电机驱动电路设计

电机驱动电路设计

摘要：本课题首先对DIFG的运行理论进行分析，建立了DIFG数学模型，对坐标变换及运行特性进行了理论研究，为双馈电机实际电路研究奠定了理论基础。然后设计出驱动电路，最后通过软件仿真，验证设计模型和电路的正确性。

关键词：PWM，模型，MATLAB仿真

发电机及整个电机系统是风力发电设备的核心，它决定着风力发电的效率和发电容量，发电系统的性能也决定着风力发电的成本和电能质量。根据发电机的性能和主要特征，风力发电机主要有恒速恒频和变速变频两种发电技术。受发电风扇和自然条件限制，市场上主要运用变速变频技术。

双馈电机可以简单认为是两台交流电机相连组成，。定子上有两套绕组，一套是功率绕组，接工频电源；另一套是控制绕组，接控制电源。两套绕组之间通过转子绕组间进行功率传递，没有电子耦合。

根据双馈电机原理，分析调速原理：绕组频率为f1，U1为固定的三项电源，控制绕组频率为f2，可调电源电压为U2。电机转速为n，可以算出电机同步转速：ns1=60f1/p。

转差率：

感应电流频率：，

电机是一种将其他能量转换为电能的装置，所有电机中都有气隙磁场的存在。风力发电过程中，风能通过转子转换为机械能，在无刷双馈电机中，机械能克服气隙磁场中电磁力所做的功，通过磁生电的过程，不断的将所产生电能输出，实现机械能向电能的转换[7]。

Pe2为转子绕组传送的电功率，为转差率s和电磁功率Pm的乘积；对于投入使用的发电机来说，Pm是固定的，所以，s的正负决定着转子向变频电源输出功率或获取功率。

转子侧的PWM变换器连接主侧PWM变换器和双馈发电机。对转子侧的PWM变换器的控制，可以起到控制整个风力发电系统的目的。所以转子侧PWM变换器在整个发电系统中起着至关重要的作用。

转子侧的PWM变换器的主要作用是实现在转子侧对双馈电机的矢量控制，实现有用和无用两种功率的单独调节。为了实现PWM变换器对不同双馈发电机的有效控制，要对不同的发电系统制定不同的PWM变换器控制方案。双馈型发电系统是一种高阶、非线性系统，对其有效控制有一定的难度。如果要想达到对发电系统中有用功率和无用功率的控制，必须实现功率解耦，可以通过坐标变换简化双馈发电机的数学模型，实现转子中无功功率和有功功率的分别控制。使发电机能够捕获最大风能，运行在最大功率状态下。

对DFIG转子侧的控制主要是达到对风力发电机转速的控制，让电机转速随着风速大小实时调整，使定子侧输出恒定频率，实现变速恒频。从DFIG的矢量数学模型可以看出，三相坐标系下的DFIG特别复杂，很难实现对其控制系统的设计，而同步旋转坐标下的DFIG模型比较简单，在同步旋转坐标下电流、电压等都可以看作静止的直流量。

矢量控制技术是目前应用最多的一种电机控制技术，在保持功率不变的情况下，空间坐标矢量变换，可以将三相交流电机模型看成两相交流模型来研究，使研究过程变得简单，将原来的耦合项解耦，实现对目标的独立控制。就双馈风力发电系统来看，电机的定子、转子电流是一个强耦合系统，应利用矢量控制技术将其解耦成有功分量和无功分量，再对两个分量分别制。

对DFIG的数学模型的研究，同样需要对其进行解耦，因为三相静止条件下，DFIG的数学模型是一个高阶、非线性系统，对其分析设计有很大难度。通过坐标变换，实现使转子中的有功功率和无功功率解耦分离，实现对其分别控制。

本文的仿真软件选择MATLAB ，MATLAB在计算机辅助设计方面应用广泛，是国际上最常用的控制系统辅助设计的语言和软件工具。MATLAB具有简单的操作界面，有一定软件基础的人都可以在短期内掌握其应用技巧，在程序移植

及可视化仿真方面，MATLAB更具优势。

根据电磁转矩方程式和电机运动方程式，我们可以得到无刷双馈电机在d-q坐标系上的数学模型。

我们将此模型变换成状态方程的形式，建立无刷双馈电机的动态仿真模型。

对设计的仿真结果如下：

本文还有许多不足之处。并且由于时间仓促和本人实践水平有限，基于MATLAB的双馈风电系统知识在理论支持阶段，而且只完成了部分工作并没有进行仿真与测试，电流的抗干扰性能及控制算法是否有效，还需在系统完成后才能得到检验。

参考文献

[1] 贺益康，刘其辉.变速恒频风力发电机并网控制策略研究[J].高技术通讯2003，（12）：11-14

[2] Y.D.Song and B.Dhinakaran.Variable Speed Control of Wind Turbines[J].Proceedingof the 1999 IEEE International Conference on Control Applications，1999：814-819