無刷雙饋電機(jī)控制與應(yīng)用前景

1、 無刷雙饋電機(jī)控制與應(yīng)用前景 【摘 要】：無刷雙饋電機(jī)（BDFM）是一種新型交流電機(jī)，它兼有異步電機(jī)和同步電機(jī)的共同 優(yōu)點(diǎn)，去掉了轉(zhuǎn)子側(cè)電刷，提高了機(jī)械穩(wěn)定性，降低了維修成本。 本文詳細(xì)綜述了無刷雙饋 電機(jī)的發(fā)展歷史、運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型、控制策略，簡(jiǎn)單介紹了無刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用，并對(duì) 其發(fā)展前景作了展望。 1引言 近年來，變頻調(diào)速交流電機(jī)在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 目前，交流調(diào)速中使用較 多的是鼠籠式感應(yīng)電機(jī)、 繞線式感應(yīng)電機(jī)、雙饋電機(jī)等，但這些電機(jī)都有各自的缺點(diǎn)和局限 性。容量的不斷擴(kuò)大使得鼠籠式電機(jī)的變頻容量不斷上升， 增加了變頻器的成本。電刷結(jié)構(gòu) 運(yùn)行不夠安全，需要定期維護(hù)。無刷雙饋電

2、機(jī)的產(chǎn)生解決了這些問題。 無刷雙饋電機(jī)（Brushless Doubly-fed Machine ，簡(jiǎn)稱 BDFM）定子繞組由兩套三相對(duì) 稱繞組組成的，一套為功率繞組，一套為控制繞組。它兼有異步電機(jī)和同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn) ， 具有轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)可調(diào)、 變頻器容量小等特點(diǎn)。 無刷雙饋電機(jī)去掉了轉(zhuǎn)子側(cè)電刷， 提高了 機(jī)械的穩(wěn)定性，降低了維修成本。 無刷雙饋電機(jī)是在串極感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來， 1893年美國(guó)的Steinmetz和德國(guó)的 Gorges發(fā)現(xiàn)將兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)同軸串級(jí)連接可以獲得的一種新的運(yùn)行方式。采用這 種方法可以獲得低速運(yùn)行， 并可以在一定范圍內(nèi)調(diào)速。 隨后Hunt提出了 Hun

3、t電機(jī)。這種電 機(jī)具有一套轉(zhuǎn)子繞組和一套具有不同極數(shù)的定子繞組， 并且具有一個(gè)共同的磁路。它可以在 電阻控制的方式下獲得高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和速度控制， 從而實(shí)現(xiàn)無刷化。到19世紀(jì)70年代，Broadway 等對(duì)Hunt電機(jī)進(jìn)行了較大改進(jìn)，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子繞組，使定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)配合的范圍進(jìn) 大，極大地推進(jìn)了無刷異步電機(jī)理論的發(fā)展。后來 組中，從而使定子繞組對(duì)稱化， 簡(jiǎn)化了定子繞組， 連接來得到，自此，無刷電機(jī)開始進(jìn)入實(shí)用化階段 目前，無刷雙饋電機(jī)的研究形成了兩大學(xué)派： 機(jī)。其轉(zhuǎn)子是普通的籠形結(jié)構(gòu)，稱為無刷雙饋感應(yīng)電機(jī)（ Brushless Doubly-Fed Induction Machines，簡(jiǎn)稱BDF

4、IM,又稱籠型無刷雙饋電機(jī)。另一個(gè)重點(diǎn)研究磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。這種無 刷雙饋電機(jī)稱為無刷雙饋磁阻電機(jī)（ Brushless Doubly-Fed Reluctance Machines ,簡(jiǎn)稱 BDFRM 2。這兩大學(xué)派形成了兩套各具特色的分析研究體系。國(guó)外對(duì)無刷雙饋系統(tǒng)的研究 已從對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)發(fā)展為建立準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型， 尋找適合無刷雙饋電機(jī)的控制策 略，促進(jìn)其進(jìn)入實(shí)用化階段。國(guó)內(nèi)也從20世紀(jì)90年代開始對(duì)其進(jìn)行研究，但是大部分只對(duì)這 種電機(jī)的原理和性能做簡(jiǎn)單介紹。 目前，國(guó)內(nèi)無刷雙饋電機(jī)這類綜述文章很多， 但大都不夠 全面。 步擴(kuò) Broadway將相調(diào)制理論應(yīng)用到極變換繞 使之可以通過

5、對(duì)普通雙層繞組經(jīng)過適當(dāng)?shù)?O 一個(gè)重點(diǎn)研究籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電 2無刷雙饋電機(jī)原理 無刷雙饋電機(jī)示意圖如圖1所示。定子功率繞組極對(duì)數(shù)為 pp,在同步運(yùn)行時(shí)直接接電網(wǎng); 定子控制繞組極對(duì)數(shù)為 pc,同步運(yùn)行時(shí)輸入變頻電源。 轉(zhuǎn)子采用類鼠籠式的自行閉合環(huán)路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為 Pr=Pp + Pc。 當(dāng)功率繞組接入電網(wǎng)（頻率為飛fp）、控制繞組接入變頻電源后（頻率為fe, 一般情況下fp乒fp）, 由于兩套定子繞組同時(shí)有電流流過， 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) 通過轉(zhuǎn)子的調(diào)制發(fā)生交叉耦合，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)能量傳遞轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，即“極調(diào)制”機(jī)理。 圖1無刷雙饋電機(jī)示意圖 當(dāng)功率繞組電

6、源正相序聯(lián)接， 控制繞組通過變頻器反相序聯(lián)接時(shí)， 它們產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向 相反，同步轉(zhuǎn)速分別見圖2,其中npi、nci分別為功率繞組及控制繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速， nr為轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)速度，npr、ncr為兩個(gè)定子磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 3。 圖2電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)相互作用關(guān)系 由電機(jī)原理，易知： 6Qf 打灰二飛 （1） 則功率繞組在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流頻率 f rp為： 當(dāng)電機(jī)定子控制繞組接入頻率為的變頻電源，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流頻率 f rc為: (% +弓)月 60 由于轉(zhuǎn)子特殊的同心式結(jié)構(gòu)是一個(gè)極數(shù)轉(zhuǎn)換器， 當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， 轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電 流頻率f rp、frc相等，所以，

7、轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速 nr為： 3) 6。（兀 S 馬+與(4) 由上式可看出，當(dāng)Pp、Pc、fp一定時(shí)，改變控制繞組頻率 fc可使電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之改變，當(dāng) fc = 0時(shí)的無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速，低于自然同步速的轉(zhuǎn)速稱為亞同步調(diào)速，反 之稱為超同步調(diào)速4。 無刷雙饋電機(jī)可實(shí)現(xiàn)同步、異步運(yùn)行。同步運(yùn)行為雙饋運(yùn)行， 具有自啟動(dòng)能力，是目前 運(yùn)行較多的方式。 BDFM異步運(yùn)行時(shí)，一套端點(diǎn)連到工頻電源上，另一套端點(diǎn)通過滑動(dòng)變阻器短接，調(diào)節(jié) 電阻的大小就可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。 同步運(yùn)行時(shí)，功率繞組接電網(wǎng)， 控制繞組由變頻電源供電， 通過改變功率繞組和控制繞 組的供電相序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的超同步和亞

8、同步調(diào)速，同步運(yùn)行如圖 1所示。通過改變副繞組供 電頻率fc以及主副繞組的相序，可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于或者低于同步速。 3無刷雙饋異電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 BDFM勺數(shù)學(xué)模型大致分為網(wǎng)絡(luò)模型、 dq數(shù)學(xué)模型、雙同步軸模型 3類5。 3.1網(wǎng)絡(luò)模型 由于BDFM勺定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)有所不同，因此其參數(shù)計(jì)算與傳統(tǒng)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算 有一定區(qū)別。定轉(zhuǎn)子繞組的自感、 互感可以采用文獻(xiàn)6中所介紹的網(wǎng)路分析法來加以計(jì)算。 而定轉(zhuǎn)子繞組的電阻、漏感可以采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法。這樣就可獲得定子阻抗矩陣 Zss、轉(zhuǎn) 子阻抗矩陣Zrr以及定轉(zhuǎn)子互感抗矩陣 Zrs、Zsr。這些矩陣都是經(jīng)過一個(gè)個(gè)線圈分別計(jì)算，然 后疊加得到的。 經(jīng)轉(zhuǎn)

9、換，電機(jī)方程可表示為： 其中: Z Z Z rs =Z；s C (6) 電磁轉(zhuǎn)矩為: (7) 式（5）、（7）構(gòu)成了 BDFM勺網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，在19世紀(jì)末應(yīng)用較多，后逐漸被 dq數(shù)學(xué)模 型取代。 3.2轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)模型 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)dq數(shù)學(xué)模型是在網(wǎng)路模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它進(jìn)一步簡(jiǎn)化了網(wǎng)路數(shù)學(xué)模 型，有利于控制方法的實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用最為廣泛。 采用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系時(shí)，電機(jī)可表示為以下形式：=cJZssO =CJZsr dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型7 式中：rp、Lsp、M分別為功率繞組的電阻、自感和功率繞組與轉(zhuǎn)子間互感， rc、Lsc、M 分別為控制繞組的電阻、自感和控制繞組與轉(zhuǎn)子間互感， rr、

10、Lr、3 r為轉(zhuǎn)子的電阻、自感和 機(jī)械角速度，u與i表示電壓電流的瞬態(tài)值， p為對(duì)時(shí)間積分，下標(biāo) p表示功率繞組，下標(biāo) c表示控制繞組，下標(biāo) s表示定子側(cè)，下標(biāo) r表示轉(zhuǎn)子側(cè)。 因?yàn)锽DFM專子采用自行閉合的環(huán)路結(jié)構(gòu)， 因此轉(zhuǎn)子d軸q軸電壓Udr、Uqr均為零，從而 可進(jìn)一步簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。 電磁轉(zhuǎn)矩方程（7）經(jīng)正交變換得： Te=Tep+Tec=PpM （IqpIdr-I qpIqr） +PcM （ I qpl dr + I qpl qr ） （10） 式（9）、（10）構(gòu)成了 BDFM勺dq數(shù)學(xué)模型。 3.3雙同步坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型 雙同步坐標(biāo)模型適合于通過控制繞組電流、 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的控制策略。當(dāng)

11、兩套繞組具有合 適的極對(duì)數(shù)配合時(shí)， BDFM可分解為兩個(gè)子系統(tǒng)，即功率繞組子系統(tǒng)和控制繞組子系統(tǒng)，兩 個(gè)子系統(tǒng)分別建立以各自定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的 dq坐標(biāo)時(shí)，則各子系統(tǒng)中的電壓、電流 及磁鏈的空間向量轉(zhuǎn)換為直流量，解決了交流量不易控制的難題。 將式（9）經(jīng)變換得： 用上標(biāo)ce表示控制繞組同步坐標(biāo)系， pe表示功率繞組坐標(biāo)系，r代表轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。 則: 在同步坐標(biāo)系下，方程（11）變?yōu)?8) (9) 式（12）、（13）分別為功率繞組坐標(biāo)系和控制繞組同步坐標(biāo)系下的電機(jī)模型。 轉(zhuǎn)矩方程為： /普&魔 g （g +篇E ）嶇+久） 煩虻（嘻律+嘻羅）。誠(chéng) +義）+甲忑黑-嗥螺）（14） -弓

12、李臨$海何/田）+瞄彳時(shí)+電） 式（12）、（13）、（14）共同組成了 BDFM勺雙同步坐標(biāo)模型。 4無刷雙饋電機(jī)的控制策略 幾乎所有可用于異步感應(yīng)電機(jī)的控制策略都可以用 BDFM勺控制中。但是由于BDFMR有 一套繞組可控，而一套繞組是不可控的， 所以其控制策略與傳統(tǒng)異步電機(jī)的控制策略有些差 異四。 4.1標(biāo)量控制 BDF哧量控制為閉環(huán)控制，控制 BDFM勺電壓的幅值和頻率的大小，采用穩(wěn)態(tài)等效電路 和電壓方程，對(duì)控制處理器的要求不高，較為簡(jiǎn)單，但是其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較低。圖 3為文獻(xiàn) 9所述標(biāo)量控制的框圖，通過檢測(cè)速度測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)產(chǎn)生偏差以調(diào)節(jié)控制繞組頻率 實(shí)現(xiàn)速度控制，通過檢測(cè)功率因數(shù)

13、測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)產(chǎn)生偏差以調(diào)節(jié)控制繞組勵(lì)磁電流或 電壓實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制。 圖3 BDFM標(biāo)量控制框圖 4.2矢量控制 矢量控制是通過測(cè)量和控制電機(jī)電流矢量， 根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流和 轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。這種控制需要建立 BDFMZ同步 坐標(biāo)軸系數(shù)學(xué)模型 4.2.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制 通過功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)建立起轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制算法，以實(shí)現(xiàn) BDFM專子 磁場(chǎng)定向矢量控制。文獻(xiàn)10所述轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制框圖如圖 4所示，該控制算法需要測(cè)量 功率繞組端和轉(zhuǎn)子角速度等數(shù)據(jù)。 其動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，從控制效果及實(shí)現(xiàn)難易考慮， 選擇此種 控制方式對(duì)BDF

14、M勺傳動(dòng)控制較為合適。 二 V TH 為親竟帙整 圖4 BDFM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制框圖 4.2.2功率繞組磁場(chǎng)定向控制 因?yàn)橛葿DF帙量模型獲得的穩(wěn)態(tài)功率電流 d、q軸分量與控制電流d,q軸分量線性相關(guān)。 而電磁轉(zhuǎn)矩主要由功率電流的絕對(duì)值及其 d軸分量產(chǎn)生，因此需要確定功率繞組磁場(chǎng)位置， 以使用功率繞組磁場(chǎng)定向的參考系。該控制策略簡(jiǎn)單方便，可以獲得較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能， 功率繞組電流和有功功率可以調(diào)節(jié)。文獻(xiàn) 11所述BDFM功率繞組磁場(chǎng)定向控制框圖如圖 所示。這種控制策略主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中。 圖5 BDFM功率繞組磁場(chǎng)定向矢量控制框圖 4.3直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是借助三相定子電壓和電流

15、來計(jì)算磁鏈和轉(zhuǎn)矩， 并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接 跟蹤實(shí)現(xiàn)PW品制。將電機(jī)參數(shù)、輸入量以及輸出量轉(zhuǎn)變成控制繞組電壓、 電流表示的函數(shù)。 通過估算磁通和轉(zhuǎn)矩的變化，得到控制繞組的給定電壓、電流并與檢測(cè)量比較以改變控制繞 組電壓、電流。文獻(xiàn)12所述直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖 6所示。直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制 中的復(fù)雜的坐標(biāo)變換， 使控制簡(jiǎn)單化，性能較為優(yōu)越。但計(jì)算量較大，需要采用高速處理器, 成本較高。 T祐電通 I Li 圖6 BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制框圖 4.4智能控制 隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能控制在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。 主要有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)控制、滑模控制、自適應(yīng)控制等 13。 在對(duì)BDFMft類

16、數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)， 使用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、 滑?？刂?、自適應(yīng)控制等智能控制方法，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，提高 系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)時(shí)控制效果好。但是，智能控制策略還有許多理論和技術(shù)問題尚待解決， 如智能控制器主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)性能缺少客觀的理論預(yù)見性。另外，到目前為止， 僅僅依靠智能控制還很難理想地解決上面提到的問題， 很多情況下它是和其他控制方法結(jié)合 在一起使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成交叉綜合的控制技術(shù)。 5無刷雙饋電機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) BDFM是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固可靠的電機(jī)。它具有異、同步通用的特點(diǎn)，可以在沒有電 刷的情況下實(shí)現(xiàn)雙反饋， 從而具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、

17、功率因數(shù)可調(diào)、效率高的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槠涔β世@ 組頻率、控制繞組頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率之間相互依賴。 在發(fā)電情況下，如果將轉(zhuǎn)差頻率的電 流或電壓加到控制繞組中，就可以實(shí)現(xiàn)功率繞組的恒頻輸出。所以 BDFM可應(yīng)用于轉(zhuǎn)子速度 經(jīng)常變化的系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等，十分有效。 如果變頻器用于BDFM數(shù)較少的定子繞組，可以大大降低變頻器的容量。對(duì)于那些中 高壓的場(chǎng)合，采用 BDFMR*使開關(guān)頻率大大提高，系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。而且在變頻器出現(xiàn)故 障的情況下，BDFM可以作為普通異步電機(jī)運(yùn)行，這對(duì)于那些絕對(duì)不允許停機(jī)的場(chǎng)合十分重 要。由此看來，BDFM務(wù)在一定程度上取代傳統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)用于中高壓傳動(dòng)領(lǐng)域。 BDFM作為

18、一種新型電機(jī)，由于它可以在無刷的情況下實(shí)現(xiàn)雙饋，速度及功率因數(shù)均可 調(diào)節(jié)，既可同步運(yùn)行又可異步運(yùn)行， 且變流裝置只需處理滑差功率， 裝置容量比電機(jī)容量小 得多，減小了對(duì)電網(wǎng)的污染， 因此它必將在不久的將來， 在中大容量調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā) 電系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用，對(duì)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益有著重大的意義。 作者簡(jiǎn)介 陳媛(1990-)女 碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)一雙饋電機(jī)控制。 參考文獻(xiàn) 1 席偉，韓力，高強(qiáng)等.無刷雙饋電機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 J.微電機(jī)，2010 , 43(9): 80-84. 2 彭軍林.無刷雙饋電機(jī)及控制研究 D.武漢：華中科技大學(xué)，2006. 3 鄧先明

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