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无刷双馈电动机的双馈运行特性实验研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:689


摘要:在利用Simulink的S-function函数所构成的无刷双馈电动机模型的基础上,研究了无刷双馈电动机(BDFM)在双馈运行状态下的几种调速特性,并通过实验加以验证,为今后进一步研究:BDFM控制策略奠定一定理论基础。

0引  言

 无刷双馈电机(Brushless Doubly—fed Machine,简称BDFM)是在21世纪初由Hunt提出的自级联感应电机的基础上发展起来的。它是一种结构简单、坚固可靠的新型电机,可以实现异步、同步、双馈等多种运行方式。它既可以作为电动机运行于交流调速传动系统,也可以作为发电机运行于变速恒频恒压发电系统;具有变频器(励磁装置)容量小、独立调节有功功率和无功功率、功率因数可控制,实现4象限无级调速,无刷化运行等特点,在风机和泵类机械的节能调速系统及变速恒频的水利和风力发电系统中具有广阔的应用前景。

1原理及仿真模型

   BDFM的基本结构是一个定子、一个转子和一套公共磁路;定子上装有两套对称3相绕组,一套为2p极的主绕组,直接接到工频电源上,另一套为2q极的副绕组,通过变频器接至工频电源。两套绕组之问的耦合是通过特殊设计的转子来实现的,通过改变变频器的输出频率可以调节转速,实现无级调速。调速范围与极对数和两套绕组电源的输出频率有关。BDFM原理如图1所示。

    图l无刷双馈电机原理图

   当副绕组短路,即副绕组施加的电压为0 V时,电机能够异步起动并运行于异步状态,相当于1台2(Pp+Pc)极的绕线转子感应电机。当副绕组由直流电源馈电(如两并一串),即电源频率fc=O Hz,电机将工作于同步运行状态,称为自然同步转速,转速定义为60fp/(Pp+Pc)。当副绕组由变频电源供给频率可调的电源时,电机处于双馈运行状态。这时BDFM的稳定转速表达式为  (1)式中,fp、Pp分别为主绕组的频率和极对数;fc、Pc分别为副绕组的频率和极对数。取正号表示主绕组与副绕组电流相序相同,电机运行于超同步电动状态。这时的电机转速称为超自然同步转速;

取负号表示主绕组与副绕组电流相序相反,电机处于亚同步电动状态,这时的电机转速称为亚自然同步转速。

   从式(1)可知,只要改变变频器(即副绕组)输出频率,就可以调节电机的转速。

   在基于Simulink的S-Function函数构成的BD-FM d—q轴数学模型基础上,进行双馈运行的仿真模型如图2所示。

    图2无刷双馈电机的双馈运行仿真框图

2运行特性研究

   采用图2所示的BDFM双馈运行仿真模型,在主绕组施加工频电源、副绕组分别施加不同频率的三相电源,在电机运行于双馈状态下,详细研究BDFM在超同步和亚同步状态下几种调速特性。仿真所用BDFM的主绕组功率为1 5 kW,副绕组功率为0.55 kW,绕组接法3Y/3Y,极数为6/2,6极为主绕组,2极为副绕组。电机参数为Rp=

0.81 Ω,Lsp=80 mH,Lpr=0 89 mH,Rc=0.81 Ω,Lsc=630 mH,Lc=4.3 mH,Rr=1.57 m Ω,Lr=0.04 mH,J=0.02 kg·㎡

2.1恒转矩特性

   在恒转矩条件下(所施加负载转矩为5 N。m),无刷双馈电机双馈运行仿真结果如图3所示。图3(a)表示亚同步时电机的主、副绕组电流和转速变化情况,副绕组施加的电源频率为1 Hz,幅值为5 V,稳态转速为735 r/rain。图3(b)表示超同步时电机的主、副绕组电流和转速变化情况。副绕组施加的电源频率为2 Hz,幅值为10 V,稳态转速为780 r/min。从图3可见,电机转速经过短暂调节后,其稳态转速与理论表达式(1)相吻合,说明无刷双馈电机在负载转矩恒定时,电机的转速只与副绕组的电源频率大小和相序有关。无刷双馈电机的起动特性与恒转矩特性类似,这里不再累赘。    

   图3恒转矩时双馈运行的转速波形

2.2变转矩特性

   在变转矩条件下,无刷双馈电机双馈运行仿真结果如图4所示。图4(a)表示亚同步时电机的主、副绕组电流和转速变化情况。副绕组施加的电源频率为1 Hz,幅值为5 V,在仿真时间为3。时,负载转矩由5 N·m突变为10 N·m,电机的主、副绕组电流、转速经过短暂调整后,电机转速又稳定在735 r/min。其稳态转速值与理论表达式(1)一致。图4(b)表示超同步时电机的主、副绕组电流和转速变化情况,副绕组施加的电源频率为2Hz,幅值为10 V,在仿真时间3 s时,负载转矩由5 N.m突变到8 N·m电机转速值最后又稳定在为780 r/min。由图4可知,负载转矩突变前后,电机的稳态转速保持不变,只是在负载转矩变化时,电机的转速需经过较长时间动态调节过程,且有较大的超调量。这说明无刷双馈电机的负载转矩在一定范围内变化时,电机的转速仅与副绕组的电源频率和相序有关。

   图4变转矩时双馈运行的转速波彤

2.3恒磁通特性

   在磁通恒定条件下,无刷双馈电机双馈运行仿真结果如图5所示。图5(a)表示亚同步时电机的转矩和转速变化睛况,负载转矩为5 N·m,副绕组施加的电源频率为1 Hz,幅值为10V。在仿真时间为2.5 s时,电源频率改为3 Hz,幅值改为30 V,电机稳态转速值由735 r/min变为705 r/min;图5(b)表示超同步时电机的转矩和转速变化情况。负载转矩为5 N·m,副绕组施加的电源频率为1 Hz,幅值为5 V。在仿真时间为3 s时,电源频率调节为3 Hz,幅值调节为15 V,电机稳态转速值由780 r/min变为815 r/min。由图5所示,虽然电源频率和幅值发生变化,但是变化前后Uc/fc保持恒定,电机的转速仅与电源频率和相序有关,其稳定转速与理论表达式(1)一致,不过此时电机

的电磁转矩、转速调节时间较长,波动较剧烈。

    图5恒磁通时双馈运行的转矩、转速波形

2.4变幅特性

   改变副绕组电源幅值的无刷双馈电机双馈运行仿真结果如图6所示。图6(a)表示亚同步时电机的转速变化情况,负载转矩为5 N·m,副绕组施加三相电源频率为1 Hz。在仿真时问为3 s时,电源幅值由10 V调整为5 V或由10 V调整为5 V,电机经过暂短时间调整,仍能工作在亚同步状态,稳态转速值仍保持为735 r/rain,与理论表达式(1)

一致。图6(b)表示超同步时电机的转速变化情况,负载转矩为5 N·m,副绕组施加电源频率为1 Hz,在仿真时间为3 s时,电源幅值由5 V调整为10 V或由10 V调整为5 V,电机经过暂短时间调整,仍能工作在超同步状态,稳定转速值为780 r/min,与理论表达式(1)一致。这说明在电机稳定运行时改变副绕组的幅值,转速不受影响,也就是说,减少变频器的输入电压幅值,可以减少变频器的容量,这对变频调速是非常重要的。但是,副绕组电源幅值的改变不是无限的、任意的,是有一定范围限制的,超出这个范围电机就不能正常工作,而且副绕组电源幅值变化程度越大,过渡时间越长,超调量越大,甚至导致电机无法正常工作。

   总之,由图3~图6可知,BDFM在双馈运行状态下的几种运行特性与理论分析的结果一致。

    图6变幅时双馈运行的转速仿真波形

4实验结果

   为了验证上述理论分析及仿真结果,采用自制的一台实验用(2+6)级无刷双馈电机进行双馈状态下的几种调速特性测试。电机参数:Pp=3,Pc=1,Rp=0·087Ω,Rc=O,228Ω,Lp=42mH,Lc=37mH,Lm=35mH。图7~图9分别表示双馈运行状态下的副绕组实验测试的电流波形。通过在无刷双馈样机上对几种双馈运行状态的实验研究,说明所论述理论和仿真结果的正确性。从实验结果来看,无论对电机设计,还是电机运行理论的研究都具有指导意义。

 图7 735 r/min亚同步运行时的副绕组电流测试波形

 图8 780 r/min超同步运行时副绕组电流测试波形

 图9 V/F控制式下的副绕组电流测试波形

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