绕线式转子无刷双馈电机控制分析

13绕线式转子无刷双馈电机控制系统分析无刷双馈电机在双馈方式下运行时具有普通同步电动机的特性，可能在恒压频比的开环控制下稳定运行，但是其转速和负载转矩的动态性能比较差，负载突变时转速容易振荡，存在失步的危险。为了改善BDFM的运行性能，需要对它进行闭环控制。由于BDFM又具有异步电动机的特点，因此适用于异步电动机的控制策略都可以用于对BDFM的控制，如标量控制、直接转矩控制、转子磁场定向控制、参数自适应控制等。目前，国内外学者对BDFM的控制进行了较为深入的研究。本课程主要对几种常用的控制策略进行分析。3.1无刷双馈电机的标量控制BDFM理想的运行方式是双馈运行。在双馈方式下，按照式60prpcfnpp，通过闭环控制BDFM控制绕组的频率和电压大小，就可以实现对电机转速和功率因数等特性的动态控制。这就是标量控制的基本思想。图3-1为BDFM的标量控制框图，系统通过两个简单的PI调节器来实现对电机的动态控制。本系统有两个给定，即速度和功率因数。系统通过对电机转速和功率绕组电量的检测，利用CPU计算出实际的转速和功率因数，再将它们与给定值进行比较。当转速出现偏差（有可能失步）时，系统就自动调节控制绕组频率来减小和消除偏差。当功率因数出现偏差时，系统就自动调节控制绕组的励磁电流（或电压）来减小和消除偏差，保证系统稳定可靠运行。当负载一定和功率因数给定时，对应的控制绕组的励磁电流可以通过稳态电路来计算。只考虑控制绕组系统的等效电路如图3-1所示。根据该图可以计算出控制电流与负载和功率因数的关系。2图3-2BDFM标量控制框图假设功率绕组系统的功率因数角为（带后），电磁功率为empP，则在忽略定子损耗时功率绕组电流pI为3cosempppPIU（3-1）假设功率绕组电流系数为ipk，则转子电流rI，为3cosemprippPIkU（3-2）3由图3-2可得转子回路的电压方程为sprrcrrrccrmUIZEIZIjx（3-3）式中rZ——转子复阻抗；crmx——定子与转子间互感。结合式（3-2），式（3-3）可以计算出控制绕组电流cI为3cosempspiprpccrmPUkZUIjx(3-4)控制系统中要求功率因数维持常数，以提高电机的效率和减少无功功率。因此，当负载发生变化时，就可以按照式（3-4）的规律来调节控制绕组电流（电压），以保证功率因数等于给定值不变。标量控制是利用稳态电路模型来建立控制算法，系统比较简单，硬件和软件都容易实现，可以在较低价格的微处理器上实现。采用标量闭环控制，BDFM的稳定性和动态性能得到了较大的改善和提高。该控制适用于对动态性能要求不高的场合，如煤态的通风机、水泵等。3.2无刷双馈电机的直接转矩控制直接转矩是直接在定子坐标上计算磁链和转矩的大小，并通过对磁链和转矩的直接跟踪实现功率变换器的PWM输出，来控制电机的动态行为，该方法不需要复杂的坐标变换，对参数变化也不敏感，可以很好地满足系统高动态性能的要求。异步电动机的矢量图如图3-3所示。4利用异步电动机的稳态电路和转矩关系，可以推导出异步电动机的电磁矩表达式为2sinemsrpTL（3-5）式中2L——转子漏电感；s——定子磁链；r——转子磁链；——定、转子磁链夹角。可见电磁转矩与磁链成正比。与角成正弦关系。在直接转矩控制中，需要控制定子电压来维持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电机铁心。转子磁链幅值由负载决定。由式（3-5）可知，要控制电磁转矩大小，可以通过直接改变角来实现。在直接转矩控制中，可通过控制定子绕组电压矢量在空间瞬时加速或减速来改变角的大小。异步电子机定子绕组电压矢量在空间的转速和方向是通过控制功率变换器的开关开断时间和顺序来实现的。图3-4为功率变换器电路，主电路由三组开关（US、VS、wS）组成。5当US（VS、wS）=1时，表示桥臂上边开关闭合，下边开关断开；当（US、VS、wS）=0时，表示桥臂上边开关断开，下边开关闭合，则这三组开关共有8种状态，见表3-1。它能输出8种电压状态，电压加在绕组上产生电流，形成的合成磁动势也有8种状态，相应的空间矢量如图3-5所示。由图3-4和图3-5可知，如果控制变换器的开关状态按照1、3、2、6、4、5、1顺序变化，则在电机中产生的合成磁动势及其磁链变化的轨迹为正六边形，旋转方向是顺时针方向；如果控制变换器的开关状态按照1、5、4、6、2、3、1顺离变化，则在电机中产生的合成磁动势及其磁链变化的轨迹仍为正六边形，旋转方向是逆时针方向。可见，定子磁链变化规律由定子电压决定。表3-1变换器开关状态状态USVSwSiFiU00000F（000）0U（000）10011F（001）1U（001）20102F（010）2U（010）30113F（011）3U（011）41004F（100）4U（100）651015F（101）5U（101）61106F（110）6U（110）71117F（111）7U（111）在直接转矩控制中，就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度和方向，控制定子磁链走走停停或正走走反走走，以改变定子磁链的瞬间速度大小；而转子磁链速度由定子频率的平均速度决定，它不会突变。因此，瞬间改变定子磁链的速度，就改变了角的大小。由图3-3可知，当定子磁链的速度增加时，角会变大，相应地电磁转矩也会增加。由于BDFM的功率绕组不可控制，仅控制绕组励磁可控，机时BDFM的总电磁转矩由两套绕组的励磁共同产生，因此不能用传统的普通异步电动机直接转矩控制方法来控制BDFM。于是，有学者提出了基于一套绕组来估计磁链和转矩变化的BDFM直接转矩控制方法。该方法使用转子速dq坐标系BDFM数学模型。并引入一个电磁转矩变化量表达式（3-6），来进行辅助计算和控制。()()empqspdspqspdspdspqspdspqspcqscdscqscdscqscdscqscTPiiiipiidscii（3-6）由此就可以得出控制绕组电压与电磁转矩的关系为*223*11122113qscdscuemuscT（3-7）式中，13~、13~是与电机参数相关的系数。可见控制绕组电压与转矩的变化量直接相关。只要估计出转矩和磁链的变化值，控制绕组需要的励磁电压就可以根据式（3-7）计算出来。然后可以求出功率变换器的开关状态函数，控制功率变换器使之输出BDFM所需要的电压值和频率值。BDFM的直接转矩控制框图如图3-6所示。7BDFM的直接转矩控制需要测量定子绕组的各相电压、电流以及转子速度，并进行计算估计电机的磁链和电磁转矩。然后计算转子速坐标系下控制绕组的电压值，再进行坐标变换得到静止坐标下三相电压控制值。最后控制功率变换器输出相应的电压，需要高速处理器来设计控制系统，因而成本较高，但其控制性能十分优越。3.3无刷双馈电机的转子磁场定向控制对异步电机进行矢量控制时，需要先将电机的空间矢量经过坐标变换，将三相静止坐标变换成同步旋转的dq坐标，并将坐标的d轴固定在转子磁链方向上。因此，经过变换后的空间合成矢量（电流、电压、磁动势、磁链等）都变成了直流物理量，电机的控制量很容易确定，也很容易控制。但是BDFM在双馈运行时，电机中存在不同转速的两个旋转磁场，不能像普通异步电机那样确定一个惟一的同步坐标系，因此BDFM的矢量控制需要建立双同步坐标系统。8为了简化模型，将控制子系统和功率子系统建立的转子磁场进行定向，即将功率子系统的同步坐标中d轴固定在功率子系统转子磁链方向上，将控制子系统的同步坐标中d轴固定在控制子系统转子磁链方向上，将控制子系统的同步坐标中d轴固定的控制子系统转子磁链方向上。因此，两个子系统中q轴方向的转子磁链等于零，即22220drprpdrpsrpdsprpqrprpqrpsrpqspLiLiLiLi（3-8）22220drcrcdrcsrcdscrcqrcrcqrcsrcqscLiLiLiLi（3-9）将式（3-8）、式（3-9）代入双同步速模型中，会得到达BDFM转子磁场定向的数学模型为22222222222222222222000000000000000spsppspsrppsrpdsppspspspsrpsrpqspscsccscsrccsrcdsccscscsccsrcsrcqscsrpsrcrrssrpssrcrLpLLpLuLrLppLLpurLpLLpLuLrLpLLpuLpLprLpLL22srcsrprLLrdspqspdscqscdrqriiiiii（3-10）BDFM在双馈运行时，两个子系统的转差频率相等，即sspsc。由此，可进一步得到BDFM转子磁场定向的电磁转矩为2222srpsrcemprpqspcrcqscrprcLLTpipiLL（3-11）BDFM在双馈运行中，只有控制子系统的励磁可以调节，因此对BDFM的电磁转矩调节只能通过改变控制子系统的转矩来实现。在BDFM矢量控制中，被控制的物理量是控制绕组的电流。从BDFM的双同步模型中寻找9控制绕组电流与其他量的关系是BDFM矢量控制的关键。由式（3-10）的第五行求得转子电流d轴分量为rprcdrrdpir(3-12)由式（3-9）和式（3-12）可得定子电流d轴分量为22221crcdscrcrpsrcsrcTpLipLL(3-13)式中2cT——转子励磁时间常数，22/crcrTLr。可见，控制子系统的转子磁链rc仅由子电流d轴分量dsci产生，与q轴分量qsci无关。由式（3-10）的第六行求得转差频率与控制电流的关系为rsqrrprcri（3-14）将式（3-9）代入式（3-14）得22()srcsqsccrprcLiT（3-15）式（3-15）是转差频率控制方程，反映了转差频率与qsci之间的关系。所以，式（3-11）、式（3-13）和式（3-15）构成了BDFM的转子磁场定向控制方程。在控制子系统中，转子磁链rc由dsci控制，转矩由qsci控制。这样在维持rc不变时，通过改变qsci就可以实现对BDFM的动态控制。基于上述控制算法的BDFM转子磁场定向控制框图如图3-7所示。10系统先检测出BDFM的功率绕组和控制绕组的电压、电流和转子速度等物理量，利用双同步模型计算出电机转子磁链和转矩等。系统将角速度物理量，利用双同步模型计算出电机转子磁链和转矩等。系统将角速度给定值*r与实测反馈值r合成后，经过速度调节器输出转矩给定值*emcT，与转矩计算值emcT综合后，经过PI调节器输出控制绕组q轴电流分量的控制信号。转子磁链给定值*drc与计算值drc合成后，经过PI调节器输出控制绕组d轴电流分量的控制信号。最后经过坐标变换得到三相控制信号去控制功率变换器输出。3.4绕线式转子无刷双馈发电机控制目前文献关于无刷双馈电机控制策略大多集中于BDFM作为电动机运行时策略。或作为并网发电控制策略。无刷双馈电机的运行特性类似极对数为pcpp的绕线式电机，从控制角度11来看可以把应用于普通异步电机的控制策略如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制用于BDFM的控制。但是BDFM由于其本身电机的特殊性，它存在两套定子绕组，转子绕组与两套定子绕组均有磁场耦合，其电机结构、磁场耦合关系复杂。普通异步电机最复杂的磁链方程，电感矩阵是交变的定转子互感，与定转子绕组轴线夹角成比例。无刷双馈电机的电感矩阵更复杂，包含功率绕组与转子绕组互感和控制绕组与转子绕组互感，由于功率绕组和控制绕组极对数和通入电流频率不一样，其定转子绕组轴线也不一样。因此其控制方程式更为复杂，控制方法