電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

閆瑩

摘 要：本課題首先對DIFG的運(yùn)行理論進(jìn)行分析，建立了DIFG數(shù)學(xué)模型，對坐標(biāo)變換及運(yùn)行特性進(jìn)行了理論研究，為雙饋電機(jī)實(shí)際電路研究奠定了理論基礎(chǔ)。然后設(shè)計出驅(qū)動電路，最后通過軟件仿真，驗(yàn)證設(shè)計模型和電路的正確性。

關(guān)鍵詞：PWM，模型，MATLAB仿真

發(fā)電機(jī)及整個電機(jī)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的核心，它決定著風(fēng)力發(fā)電的效率和發(fā)電容量，發(fā)電系統(tǒng)的性能也決定著風(fēng)力發(fā)電的成本和電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機(jī)的性能和主要特征，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有恒速恒頻和變速變頻兩種發(fā)電技術(shù)。受發(fā)電風(fēng)扇和自然條件限制，市場上主要運(yùn)用變速變頻技術(shù)。

雙饋電機(jī)可以簡單認(rèn)為是兩臺交流電機(jī)相連組成，。定子上有兩套繞組，一套是功率繞組，接工頻電源；另一套是控制繞組，接控制電源。兩套繞組之間通過轉(zhuǎn)子繞組間進(jìn)行功率傳遞，沒有電子耦合。

根據(jù)雙饋電機(jī)原理，分析調(diào)速原理：繞組頻率為f1，U1為固定的三項電源，控制繞組頻率為f2，可調(diào)電源電壓為U2。電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，可以算出電機(jī)同步轉(zhuǎn)速：ns1=60f1/p。

轉(zhuǎn)差率：

感應(yīng)電流頻率： ，

電機(jī)是一種將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，所有電機(jī)中都有氣隙磁場的存在。風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)能通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在無刷雙饋電機(jī)中，機(jī)械能克服氣隙磁場中電磁力所做的功，通過磁生電的過程，不斷的將所產(chǎn)生電能輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換[7]。

Pe2為轉(zhuǎn)子繞組傳送的電功率，為轉(zhuǎn)差率s和電磁功率Pm的乘積；對于投入使用的發(fā)電機(jī)來說，Pm是固定的，所以，s的正負(fù)決定著轉(zhuǎn)子向變頻電源輸出功率或獲取功率。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器連接主側(cè)PWM變換器和雙饋發(fā)電機(jī)。對轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的控制，可以起到控制整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的目的。所以轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器在整個發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的主要作用是實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)對雙饋電機(jī)的矢量控制，實(shí)現(xiàn)有用和無用兩種功率的單獨(dú)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)PWM變換器對不同雙饋發(fā)電機(jī)的有效控制，要對不同的發(fā)電系統(tǒng)制定不同的PWM變換器控制方案。雙饋型發(fā)電系統(tǒng)是一種高階、非線性系統(tǒng)，對其有效控制有一定的難度。如果要想達(dá)到對發(fā)電系統(tǒng)中有用功率和無用功率的控制，必須實(shí)現(xiàn)功率解耦，可以通過坐標(biāo)變換簡化雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中無功功率和有功功率的分別控制。使發(fā)電機(jī)能夠捕獲最大風(fēng)能，運(yùn)行在最大功率狀態(tài)下。

對DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的控制主要是達(dá)到對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速大小實(shí)時調(diào)整，使定子側(cè)輸出恒定頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻。從DFIG的矢量數(shù)學(xué)模型可以看出，三相坐標(biāo)系下的DFIG特別復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)對其控制系統(tǒng)的設(shè)計，而同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的DFIG模型比較簡單，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電流、電壓等都可以看作靜止的直流量。

矢量控制技術(shù)是目前應(yīng)用最多的一種電機(jī)控制技術(shù)，在保持功率不變的情況下，空間坐標(biāo)矢量變換，可以將三相交流電機(jī)模型看成兩相交流模型來研究，使研究過程變得簡單，將原來的耦合項解耦，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的獨(dú)立控制。就雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來看，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電流是一個強(qiáng)耦合系統(tǒng)，應(yīng)利用矢量控制技術(shù)將其解耦成有功分量和無功分量，再對兩個分量分別制。

對DFIG的數(shù)學(xué)模型的研究，同樣需要對其進(jìn)行解耦，因?yàn)槿囔o止條件下，DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性系統(tǒng)，對其分析設(shè)計有很大難度。通過坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)使轉(zhuǎn)子中的有功功率和無功功率解耦分離，實(shí)現(xiàn)對其分別控制。

本文的仿真軟件選擇MATLAB ，MATLAB在計算機(jī)輔助設(shè)計方面應(yīng)用廣泛，是國際上最常用的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計的語言和軟件工具。MATLAB具有簡單的操作界面，有一定軟件基礎(chǔ)的人都可以在短期內(nèi)掌握其應(yīng)用技巧，在程序移植及可視化仿真方面，MATLAB更具優(yōu)勢。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式和電機(jī)運(yùn)動方程式，我們可以得到無刷雙饋電機(jī)在d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。

我們將此模型變換成狀態(tài)方程的形式，建立無刷雙饋電機(jī)的動態(tài)仿真模型。

對設(shè)計的仿真結(jié)果如下：

本文還有許多不足之處。并且由于時間倉促和本人實(shí)踐水平有限，基于MATLAB的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)知識在理論支持階段，而且只完成了部分工作并沒有進(jìn)行仿真與測試，電流的抗干擾性能及控制算法是否有效，還需在系統(tǒng)完成后才能得到檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀益康，劉其輝.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制策略研究[J].高技術(shù)通訊 2003， （12）：11-14

[2] Y.D.Song and B.Dhinakaran.Variable Speed Control of Wind Turbines[J].Proceedingof the 1999 IEEE International Conference on Control Applications， 1999： 814-819endprint

摘 要：本課題首先對DIFG的運(yùn)行理論進(jìn)行分析，建立了DIFG數(shù)學(xué)模型，對坐標(biāo)變換及運(yùn)行特性進(jìn)行了理論研究，為雙饋電機(jī)實(shí)際電路研究奠定了理論基礎(chǔ)。然后設(shè)計出驅(qū)動電路，最后通過軟件仿真，驗(yàn)證設(shè)計模型和電路的正確性。

關(guān)鍵詞：PWM，模型，MATLAB仿真

發(fā)電機(jī)及整個電機(jī)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的核心，它決定著風(fēng)力發(fā)電的效率和發(fā)電容量，發(fā)電系統(tǒng)的性能也決定著風(fēng)力發(fā)電的成本和電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機(jī)的性能和主要特征，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有恒速恒頻和變速變頻兩種發(fā)電技術(shù)。受發(fā)電風(fēng)扇和自然條件限制，市場上主要運(yùn)用變速變頻技術(shù)。

雙饋電機(jī)可以簡單認(rèn)為是兩臺交流電機(jī)相連組成，。定子上有兩套繞組，一套是功率繞組，接工頻電源；另一套是控制繞組，接控制電源。兩套繞組之間通過轉(zhuǎn)子繞組間進(jìn)行功率傳遞，沒有電子耦合。

根據(jù)雙饋電機(jī)原理，分析調(diào)速原理：繞組頻率為f1，U1為固定的三項電源，控制繞組頻率為f2，可調(diào)電源電壓為U2。電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，可以算出電機(jī)同步轉(zhuǎn)速：ns1=60f1/p。

轉(zhuǎn)差率：

感應(yīng)電流頻率： ，

電機(jī)是一種將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，所有電機(jī)中都有氣隙磁場的存在。風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)能通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在無刷雙饋電機(jī)中，機(jī)械能克服氣隙磁場中電磁力所做的功，通過磁生電的過程，不斷的將所產(chǎn)生電能輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換[7]。

Pe2為轉(zhuǎn)子繞組傳送的電功率，為轉(zhuǎn)差率s和電磁功率Pm的乘積；對于投入使用的發(fā)電機(jī)來說，Pm是固定的，所以，s的正負(fù)決定著轉(zhuǎn)子向變頻電源輸出功率或獲取功率。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器連接主側(cè)PWM變換器和雙饋發(fā)電機(jī)。對轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的控制，可以起到控制整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的目的。所以轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器在整個發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的主要作用是實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)對雙饋電機(jī)的矢量控制，實(shí)現(xiàn)有用和無用兩種功率的單獨(dú)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)PWM變換器對不同雙饋發(fā)電機(jī)的有效控制，要對不同的發(fā)電系統(tǒng)制定不同的PWM變換器控制方案。雙饋型發(fā)電系統(tǒng)是一種高階、非線性系統(tǒng)，對其有效控制有一定的難度。如果要想達(dá)到對發(fā)電系統(tǒng)中有用功率和無用功率的控制，必須實(shí)現(xiàn)功率解耦，可以通過坐標(biāo)變換簡化雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中無功功率和有功功率的分別控制。使發(fā)電機(jī)能夠捕獲最大風(fēng)能，運(yùn)行在最大功率狀態(tài)下。

對DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的控制主要是達(dá)到對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速大小實(shí)時調(diào)整，使定子側(cè)輸出恒定頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻。從DFIG的矢量數(shù)學(xué)模型可以看出，三相坐標(biāo)系下的DFIG特別復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)對其控制系統(tǒng)的設(shè)計，而同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的DFIG模型比較簡單，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電流、電壓等都可以看作靜止的直流量。

矢量控制技術(shù)是目前應(yīng)用最多的一種電機(jī)控制技術(shù)，在保持功率不變的情況下，空間坐標(biāo)矢量變換，可以將三相交流電機(jī)模型看成兩相交流模型來研究，使研究過程變得簡單，將原來的耦合項解耦，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的獨(dú)立控制。就雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來看，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電流是一個強(qiáng)耦合系統(tǒng)，應(yīng)利用矢量控制技術(shù)將其解耦成有功分量和無功分量，再對兩個分量分別制。

對DFIG的數(shù)學(xué)模型的研究，同樣需要對其進(jìn)行解耦，因?yàn)槿囔o止條件下，DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性系統(tǒng)，對其分析設(shè)計有很大難度。通過坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)使轉(zhuǎn)子中的有功功率和無功功率解耦分離，實(shí)現(xiàn)對其分別控制。

本文的仿真軟件選擇MATLAB ，MATLAB在計算機(jī)輔助設(shè)計方面應(yīng)用廣泛，是國際上最常用的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計的語言和軟件工具。MATLAB具有簡單的操作界面，有一定軟件基礎(chǔ)的人都可以在短期內(nèi)掌握其應(yīng)用技巧，在程序移植及可視化仿真方面，MATLAB更具優(yōu)勢。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式和電機(jī)運(yùn)動方程式，我們可以得到無刷雙饋電機(jī)在d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。

我們將此模型變換成狀態(tài)方程的形式，建立無刷雙饋電機(jī)的動態(tài)仿真模型。

對設(shè)計的仿真結(jié)果如下：

本文還有許多不足之處。并且由于時間倉促和本人實(shí)踐水平有限，基于MATLAB的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)知識在理論支持階段，而且只完成了部分工作并沒有進(jìn)行仿真與測試，電流的抗干擾性能及控制算法是否有效，還需在系統(tǒng)完成后才能得到檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀益康，劉其輝.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制策略研究[J].高技術(shù)通訊 2003， （12）：11-14

[2] Y.D.Song and B.Dhinakaran.Variable Speed Control of Wind Turbines[J].Proceedingof the 1999 IEEE International Conference on Control Applications， 1999： 814-819endprint

摘 要：本課題首先對DIFG的運(yùn)行理論進(jìn)行分析，建立了DIFG數(shù)學(xué)模型，對坐標(biāo)變換及運(yùn)行特性進(jìn)行了理論研究，為雙饋電機(jī)實(shí)際電路研究奠定了理論基礎(chǔ)。然后設(shè)計出驅(qū)動電路，最后通過軟件仿真，驗(yàn)證設(shè)計模型和電路的正確性。

關(guān)鍵詞：PWM，模型，MATLAB仿真

發(fā)電機(jī)及整個電機(jī)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的核心，它決定著風(fēng)力發(fā)電的效率和發(fā)電容量，發(fā)電系統(tǒng)的性能也決定著風(fēng)力發(fā)電的成本和電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機(jī)的性能和主要特征，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有恒速恒頻和變速變頻兩種發(fā)電技術(shù)。受發(fā)電風(fēng)扇和自然條件限制，市場上主要運(yùn)用變速變頻技術(shù)。

雙饋電機(jī)可以簡單認(rèn)為是兩臺交流電機(jī)相連組成，。定子上有兩套繞組，一套是功率繞組，接工頻電源；另一套是控制繞組，接控制電源。兩套繞組之間通過轉(zhuǎn)子繞組間進(jìn)行功率傳遞，沒有電子耦合。

根據(jù)雙饋電機(jī)原理，分析調(diào)速原理：繞組頻率為f1，U1為固定的三項電源，控制繞組頻率為f2，可調(diào)電源電壓為U2。電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，可以算出電機(jī)同步轉(zhuǎn)速：ns1=60f1/p。

轉(zhuǎn)差率：

感應(yīng)電流頻率： ，

電機(jī)是一種將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，所有電機(jī)中都有氣隙磁場的存在。風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)能通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在無刷雙饋電機(jī)中，機(jī)械能克服氣隙磁場中電磁力所做的功，通過磁生電的過程，不斷的將所產(chǎn)生電能輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換[7]。

Pe2為轉(zhuǎn)子繞組傳送的電功率，為轉(zhuǎn)差率s和電磁功率Pm的乘積；對于投入使用的發(fā)電機(jī)來說，Pm是固定的，所以，s的正負(fù)決定著轉(zhuǎn)子向變頻電源輸出功率或獲取功率。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器連接主側(cè)PWM變換器和雙饋發(fā)電機(jī)。對轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的控制，可以起到控制整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的目的。所以轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器在整個發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的主要作用是實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)對雙饋電機(jī)的矢量控制，實(shí)現(xiàn)有用和無用兩種功率的單獨(dú)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)PWM變換器對不同雙饋發(fā)電機(jī)的有效控制，要對不同的發(fā)電系統(tǒng)制定不同的PWM變換器控制方案。雙饋型發(fā)電系統(tǒng)是一種高階、非線性系統(tǒng)，對其有效控制有一定的難度。如果要想達(dá)到對發(fā)電系統(tǒng)中有用功率和無用功率的控制，必須實(shí)現(xiàn)功率解耦，可以通過坐標(biāo)變換簡化雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中無功功率和有功功率的分別控制。使發(fā)電機(jī)能夠捕獲最大風(fēng)能，運(yùn)行在最大功率狀態(tài)下。

對DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的控制主要是達(dá)到對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速大小實(shí)時調(diào)整，使定子側(cè)輸出恒定頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻。從DFIG的矢量數(shù)學(xué)模型可以看出，三相坐標(biāo)系下的DFIG特別復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)對其控制系統(tǒng)的設(shè)計，而同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的DFIG模型比較簡單，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電流、電壓等都可以看作靜止的直流量。

矢量控制技術(shù)是目前應(yīng)用最多的一種電機(jī)控制技術(shù)，在保持功率不變的情況下，空間坐標(biāo)矢量變換，可以將三相交流電機(jī)模型看成兩相交流模型來研究，使研究過程變得簡單，將原來的耦合項解耦，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的獨(dú)立控制。就雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來看，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電流是一個強(qiáng)耦合系統(tǒng)，應(yīng)利用矢量控制技術(shù)將其解耦成有功分量和無功分量，再對兩個分量分別制。

對DFIG的數(shù)學(xué)模型的研究，同樣需要對其進(jìn)行解耦，因?yàn)槿囔o止條件下，DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性系統(tǒng)，對其分析設(shè)計有很大難度。通過坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)使轉(zhuǎn)子中的有功功率和無功功率解耦分離，實(shí)現(xiàn)對其分別控制。

本文的仿真軟件選擇MATLAB ，MATLAB在計算機(jī)輔助設(shè)計方面應(yīng)用廣泛，是國際上最常用的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計的語言和軟件工具。MATLAB具有簡單的操作界面，有一定軟件基礎(chǔ)的人都可以在短期內(nèi)掌握其應(yīng)用技巧，在程序移植及可視化仿真方面，MATLAB更具優(yōu)勢。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式和電機(jī)運(yùn)動方程式，我們可以得到無刷雙饋電機(jī)在d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。

我們將此模型變換成狀態(tài)方程的形式，建立無刷雙饋電機(jī)的動態(tài)仿真模型。

對設(shè)計的仿真結(jié)果如下：

本文還有許多不足之處。并且由于時間倉促和本人實(shí)踐水平有限，基于MATLAB的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)知識在理論支持階段，而且只完成了部分工作并沒有進(jìn)行仿真與測試，電流的抗干擾性能及控制算法是否有效，還需在系統(tǒng)完成后才能得到檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀益康，劉其輝.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制策略研究[J].高技術(shù)通訊 2003， （12）：11-14

[2] Y.D.Song and B.Dhinakaran.Variable Speed Control of Wind Turbines[J].Proceedingof the 1999 IEEE International Conference on Control Applications， 1999： 814-819endprint