制系統組成了無刷雙饋電機變頻調速系統。若使電機的功率繞組直接由工頻電網饋電,而三相控制繞組直接短接,將實現電機的自起動和異步運行;當控制繞組切換到由直流饋電時,將使電機牽入同步而實現同步運行;若使電機的控制繞組由變頻器饋電時,則可實現電機的雙饋運行。

   當電機雙饋運行時,在調速系統中,電機的轉速為:  (1)

改變變頻器的頻率fc與Pc對極電源的相序關系,即可連續改變電機的轉速,且與繞線式感應電動機轉予頻率可控的雙饋電機具有相同的調速特性。由于電機的轉速在極對數之和(Pp+Pc)及兩個電機定子繞組電源相序關系確定后,僅決定于(fp±fc)。因此該電機穩態運行時具有同步電機的性能。并且電機用于調速系統時,有調速精度高、功率因數可調等特點,變頻裝置無需轉速閉環,控制簡單。

2無刷雙饋電機d—q軸數學模型的建立

2.1無刷雙饋電機的基本方程

   根據電機多回路理論,確定電流、電壓、磁鏈的正方向為:流入電機電流為正向電流,電壓降的正向與電流的正方向一致。定子或轉子的正值電流產生正值磁鏈時,電機定、轉子每相繞組的電壓方程為:   (2)

在無刷雙饋電機中,定子功率繞組和控制繞組各自具有不同的極數,對主磁通而言,兩定子繞組間正交、互相耦合的主磁鏈為零;由于兩定子繞組對稱分布,鏈接兩定予繞組的三相漏磁鏈合成為零,因此定子兩套不同極數的繞組可視為完全解耦。因此上式可改寫成:   (3)

式中:p為微分算子,U為定、轉子繞組的相電壓矩陣,I為定、轉子繞組的相電流矩陣,L為定、轉子繞組的自感和互感矩陣;R為定、轉子繞組的相電阻矩陣。下標p、c、r分別表示定子功率繞組、定子控制繞組和轉子繞組。各個矩陣元素分別為:

2.2無刷雙饋電機的d—g軸數學模型

可以從恒功率變換矩陣得到用于建模的d—g模型矩陣:

 (4)

式中:Pp,Rsp、Lsp、Mp,為功率繞組的極對數、電阻、自感和與轉子的互感;Pc、Rsc、Lsc、Mc為控制繞組的極對數、電阻、自感和與轉子的互感;Rr、Lr、ωr,為轉子電阻、自感和電機的機械角速度;p為微分算子;由于無刷雙饋電機的籠型轉子為兩相,故不存在V0r。

2.3電磁轉矩方程和機械運動方程

   根據電機能量轉換原理,得到電磁轉矩的方程式:Te =_MpPp(iqpiqr一idpiqr)一PcMc(iqcidr+idcidr)=Tep+Tcp (5)

式中:Te、Tep、Tcp分別為總電磁轉矩、功率繞組產生的轉矩、控制繞組產生的轉矩。

   由電機轉子的旋轉運動狀態可以得到機械運動方程:JP(ωr)=Te一TL一kωr    (6)其中:k為轉動阻尼系數,J為轉動慣量。

   上述式(4)、(5)和(6)構成了無刷雙饋電機系統的d—q軸數學模型,它是在等值電路電壓方程式的基礎上通過坐標變換得來的。在轉子旋轉坐標系下,無刷雙饋電機可以加以理想化而分為兩個子系統分別是Pp對極系統和Pc對極系統,從而得到常系數的電壓方程,這就大大減少了計算量。

3無刷雙饋電機的動態仿真

3.1利用Simulink對無刷雙饋電機進行建模

   根據無刷雙饋電機的數學模型建立了無刷雙饋電機系統的動態仿真模型,如圖2所示。

    圖2無刷雙饋電機的仿真模塊圖

   當把無刷雙饋電機的功率繞組直接接到幅值為380 V、頻率為50 Hz的工頻電網,控制繞組直接短路自起動,此時負載轉矩為0。我們可以通過Scope模塊觀測出所需的各個曲線值,曲線如圖3所示。

3.2電機轉速的仿真結果

   當無刷雙饋電機的功率端與控制端相序相反或相同時,根據仿真所得的控制繞組頻率和轉速數據繪出的關系曲線如圖4、5所示。

        

a)空載轉速曲線                      (b)空載轉矩曲線

        圖3尤刷雙饋電機的空載轉速和轉矩曲線

   

 圖4功率端與控制端相反時仿真轉速曲線  

圖5  功率端與控制端相同時仿真轉速曲線

3.3無刷雙饋電機仿真結果的分析

   從以上無刷雙饋電機仿真曲線可明確看到此電機轉速和控制端頻率的同步關系。同時,也看到仿真得出的電磁轉矩曲線在開始階段有一定的振蕩性,結合建模的過程,分析出現此現象的原因在于:此無刷雙饋電機調速系統模型是一個較強的動態反饋系統,因此不能徹底地做到對一個無刷雙饋電機的范圍內是基本準確的,從而為無刷雙饋電機的樣機試驗提供了一定的指導作用。

4無刷雙饋電機調速系統試驗

4.1試驗方案

   無刷雙饋電機的外接輸入端共有兩個,分別為功率繞組輸入端和控制繞組輸入端,其中功率繞組輸入端通過三相調壓器接工頻電源,控制繞組輸入端通過三相可編程變頻器接工頻電源,電機為空載運行,通過改變變頻器的輸出頻率來對無刷雙饋電機進行穩定調速。

4.2轉速試驗結果

圖6變頻器—無刷雙饋電機組的試驗接線圖

   按照無刷雙饋電機試驗接線圖,如圖6所示,連接試驗裝置,測出試驗結果。

   當無刷雙饋電機的功率端與控制端相序相反或相同時,根據試驗所得的轉速數據繪出的關系曲線如圖7、8所示。

   

圖7功率端與控制端相反時試驗轉速曲線

 圖8功率端與控制端相同時試驗轉速曲線

  從上面的無刷雙饋電機試驗的數據結果分析,可以看出此樣機的轉速是嚴格按照無刷雙饋電機的轉速特性公式進行的。

5結論

   本文通過對無刷雙饋電機的工作原理的分析,在此基礎上得到其d—q軸數學模型,建立了無刷雙饋電機的樣機仿真模型,并對其進行了仿真測試;同時利用實驗室的設備對無刷雙饋電機的樣機進行了試驗。通過對仿真和試驗的結果進行對比分析,從中更好地驗證了無刷雙饋電機控制簡單、調速精度高的特性。因此,此仿真和試驗為無刷雙饋電機的調速系統設計提供很好的參考依據。

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