基于MATLAB/Simulink的無刷雙饋電機的數學仿真

侯 春

(江蘇省聯合職業技術學院 徐州機電分院 電氣工程系，江蘇 徐州 221011)

基于MATLAB/Simulink的無刷雙饋電機的數學仿真

侯 春

(江蘇省聯合職業技術學院 徐州機電分院 電氣工程系，江蘇 徐州 221011)

建立了無刷雙饋電機的模型，對其開環特性進行了分析，并對無刷雙饋電機異步、同步通用的機械特性進行了仿真驗證；通過開環系統仿真驗證了模型的正確性，為下一步閉環系統的仿真與設計做好鋪墊。

數學模型；開環運行特性；無刷雙饋電機

0 引言

無刷雙饋電機定子側有兩套繞組，分別為功率繞組和控制繞組，繞組的結構與三相異步電動機的繞組結構不同，但繞組的名稱與普通單相異步電動機有些類似。無刷雙饋電機的轉子可以是改進型的鼠籠型，也可以是磁阻式結構，雖然轉子為普通結構，但是由于其具有兩套定子繞組，從而使無刷雙饋電機既具有繞線式異步電機的特性，同時還具有同步電機的特性。因此，無刷雙饋電機既可以作為電動機使用，也可以作為發電機使用。無刷雙饋電機由于其特殊的定子結構，在運行時，功率繞組接工頻電源，只需在控制繞組接變頻器，因此所要求的變頻器容量小，故可以降低成本，特別適合于風機和泵類等二次方率負載的節能調速系統，以及風力、水力和潮汐能等可再生能源發電的變速恒頻發電系統。因此，對無刷雙饋電機的研究開發越來越關注，本文對無刷雙饋電機進行建模和特性分析。

1 基于MATLAB/Simulink搭建無刷雙饋電機仿真模型

搭建無刷雙饋電機模型之前，依據選定的坐標系，對電機的d-q數學模型利用坐標變換和電感矩陣變換等手段進行化簡，從而得到更為簡潔的基于轉子速兩相坐標系的數學模型[1-3]，其輸入為電壓變量，輸出為電流變量，中間變量為電流的導數。

在MATLAB/Simulink軟件[4]中，先依據基于轉子速兩相坐標系的無刷雙饋電機的數學模型搭建電機的定子、轉子仿真模型，如圖1所示；然后再結合電機的電磁轉矩方程、電機的運動方程，搭建無刷雙饋電機的仿真模型。

把圖1中定子、轉子的仿真模型的輸出作為系統的輸入，搭建電磁轉矩的仿真模型，如圖2所示。

將上述所建立的各仿真模型封裝成模塊，加上電源，就構成了無刷雙饋電機的數學仿真模型，如圖3所示。

仿真系統中電機的參數如表1所示。

圖1 無刷雙饋電機的定子、轉子仿真模型

圖2 無刷雙饋電機的電磁轉矩仿真模型

2 無刷雙饋電機的開環運行

無刷雙饋電機的功率繞組直接接到工頻電源(380 V/50 Hz)上，控制繞組直接接直流電壓(60 V)，此時，電機工作在雙饋同步運行狀態，現對其進行仿真。2.1 啟動特性仿真

圖4為無刷雙饋電機雙饋同步運行啟動特性。圖4(a)中速度在2 s時由1 000 r/min經過震蕩下降至750 r/min，這是由于2 s之前無刷雙饋電機工作在單饋異步運行狀態進行電機啟動，2 s時無刷雙饋電機的控制繞組加直流電壓，電機工作在雙饋同步運行狀態，電機的速度穩定在750 r/min。

圖3 無刷雙饋電機的數學仿真模型

繞組參數極對數自感(mH)互感(mH)電阻(Ω)轉動慣量(kg·m2)功率繞組3390.330215.3控制繞組14083501.625轉子繞組6506.20.01

圖4(b)是同步過程的轉矩特性。在2 s時，轉矩開始劇烈震蕩變化，震蕩持續0.5 s左右，這個過程即是電機從單饋異步被牽入雙饋同步運行狀態，由于空載啟動，故轉矩最終穩定在零。

圖4(c)是同步過程的功率繞組電流特性。在2 s時，電流開始劇烈震蕩變化，震蕩持續0.5 s左右，這個過程即是電機從單饋異步被牽入雙饋同步運行狀態，由于空載啟動，最后電流穩定在一個較小的值，即電機的空載電流。

圖4(d)是同步過程的控制繞組電流特性。在2 s時，電流開始劇烈震蕩變化，并且是逐漸上升的，這個過程即是電機從單饋異步被牽入雙饋同步運行狀態。雙饋同步運行狀態穩定后，電流最終穩定在一個穩定值。

可見，無刷雙饋電機可以采用先異步啟動，然后再加控制電流牽入同步的啟動方法。該方法簡單，而且適合開環控制。不過，同步過程中會產生沖擊電流，可能會危害電機。

2.2 突變負載特性

當無刷雙饋電機啟動后，在t=1 s時，加負載TL=5 N·m；在t=3 s時，加負載TL1=15 N·m。其仿真結果如圖5所示。

圖5(a)中，不論是第一次加5 N·m負載，還是第二次加15 N·m負載，轉速都會震蕩，但最終都穩定在750 r/min，其后速度大小不再受負載的影響，具有

普通同步電機的速度特性。

圖5(b)中，在增加了負載后，電機的轉矩震蕩變化，最終穩定在一個確定的值，并且這個值隨著負載的增大而增大。

圖4 無刷雙饋電機雙饋同步運行啟動特性

圖5 無刷雙饋電機雙饋同步負載突變特性

3 結語

本文建立了無刷雙饋電機的模型，分析了無刷雙饋電機的單饋異步啟動、雙饋同步運行狀態的開環特性，電機可以工作在單饋、雙饋的運行方式下，另外開環系統仿真也驗證了模型的正確性，為下一步進行閉環系統的仿真打好基礎；同時仿真了無刷雙饋電機在負載突變時電機的速度特性和轉矩特性，展現了其具有普通同步電機的速度不變的優良性能。

[1] 焦衛星，程小華.無刷雙饋電機運行特性的研究與仿真[J].防爆電機，2011(6)：22-25.

[2] Li R, Wallance A K, Spee R.Two-axis modei development of cage-rotor brushless doubly-fed machine[J].IEEE Trans Energy Congversion,1991,6(3):453-456.

[3] Li R, Wallance A K, Spee R. Dynamic simulation of BDFM[J].IEEE Trans Energy Congversion,1991,6(3):445-452.

[4] 王沫然.SIMULINK建模與動態仿真[M].北京：電子工業出版社，2001.

Mathematical Simulation of Brushless Doubly-fed Machine by MATLAB/Simulink

HOU Chun

(Department of Electrical Engineering, Jiangsu Union Technical Institute Electrical Branch of Xuzhou, Xuzhou 221011, China)

The model of a brushless doubly-fed machine is set up, the open-loop characteristics of the brushless doubly-fed are analyzed, and the universal mechanical characteristics of the brushless doubly-fed machine are simulated. The system can work in both single fed mode and double fed mode, the model is verified to be correct by open loop system simulation, to lay the fundation for the next step of the closed-loop system simulation.

mathematical model; open-loop running characteristics; brushless doubly-fed machine

1672- 6413(2015)06- 0078- 02

2014- 12- 08；

2015- 06- 18

侯春(1981-)，女，江蘇徐州人，講師，碩士，主要研究方向為新型電機調速。

TP391.9∶TM32

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