，，

(洛陽供電公司，河南洛陽 471000)

0 引言

無刷雙饋電機(BDFM)由串級感應(yīng)電機發(fā)展而來，是一種新型的，同時具有同步電機和異步電機特點的交流調(diào)速電機。將串級聯(lián)結(jié)的兩臺獨立的定轉(zhuǎn)子組合并為單一定轉(zhuǎn)子繞組，并裝在同一定轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，使得兩種不同極數(shù)的繞組共用同一磁路，避免了滑環(huán)和碳刷，又通過改進進一步簡化了定轉(zhuǎn)子繞組[1]。由于其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、變頻器容量小、對電網(wǎng)的諧波污染少、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點，對這種電機的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[2]。

1 無刷雙饋電機的工作原理

1.1 概述

BDFM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。定子繞組由兩套極數(shù)不同的三相繞組構(gòu)成，彼此相互獨立。其中一套為功率繞組，直接接工頻電源；另一套為控制繞組，接變頻電源。轉(zhuǎn)子通常為籠型結(jié)構(gòu)，通過電機轉(zhuǎn)子的磁動勢諧波或磁導(dǎo)諧波對定子不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場進行調(diào)制來實現(xiàn)電機的機電能量轉(zhuǎn)換。其極對數(shù)為功率繞組極對數(shù)Pp和控制繞組極對數(shù)Pc之和。

圖1 BDFM結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)BDFM穩(wěn)態(tài)運行時，其轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足

(1)

式中，nr—電機轉(zhuǎn)速；fp—功率繞組頻率；fc—控制繞組頻率；Pp—功率繞組極對數(shù)；Pc—控制繞組極對數(shù)。

BDFM在d-q坐標(biāo)軸系中的數(shù)學(xué)模型在早期的研究中已經(jīng)獲得[3]，其數(shù)學(xué)表達式如式(2)所示。

(2)

式中，p—微分算子；Pp、Pc—是功率繞組和控制繞組的極對數(shù)；udp、uqp、idp、iqp—是功率繞組電壓和電流d、q分量；udc、uqc、idc、iqc—控制繞組電壓和電流d、q分量；udr、uqr、idr、iqr—轉(zhuǎn)子繞組電壓和電流d、q分量；Rp、Rc、Rr—功率繞組、控制繞組及轉(zhuǎn)子繞組電阻；Lsp、Lsc、Lr—功率繞組、控制繞組及轉(zhuǎn)子繞組全電感；Mp、Mc—功率繞組、控制繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；ωr—轉(zhuǎn)子機械角速度。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=Tep+Tec

=PpMp(iqpidr-idpiqr)+PcMc(iqcidr+idciqr)

(3)

式中，Tep、Tec—功率繞組和控制繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。

機械運動方程為

(4)

式中,J、TL—轉(zhuǎn)子機械慣量和負載轉(zhuǎn)矩。

由式(2)、式(3)、式(4)構(gòu)成了BDFM在d-q坐標(biāo)軸系中的數(shù)學(xué)模型，該模型簡單實用[4]。

2 無刷雙饋電機模糊DTC系統(tǒng)

2.1 概述

交流電機是一種非線性、多變量、強耦合的被控對象，模糊控制在解決交流電機的控制方面有著非常顯著的優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)的DTC中磁鏈控制器和轉(zhuǎn)矩控制器一般使用施密特觸發(fā)器，控制性能受其容差大小的影響非常大，而且容差大小本身就屬于模糊量，若采用模糊控制器，系統(tǒng)性能可以進一步得到提升[5、6]。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者都已成功的將模糊控制應(yīng)用在DTC中。本文對轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差及磁鏈角度進行了非常合理的模糊分級，通過模糊推理來選擇適合的電壓空間矢量，從而獲得了比常規(guī)DTC更優(yōu)越的控制性能。

2.2 模糊控制規(guī)則表

本文中，模糊控制器的輸入是轉(zhuǎn)矩誤差eT、定子磁鏈誤差eψ和磁鏈角θ，輸出為逆變器的8個開關(guān)狀態(tài)Sabc，因為這8種開關(guān)狀態(tài)本身是準(zhǔn)確的清晰量，所以就不需要進行模糊化。在控制器中，這8種開關(guān)狀態(tài)用其所對應(yīng)的十進制數(shù)來表示。在轉(zhuǎn)矩誤差eT的論域上定義了5個模糊子集，在定子磁鏈誤差eψ的論域上定義了3個模糊子集，在磁鏈角θ的論域上定義了12個模糊子集，這更加細化了誤差的大小。在模糊化過程中，對轉(zhuǎn)矩誤差的分檔之所以比對定子磁鏈誤差的分檔更細是因為本文所遵循的原則是轉(zhuǎn)矩優(yōu)先，在此原則的基礎(chǔ)上再保證定子磁鏈幅值恒定。我們可以得到如表1所示的模糊控制規(guī)則表[7]。

表1 模糊控制規(guī)則表

2.3 模糊DTC系統(tǒng)的搭建

BDFM的模糊DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[8]如圖2所示。

圖2 BDFM模糊DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)仿真

本節(jié)利用Matalab/Simulink搭建BDFM動態(tài)數(shù)學(xué)模型和仿真模型。電機的仿真參數(shù)為:

Rc=1.625Ω,J=0.1kg·m2,Lsp=0.3903H,Mp=0.302H,Rp=15.3Ω;Mc=0.35,Rr=6.2Ω,Lr=0.650H;Pc=1,Lsc=0.408H。

3.1 亞同步仿真分析

如圖3至圖5所示分別為亞同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形及磁鏈波形。圖中，在0.15s之前，電機單饋啟動，給定轉(zhuǎn)速為1000r/min；0.15s時，給定轉(zhuǎn)速675 r/min，在0.35s時，加負載轉(zhuǎn)矩4N·m。

圖3 亞同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形

圖4 亞同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)矩波形

圖5 亞同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的磁鏈波形

3.2 超同步仿真分析

如圖6至圖8所示分別為超同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形及磁鏈波形。圖中，在0.15s之前，電機單饋啟動，給定轉(zhuǎn)速為1 000r/min；0.15s時，給定轉(zhuǎn)速825 r/min，在0.35s時，加負載轉(zhuǎn)矩4N·m。

圖6超同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形

圖7超同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)矩波形

圖8超同步狀態(tài)下加入模糊控制前后的磁鏈波形

3. 3 亞同步向超同步過渡仿真分析

如圖9至圖11所示分別為亞同步向超同步過渡狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形及磁鏈波形。圖中，在0.3s之前，電機單饋啟動，給定轉(zhuǎn)速為1 000r/min；0.3s時，給定轉(zhuǎn)速675r/min，在0.6s時，給定轉(zhuǎn)速825r/min，負載轉(zhuǎn)矩為零。

圖9亞同步向超同步過渡狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)速波形

圖10亞同步向超同步過渡狀態(tài)下加入模糊控制前后的轉(zhuǎn)矩波形

圖11亞同步向超同步過渡狀態(tài)下加入模糊控制前后的磁鏈波形

3.4 仿真結(jié)果分析

圖3至圖5、圖6至圖8、圖9至圖11分別給出了BDFM采用模糊DTC控制方法時，運行在亞同步、超同步及從亞同步過渡到超同步時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈波形。從仿真的結(jié)果我們不難看出本文所設(shè)計的BDFM的模糊DTC系統(tǒng)是正確的，而且性能非常好，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快。本節(jié)設(shè)計的模糊控制器不但具有響應(yīng)快的優(yōu)點，而且轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動明顯減小。

4 結(jié)語

本文重點闡述了模糊控制在BDFM的DTC系統(tǒng)中的應(yīng)用。完成了依據(jù)轉(zhuǎn)矩信息差值、磁鏈信息差值、磁鏈角來輸出逆變器開關(guān)狀態(tài)的模糊控制器的設(shè)計，在Matalab/Simulink中搭建了BDFM的模糊DTC仿真系統(tǒng)并進行了仿真。從仿真結(jié)果可以看出模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的效果要好很多，在很大程度上減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動，增加了準(zhǔn)確性。因此，模糊DTC控制是一種很有前途的控制策略，可以進一步應(yīng)用到BDFM的有功無功調(diào)節(jié)等場合[9]。

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