无刷双馈电机控制技术讲义资料

无刷双馈电机控制技术✧无刷双馈电机的运行原理✧绕线式转子无刷双馈电机的数学模型✧绕线式转子无刷双馈电机控制系统分析1 无刷双馈电机的运行原理1.1 工作原理无刷双馈电机与两台极联的感应电机的原理相同。

两台电机级联是将两台绕线式电机的轴相连，转子绕组反相序连接。

级联电机系统从第一台电机的定子侧输入电功率，通过转子传递给第二台电机的转子绕组侧，第二台电机的定子绕组外接电阻短接。

省去了滑环，系统通过改变外接电阻大小就可以改变电机的转速。

无刷双馈电机接线如下图1.1所示，两套定子绕组没有直接电磁耦合，转子经特殊设计，起着两套定子绕组之间能量传递中介。

电网图1.1 无刷双馈电机系统示意图功率绕组p p 对极接入工频电源（p f ）、控制绕组c p 对极接变频器（c f ），两套绕组同时通电，在气隙中产生两种极对数不同的磁场，这两个磁场通过转子的调制，发生相互耦合，实现能量的相互传递。

功率绕组在电机气隙中产生的磁场同步转速：60p sp pf n p =转差率：sp r p rp sp pn n s n ωωω--==则转子绕组感应的电流频率为：6060p p rp p rp f p n s f f -==控制绕组接入变频电源时频率c f ，控制绕组与功率绕组反相序，故产生的旋转磁场方向与功率绕组产生的旋转磁场方向相反，其在转子绕组感应的电流频率：6060c c rc c rc f p n s f f +==采用绕线式转子结构电机（如变极法或齿谐波法），转子绕组共用线圈，因此当电机稳定运行时感应的转子绕组电流频率有rp rc f f =，因此由上面式子可得：p c r p cf f f p p -=+转子机械转速为：60()p c p cr f f p p n -=+如果第一台电机的定子输入的电功率是N P ，当运行于某一转速时的两台电机的转差分别是p s 和c s 。

可以得到第一台电机的机械功率：(1)wp p N P s P =-忽略了电机的其他损耗，p N s P 就成为第一台电机通过转子传给第二台电机的电功率，由于第二台电机的功率来源于它的转子，第二台电机的转子按变压器原理为原边，而第二台电机的定子为副边。

第二台电机轴上产生的机械功率就是：(1)wc c p N P s s P =-整个级联系统轴上的输出机械功率为：(1)wp wc p c N P P P s s P =+=-上式的p c N s s P 就是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。

如果改变第二台电机副边电阻的阻值，则消耗在其上的功率p c N s s P 将发生变化。

在N P 一定的前提下，p c s s 将发生变化，即等效滑差p c s s s =发生变化，相应的第二台电机的副边电流频率也会随之变化。

因此，如果我们能够改变第二台电机副边的电流频率，就会反过来改变电机的转速。

无刷双馈电机即用变频器来替代原理电机中的外接电阻来，通过对第二台副变电流频率的调节来改变整个等效滑差。

假定转子电流频率为r f ，第一台电机的定子电流频率是p f ，第二台电机定子的电流频率是c f 则电机的转速为：60()p r p pf f n p ±=第二台电机的转子转速是60()c r c cf f n p ±=因为两台电机机械同轴，电路相连，故转子电流频率r f 相同，转子转速相同。

即r p c n n n == 。

由上三式可求得转速为：60()(/min)p c r p cf f n r p p ±=±式中的“±” 号取决于两台电机的定、转子相对相序。

一般采用反相序接法称为和调制。

采用和调制的转速表达式是：p cp cp p ωω+Ω=+1.2 运行方式无刷双馈电机的运行情况相当于一台p c p p +对极绕线转子感应电机，其功率绕组和控制绕组分别相当于绕线式感应电机的定子绕组和转子绕组。

该种电机具有自起动能力，可实现异步运行、同步运行和双馈调速等多种电动运行方式；当作发电机运行时，可实现变速恒频恒压发电。

1．无刷双馈电机的异步运行BDFM 异步运行时，功率绕组接到工频电源上，控制绕组接三相对称电阻，调节电阻的大小就可以在一定的范围内调节电机的转矩-转速特性。

BDFM 与传统绕线式电机相比，去掉了电刷，可维护性大大提高，适用范围进一步扩大。

如果在负载转矩一定时，可通过改变串接电阻的大小来实现串电阻调速。

异步运行时可以作为p p 对极，也可以作为p c p p +对极异步电机，取决于电机参数以及负载转矩，其转速为：60(1)p p r p cf s n p p -=+ 或60(1)p p r pf s n p -=电网变阻器图1.2异步运行方式接线图2．同步运行方式在这种运行方式下，定子侧功率绕组直接接到工频电源上，而控制绕组短接或串接电阻，电机将进行异步自起动。

当电机转速接近同步速时，如将Y 接的控制绕组改为两并一串的型式接于直流电源，电机从异步运行方式过渡到同步运行方式，稳定地运行于同步转速。

通过改变控制绕组中直流电流的大小，就可以改变功率绕组的无功功率大小，从而改善电机的功率因数。

同步运行方式相当于一台2()p c p p +极的同步电动机，其转速为：60p r p cf n p p =+由于励磁绕组放在定子上，从而实现了无刷励磁。

电网图1同步运行方式接线图3．双馈运行方式无刷双馈电机双馈运行时，功率绕组接工频电源，控制绕组接变频器，通过改变变频器的输出频率c f ，即可调节转速。

改变控制绕组通电相序可以实现电机的亚同步和超同步运行。

电网图1-4 双馈运行方式接线图4．发电运行方式当无刷双馈电机作发电机运行时，控制绕组通常作为励磁绕组，定子功率绕组作为发电绕组。

图2-11为发电运行方式的示意图。

由于励磁绕组放置在定子上，其变速恒频恒压控制是在无刷情况下完成，所以相比交流励磁双馈发电机(有刷)，其运行更加可靠，另外采用和调制后，转子转速较低，适合低速的风力发电场合。

在发电运行方式下，功率绕组频率为：()60r p c p c n p p f f +=±由上式可知当转速n 发生变化时，控制变频器频率c f ，即可使功率绕组输出频率p f 保持不变，从而实现变速恒频发电。

电网图1.5 发电运行方式示意图1.3 无刷双馈电机及其控制系统的研究现状无刷双馈电机源于感应电机的串级连接，后来经过Broadway 等人的改进，将两台绕线转子合二为一，并将相调制理论应用到极变换绕组，形成了经典的特殊笼型转子结构。

对这种电机系统的理论研究始于上世纪80年代中期，在二十多年的时间里，美国Wisconsin 大学、Ohio 州立大学、Oregon 州立大学，英国的Newcastle 大学和Cambridge 大学等高等学校和科研机构曾对无刷双馈电机进行了较为深入的研究。

日本、澳大利亚等国也在对该种电机进行研究。

国内对磁场调制式无刷双馈电机的研究起步较晚，沈阳工业大学自八十年代末最早开始了这方面的研究工作，此外浙江大学、湖南大学、华中科技大学等高校相续开展了这方面的研究，取得了一定的成果。

无刷双馈电机提高了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，特别适合不利于维护的场合，比如高空风力发电机；从运行特点上来说，无刷双馈电机不仅可以有效的降低变频装置的容量和电压等级，而且可以方便的实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式，被认为在调速驱动（ASD ）和变速恒频发电（VSG ）中有广泛引用。

无刷双馈电机具有很多应用优点，但由于其复杂定转子磁场关系，其作为电动机或发电机控制策略也要远远难于普通异步电机的控制。

目前对无刷双馈电机控制研究大多数集中在做电动机调速控制策略方面，另外对无刷双馈发电机并网发电的控制策略也有一定研究。

20世纪80年代末到90年代初，Alan K,Wallace Rene Spee, Ruqi Li,等人推导出笼型无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型，为BDFM 的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。

随后各种方法如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制[16~23]等等都被广泛的应用于无刷双馈电机控制。

目前无刷双馈电机作为电动机运行时，控制策略方面主要研究有： （1）标量控制：采用静态等效电路，通过调节控制绕组的电压幅值以及频率，来实现对速度、转矩，功率因数的控制。

其算法比较简单，采用速度闭环来给定变频器频率，还可以通过调节控制绕组电流来改善整个电机功率因素。

这种控制策略比较容易在较低的微处理器上实现，可以在一定程度上提高电机的性能，但是其动态性能较差，对无刷双馈电机失步区问题无法解决。

从实验现象来看，无刷双馈电机做电动机运行时，一旦失步后其过程是不可逆的，即使增大或减小控制绕组电流都无法恢复到该转速下。

（2）直接转矩控制：一种基于一套绕组的估计磁链和转矩变化的直接转矩控制策略。

采用端电压、端电流和转速来估算磁链，控制算法中要将各量在静止坐标系和转子速同步坐标系下转换，其计算量很大，普通处理处理器还无法承担运算任务。

一般采用高速微机，其成本较高。

后来有学者在直接转矩控制的基础上提出了一种模型自适应控制策略，使无刷双馈电机对负载及电机参数的变化不敏感，达到最佳的工作特性。

（3）矢量解耦控制：在无刷双馈电机的双同步速模型基础上，把功率绕组和控制绕组分别建立在各自的同步坐标系下，分别进行磁场定向，简化了数学模型。

在控制绕组子系统中，当转子磁链cr drc 由电流分量cr dc i 来建立时，无刷双馈电机的电磁e T 由电流分量cr qc i 来控制，这样当crdrc ψ不变时，通过改变cr qc i 就可实现电机的动态转矩控制。

无刷双馈电机矢量解耦控制算法复杂，对控制器要求较高，矢量控制算法高度依赖电机参数，但目前电机等效电路参数却无法准确估计，控制模型是无法预测到电机运行动态过程参数变化情况；目前文献大多是关于矢量解耦控制仿真研究和实验研究，应用于实际控制系统还有一定距离。

BDFM 作为发电机运行其控制策略与电动机运行有一定差别，由于无刷双馈电机应用于风力、小水力变速恒频发电的优越性能，使得BDFM 发电运行控制策略也是目前研究热点。

发电运行时分为独立电源和并网发电两种情况，目前文献研究是集中在无刷双馈电机并网发电运行控制策略。

对BDFM 作为独立电源场合如船用轴带柴油机发电控制策略和实验，本文做了详细研究，为了与并网发电相比较，这里先介绍目前在并网发电时常用控制策略。

并网发电常用矢量解耦控制方法，并网发电由于端电压由大电网决定，因此主要控制目标是无刷双馈发电机功率绕组端有功和无功功率。

功率绕组无功功率Q 和有功功率P 的控制可以通过对控制绕组电流dc i 、qc i 的控制来实现，控制策略如下框图：图1.10 并网发电控制策略其控制原理如下：无功功率控制：(Q*)→(*drc i )→(*dc i ) 有功功率控制：(P*)→(*qrc i )→(*qc i )无刷双馈电机作为独立电源使用时，其控制目标是功率绕组端发电电压幅值和频率，其控制策略会有一定差别。