无刷双馈电机直接反馈控制系统分析与设计方法的研究

无刷双馈电机直接反馈控制系统与方法的研究 天津大学 博士学位无刷双馈电机直接反馈控制系统分析与设计方法的研究 姓名:王乐英 申请学位级别:博士 专业:控制科学与工程;控制理论与控制工程 指导教师:夏超英 2011-11 摘要 目前由于传统能源的短缺，人们一方面开发风力发电、水力发电、太阳能发电等来取代原来的以燃烧石油、谍炭、天然气为主的火力发电;另一方面通过开发新能源汽车、采用节能减排篓方式来降低传统能源的消耗。在新能源发电设备中主要采用的是以绕线式双馈,乙机为主的变速恒频发电系统，但因滑环和电刷的存在使得系统的运行和维护成,较高，而在新能源汽车动力耦合装置中，通过对无刷双馈电机的控制可以实现宦:量在内燃机、电池、车辆间的可控流动，以提高系统的效率，节约能源的同时提高驱动性能，因此亟需展开对无刷双馈电机高性能控制系统的研究与开发。结台’这一背景，本论文针对无刷双馈电机的控制系统展开研究，主要包括以下几方,(:: 首先，总结国内外文献，,无刷双馈电机的各种数学模型进行了简要介绍，阐述了无刷双馈电机的标量控?、直接转矩控制和矢量控制，并指出了各自优缺点。 其次，详细分析了级联无届,双馈电机的工作原理，推导了转子坐标系下级联无刷双馈电机的数学模型，针,,级联无刷双馈电机的功率流向进行了详细分析。 在以上工作的基础上，本多,汁对级联无刷双馈电机提出一种新的直接反馈控制方法。该方法结合了直接转矩控制与矢量控制的优点，在控制电机磁场同步坐标系下对电机转矩和磁链进行控制。该方法体现了反馈控制的基本原理，可以实现对磁链和转矩的精确控制，艮,低对电机参数的依赖性，简化了控制过程。级联无刷双馈电机的直接反馈控制,,法不同于已有的直接转矩控制和矢量控制，本文对它们之间的区别进行了详细量析。由于级联无刷双馈电机结构复杂，各环节之间存在交叉耦合，相互影响，,二论文将模糊,,调节器引入级联无刷双馈电机的直接反馈控制系统中。此外，岁,迸一步降低控制器对电机参数的依赖性，利用电流代数模型对磁链进行观测，设计了一种新的采用磁平衡式原理对转子电流进行无刷、无接触式测量的新型无刊双馈电机。 针对本文所提出的级联无翩双馈电机的直接反馈控制在,,,,,,下进行了仿真研究，并将模糊,，调节器，羽普通,，调节器控制效果进行了对比，最后搭建了基于,,,,,,的级联无刷双馈电机实验平台，进行了实验验证。关键词: 无刷双馈电机，直黄反馈控制，模糊,，，转子电流可测式无刷双馈电机，磁平衡 ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,’, ,,,,,,,,(,, ,,, ,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,,,,,,;,,,; ,,,,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,,，;,,, ,,, ,,,,,,,,,,(,, ,,, ,,,,, ,,,,，,,, ,,,,,, ,,,,;,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,, ,, ,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,, ;,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,;,,,, ,, ;,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,, ;,,,,,,, ,,,？,,,;,,,,,, ,,,,,,，,, ,,,; , ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,;, ;,,, ,, ,,,, ,,;,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,(,,, ,,,,,;,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,;,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,;,,, ;,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,, ;,,,,,,,,, ,,,,,，,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,;,,(,,,,,, ,,,,;,,,;, ,, ,,,,,,,,，,,,,,, ,, ,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,;, ,,,,,,,;,,(,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,;, ;,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,,;,,,(,,,, ,,,, ,,;,,,,,,,，,,, ;,,,,,, ,,,,,, ,, 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无刷双馈电机取消了绕线式双馈电机的电刷和滑环，降低了维护费用，延长了使用寿命，提高了可靠性，并且仍然保留了绕线式双馈电机可以降低变频器容量的优点，大大降低了变频器成本。无刷双馈电机既可作电动运行实现变频调速，也可作发电运行实现变速恒频恒压发电，并且可以运行在同步、异步、双馈等不同运行模式下，扩展了应用场合，使其可应用于风机、水泵等大容量交流变频调速系统，也可用于船用轴带发电、水力发电、风力发电等发电系统中，并且经无刷双馈电机发展而来的双转子电机又在混合动力汽车中发挥了作用，因此对这种电机的深入研究是十分必要的。下面从调速和发电两个方面具体说明无刷双馈电机的研究意义。 ,(无刷双馈电机作为电动机应用于变频调速系统时，系统中所需变频器容量较小，控制电压低，功率因数可调，能降低调速系统的成本。 随着电力电子、微电子和计算机技术的高速发展，交流调速技术在工业生产中得到了广泛应用。水泵和风机等负载在发电、钢铁等工业生产领域占有很大比重，交流变频调速节能装置应用于这些领域来替代传统的阀门、挡板来调节流量能获得良好的节能效果。在采用传统笼型感应电机的变频调速系统中，系统所用变频器的容量要大于电机的额定容量以保证整个系统的安全可靠运行，但是变频器的造价一般高出同容量电机的数倍，因此该种调速方式使得整个系统造价较高。特别是在高压大容量变频调速系统中，一般采用高(低(高和高(高两种变频方式。当采用高(低(高变频方式时，首先通过降压变压器把高压变为低压，然后经低压通用变频器变频后再通过升压变压器升压向高压电动机供电。这种方式的优点是采用低压变频器，缺点是中间低压环节电流大、效率低，并且增加了两台同容量的变压器，增大了系统成本，在工业中的应用较少。而高(高变频方式则需高压变频器进行变频，但是高压变频器及其相关装置的造价要比同容量的普通低压变频器高很多，并且拓扑结构复杂、可靠性差。由此可知，高,,氐一高和高(高两种变频调速系统的成本都很高，全容量变频调速系统的发展因此受到很大限制。因此，如何通过降低所需变频器容量从而降低整个系统的成 本成为变频调速节能技术推广的关键所在,,,,〕。 近年来，由转子串电阻调速发展起来的有刷双馈变频调速系统可以通过控制 第一章绪论转差功率实现调速，流经变频器的功率只是由定子绕组提供给整个系统功率的一部分。尤其是对于调速范围在,,,,,,,额定转速之间的水泵和风机负载而言，与全容量笼型感应电机变频调速系统相比，双馈变频调速系统只需要一个较小容量的变频器即可，大大降低了变频器的造价和整个系统的成本。但是，有刷双馈变频调速系统的缺点是调速范围受到一定限制，电刷和滑环的存在不但降低了系统可靠性，提高了维护成本，而且限制了它的应用场合，特别是在易燃、易爆和灰尘多的环境恶劣的场合难以推广应用。 无刷双馈电机作为电动机应用于变频调速系统时，保留了有刷双馈电机所需变频器容量小的优点，从而降低了整个调速系统的成本;无刷化也克服了有刷双馈调速系统存在的缺点，提高了整个系统的可靠性，降低了维护成本，扩展了应用范围;另外，无刷双馈电机应用于高压变频调速系统中时，功率绕组可直接接高压电源供电，控制绕组由普通低压变频器供电，解决了高压调速系统存在的问;除此之外，无刷双馈变频调速系统还具有调速范围广和对供电电网的谐波污染小等优点。 ,(无刷双馈电机作为发电机应用于变速恒压恒频的船用轴带发电、车用轴带发电、水力发电和风力发电系统时，可节约常规能源，降低发电成本并提高系统的安全可靠性【,,,，,,,〕。 由于目前国际上传统能源日渐枯竭，寻找新的可再生能源成为必然的趋势，其中水力发电、风力发电是其中的重中之重。目前变速恒压恒频的水力发电和风力发电系统中的发电机主要采用永磁同步发电机、传统笼型异步发电机和绕线式双馈电机。永磁同步发电机与传统笼型异步发电机均为无刷式结构，运行安全可靠，但是该系统中变速恒压恒频控制是在定子侧实现，发电机发出频率变化的交流电后在经过整流、逆变变换为恒定电网频率的交流电输送到电网，如图,(,所示〔,,，,？，因此所需变频器的容量与发电机的容量相同，此外还需要配备相应的谐波治理和无功补偿装置，增加了整个系统的成本。绕线?剿 〉缁 蚴峭ü 刂谱 拥缌鞯拇笮 ?辔缓推德适迪直渌俸阊购闫捣?纾 淇刂品桨甘窃谧 拥缏肥迪值模 缤迹保 菜 尽荆保埃 保薄浚 鞴 拥缏返慕鑫 罟β剩 嵌ㄗ佣疃üβ实囊徊糠郑 虼怂 璞淦灯魅萘拷闲。 鱿低车某杀窘系汀, 怯捎诘缢?突 返拇嬖冢 低澄 こ杀驹黾印 踩 煽啃圆睢, 匏? 〉缁 魑 ?缁 τ糜诒渌俸闫岛阊狗?缦低呈保 岣吡说缁 诵械陌踩 煽啃裕 ü 鹘诳刂频缁 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,,,,年，,,,,意识到如果将串级电机的两个转子直接相连则可以省去原有的电刷和滑环，但仍然保留串级电机的调速特性。,,,,年到,,,,年，,,,,对此进行了大量的研刭,,,，对串级感应电机的双转子绕组结构进行了改进，提出一种自串级感应电机，即将同轴连接的两台感应电机合二为一，形成了具有不同极对数的两套定子绕组和一套转子绕组的现代无刷双馈电机的基本雏形，并首次将此电机用于采矿业中。后来,,,,,,在此基础上进行了进一步的改进，优化定、转子绕组设计方案，总结定、转子极数配合方法，使之获得了高起动转矩和良好的速度控制性能。但是，由于当时电力电子的发展相对落后，这种新型电机在,,,,,,,,,,,,的推动下取得,定成果后，在随后的二三十年再没有新的发展。 上世纪七十年代，,,,,,,,,对,,,,电机转子做了很大改进【,?，简化了电机转子，首次将绕线转子替换为特殊笼形，使之既有笼形转子的坚固性与可靠性，又能满足无刷双馈电机对转子磁场的要求，并使定、转子绕组极数配合的范围进一步扩大，随后,,,,,,,,又提出用磁阻转子代替特殊笼形转子的结构。,,,,年，,,,,,,,,对该种电机定子绕组接入两种不同频率的交流电运行方式进行了阐述，并对这两种电机的等效电路、稳态性能和磁场饱和等问题进行了研究，为该种电 第一章绪论机的实用化打下了基础【,,，。 上世纪,,年代，美，虱,,,,,,’,’,、,立大学对这种电机进行了系统的深入研究，并正式将其命名为无刷双馈电机(,,,,,,,,, ,,,,,,(,,, ,,;,,,,，,,,,)。他们在,,,,,,,,理论基础上进一步得到了耦合电路动态模型。在实验中他们逐渐发现，单一定子绕组通以两种频率不同的交流电的方式很容易在定子绕组中产生环流，于是设计了两套分离式定子绕组样机。随后，他们还提出了无刷双馈电机的,(？动态模型并在实验中得到验证【,,,。剑桥大学对无刷双馈电机进行了?巢ǚ治觯 ?糜邢拊 椒ㄑ橹ち朔治鼋崃遥玻础俊, 欠?郑 肫胀ǖ母杏κ罅 缁 煌 匏? 〉缁 嵊捎诮换プ 拥缌鞫 蟠蠼档偷缁 剩 绾翁岣叩缁 试虺晌 匏? 〉缁 杓频哪训闼 凇?至此，随着无刷双馈电机结构上的逐渐成熟、电力电子的飞速发展和无刷双馈电机巨大的应用前景，无刷双馈电机的数学模型、控制方法等相关理论相继产生，并成为国内外学者的一个研究热点。,(,(,无刷双馈电机的研究现状 从无刷双馈电机成型以来，其巨大的应用前景和潜在价值使其得到广泛关注。美国、 英国、日本、丹麦、澳大利亚等高校和科研机构相继对其展开研究，得到了从电机结构的优化、参数测量的准确性、数学模型的建立到控制方法的提出等一系列成果，为其工业实用化打下了基础。相对而言，国内的研究起步较晚，从上世纪,,年代才开始，沈阳工业大学、浙江大学、重庆大学、华南理工大学、华中科技大学、湖南大学等高校和一些科研机构先后开展研究。但是目前的研究还只处于实验阶段，尚未应用到实际生产中。 纵观国内外对无刷双馈电机的研究，主要是针对其结构、数学模型和控制策略三方面进行研究，下面从这三方面进行详细介绍。 ,(无刷双馈电机结构 针对无刷双馈电机结构的研究主要分定子结构和转子结构两方面。无刷双馈电机定子结构主要有单套变极绕组结构和两套独立绕组结构两种，如图,(,、图,,,所示。其中单套变极绕组结构通过单绕组的不同抽头连接实现，可以提高电机的槽利用率，有效利用铁芯材料，减小铜耗，但是需兼顾功率绕组和控制绕组性能，绕组设计不灵活，而两套独立绕组结构的绕组设计灵活，方便消除某些谐波的影响，但是降低了槽利用率〔,,，,,〕。 第一章绪论 ,)功率绕组示意图 ,)控制绕组示意图 图,(,双套绕组独立绕制 图,,,双套绕组联合绕制 无刷双馈电机的转子起极数变换器的作用，是无刷双馈电机的关键部分，常用的转子结构为特殊笼形、磁阻式和绕线式三种。,,,,,,’)，，，,立大学以及英国剑桥大学的学者重点研究的是特殊笼形无刷双馈电机，其笼形转子起“极数转换器”的作用，采取同心式短路环结构，如下图,(,所示〔,,，,,】，与普通电机的笼形转子不同。,,,;,,,,,大学的教授则针对磁阻式无刷双馈电机展开研究，其结构如图,(,所示，依靠磁场分布的不对称性来实现两个不同极对数磁场之间的转换,,,，,,〕。绕线式转子既可以通过“齿谐波”原理进行设计，也可以通过“变极”原理进行设计。其中“变极”原理是将定子单绕组变极理论引入到转子绕组的设计中，构成一个多相自闭合多支路回路的对称绕组结构，重复利用转子槽导体，使得对不 , 第一章绪论同极对数既能感应电势产生电流，又能作为对方的激励源，从而强制产生两种不同极对数旋转磁场，设计方法详见文献〔, ,(,,〕。 虱回画匡 ,)具有独立回路 ,,具有公共导条 ;,具有公共导条 的笼型转子 的笼型转子， 的笼型转子，， 图,(,笼形转子结构 ,)凸极式转子 ,)磁障式转子 ;)轴向叠片的各向 异性式磁阻转子 图,,,磁阻式转子结构 为优化无刷双馈电机性能，在以上三种基本结构的基础上又进行了多种改进，并针对无刷双馈电机的不同转子结构进行了对比研究。文献〔,,(,,,分别针对不同笼形转子、不同磁阻式转子以及笼形转子与磁阻式转子对无刷双馈电机磁场调制作用的影响的不同进行了对比研究，结果表明:从磁场调制效果来看，轴向叠片磁阻转子与径向叠片磁阻转子最好，凸极加笼条转子次之，笼型转子和笼条加磁障转子较差;,种笼型转子结构中带公共笼条和带公共笼条公共端环的效果一样，而非公共笼条的效果稍差，笼条加磁障转子的磁场调制效果比笼型转子的运行稳定性更好、带载能力更强;从转矩和转速动态特性来看，带公共笼条与带公共笼条公共端环的效果一样，而非公共笼条则在异步起动时的起动转矩小、起动时间长;此外，笼型转子,,,,和凸极加笼条转子,,,,具有较好的起动特性和异步动态特性，而,,,磁阻转子,,,,则具有优良的同步、超同步和亚同步动态特性。文献〔,,，,,〕贝,,对绕线式转子进行了分析，发现按“齿谐波”原理设计的绕线转子绕组结构简单，但谐波成分较多;而按照“变极”原理设计的绕线转子绕组接线方式灵活，谐波成分 少，但结构复杂。 第一章绪论 虽然目前针对鼠笼式和磁阻式无刷双馈电机的研究很多，但实验发现该两种电机导??/B>利用率低，谐波含量大，无法做到高效，『,,〕显示鼠笼式效率最高到,,,左右，而磁阻式最高也只能到,,,左右。另外，鼠笼式是通过转子电流产生的磁动势对定子功率绕组和控制绕组电流产生的不同极对数的磁动势进行调制，磁阻式则是靠转子的磁导波进行调制，只有和功率电机、控制电机极对数同次的谐波磁动势或磁导波才能起作用，这也决定了鼠笼式和磁阻式无刷双馈电机难以做到高效。而绕线式无刷双馈电机的转子绕组接线方式灵活，可人工控制绕组分布系数，导体利用率高，谐波含量低，可以高效运行。文献〔,,】【,,】对鼠笼式和绕线式转子谐波进行了对比，绕线式转子谐波明显降低。文献〔,,〕〔,,】给出了效率曲线，绕线式无刷双馈电机效率可达到,,,左右。因绕线式无刷双馈电机的高效性，设计上的灵活性，本文则是针对绕线式级联无刷双馈电机进行研究，并在其基础上设计了一款转子电流可测的新型无刷双馈电机。 ,(无刷双馈电机的数学模型 在人们针对无刷双馈电机的结构进行优化设计的同时，为研究无刷双馈电机的控制性能先后提出了多种数学模型。〔,,〕给出了无刷双馈电机的网路数学模型，该模型是在三相静止坐标系下得到的，不便于进行控制策略的研究;,,,,,;,课题组提出了基于转子两相旋转坐标系的数学模型,引，随后在〔,,〕中利用该模型进行了仿真验证;周东升课题组则在此基础上将无刷双馈电机分为功率子系统和控制子系统，将两个子系统分别转换到各自同步坐标系下，得到无刷双馈电机的双同步速两相旋转坐标系数学模型【,,】【,,】;〔,,〕〔,,】中则提出了一种统一同步速两相旋转坐标系数学模型，从而使无刷双馈电机的数学模型更接近于普通异步电机，便于进行控制;〔,,〕〔,,〕贝,,对电机的谐波进行了分析得到其更精确的谐波数学模型，但也更为复杂;〔,,】中给出了一种混合坐标系数学模型，即定子功率绕组与转子绕组采用静止两相坐标系，定子控制绕组则采用三相静止坐标系描述的数学模型，该模型为变频器(无刷双馈电机调速系统的研究带来了方便。 ,(无刷双馈电机的控制方法 近几年，研究的热点则转向了无刷双馈电机的控制策略，期望得到较好的控制效果以便在某些应用场合取代绕线式双馈电机。,,,,运行在开环控制时，动态过程中各变量的波动大，调节时间长，抗干扰能力低，效果不理想，因此对,,,,的控制应达到提高稳定性，改善动态响应能力的目的。目前针对无刷双馈电机提出的控制策略有:标量控制、直接转矩控制、矢量控制以及在二者基础上发展的智能控制【,,,,,等。 标量控制只改变控制量的幅值和频率，而不改变其相位。〔,,〕中研究了无刷义义馈电机的开环标量电压控制，即由给定转速计算控制侧定子绕组电压的频率， 第一幸绪论在保持恒压频比控制的基础上得到控制.