71无刷双馈电机的数学模型和有限元仿真

发布时间：2016-12-01 10:00

本文关键词：无刷双馈电机的数学模型和有限元仿真，由笔耕文化传播整理发布。

太原理工大学博士研究生学位论文；致谢；本论文是在导师熊光煜教授的亲切关怀和精心指导下完；知识、严谨的治学态度以及民主的作风给作者留下了深；感谢山西防爆电机厂、山西电机厂、汾西机器厂等单位；密切合作！；本论文是在“山西省回国留学人员科研项目＂资助下完；还得到了张爱玲教授的热心指导和帮助，０４级硕士研；感谢对本学位论文进行审阅的各位专家；最后，对所有关怀、帮助过

太原理工大学博士研究生学位论文

致谢

本论文是在导师熊光煜教授的亲切关怀和精心指导下完成的。熊老师渊博的

知识、严谨的治学态度以及民主的作风给作者留下了深刻的印象，开阔了视野，丰富了学识，并将本人受益终身。值此论文完成之际，对熊老师曾经给予的学术上的指导，生活上的关心和帮助致以最诚挚的谢意！

感谢山西防爆电机厂、山西电机厂、汾西机器厂等单位在样机试制过程中的

密切合作！

本论文是在“山西省回国留学人员科研项目＂资助下完成的，本课题研究中

还得到了张爱玲教授的热心指导和帮助，０４级硕士研究生张洋等同学参与了样机的实验过程，在此，一并表示衷心的感谢！

感谢对本学位论文进行审阅的各位专家。

最后，对所有关怀、帮助过我的各位师长、学友和亲人表示感谢。１０６

太原理工大学博士研究生学位论文

攻读博士学位期间发表的论文目录

１．呼志杰，赵国柱，王爱龙，直线步进电机齿层比磁导的分析计算【Ｊ】，太原理工大

学学报，２００１年，第４期，３４４—３４６

２．Ｗａｎｇ

ｄｅｔｅｃｔＡｉｌｏｎｇ，ＨａｎＮｉａｎｃｈｅｎ，ＸｉｏｎｇｔｗｏＧｕａｎｇｙｕ，Ａｓｉｍｐｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｎｓｉｎｇｔｏｌｉｍｉｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓ

Ｏｎｏｆａｌｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ【Ｃ】，５ｔｈＪｕｎ０１－０５，ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，

２００３，Ｖ０１．３，２３２０．２３２２（Ｅｌ收录）

３．张小芳，王爱龙，田俊梅，风力机的ＭＡＴＬＡＢ模型及其应用【Ｊ】，电力学报，

２００４年，第２期，１１４—１１５

４．王爱龙，熊光煜，基于伪静止瞬态二维有限元模型的异步电机稳态分析叨，电气

应用，２００６年，第３期，４８—５０

５．王爱龙，熊光煜，异步电机时步有限元模型在ＡＮＳＹＳ６Ｐ的实施［ｆｌ，中小型电机，

２００６年，第１２期，９．１２

６．王爱龙，熊光煜，有限元法计算异步电机不同转速的等值电路参数【Ｊ】，机械科学

与技术（西北工业大学主编），２００７年，第３期，３１６—３１８

７．曹燕燕，王爱龙，熊光煜，级联式无刷双馈发电机的稳态特性分析【Ｊ】，太原理工

大学学报，２００７年，第３期，２３９－２４３

８．王爱龙，熊光煜，新型异步电机设计模型的研究【Ｊ】，微特电机，２００７年，第８期，

５８?６０

９．李有军，王爱龙，熊光煜，异步电机分析模型综述【Ｊ】，电气技术，２００７年，第

１１期，８．１１

ｌＯ．王爱龙，熊光煜，无刷双馈电机时步有限元分析【Ｊ】，中国电机工程学报，已录用刊物类别说明：论文１、２、４、５、６、７、８、１０属于本校规定的学术刊物，论文署名单位均为太原理工大学。１０７

无刷双馈电机的数学模型和有限元仿真

作者：

学位授予单位：王爱龙太原理工大学

相似文献(10条)

1.学位论文杨文杰异步电机与无刷双馈电机的直接转矩控制研究 2007

直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)策略以其优良的转矩控制特性在交流电机的调速领域受到了普遍的关注。无刷双馈电机

(Brushless Doubly-Fed Machine，简称BDFM)作为一种新型电机，结构简单、坚固可靠、具有异同步通用的特点，并且与普通异步电机相比，可以降低变频器的容量，因此，在大容量交流变速传动系统和变速恒频恒压的风力、水力发电系统中有广泛的应用前景。把直接转矩控制技术应用到无刷双馈电机，可以使二者的优点得以结合，对于交流调速领域具有重要意义。低速时转矩脉动大是传统直接转矩控制系统存在的主要问题，为此，国内外学者提出了基于转矩预测的直接转矩控制和基于离散空间矢量调制的直接转矩控制等多种方法，以减小低速时的转矩脉动。为了减小转矩和磁链脉动，本文在分析了直接转矩控制系统的转矩和磁链控制特性基础上，提出了一种估算转矩滞环和磁链滞环环宽的方法。为了改善传统直接转矩控制的低速性能，本文对基于转矩预测的直接转矩控制系统进行了研究，仿真和实验结果表明，该方法能有效的减小低速时的转矩脉动，并改善定子电流和磁链波形。为了简化结构和易于编程实现，本文提出了一种改进的转矩预测的直接转矩控制，经仿真和实验证明，该方法不仅保持了一般转矩预测法优点，还使得起动的快速性得到了提高。根据离散空间矢量调制思想，本文对一种改进的离散空间矢量调制的直接转矩控制系统进行了研究，仿真和实验结果表明，该方法同样可以有效地减小低速时的转矩脉动，改善定子电流和磁链波形，并使起动的快速性得到提高。本文在以DSP芯片TMS320LF2407A为控制核心的2.2kW电机实验台上对传统直接转矩控制、转矩预测的直接转矩控制、改进的转矩预测的直接转矩控制和改进的离散空间矢量调制的直接转矩控制四种方法进行了低速、中速范围内的加载、减载和起动实验。实验结果表明，改进的离散空间矢量调制的直接转矩控制策略在减小转矩脉动，改善定子电流和定子磁链波形方面，比一般转矩预测的直接转矩控制、改进的转矩预测的直接转矩控制取得了更好的效果，并且对电机参数的依赖更小。另外，实验证明，在极低速范围内，本文所研究的直接转矩控制系统在额定负载下也可以稳定运行。本文对无刷双馈电机及其直接转矩控制策略进行了研究，并提出了一种适合于全速度范围运行的磁链观测器。把离散空间矢量调制的直接转矩控制技术引入无刷双馈电机，仿真证明，它可以减小传统直接转矩控制在无刷双馈电机转矩脉动大的问题，并改善了定子各绕组磁链和电流的波形。

2.期刊论文刘陵顺.胡育文.黄文新.LIU Lingshun.Hu Yuwen.Huang Wenxin 电力电子变换器控制的异步电机发电技术 -电工技术学报2005,20(5)

与国防和民生密切相关的独立电源系统以及再生能源等两大领域,都向发电系统提出了迫切的需求.电力电子变换器控制的异步电机发电技术是再生能源、舰船、航空等领域的研究热点.本文对带有静止励磁调节器的三相笼型异步发电机的结构特点、工作原理、控制策略进行了系统地分析和总结,对两种定子双绕组笼型异步发电机的工作原理和技术现状分别进行了详细地分析,并分别总结了系统的技术特点.最后展望了带有静止励磁调节器的异步电机发电技术的发展前景.

3.学位论文申辉阳无刷双馈电机矢量解耦控制的研究 2004

在大功率的风机、泵类设备的调速系统中,若采用笼型异步电机,则由于大容量的调速装置使得系统成本高,谐波污染严重;若采用绕线式异步电机或同步电机,则由于电刷和滑环的存在,导致故障率高,维护困难;如果改用无刷双馈电机则可以解决这些问题.无刷双馈电机(BDFM)同时具有同步电机和异步电机的优点,它是由两台绕线式异步电机自级联演变发展起来的一种新型交流调速电机.无刷双馈电机定子上具有两套极数不同的对称三组绕组(分别称之为功率绕组和控制绕组),其转子可采用笼型结构或磁阻型结构,无需电刷和滑环.在无刷双馈电机的功率绕组上加工频电源,控制绕组上加变频电源就可以实现无级调速.因为流经控制绕组的功率只是电机总功率的一部分,也就是说,控制变频器的容量远低于电机的总功率,并且控制绕组的能量流向是双向的,所以采用无刷双馈电机调速系统要以降低成本,减少电网谐波污染.正因为如此,使得无刷双馈电机在大功率调速系统中有着广阔的应用前景.但无刷双馈电机的控制方法不同于三相异步电机和同步电机的,由于缺乏有效的控制策略,阻碍了其应用和推广.尽管无刷双馈的标量控制可以应用于低性能的调速系统中,但迫切需要新型的控制策略来改善其性能,以扩大其应用范围.该文从无刷双馈电机的结构和特点出发,分析了无刷双馈电机的性能特性,总结了几种成熟的数学模型.从成熟的 d-q双轴数学模型基础上,通过坐标变换,把无刷双馈电机分解成功率绕组子系统和控制绕组子系统两个解耦的子系统,两个子系统的坐标系分别建立在与功率绕组和控制绕组电流在各自定子绕组中产生的旋转磁场同步的旋转磁场同步的旋转坐标系下,在此坐标系下,相关的控制参数由交流量变为了直流量,从而得出了矢量解耦数学模型,在矢量解耦数学模型基础上导出了几种矢量解耦控制策略.该文作了大量的仿真来分析无刷双馈电机的性能和运行特性,并通过仿真证实了无刷双馈电机矢量解耦控制的可行性和有效性,得出结论:采用矢量解耦控制是一种有效可行的方法,尤其是采用基于同步角的矢量解耦控制,使得无刷双馈电机的矢量控制变得与普通感应电机的矢量控制一样简单,且具有良好的鲁棒性,能应用于性能要求较高的调速系统中.通过该课题研究,有望加速无刷双馈电机的推广和应用.

4.学位论文陈志伟无刷双馈电机专家自适应PID控制系统的研究 2004

无刷双馈电机是一种新型电机,该电机不仅具有笼型转子异步电机的简单结构,而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性:既可同步运行又可异步运行,既可作为交流调速电机,又可作为变速恒频发电机,并可以实现无刷化.无刷双馈电机调速系统可以用较小容量的逆变器对较大功率的电机进行调速,是一种很有希望的中压节能调速方案,同时适用于风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再生能源的开发、利用,因此,无刷双馈电机的应用越来越受瞩目,对其进行深入的研究具有十分重要的意义.该文以笼型转子无刷双馈电机及其调速系统作为研究对象,结合国内外的有关文献,首先介绍了无刷双馈电机产生的背景条件、发展的历史和现状、研究意义和应用前景,接着介绍了无刷双馈电机的定转子结构、工作原理、运行方式和功率分配等情况.该文就无刷双馈电机目前比较常用的定转子线圈变量表示的通用模型、转子坐标下的双轴模型以及混合坐标模型进行比较分析,尤其是对转子坐标下的双轴模型进行了深入研究,并利用MATLAB/Simulink软件建立了无刷双馈电机调速系统仿真模型,对无刷双馈电机的单馈、同步和双馈三种运行方式进行了仿真研究.在此基础上,该文通过坐标变换,把逆变器电路和无刷双馈电机方程在MATLAB/Simulink下结合成为一个整体进行仿真,从而为进一步研究逆变器的谐波对电机产生的影响以及寻找解决办法带来了方便.同时,还研究了软起动对电机起动性能的改善作用.在开环的情况下,无刷双馈电机调速系统的静态和动态性能无法满足运行要求.到目前为止,国内外已有不少专家学者对无刷双馈电机的各种闭环控制方法进行了较为深入的研究,如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等.该文在分析了无刷双馈电机的开环特性的基础上,对专家自适应PID控制进行研究,提出了无刷双馈电机的专家自适应PID控制,并在起动和动态情况下进行仿真实验.结果表明,与开环状态相比,该控制器大大提高了无刷双馈电机调速系统的静态和动态性能,使得电机在转速或者负载发生改变时的超调量减小,且转速更快重新趋于稳定,是一种控制思想简单、硬件实现方便的闭环控制调节方案.

5.期刊论文王正.王凤翔.张凤阁.WANG Zheng.WANG Feng-xiang.ZHANG Feng-ge 基于转差频率旋转坐标系的无刷双馈电机数学模型 -电机与控制学报2007,11(3)

由于无刷双馈电机功率绕组和控制绕组极数不同,两套绕组电流在电机气隙内产生的旋转磁场的转速不同,使得人们在建立无刷双馈电机数学模型时,通常建立两个旋转坐标系.为解决此问题,本文提出一种基于转差频率旋转坐标系的建模方法,将本是固定的控制绕组建立在以特定速度旋转的坐标系上,这种方法可以将无刷双馈电机数学模型建立在一个旋转的坐标系上.这种建模方法,解决了原来数学模型建立过程复杂,难以理解的问题,并为建立类似传统异步电机的矢量控制方法奠定了基础.

6.学位论文郭红霞无刷双馈电机PID神经网络控制方法的研究 2007

无刷双馈电机(BDFM)是一种新型电机，它是由两台绕线式异步电机自级联演变发展起来的一种新型交流调速电机，同时具有同步电机和异步电机的优点，可以实现异步、同步、双馈等多种运行方式。它既可作为电动机运行用于交流调速传动系统，也可作发电机运行用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，控制功率因数，实现四象限无级调速，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力和风力发电系统中具有广阔的应用前景，因此它的推广应用将具有较高的社会价值。本文以笼型无刷双馈电机及其调速系统作为研究对象，在介绍了无刷双馈电机基本情况的前提下，与电力电子技术、现代控制理论相结合对其运行特性和控制方法进行了系统的研究和仿真，主要工作内容包括： 1．介绍了无刷双馈电机的发展历史、研究现状、特点和应用前景； 2．研究了无刷双馈电机的定、转子结构、工作原理、运行方式等； 3．建立了无刷双馈电机的通用模型、d-q模型、混合坐标模型，构建了无刷双馈电机的Simulink仿真模型。并对其进行了开环仿真实验，验证了电机动、静态特性和开环运行时的特征； 4．在分析了标量控制、直接转矩控制、转子磁场定向控制等传统控制策略后，提出适用于无刷双馈电机的PID神经网络控制方法，并通过Matlab/Simulink仿真证实了无刷双馈电机PID神经网络控制的可行性和有效性，并具有较好的动态性能。本文所完成的工作，对无刷双馈电机的控制策略和控制方法的研究具有参考价值，并为无刷双馈电机及其系统进一步实用化研究提供了理论技术基础。

7.学位论文解鑫无刷双馈变速恒频风力发电系统的研究 2006

无刷双馈风力发电机系统的研究是当前风力发电技术研究中一个很有前途的课题。它允许发电系统中风车与发电机直接连接，实现变速恒频发电，而且在发电机的频率调节中可以用相对小容量的变频装置。本文比较了几种变速恒频方案，从中选择了无刷双馈式变速恒频方案;它运用无刷双馈电机的工作原理，允许发电机转速变化，而在电机定子控制绕组侧接入低频励磁电流，通过控制该电流的频率，保证无刷双馈电机定子功率绕组输出的频率恒定。无刷双馈电机变速恒频风力发电系统的核心，该电机不仅具有笼型转子异步电机的简单结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性，既可同步运行又可异步运行，既可作为交流调速电机，又可作为变速恒频发电机，并可以实现无刷化。无刷双馈电机调速系统可以用较小容量的逆变器对较大功率的电机进行调速，是一种很有希望的中压节能调速方案. 本文利用仿真软件，建立了变速恒频风力发电系统各组成部分的仿真模型，并进行了仿真实验研究。仿真结果表明，所建模型是正确的，变速恒频风力发电系统具有良好的运行特性。最后，根据无刷双馈电机的特点，由d－q双轴数学模型，通过坐标变换，将功率绕组和控制绕组在各自的同步坐标系下分别进行磁场定向，推导出无刷双馈电机矢量解耦数学模型。

8.学位论文崔军辉无刷双馈电机变频调速系统的研究 2009

无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机，它的转子上无任何滑动触点，除了坚固可靠外，该类电机的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。它既可作为交流调速电机，又可作为变速恒频发电机，同时，作为一种性能优良的新型电机，它在变频调速时所需要的变频器容量小，功率因数可调节，转差功率可反馈到电网。因此它越来越受到研究者的关注。本文就无刷双馈电机及其控制策略进行了深入的分析和研究，首先分析了无刷双馈电机的磁场调制工作原理、运行方式，并利用Matlab/Simulink建立了无刷双馈电机转子速d-q轴数学模型，仿真研究了电机在各种运行方式下的开环特性，仿真试验结果与理论分析基本吻合，获得了一些有价值的结论，为无刷双馈电机的闭环控制提供了依据。在对普通异步电机直接转矩控制(DTC)策略和无刷双馈电机工作原理深入研究的基础上，构建了基于u-i磁链模型的直接转矩控制系统仿真模型，在不同场合下通过观察转速和转矩波形进一步验证了无刷双馈电机DTC控制的良好调速性能。研究了无刷双馈电机DTC控制系统的转矩脉动问题，提出了三种减小转矩脉动的方法，有效地改善了无刷双馈电机直接转矩控制的性能。在无刷双馈电机直接转矩控制系统的数字化实现方面，本文在基于

TMS320LF2407A的交流电机变频调速实验平台上完成各个模块的程序编写，并就主电路、控制电路、保护电路、检测电路的设计做了详细的说明，取得了一些阶段性的成果。

9.期刊论文杨俊华.吴捷.陈斌无刷双馈电机转差率问题探讨 -中小型电机2005,32(1)

无刷双馈电机数学模型的推导、相量图和等效电路的绘制,都需通过转差率进行绕组间的频率折算.无刷双馈电机中共有三个转差率:①转子绕组对定子功率绕组旋转磁场的转差率Sp,②转子绕组对定子控制绕组旋转磁场的转差率sc,③定子控制绕组旋转磁场对定子功率绕组旋转磁场的转差率s.这些转差率的计算方法在众多文献中的阐述与推导均令人费解,物理意义不甚明了.文章首先从普通异步电机出发,推导并给出了无刷双馈电机三个转差率的明确定义和简单计算方法.

10.学位论文张洋无刷双馈电机及其直接转矩控制系统的研究 2007

无刷双馈电机(BDFM)是一种结构简单、坚固可靠、同异步通用的特种电机，和其它交流电机相比，无论是用于变频调速还是用变速恒频发电系统，其突出的优点在于，大大降低变频器的容量，并且省去了电刷和滑环，提高了系统的可靠性，因此它特别适用于大容量变速传动系统和变速恒频恒压的风力、水力发电系统。本文就该电机的等效电路、不同数学模型中的参数测试及直接转矩控制方法进行了内容广泛的研究。本文深入研究了无刷双馈电机的基本结构、运行原理和数学模型。在此基础上，，通过频率折算、相数折算和有效匝数折算，进而得到了无刷双馈电机功率绕组、控制绕组及转子绕组有电的联系的等效电路，并用该等效电路作了初步计算。计算结果表明，该等效电路基本是正确的。无刷双馈电机的数学模型有网络模型和d-q轴模型，模型中的参数不尽相同，由于该电机定子上有不同极数的两套绕组，电感的测量相对困难。本文采用了适用于任意绕组结构电机电感参数测试的静测法，测定了样机网络模型中的参数，计算了d-q模型中的参数，并用类似于感应电机空载实验测定电机参数的同步法测定了稳态等效电路中的部分参数。在对普通异步电机直接转矩控制(DTC)策略和无刷双馈电机工作原理深入研究的基础上，本文构建了无刷双馈电机直接转矩控制系统。针对无刷双馈电机直接转矩控制转矩脉动大的问题，本文提出了适用于该种电机的转矩预测法。仿真结果表明，该方法能有效地减小转矩脉动、改善定子电流波形，且具有良好的动、静态性能。在无刷双馈电机直接转矩控制系统的数字化实现方面，本文在基于TMS320LF2407A的交流电机变频调速实验平台上完成各个模块的程序编写，由于时间关系，系统总体调试没有完成，取得了一些阶段性的成果。无刷双馈电机的稳态等效电路、等效电路中的参数测试和计算以及笼型转子无刷双馈电机的直接转矩控制方法均为国内外正在研究的内容，本文在上述方面做了一些探索性的工作，所得的结论对于上述研究内容具有参考价值。

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下载时间：2010年4月29日

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