無刷雙饋電機的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真

2012-10-31 06:53:34宋穎慧李玉忍牟海濤張智慧

微特電機 2012年10期

宋穎慧，李玉忍，牟海濤，張智慧

(西北工業(yè)大學，陜西西安 710129)

0 引言

交流傳動的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)響應滿足“穩(wěn)、準、快”要求，且具有調(diào)速范圍較寬等良好的特性。電子技術和控制技術等相關學科的快速發(fā)展，以及矢量控制和DTC的相繼提出及進一步研究完善，使得交流傳動技術已逐漸取代了直流傳動的主導地位。它具有抗干擾能力強、效率高等優(yōu)點，且可實現(xiàn)同步、異步、發(fā)電運行和雙饋運行等多種運行方式。在大功率的變頻調(diào)速和變速恒頻控制中有著廣闊前景［2］。

1 BDFM的結(jié)構原理

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)也是感應電機的一種，與普通感應電機有相似的基本結(jié)構，但又區(qū)別于普通感應電機，如圖1所示，它的定子有兩套繞組:功率繞組和與控制繞組。定子兩套繞組產(chǎn)生的磁場接近正弦波，并消除其余諧波。借助轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構，根據(jù)“極調(diào)制”原理，實現(xiàn)磁場耦合完成能量的傳遞［1］。

圖1 BDFM原理圖

2 BDFM的DTC原理與結(jié)構

2.1 BDFM的DTC原理

可將運行的BDFM看作一臺磁極為2(pp+pc)的感應電機，功率側(cè)繞組可看作感應電機的定子繞組，控制側(cè)繞組可相應看作轉(zhuǎn)子繞組。故其電磁轉(zhuǎn)矩公式表示如下:

式中:ψsp為功率側(cè)繞組的磁鏈;ψsc為控制側(cè)繞組的磁鏈;δ是ψsp和ψsc之間的夾角。其中功率繞組磁鏈可由下式得到:

功率側(cè)繞組的電壓損耗相對于功率側(cè)繞組電壓很小，故功率側(cè)繞組磁鏈ψsp基本不變。由式(1)可知，若保持ψsc不變，可通過控制ψsc的旋轉(zhuǎn)速度來控制磁通角δ的大小，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。故可依靠控制電壓矢量usc來控制ψsc的旋轉(zhuǎn)速度，如圖2所示［6］。

圖2 磁鏈矢量與控制繞組電壓矢量的關系

2.2 BDFM DTC系統(tǒng)的結(jié)構

BDFM DTC系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 DTC系統(tǒng)原理框圖

控制過程如下，根據(jù)式(1)、式(2)計算出磁鏈及轉(zhuǎn)矩，兩者經(jīng)過調(diào)節(jié)器得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差，與此同時判定磁鏈所在的扇區(qū)，根據(jù)三個變量值在預先設置好的開關狀態(tài)表中選擇相應的電壓空間矢量控制逆變器開關，從而控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)DTC［3］。具體參見文獻［3］。

3 建立BDFM的數(shù)學模型

BDFM的電磁關系比普通的感應電機復雜，目前國內(nèi)外將BDFM的數(shù)學模型分為以下三類:網(wǎng)絡數(shù)學模型、電機d－q軸數(shù)學模型、同步坐標數(shù)學模型［1］。其中電機d－q模型是在網(wǎng)絡數(shù)學模型的基礎上發(fā)展起來的，它的直觀方便性更適合于控制系統(tǒng)仿真研究。本文將就d－q軸模型進行研究討論。

3.1 BDFM基本方程

根據(jù)霍爾夫定律，以雙饋電機的定子功率側(cè)繞組、控制側(cè)繞組及轉(zhuǎn)子繞組各回路電壓、電流為變量，可以得到其電壓、電流關系矩陣方程［4］:

式中:U為相電壓矩陣;I為相電流矩陣;L為自感和互感矩陣;R為相電阻矩陣;p表示微分算子。下標p代表功率側(cè)繞組、下標c代表控制側(cè)繞組、下標s代表定子側(cè)、下標r代表轉(zhuǎn)子繞組［3］。

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

3.2 BDFM的d－q軸數(shù)學模型

通過轉(zhuǎn)換矩陣變換可以得到d－q軸數(shù)學模型矩陣［1］:

對式(4)進行變換，得:

其機械運動方程為:

式中:J為機械慣量;Kd為轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù);T為轉(zhuǎn)矩;ω為角速度;下標e表示電磁、下標l表示負載、下標 r表示轉(zhuǎn)子［5］。

4 BDFM DTC仿真及結(jié)果分析

本文仿真所用電機參數(shù):額定功率PN=5000 W，額定電壓UN=380 V，額定頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速 nN=100 rad/s，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.1 kg·m2，額定轉(zhuǎn)矩TN=50 N·m，電機極對數(shù)p=3，定子電阻r1=0.95 Ω，定子電感L1=94 mH，轉(zhuǎn)子等效電阻r2=1.8 Ω，轉(zhuǎn)子等效電感 L2=88 mH，勵磁電感 Lm=82 mH。仿真模型總體圖如圖4所示。