基于无刷双馈感应电机无速度传感器控制方法研究.pdf

第 卷 年第 期 月.基于无刷双馈感应电机无速度传感器控制方法研究邱 燕(陕西国防工业职业技术学院 西安)摘 要:本文对无刷双馈电机在独立发电系统下的直接电压控制方案中引入了无速度传感器策略 并对它的稳定性进行了分析针对不平衡特殊负载条件下的工况 在无速度传感器控制策略中加入了特殊设计的负序控制环节实现了改进和优化 保证了在各种负载条件下系统输出 线电压始终为对称的正弦波 仿真和实验结果表明在引入无速度传感器控制策略后 独立发电系统仍能保持优良的特性 在多种运行工况下均能满足各项性能指标要求关键词:无刷双馈电动机 控制策略 数学模型 仿真中图分类号:文献标志码:文章编号:()():().:收稿日期:作者简介:邱 燕()女 硕士 副教授 研究方向为控制理论与控制工程 引 言无刷双馈感应电动机(简称)也称为无刷双馈感应发电机 是近些年新开发的一种变频调速电动机与传统感应发电机相比 采用了双馈技术即转子不仅有传统的异步电机运行的功率绕组 还加上了一个可变电抗的控制绕组 通过控制转子的控制绕组 可以实现对电机的转速和功率因数的控制 使得 在风力发电、海洋能发电等领域具有重要的应用价值 此外 相比传统的滑环感应发电机具有较小的机械损耗和较高的效率 是一种具有发展前景的新型发电机 独立发电系统存在两套定子绕组 值得解释的是 无刷双馈电机具有功率绕组()、控制绕组()两套定子绕组和一套特殊设计的转子绕组 两套绕组磁场之间并没有直接耦合 能量通过转子磁场传递 通过转子的耦合作用 对两套定子绕组产生的不同极数旋转磁场进行调制 从而实现电机的机电能量转换与传递 因而有两对易测得的电压、电流信号可用作转速观测:电压、电流信号和 电压、电流信号 但是其数学模型也较为复杂 需要选取合适的测量信号及观测方法来实现 同时还需要综合考虑实现的复杂性、系统的鲁棒性等因素在 独立发电系统中 经常会接入不平衡负载、非线性负载 进而导致 电压、电流畸变因此 磁链难以准确地进行估计 最终将导致 卷观测得到的转速不准确 此外电机参数的变化也将降低了观测器的鲁棒性 基于转子位置锁相环的转速观测器为了克服上面所提到的问题 需要一种不依赖于电机参数 不通过观测电机磁链而直接进行转速观测的 下面将首先对两相静止 坐标系锁相环进行介绍 通常惯用的两相旋转 坐标系锁相环结构如图 所示 它利用估计出的电压相位对三相电压进行同步旋转变换 对变换得到的 轴分量进行 调节 在此过程中根据 轴分量是否为 对电压相位估计值不断进行修正 当电压 轴分量为 时 即实现了对三相电压相位、幅值和频率的准确跟踪 图中 表示三相电压 表示电压矢量的 和 分量 表示电压矢量的 和 分量 代表实际和估计电压矢量相角 代表电压矢量估计角频率和额定角频率图 坐标系锁相环算法结构两相静止 坐标系锁相环无需对电压进行旋转坐标变换 直接在两相静止坐标系下进行锁相 利用三角函数关系式来进行变量与角度的对应以及相位的自适应可利用 控制器调节以达到过零目的 从而实现了电压矢量的锁相 同时为了提升锁相环启动时的动态响应 在 控制器输出处加入了额定角频率作为前馈补偿 估计的相角由估计的角频率积分得到 整个两相静止坐标系下锁相环结构如图 所示图 坐标系锁相环算法结构 非常规负载对转速观测的影响独立发电系统的负载包括三相负载(如泵机、风机)单相负载(如空调、照明装置、通信设备)和非线性负载(如二极管整流器)即使将单相负载均匀地接入系统 由于使用时的随机性 独立发电系统的仍可能会运行在不平衡负载状态 不平衡的负载将导致不平衡的 三相电流 进而在 的三相阻抗上产生不同的电压降 最终将导致 机端三相电压的不平衡 如图 所示图 不平衡负载对独立发电系统机端电压的影响由对称分量法可知 机端电压中含有负序分量 当独立发电系统中接入非线性负载时 同理 机端电压中将会含有明显的谐波分量 如图 所示图 非线性负载对独立发电系统机端电压的影响 机端电压将发生畸变 尽管 是通过变流器供电而其电压的控制与畸变的 电压无关 但是 电流中将由于 和 的间接耦合而含有明显的谐波含量 畸变的 电压和 电流将导致采用上述转子位置锁相环时转子速度观测的不准确因此 综合上述分析可知 基本的转子位置锁相环在不对称或非线性负载时不能获得准确的转速 基本的无速度传感器直接电压控制策略 将 的统一 坐标系设定为 同步坐标系 也即使得 在此基础上 可以推导得到 电流和 电压之间的关系为 和 之间互为交叉耦合 可以被视为跟随转速 变化的低频扰动其可以分为三部分:电压幅值控制、频率(或相位)控制和 电流的内环控制 对于电压幅值控制 可以通过 调节器调节控制绕组电流幅值来改变励磁电动势的大小 进而在各种情况下维持系统输出电压幅值的恒定 根据稳态关系式可知 期邱 燕:基于无刷双馈感应电机无速度传感器控制方法研究 频率控制可以通过调节 频率来实现 因此 频率控制需要转速信息 如图 所示 转速是通过对转子位置进行微分操作获得 转子位置传感器的有限精度和程序周期时间内的抖动会在微分操作的结果中引入太多的高频噪声 因此需要一个低通滤波器()来消除噪声图 基本的 独立发电系统直接电压控制框图除此之外 电压的 轴分量的稳态值不为 将导致 电压的实际相角偏离给定值 此时若进行并网操作 有可能会引入冲击电流 因此 需要采取相应措施对该状态下的相位误差予以消除 基于转速观测器的前馈补偿被引入 电压相位控制环 采用前馈补偿后 电压幅值在转速变化过程中基本保持为恒定 在加减载过程中存在一定的跌落和抬升 而 电压的 轴分量稳态值在转速变化时明显降低 几乎为 很好地解决了该过程中的相位偏移问题 且在负载变化时仍具有较好的动态响应性能 通过选取合适的 控制器参数 控制系统的稳定性便可以得到保证 无速度传感器控制方法中的 个 控制器参数均可以采用 方法进行整定 该方法不需要精确的无刷双馈电机参数信息在变转速状态下的负载变化过程中 在 转速从 /上升到 /阻性负载在约 时刻以阶跃形式从 增加到 当负载变化时 电压的 轴分量跌落为参考值的左右并在 内恢复 在转速变化过程中 电压的 轴分量的稳态值大约为 意味着功率表绕组电压的实际相角和参考相角之间相差大约 因此低于独立发电系统中的最大电压相角误差值为 当负载变化时 电压的 轴分量迅速下降至接近为 并在大约 内返回稳态值由此可知 无速度传感器策略在一定程度上可以满足独立发电系统应用对于稳态和动态性能的要求 系统仿真模型当电机运行在转速上升或者下降状态时 电压的 轴分量的稳态值将不为 这是由于转速变化时需要相位偏移来使得参考 频率变化以维持 频率恒定 因此 可以利用 电压 轴分量来控制 电压幅值 为了验证算法的可行性 在/中搭建了 独立发电控制系统仿真模型 仿真模型中使用的电机参数来源于一台 的 原型样机 除此之外 电压的 轴分量的稳态值不为 将导致 电压的实际相角偏离给定值 此时若进行并网操作 有可能会引入冲击电流 因此 需要采取相应措施对该状态下的相位误差予以消除 基于转速观测器的前馈补偿被引入 电压相位控制环 如图 所示图 变转速状态下负载变化的实验结果为了取得正确的坐标变换角度 需要在 负序电压补偿策略的坐标变换环节中加入相角误差补 卷偿 如图 所示图 加入 负序电压补偿策略和相角误差补偿的仿真结果 结 语上述研究详细介绍了基于 的双电气端口特性 研究了基于功率绕组电压和控制绕组电流的转速观测器 分析了该观测器在不对称负载和非线性负载下运行时的特点 并有针对性地提出了一种改进转速观测器 然后 研究了独立发电系统的无速度传感器直接电压控制策略 研究表明基本的无速度传感器直接电压控制策略在转速快速变化的情况下存在较明显的 电压相位误差 为了实现精确的相位控制 一种在相位控制环中加入前馈补偿的改进控制策略被提出 速度观测器和控制策略相应的仿真和实验结果也验证了这种策略针对 系统的新特性对其进行特殊设计或改进是很有必要的参考文献 .:.():.:.():.年珩 周波.不平衡负载下 的孤岛运行控制技术.电力电子技术 ():.刘毅.无刷双馈电机独立发电系统控制方法研究.武汉:华中科技大学.陈辉华.离网型双馈风力发电系统的控制策略研究.长沙:中南大学.陈昕.无刷双馈电机的转子结构及电机在独立发电系统中的应用.武汉:华中科技大学.李时杰.基于 变流技术的调速系统的研究.北京:中国科学院研究生院(电工研究所).(上接第 页).().章振宇 周萍 王思洋.单通道旋转弹电动舵机控制系统的设计.电子测量技术 ():.姚秋实 李立京.小型旋转弹电动舵机控制系统的设计与实现.自动化与仪表 ():.刘晓琳 谢孟岑.飞机舵机电动伺服系统的摩擦补偿控制策略.组合机床与自动化加工技术():.王怡怡 赵志良.二自由度无人直升机的非线性自抗扰姿态控制.自动化学报 ():.杨亮亮 时军 鲁文其 等.直线伺服系统时滞参数辨识与补偿研究.机械工程学报 ():.