無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)特性控制技術(shù)研究

郝 鵬，王 正

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無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)特性控制技術(shù)研究

郝 鵬，王 正

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的研究成果中定性分析多，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少，而功率因數(shù)低是一直制約其工業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)磁場(chǎng)定向矢量控制原理，建立控制繞組電流與功率繞組有功分量與無(wú)功分量的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出功率因數(shù)與控制繞組電流和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系式并對(duì)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制技術(shù)進(jìn)行理論分析，同時(shí)研制了30kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，所提出的無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制技術(shù)是可行的，由此可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)；功率因數(shù)特性；矢量控制；有功功率；無(wú)功功率

0 前言

無(wú)刷雙饋電機(jī)(brushless doubly-fed machine，BDFM)是一種新型交流電機(jī)，電機(jī)定子上嵌有兩套繞組，分別是功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為磁阻型、籠型、繞線型和混合型，因此電機(jī)的特性也不相同。本文BDFM采用磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。BDFM 既可作為變速恒頻發(fā)電機(jī)，也可作為變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率繞組直接接工頻電源，控制繞組接逆變器，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率、幅值和相位，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于：取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)所要求的變頻裝置容量較小，僅為轉(zhuǎn)差功率，大大降低了系統(tǒng)的成本。因此無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于大功率的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的節(jié)能變頻調(diào)速中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1, 2-4]。文基于BDFM功率因數(shù)低的問(wèn)題，采用矢量控制策略，功率繞組電流全部提供轉(zhuǎn)矩電流，控制繞組電流提供勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)功率繞組功率因數(shù)校正目的。

1 無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)工作原理

BDFM可運(yùn)行在三種不同狀態(tài)：（1）異步運(yùn)行狀態(tài)，功率繞組接入電網(wǎng)電源，控制繞組串接啟動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)異步運(yùn)行；（2）同步運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，控制繞組通入直流電流進(jìn)行勵(lì)磁，改變勵(lì)磁電流大小，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率因數(shù)調(diào)節(jié)；（3）雙饋運(yùn)行狀態(tài)，控制繞組由變頻裝置供電，通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組電流幅值、頻率和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,同時(shí)可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)[4]。BDFM結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組接工頻電源（p），控制繞組接變頻電源（c），由于定子兩套繞組同時(shí)有電流流過(guò)，因此在氣隙中產(chǎn)生兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)子的調(diào)制發(fā)生交叉耦合，從而實(shí)現(xiàn)能量傳遞。經(jīng)分析，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表達(dá)式為[5]：

2 無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

在轉(zhuǎn)子速dq坐標(biāo)下，BDFM的電壓、磁鏈、功率方程分別為[6-7]：

（1）電壓方程

（2）磁鏈方程

（3）轉(zhuǎn)矩方程

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

（4）功率方程

（5）功率因數(shù)方程

功率繞組的功率因數(shù)為[9]：

3 無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)矢量控制策略

3.1 矢量原理圖

由上述矢量原理圖可得：

由式上式可得：

由此可計(jì)算出控制繞組電流幅值與相位。

3.2 控制原理圖

圖3 無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述控制策略的正確性，根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用 Matlab / Simulink 搭建了無(wú)刷雙饋電機(jī)的仿真模型[10-12]，電機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 BDFM 參數(shù)表

BDFM由異步起動(dòng)，遷入同步運(yùn)行，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)切入超同步運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖4所示。電動(dòng)機(jī)在0.8s時(shí)負(fù)載由20N增加至40N，電磁轉(zhuǎn)矩如圖5所示，經(jīng)過(guò)微小的震蕩后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。此時(shí)測(cè)得控制繞組電流變化波形如圖6所示，功率繞組電流變化波形如圖7所示，由圖可以看出，隨負(fù)載增加時(shí)控制繞組和功率繞組電流都變大，并且功率繞組電流跟隨性能更好，也即功率繞組提供更大的轉(zhuǎn)矩，控制繞組提供部分轉(zhuǎn)矩，與理論分析相一致。

圖4 轉(zhuǎn)速曲線

圖5 負(fù)載變化曲線

圖6 控制繞組A相電流曲線

圖7 功率繞組A相電流曲線

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)額定功率為30kW，功率繞組極對(duì)數(shù)為3，控制繞組極對(duì)數(shù)為1，同步轉(zhuǎn)速為750r/min，負(fù)載由電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與交流智能假負(fù)載（電阻性負(fù)載）組成，實(shí)物圖如圖8所示。實(shí)驗(yàn)在1000r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行加載，如圖9所示，得出不同負(fù)載與控制繞組電流(a)、功率繞組電流(b)、功率繞組功率因數(shù)的曲線(c)，控制繞組電流與功率繞組功率因數(shù)曲線(d)。同理，在轉(zhuǎn)速為1200r/min下，如圖10所示，得出不同負(fù)載與控制繞組電流(a)、功率繞組電流(b)、功率繞組功率因數(shù)的曲線(c)，控制繞組電流與功率繞組功率因數(shù)曲線(d)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在不同轉(zhuǎn)速下，無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)功率繞組和控制繞組的電流隨負(fù)載增加而隨之增大趨勢(shì)，最后隨著控制繞組電流的增大，功率繞組功率因數(shù)在增加，與理論分析一致，從而驗(yàn)證了控制策略的可行性。

6 結(jié)論

本文在無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)矢量控制原理，建立了功率繞組有功功率和無(wú)功功率與控制繞組電流之間的關(guān)系，并對(duì)功率繞組功率因數(shù)特性進(jìn)行了深入分析，提出了一種新的無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)雙饋穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)功率繞組功率因數(shù)校正的目的。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。本文的控制方法為無(wú)刷雙饋電機(jī)的變頻調(diào)速提供了一條新的思路。

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Research on Power Factor Control of Brushless Doubly-fed Motors

HAO Peng, WANG Zheng

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

At present, there are many qualitative researches on the power factor of brushless doubly-fed motors in China. But there are few experimental data, and low power factor is a key issue that has always restricted its industrialization.Based on the mathematical model of brushless doubly-fed motor, this paper establishes the relationship between the control winding current and the active component and reactive component of the power winding according to the principle of field-oriented vector control, and then derives the relationship between the power factor and the control winding current and motor parameters, as well as power factor control features. The theoretical analysis of the power factor control technology of the brushless doubly-fed motor was carried out, and a 30 kW prototype for experimental research was developed. Theoretical analysis and experiments show that the proposed brushless doubly-fed motor power factor control technology is feasible, thereby improving the system operating efficiency and stability.

brushless doubly-fed motor; power factor characteristics; vector control; active power; reactive power

TM301.2

A

1000-3983(2018)05-0042-06

2018-06-12

郝鵬（1988-），沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向電力電子與電力傳動(dòng)。