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无刷双馈电机静态负载能力和直接转矩控制系统的研究

侯晓鑫  
【摘要】:无刷双馈电机是一种新型的交流电机,同时具有异步电机和同步电机的特性。无刷双馈电机结构特殊,取消了滑环和电刷,维护成本大大降低,可靠性高,在交流调速和风力发电系统中具有广阔的应用前景。此外,无刷双馈电机在变速运行时所要求的变频装置容量较小,降低了调速系统的投入成本。然而,无刷双馈电机是一个高阶的,多变量的,强耦合的非线性系统。与双馈电机相比,无刷双馈电机的结构和运行机理都比较复杂,对于其数学模型的建立、稳定性的分析和控制策略的设计都是很困难的。因此,对于无刷双馈电机的深入研究具有十分重要的现实意义和应用价值,本文针对无刷双馈电机的建模方法,静态负载能力和直接转矩控制进行了重点研究,主要内容如下:首先,总结国内外文献,介绍了无刷双馈电机的发展历程和应用前景,概括了国内外在结构、数学模型和控制策略方面的研究现状,分析该电机的结构特点和运行原理。接着,从无刷双馈电机结构特性和工作原理出发,推导了无刷双馈电机在转子坐标系下的数学模型,通过对转子坐标下控制电机相关变量取负共轭的方法,使静态下功率电机和控制电机的相关变量相对于转子是同速度和同方向旋转的,给出了控制电机相关变量取负共轭变换后无刷双馈电机同步坐标系下和静止坐标系下的状态空间模型,前者的相关变量在静态时都是直流量,由此容易得到静态工作点满足的代数方程,用于对无刷双馈电机的带载能力进行研究,后者则用于对无刷双馈电机的直接转矩控制策略进行研究,以改善系统的动态性能。随后,根据上述研究思路,通过同步坐标系下对静态方程的求解,得到了无刷双馈电机理论输出能力的上限和下限,进而分析了电机输出能力与磁链和转速的关系,这些结果对无刷双馈电机的本体设计和控制方法的研究有着重要的指导意义。在静态解的基础上,分析了无刷双馈电机的运行效率和转速、磁链和转矩的关系。最后,应用静止坐标系下的状态空间模型,通过推导的磁链和转矩关于时间的导数方程,深入研究和分析了无刷双馈电机直接转矩控制的失控问题。针对失控问题,提出了两种改进的控制策略:扇区细分,同时增加电压矢量的合成矢量直接转矩控制和用磁链角差的反馈滞环控制代替转矩的反馈滞环控制的磁链角差反馈控制。对本文提出的两种改进直接转矩控制策略与传统的无刷双馈电机直接转矩控制系统进行了仿真对比。仿真结果表明,本文所提的两种改进控制策略都能很好的解决失控问题,改善了系统运行性能,具有良好的动静态特性,提高了系统的鲁棒性,同时又保留了直接转矩控制系统不依赖于电机参数,实现简单,鲁棒性好的特点。搭建了基于dSPACE的无刷双馈电机的实验平台,进行了实验验证。


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