基于M/ATLAB／Simulink的無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)仿真
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侯春
(江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電分院電氣工程系，江蘇 徐州 2 21011)
摘要：建立了無(wú)刷雙饋電機(jī)的模型，對(duì)其開環(huán)特性進(jìn)行了分析，并對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)異步、同步通用的機(jī)械特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；通過開環(huán)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了模型的正確性，為下一步閉環(huán)系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)做好鋪墊。
關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型；開環(huán)運(yùn)行特性；無(wú)刷雙饋電機(jī)
中圖分類號(hào)：TP391.9：TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0 引言
無(wú)刷雙饋電機(jī)定子側(cè)有兩套繞組，分別為功率繞組和控制繞組，繞組的結(jié)構(gòu)與三相異步電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)不同，但繞組的名稱與普通單相異步電動(dòng)機(jī)有些類似。無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以是改進(jìn)型的鼠籠型，也可以是磁阻式結(jié)構(gòu)，雖然轉(zhuǎn)子為普通結(jié)構(gòu)，但是由于其具有兩套定子繞組，從而使無(wú)刷雙饋電機(jī)既具有繞線式異步電機(jī)的特性，同時(shí)還具有同步電機(jī)的特性。因此，無(wú)刷雙饋電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)使用，也可以作為發(fā)電機(jī)使用。無(wú)刷雙饋電機(jī)由于其特殊的定子結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時(shí)，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(fēng)機(jī)和泵類等二次方率負(fù)載的節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)，以及風(fēng)力、水為和潮汐能等可再生能源發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。因此，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究開發(fā)越來(lái)越關(guān)注，本文對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行建模和特性分析。
1 基于MATLAB/Simulink搭建無(wú)刷雙饋電機(jī)仿真模型
搭建無(wú)刷雙饋電機(jī)模型之前，依據(jù)選定的坐標(biāo)系，對(duì)電機(jī)的d-q數(shù)學(xué)模型利用坐標(biāo)變換和電感矩陣變換等手段進(jìn)行化簡(jiǎn)，從而得到更為簡(jiǎn)潔的基于轉(zhuǎn)子速兩相坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)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(dǎo)數(shù)。
在MATLAB/Simulink軟件[4] 中，先依據(jù)基于轉(zhuǎn)子速兩相坐標(biāo)系的無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型搭建電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子仿真模型，如圖1所示；然后再結(jié)合電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程、電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，搭建無(wú)刷雙饋電機(jī)的仿真模型。
把圖1中定子、轉(zhuǎn)子的仿真模型的輸出作為系統(tǒng)的輸入，搭建電磁轉(zhuǎn)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(gòu)成了無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)仿真模型，如圖3 所示。
仿真系統(tǒng)中電機(jī)的參數(shù)如表1所示。
2 無(wú)刷雙饋電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行
無(wú)刷雙饋電機(jī)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(60V)此時(shí)，電機(jī)工作在雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行仿真
2.1 啟動(dòng)特性仿真
圖4為無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋同步運(yùn)行啟動(dòng)特性。圖4(a)中速度在2s時(shí)由1 000 r／min經(jīng)過震蕩下降至750 r/min，這是由于2s之前無(wú)刷雙饋電機(jī)工作在單饋異步運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)，2s時(shí)無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制繞組加直流電壓，電機(jī)工作在雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的速度穩(wěn)定在750 r/min。
圖4(b)是同步過程的轉(zhuǎn)矩特性。在2s時(shí)，轉(zhuǎn)矩開始劇烈震蕩變化，震蕩持續(xù)0.5 s左右，這個(gè)過程即是電機(jī)從單饋異步被牽入雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)，由于空載啟動(dòng)，故轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在零。
圖4(c)是同步過程的功率繞組電流特性。在2s時(shí)，電流開始劇烈震蕩變化，震蕩持續(xù)0.5 s左右，這個(gè)過程即是電機(jī)從單饋異步被牽入雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)．由于空載啟動(dòng)，最后電流穩(wěn)定在一個(gè)較小的值，即毫機(jī)的空載電流。
圖4(d)是同步過程的控制繞組電流特性。在2s對(duì)．電流開始劇烈震蕩變化，并且是逐漸上升的，這個(gè)過程即是電機(jī)從單饋異步被牽入雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)。雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后，電流最終穩(wěn)定在一個(gè)穩(wěn)定值。
可見，無(wú)刷雙饋電機(jī)可以采用先異步啟動(dòng)，然后再加控制電流牽入同步的啟動(dòng)方法。該方法簡(jiǎn)單，而且適合開環(huán)控制。不過，同步過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，可能會(huì)危害電機(jī)。
2．2 突變負(fù)載特性
當(dāng)無(wú)刷雙饋電機(jī)啟動(dòng)后，在t=1s時(shí)，加負(fù)載TL=5N．m；在t=3 s時(shí)，加負(fù)載TL1=15 N．m。
其仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5(a)中，不論是第一次加5N.m負(fù)載，還是第二次加15 N.m負(fù)載，轉(zhuǎn)速都會(huì)震蕩，但最終都穩(wěn)定在750 r／min，其后速度大小不再受負(fù)載的影響，具有普通同步電機(jī)的速度特性。
圖5(b)中，在增加了負(fù)載后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩震蕩變化，最終穩(wěn)定在一個(gè)確定的值，并且這個(gè)值隨著負(fù)載的增大而增大。
3 結(jié)語(yǔ)
本文建立了無(wú)刷雙饋電機(jī)的模型，分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的單饋異步啟動(dòng)、雙饋同步運(yùn)行狀態(tài)的開環(huán)特性，電機(jī)可以工作在單饋、雙饋的運(yùn)行方式下，另外開環(huán)系統(tǒng)仿真也驗(yàn)證了模型的正確性，為下一步進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真打好基礎(chǔ)；同時(shí)仿真了無(wú)刷雙饋電機(jī)在負(fù)載突變時(shí)電機(jī)的速度特性和轉(zhuǎn)矩特性，展現(xiàn)了其具有普通同步電機(jī)的速度不變的優(yōu)良性能。
參考文獻(xiàn)：
[1]焦衛(wèi)星，程小華，無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性的研究與仿真 [J].防爆電機(jī)，2011(6)：22-25．
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[4] 王沫然．SIMULINK建模與動(dòng)態(tài)仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2001.
