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丫３９８５５０无刷双馈电机调速系统研究摘要 无刷双馈电机是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈。它具有功率因数可调、高效率的特点，可应用于调速系统和变速恒频恒压发电系统中。目前国内研究工作还仅限于实验室研究，没有研制出实用化的样机，因此有必要对其进行深入研究。‘ 本文试图对无刷双馈电机变频调速系统进行系统深入的研究，从无刷双馈电机发展历史出发，在分析其运行原理的基础上，推导了无刷双馈电机的计算模型、参数计算方法，并根据数学模型对其开环特性进行了仿真研究，然后在分析了其开环特性和常规异步电机矢量控制的基础上提出了无刷双馈电机双同步坐标下的磁场定向控制策略，给出了实现这一算法的系统框图和硬件结构图，并对控制策略进行了系统仿真，得到了无刷双馈电机闭环下的转矩特性、频率特性和控制性能。 本文所完成的工作，对于无刷双馈电机的设计、建模和控制有较好的现实意义，为无。。双馈电机的进一步的实用化奠定了基础。）

关键词：无刷双馈电机变频调速系统仿真磁场定向控制Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ－Ｓｐｅｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｏｕｂｌｙ－Ｆｅｄ　ＭａｃｈｉｎｅＡｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｍａｃｈｉｎｅ（ＢＤＦＭ），　ｗｉｔｈ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，　ｈａｓ　ｇａｉｎｅｄ　ｒｅｎｅｗｅｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄ　ｄｒｉｖｅａｎｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓｆｏｒ　ｉｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　Ｉｎ　ＢＤＦＭ，　ｓｉｎｃｅｂｏｔｈ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ａｒｅ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｉｎ　ｓｔａｔｏｒ，　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｓｄｏｕｂｌｙ　ｆｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒｕｓｈ　ａｎｄ　ｓｌｉｐ　ｒｉｎｇ　ｈｅｎｃｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．　Ｕｐ　ｔｏｎｏｗ，　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＢＤＦＭ　ｉｓ　ｊｕｓｔ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｔｏ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓｎｏ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｇｏｄｅｅｐ　ｉｎｔｏ　ｉｔｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＢＤＦＭ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．　Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ＢＤＦＭ＇ｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｖａｒｉａｂｌｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．　Ａｎｄ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｉｔｓ　ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＢＤＦＭ．　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇｉｔｓ　ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｅ＇ｓ　ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ，　ａ　ｆｉｅｌｄ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＢＤＦＭ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ａｄｏｕｂｌｅ－ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｆｒａｍｅ　ｄ－ｑ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｗｈｅｒｅ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ａｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｉｎｔｏ　ｅｉｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ＢＤＦＭ　ｐｏｗｅｒ　ｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｒａｍｅ，　ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ａｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｆｒａｍｅ　ｄ－ｑ　ｍｏｄｅｌ．　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＢＤＦＭ，　ａｎｄ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ＢＤＦＭ＇ｓ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｆｉｅｌｄ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ

ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｄｒｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ

夕第一章绪论，．，引言 目前大量应用的交流电机主要是同步电机和感应电机。由于结构上的差异，同步和感应电机一般不能兼用。同步电机和绕线转子感应电机都采用电刷和滑环实现转子电路和外电路的连接。由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了运行的可靠性，而且需要定期维护。普通笼型转子感应电动机虽然具有结构简单、运行可靠等优点，但又不具备绕线型感应电机启动电流和转矩可以控制、可以实现串级和双馈调速和同步电机转速稳定、效率高及功率因数可调的优点。 此外，在很多要求高性能的调速场合，直流电机以其优良的调速性能获得广泛的应用；但直流电机通过金属换向器换流，成本高，可靠性差，维护复杂，且存在换流火花，在安全性要求高的应用场合不能使用，因此直流调速系统将逐步被交流调速系统取代口 随着电力电子技术和变流技术的发展，交流调速已被越来越多的采用，甚至应用在大功率高性能的场合。交流调速技术己形成了三个方面的发展轨迹：第一是以取代直流电机调速为目标的高性能、高精度、高频率调速技术；第二是以风机、泵、压缩机类机械为重点，实现简便易行，以节能为目的调速技术；第三是以适应特大容量或特高速、特殊工作环境的调速技术。目前交流变频调速系统正在向高性能、高精度、大容量、微型化、数字化和理想化方向发展。笼型转子感应电机以其结构简单、价格低廉和运行可靠等众多优势在交流调速系统中得到了普遍采用。然而，由于笼型电机所需的变频驱动装置的容量要大于电机的额定功率，其价格是电机价格的二到三倍，特别是高压变频装置，价格更是电机的十几倍，因此限制了其在大容量范围内的推广应用。 近来人们又把研究重点放在了对绕线转子感应电机转差频率控制系统（简称有刷双馈调速系统）的研究上，由于它控制的是具有转差频率的转子电流，其功率仅为定子绕组输入功率的几分之一。在风机水泵类负载中，由于其调速范围通常只在７０％－８０％的额定功率之间，因此，与上诉常规变频调速系统相比，这种驱第一章绪论＿＿—．———一一鱼型竺型登些主一一动系统只需要一个很小的功率转换器。 尽管采用绕线转子感应电机的双馈电机控制系统具有所需变频器功率较小的优势，但由于电机本身是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，特别是有些易燃易爆的应用场合不能使用。因此，近几年从事该领域研究的国内外学者开始把注意力转向了无刷双馈电机的研究上。无刷双馈电机调速系统兼有上述笼型转子和绕线转子感应电机两种调速系统的共同优点。

１．２无剧双恤电机的发展概述无刷双馈电机（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　Ｄｏｕｂｌｙ－Ｆｅｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ，简写为ＢＤＦＭ）是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈。数可调、高效率的特点，可应用于调速系统和变速恒频发电系统中它具有功率因

１．２．１无刷双馈电机的发展 多年来，人们在交流电机无刷化和通用化方面做了大量的研究工作，将两台绕线转子电机同轴连接的串极运行方式是实现感应电机无刷化的一种有效途径。然而这需要两台电机，不仅成本较高，而且安装使用不够方便。 无刷双馈电机是由串极感应电机发展而来。串级感应电机是将两台绕线式感应电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在１８９３年由美国的Ｓｔｅｉｎｍｅｉｚ和德国的Ｇｏｒｇｅｓ所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试，其中贡献最大的是Ｈｕｎｔ［　１］．　Ｈｕｎｔ电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和速度控制，实现了无刷化。后来Ｇｒｅｅｄｙ对这种电机进行了进一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组〔２］。但是由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。 直到７０年代，Ｂｒｏａｄｗａｙ等对Ｈｕｎｔ电机进行了较大改进，简化了转子绕组，并使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大［３］，将自串级无刷感应电机理论向前