重慶大學學報 無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和運行特性分析
本文關鍵詞:無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和運行特性分析,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
第36卷第8期2013年8月
重慶大學學報
JournalofChoninUniversit 。纾瘢纾
Vol.36No.8
Au.2013g
:/.ssn.1000doi10.11835582X.2013.08.010-jj
無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和運行特性分析
韓 力,羅 杰,王 華,潘紅廣
()重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室,重慶400044
,摘 要:為了深入研究籠型轉子無刷雙饋電機(的穩(wěn)態(tài)brushlessdoublfedmachineBDFM)。。匦,從耦合電路出發(fā),給出了B進而分析并得到了B有功功率、無DFM的基本方程式,DFM電流、功功率、電磁轉矩和功率因數(shù)的數(shù)學模型。在此基礎上,通過M獲得atlab對1臺樣機進行了仿真,
了B矩頻特性、功角特性、無功特性、功率因數(shù)特性和V形曲線,并利用數(shù)學模型DFM的矩角特性、分析了B頻率和DFM的能量轉換。結果表明:BDFM的各種穩(wěn)態(tài)特性均可表示為控制繞組電壓、功角這3個變量的函數(shù),所提出的模型簡化了B為進一步研究BDFM穩(wěn)態(tài)特性的分析方法,DFM的穩(wěn)定性和控制策略奠定了理論基礎。
關鍵詞:無刷雙饋電機;交流電機;耦合電路;數(shù)學模型;穩(wěn)態(tài)特性;能量轉換TM301;TM34 中圖分類號:
文獻標志碼:A
)文章編號:1000582X(20130806107---
Analsisonsteadstatemathematicalmodelsandoeratin 。 。穑
characteristicsofbrushlessdoublfedmachine 。。
HANLi,LUOJie,WANG。龋酰,PAN。龋铮睿酰幔睢。纾纾
(,StateKeLaboratorofPowerTransmissionEuiment&SstemSecuritandNew。裕澹悖瑁睿铮欤铩 。瘢穑纾
,)ChoninUniversitChonin400044,Chinagqgygqg 。海ǎ粒猓螅簦颍幔悖簦裕铮妫酰颍簦瑁澹颍螅簦酰洌簦瑁澹螅簦澹幔洌螅簦幔簦澹悖瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅铮妫猓颍酰螅瑁欤澹螅螅洌铮酰猓欤妫澹洌恚幔悖瑁椋睿澹拢模疲停鳎椋簦琛 。 。。
,,rotorthebasiceuationsareaccordintothecoulincircuitsofBDFM.Andthentheivensuirrel- 。瘢纾穑纾瘢纭 ,,,owerowerowermathematicalmodelsofBDFMcurrentactivereactiveelectromanetictorueand 。穑穑穑纾
,,factorareanalzedandderivedresectivel.Furthermorethecharacteristicsoftorueanletorue 。穑瘢纾,,owerowerowerfreuencanlereactivefactorandVshaedcurveofBDFMareobtainedresectivel- 。 。穑穑穑瘢,gppybMATLABsimulationofaenerconversionofBDFMisanalzedbtherotote.Theroosed 。纾穑穑穑稹 。恚铮洌澹欤螅幔簦簦瑁澹螅幔恚澹簦椋恚澹裕瑁澹颍澹螅酰欤簦螅螅瑁铮鳎簦瑁幔簦幔欤欤簦瑁澹螅簦澹幔洌螅簦幔簦澹悖瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅铮妫拢模疲停恚幔簦瑁澹恚幔簦椋悖幔臁 。 。
,canbeexressedasthefunctionsofthecontrolwindinsvoltaefreuencandtheanle.Theower 。穑纾纾瘢纾稹。颍铮铮螅澹洌恚铮洌澹欤螅椋恚欤椋妫椋澹螅簦瑁澹幔睿幔欤螅椋螅铮妫簦瑁澹螅簦澹幔洌螅簦幔簦澹悖瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅铮妫拢模疲停幔睿洌幔簦瑁澹铮颍澹簦椋悖幔欤颍铮觯椋洌澹蟆 。 。穑穑穑穑妫铮酰睿洌幔簦椋铮睿妫铮颍簦瑁澹妫酰颍簦瑁澹颍螅簦酰洌铮睿铮澹颍幔簦椋睿螅簦幔猓椋欤椋簦幔睿洌悖铮睿簦颍铮欤螅簦颍幔簦澹铮妫拢模疲停 。穑纾纾
:;;;;KewordsbrushlessdoublfedmachineACmotorscoulincircuitsmathematicalmodelssteadstate。 。穑纾 ;characteristicsenerconversiongy
收稿日期:20130306--
)基金項目:輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室自主研究項目(2007DA10512709203
,()。作者簡介:韓力(男,重慶大學教授,博士,主要從事電機設計及控制研究,1963E-mailhanliu.edu.cn-)@cq
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重慶大學學報 第36卷
超同步速和自然同步速。式(表明,于亞同步速、2)通過調節(jié)控制繞組頻率的大小和正負,可以靈活調節(jié)BDFM的轉速和運行狀態(tài)。
轉子相對于功率繞組磁場的轉差率為
//()snn3frrr)p=(p-np,p=f
式中fr為轉子電流的頻率。
同理,控制繞組磁場相對于轉子的轉差率、控制繞組磁場相對于功率繞組磁場的轉差率分別為
/sfcr=fcr,
/s=fsfcrcr。p=sp
)),可得13 聯(lián)立求解式(~式(
()4
()5
作為一種新型交流電機,無刷雙饋電機
(取消了電刷和滑環(huán),具有運行可靠、變頻器BDFM)容量小、轉速和功率因數(shù)可調、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點,在電動機變頻調速運行以及發(fā)電機變速恒頻運行方
]12-
。面具有良好的應用前景[
近年來,BDFM由于其獨特的運行特性而受到廣泛關注。文獻[34]介紹了BDFM的基本結-構和工作原理,文獻[56]分別通過小信號分析-對BDFM的開環(huán)和閉環(huán)穩(wěn)定運行范圍進行了理論計算,并通過相關實驗進行了驗證,文獻[78]-對B其中文獻[DFM的動態(tài)特性進行了分析,7]主要研究了不同轉子結構對動態(tài)特性的影響,文獻[8]則側重于BDFM啟動特性的研究?刂
策略也是B其中文獻[DFM研究的一個熱點:9-矢量控制和11]分別對BDFM的直接轉矩控制、
文獻[模糊控制進行了詳細介紹,1214]通過分-析得出BDFM穩(wěn)態(tài)運行時具有類似同步電機的功角特性,同時指出改變控制繞組電壓的大小可文獻以調節(jié)BDFM的穩(wěn)定運行范圍和功率因數(shù);[建立了B15]通過頻率折算,DFM的等效電路,
給出了穩(wěn)態(tài)運行時有功功率和轉矩的表達式,F(xiàn)有文獻對BDFM穩(wěn)態(tài)特性的研究主要側重于功率因數(shù)特性等方面,且分析方法十功角特性、
對其他諸如有功、無功調節(jié)特性和V形分復雜,
曲線等方面并沒有進行分析。
為了尋求一種簡捷且對各種穩(wěn)態(tài)特性都能進行在前人研究的基礎上,從籠型轉子分析的普遍方法,
分析并得到BDFM的耦合電路和基本方程式出發(fā),
了B有功功率、無功功率、電磁轉矩和功DFM電流、率因數(shù)的數(shù)學模型,通過仿真研究了控制繞組電壓、頻率和功角對B矩頻特性、功角特DFM矩角特性、無功特性、功率因數(shù)特性和V形曲線等穩(wěn)態(tài)特性、
性的影響;同時還提出了一個簡化的有功功率表達式,進而分析了BDFM的能量轉換關系。
cc。()6
fpc)p(p+p
其DFM定子上有2套彼此獨立的三相繞組, 。
中極對數(shù)為p頻率p的功率繞組直接與電壓為Up、
srp=
為f極對數(shù)為pc的控制繞組由p的工頻電源連接,其電壓Uc和頻率f變頻電源供電,c可調。定子功率繞組和控制繞組在理論上沒有直接的電磁耦合,而是通過轉子的磁場調制作用來實現(xiàn)機電能量的轉
4,7]
。經(jīng)頻率折算后,換[籠型轉子BDFM的穩(wěn)態(tài)耦15]
。合電路如圖1所示[
圖1 BDFM的耦合電路
設功率繞組和控制繞組的電壓、電流均按照電動機慣例進行定義。根據(jù)耦合電路中參考方向的規(guī)定,可得到BDFM的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式
Up=(IIrLp)ωpωpMpjjrrp+p+
1 BDFM的耦合電路及電壓方程式
設功率繞組和控制繞組磁場轉速分別為np和則有nc,
/n0fpp=6pp
,/n60fc=cpc
rUccLI+jωp=ωpMccIjc+rr
ss
,
)
}
()1
rrLII0=jωp+jωpMpωpMcrIjrrc+rp+
srp)
()7
式中fppc、c分別為功率繞組和控制繞組的p、p和f頻率與極對數(shù)。
3-4,7-8,15]
當B轉子轉速為[DFM穩(wěn)定運行時,
式中:控制繞組和轉子電IIIc、r分別為功率繞組、p、流;控制繞rrrLLc、r和Lc、r分別為功率繞組、p、p、組、轉子的電阻和自感;Mpr分別為功率繞組r和Mc
和控制繞組與轉子之間的互感;ωp為功率繞組的角頻率。
(/(。()n02fpr=6c)c)p-fp+p
0、0和f0時,BDFM分別運行 當ffc>c<c=
等:無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和運行特性分析第8期 韓 力,
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2 BDFM穩(wěn)態(tài)特性的數(shù)學模型
2.1 電流計算模型
以令其初相角為0。設Up作為參考向量,Uc
滯后并定義為BDFM的功角。這Up的角度為α,
15]
)將式(分解為實部和虛部,可得[時,7
))),再結合式(和式(可得81115~(
2
/)。()3rIPps17r+Prrcrr=sp(
可見,功率繞組和控制繞組傳遞給轉17) 由式(
有部分轉變?yōu)檗D子銅耗,其余則轉子的有功功率中,
則式(可簡換成機械功率。若忽略轉子電阻,17)化為
/。()Pps18r=-Pcr可見,控制繞組傳遞給轉子的有功功18) 由式(
率,為功率繞組傳遞給轉子的有功功率的s倍。也就是說,控制繞組作為B只需承擔DFM的副繞組,轉差功率。
2.3 電磁轉矩計算模型
設功率繞組和控制繞組產(chǎn)生的電磁轉矩分別為)、),由式(式(和式(可得BTp和Tc,91114)DFM的總電磁轉矩為
rILpIIr-ωi-ωrri-Up=0pppppMprILpIIi+ωr+ωrrr=0pppppMp
rUcc
LIIosα=0cr-ωcci-ωrri-ppMc
ssrUcc()8LIIinα=0,ci+ωccr+ωrrr+ppMcssr
IILIωri+ωrci-rr+ωrri=0pMpppMcp
srp
rr
IILIωrr+ωrcr+ri+ωrrr=0pMpppMcp
srp式中:IIIIIIIIcr、ci、rr、ri分別為Ic、r的實部和r、i、ppp、虛部。
以I聯(lián)立求解IIIIIr、i、cr、ci、rr、ri作為未知量,pp
)、()),和(可得式(568
{,I}=f(Uc,α)fc,
相應的函數(shù)所組成的集合,二者均為廣義變量。)式(描述了B9DFM各電流分量隨Uc、fc和α變化的數(shù)學模型,是一組非線性方程。在BDFM電阻、電感參數(shù)和功率繞組電壓、頻率已知的情況下,只要給定了控制繞組電壓的大小、頻率、相位、相序,就可求出所有的電流分量,進而求出功率、轉矩、功率因數(shù)等。
2.2 功率計算模型
由圖1可知,三相功率繞組的有功功率為
2**[[,UpIIIPp=3RerIReωpMpjrrp]=3pp+3p]
()10
式中:第1項為功率繞組的銅耗,第2項為功率繞組傳遞給轉子的有功功率,記為Ppr。
),結合式(可得9
*[。()IIPpReUc,11ωpMpα)jfrc,r=3rp]=f(
功率繞組的無功功率和傳遞給轉子的無 同理,
()9
crr
+=//ωpccppp**[[3ReMcReIIII±3pjpjrrcrrc]=pMpp]。()Uc,19α)f(fc,
;式中,當B取“超同DFM運行于亞同步狀態(tài)時,+”Tem=Tp+Tc=。取“步狀態(tài)時,-”
由式(可見,19)IIr、p相互作用產(chǎn)生電磁轉矩
{式中:表示由各電流分量組成的集合,I}f表示由
Tp,IITp、Tc共同構r、c相互作用產(chǎn)生電磁轉矩Tc,
成BDFM的電磁轉矩Tem。
設電機負載轉矩為TL,若忽略摩擦轉矩,由穩(wěn)態(tài)轉矩平衡方程為
()Tem-TL=0。202.4 功率繞組電流和功率因數(shù)計算模型
),根據(jù)式(可計算得到功率繞組的電流為9
22
,()IIUc,21α)fi+r=f(c,p=±pp
,。式中,電動狀態(tài)時取“發(fā)電狀態(tài)時取“+”-”
功率繞組的功率因數(shù)為
1-
/]=f(。cosos[tIIUc,α)g(fc,ir)ppφ=c
()22
3 仿真實例及其分析
為了驗證提出的數(shù)學模型,在Matlab平臺上利
用符號計算功能,編制計算程序對一臺4.5kW的籠型轉子BDFM穩(wěn)態(tài)特性進行仿真。仿真中所用,樣機的參數(shù)為:Up=220V,50Hz3,fppc=p=p=1,r.03Ω,Lp=0.3225H,r.06Ω,L c=2c=p=40.4818H,r0.315mΩ,L0.0315mH,Mp r=r=r=1.3589mH,Mc4.6704mH! 。颍
3.1 轉矩特性分析
由式(可知,19)Tem是一個關于Uc、α的函fc、
功功率,控制繞組傳遞給轉子的有功功率和無功功率分別為
*,()Qp=3lm[UpIUc,12α)fc,p]=f(
*,()IIQplm[Uc,13ωpMpα)jfr=3rrc,p]=f(*[,()PcsReIIUc,14ωpMcα)jfr=3rrc]=f(c,*。()IIQcslm[Uc,15ωpMcα)jfr=3rrc]=f(c,
電磁功率Pem為
,Pem=PpUc,α)fr+Pcr=f(c,()16
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重慶大學學報 第36卷
數(shù)。當fTem隨Uc、α變化的矩角特性曲線c一定時,如圖2所示
。
圖3。眨悖剑担埃謺r的矩角特性曲線
可見,當fBDFM穩(wěn)定運行的轉c越接近0時,說明B矩范圍越大,DFM在自然同步速附近運行時具有較好的穩(wěn)定性。
/保持Uc=50V、6不變,Tem隨fα=πc變化的矩頻特性曲線如圖4所示
。
圖2。妫保埃龋鷷r的矩角特性曲線c=±
可見,BDFM與同步電機具有類似的矩角特性。同步電機的穩(wěn)定運行條件為d因此Tem/dα>0,,BDFM的穩(wěn)定性判據(jù)依然為dTem/dα>0。在fc一定的情況下,適當提高BDFM控制繞組電壓的大小,可提高B這與文獻[DFM的穩(wěn)定性,1214]得到-的結論一致。
保持Uc=50V不變,Tem隨fα變化的矩角特c、性曲線如圖3所示
。
圖4 矩頻特性曲線
//可見,當f矩頻503Hz時,fppc=-cpp=-特性曲線出現(xiàn)了一個尖點,BDFM不能穩(wěn)定運行。))這是因為,由式(和式(可知,此時功率繞組和控12制繞組磁場轉向相同,且有n即定子功n||=ncr,p=控制繞組產(chǎn)生的磁場與轉子保持相對靜止,率繞組、
轉子中不感應電動勢,無電流,不能產(chǎn)生電磁轉矩,故不能穩(wěn)定運行,BDFM應盡量避免運行于該點。此外,在Uc、Tem|隨|α一定的情況下,||的減小而fc)當f由式(可知s而由圖1可知增大,0時,5=0,c=耦合電路不適用于s故此時不能直接計=0的情況,
因而對于自然同步速情況需另外進行考慮。算Tem,
3.2 有功功率分析
)、))由式(式(和式(可知,111416PpPcPem都r、r、是關于Uc、當0V不變,α的函數(shù)。保持Uc=5fc、
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