段琦瑋孫 濤郝洪亮朱鴻飛雷振鋒夏天奇

(中國大唐集團新能源科學技術(shù)研究院有限公司,北京市 西城區(qū) 100052)

0 引言

目前針對無刷雙饋電機的研究熱點主要為電機建模、本體分析及優(yōu)化。俄亥俄州立大學的研究團隊在1989年首次提出了無刷雙饋電機在三相靜止坐標系下的多回路數(shù)學模型并進行了仿真驗證[1-3],依據(jù)此模型又提出了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子速兩相坐標系下的模型[4]?；谵D(zhuǎn)子速兩相坐標系下的模型,陸續(xù)有研究人員提出了各種改進模型并以此提出了控制策略[5-10]。2002年,西班牙學者POZA J提出了考慮籠型轉(zhuǎn)子特殊結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一坐標系下的矢量模型,此模型將轉(zhuǎn)子每個籠型結(jié)構(gòu)中的回路數(shù)等效為一個并以此給出了矢量控制策略[11-13]。2005年,劍橋大學ROBERTS在其博士論文中詳細闡述了統(tǒng)一的動態(tài)和靜態(tài)模型—耦合電路模型(coupled-circuit model),并給出了在耦合電路模型和d-q坐標系下的電機參數(shù)計算方法[14]。2008年,FARHAD 等人提出了特殊籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的統(tǒng)一矢量模型[15],并在轉(zhuǎn)子磁鏈矢量定向坐標系下對模型進行了仿真驗證[16]。該模型考慮了轉(zhuǎn)子每一籠型中所有環(huán)路的影響,同時可以通過對自由變量的不同取值將模型定位于不同的坐標系。

本文針對特殊籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的耦合電路模型,通過Simulink仿真軟件進行建模,通過開環(huán)仿真實驗,驗證模型對電機的動靜態(tài)性能的運行結(jié)果仿真的準確性。

1 無刷雙饋感應電機的耦合電路模型

無刷雙饋電機的定子由2套獨立的、無直接耦合的三相繞組組成,功率繞組直接同電網(wǎng)連接,控制繞組接變流器。轉(zhuǎn)子主要有3 種結(jié)構(gòu):特殊籠型轉(zhuǎn)子[17-21]、繞線轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子[22-25]。本文研究所用樣機為一臺特殊籠型轉(zhuǎn)子的無刷雙饋感應電機,其功率繞組和控制繞組的極對數(shù)比為4∶1,轉(zhuǎn)子每個籠型結(jié)構(gòu)有5個回路,沒有公共端環(huán),轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無刷雙饋感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Rotor structure of brushless doubly-fed induction motor

無刷雙饋感應電機的耦合電路模型為

2 仿真試驗

根據(jù)式(1)(2)對無刷雙饋感應電機進行建模。給定電流矢量初始值均為0,功率繞組電壓幅值為220 V。由于樣機轉(zhuǎn)子為6個籠型結(jié)構(gòu),每個籠型結(jié)構(gòu)為5個回路,可知轉(zhuǎn)子電流矢量為30階矩陣,可通過Matlab/Simulink中S函數(shù)進行編程求解。

本節(jié)通過對電機不同運行狀態(tài)的動靜態(tài)性能進行仿真實驗,驗證建立的仿真模型對電機運行狀態(tài)的仿真模擬效果。

第一,農(nóng)村非正規(guī)金融經(jīng)營管理較為混亂，經(jīng)營風險較大。大部分農(nóng)村非正規(guī)金融組織沒有建立規(guī)范的內(nèi)部控制制度，沒有嚴格的財務管理及審計稽核制度，不提取存款準備金和呆帳準備金。作為自發(fā)性的金融活動，非正規(guī)金融組織資金實力較弱，籌資能力有限，資金運用局限在一個較小的范圍內(nèi)，資產(chǎn)負債率較高，業(yè)務人員缺乏必要的專業(yè)知識，經(jīng)營缺乏長遠規(guī)劃，唯利是圖。如果市場發(fā)生急劇變化，遇到較多的貸款逾期收不回，就會給其經(jīng)營帶來困難。一旦出現(xiàn)擠兌，由于沒有國家信用作擔保，將會造成資金鏈斷裂，極易出現(xiàn)倒閉破產(chǎn)情況。

2.1 空載超同步、亞同步運行轉(zhuǎn)速變化動態(tài)響應仿真

為驗證電機模型在超同步、亞同步運行時的動靜態(tài)響應,本節(jié)給定變化的控制繞組電壓頻率、相序和幅值,同時給定空載轉(zhuǎn)矩,來驗證所搭建的模型對轉(zhuǎn)速變化響應的正確性。

電機給定運行狀態(tài)為:電機短接啟動后控制繞組接直流電壓遷入同步速,轉(zhuǎn)速應為600 r/min,穩(wěn)定后在3.09 s時控制繞組變?yōu)轭l率2 Hz、電壓幅值為8 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為624 m/s。4.66 s時控制繞組變?yōu)轭l率5 Hz、電壓幅值為70 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為660 m/s。7 s時控制繞組變?yōu)轭l率7 Hz、電壓幅值為90 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為684 m/s。8.3 s時控制繞組變?yōu)轭l率7 Hz、電壓幅值為90 V 的與功率繞組逆相序的交流電供電,此時電機應運行在亞同步速,轉(zhuǎn)速應為516 m/s。11 s時控制繞組變?yōu)轭l率6 Hz、電壓幅值為90 V 的與功率繞組逆相序的交流電供電,此時電機應運行在亞同步速,轉(zhuǎn)速應為528 m/s。12.2 s時控制繞組變?yōu)轭l率5 Hz、電壓幅值為70 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為660 m/s。14 s時控制繞組變?yōu)轭l率7 Hz、電壓幅值為90 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為684 m/s。功率繞組接220 V,50 Hz 三相電。負載轉(zhuǎn)矩給定為0。

電機運行仿真轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率繞組A 相電流、控制繞組A 相電流結(jié)果如圖2所示?？芍姍C由空載啟動到同步速,之后進入超同步運行和亞同步運行期間,轉(zhuǎn)速運行值符合理論值,功率繞組、控制繞組電流會同步轉(zhuǎn)速的變化而變化,轉(zhuǎn)矩在同步運行狀態(tài)變化時有較大波動,總體脈動較大,符合特殊籠型轉(zhuǎn)子電機的特點。

圖2 空載超同步、亞同步運行轉(zhuǎn)速變化動態(tài)響應仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of dynamic response to speed change between super-synchronous and sub-synchronous under no-load operation

2.2 負載超同步、亞同步運行轉(zhuǎn)速變化動態(tài)響應仿真

本節(jié)控制繞組、功率繞組給定輸入同2.1節(jié),電機空載啟動后4 s時負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)?0 N·m。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 負載超同步、亞同步運行轉(zhuǎn)速變化動態(tài)響應仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of dynamic response to speed change between super-synchronous and sub-synchronous under load operation

由圖3轉(zhuǎn)速響應結(jié)果可知在電機空載啟動到超同步速加入負載后,電機轉(zhuǎn)速有微小波動后繼續(xù)跟隨控制繞組輸入電壓變化而變化,表明在負載運行時電機模型可以準確模型動靜態(tài)響應。

2.3 超同步運行時負載轉(zhuǎn)矩變化動態(tài)響應仿真

本節(jié)驗證針對特殊籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機搭建模型在同步運行狀態(tài)下,負載轉(zhuǎn)矩突變對電機電磁轉(zhuǎn)矩及電機轉(zhuǎn)速的影響。假設(shè)無刷雙饋電機在0～1.8 s時空載異步啟動,當電機轉(zhuǎn)速接近步速時,控制繞組兩并一串接直流勵磁,隨后電機進入穩(wěn)定同步運行狀態(tài)。3.09 s時控制繞組變?yōu)轭l率2 Hz、電壓幅值為8 V 的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為624 m/s。4.66 s時控制繞組變?yōu)轭l率5 Hz、電壓幅值為70 V的與功率繞組同相序的交流電供電,此時電機應運行在超同步速,轉(zhuǎn)速應為660 m/s。6 s 時負載從0 N·m 突變到175 N·m,之后開始連續(xù)變化,6～8 s時負載轉(zhuǎn)矩減小到0,8～18 s時負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生連續(xù)階躍變化。在此工況下對無刷雙饋電機進行負載突變動態(tài)特性仿真研究。動態(tài)響應仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 超同步運行時負載轉(zhuǎn)矩變化動態(tài)響應仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of dynamic response to load change during super-synchronous operation

由仿真結(jié)果可以看出:電機超同步運行時,當負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生連續(xù)性變化時電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨使電機保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行,當負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍性變化時,電磁轉(zhuǎn)矩迅速反應之后跟隨負載變化,使電機轉(zhuǎn)速會有一個短暫的動態(tài)變化,隨后再次穩(wěn)定運行在給定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下。以上仿真可以說明所搭建模型在超同步運行狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)速對負載變化的動態(tài)響應穩(wěn)定。

2.4 同步運行勵磁失去后恢復再牽入同步動態(tài)響應仿真

針對電機模型在同步運行狀態(tài)下,失去控制繞組勵磁電流和恢復勵磁再牽入同步的過程進行仿真,對電機轉(zhuǎn)速,電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應進行仿真分析。假設(shè)負載轉(zhuǎn)矩恒定為40 N·m,無刷雙饋電機在0～1.8 s內(nèi)異步啟動,之后進入同步運行,3.4 s時控制繞組電壓由10 V 突降為0 V,4.8 s時電壓恢復為初始值10 V。仿真波形如圖5所示。

由圖5的仿真結(jié)果可以看出,電機同步運行時,當控制繞組突然失去勵磁電壓時,電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩會有短暫的波動,然后轉(zhuǎn)矩恢復到原來的數(shù)值,此時電機處于異步運行狀態(tài),但轉(zhuǎn)子以一個穩(wěn)定的近同步速運行,轉(zhuǎn)速與異步運行時轉(zhuǎn)速相同。當控制繞組直流電壓恢復時,電磁轉(zhuǎn)矩會迅速做出反應使得電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時間的調(diào)整以后再次牽入同步狀態(tài)。

圖5 同步運行勵磁失去后恢復再牽入同步動態(tài)響應仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results to dynamic response after recovery from excitation loss in synchronous operation

3 結(jié)論

本文針對無刷雙饋電機的耦合電路模型,建立了定轉(zhuǎn)子電流為變量的一階微分方程,并基于功率繞組和控制繞組極對數(shù)比為4∶1、轉(zhuǎn)子有5個巢型結(jié)構(gòu)、每個巢型結(jié)構(gòu)有6個短路環(huán)的特殊籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋感應電機樣機參數(shù),通過Matlab/Simulink軟件建立其數(shù)字仿真模型,開環(huán)運行仿真試驗,試驗結(jié)果表明了建立的仿真模型可以準確地模擬出電機不同運行方式的動靜態(tài)性能,同時可以體現(xiàn)出無刷雙饋電機轉(zhuǎn)矩脈動較大,轉(zhuǎn)速變化時波動較大等特性。該模型可對電機閉環(huán)控制的研究提供有力地支撐。