無刷雙饋電動機功率因數(shù)特性控制技術研究

郝 鵬，王 正

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無刷雙饋電動機功率因數(shù)特性控制技術研究

郝 鵬，王 正

（沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽 110870）

目前，國內(nèi)對無刷雙饋電動機功率因數(shù)的研究成果中定性分析多，實驗數(shù)據(jù)少，而功率因數(shù)低是一直制約其工業(yè)化的關鍵問題。本文以無刷雙饋電動機數(shù)學模型為基礎，根據(jù)磁場定向矢量控制原理，建立控制繞組電流與功率繞組有功分量與無功分量的關系，進而推導出功率因數(shù)與控制繞組電流和電機參數(shù)之間的關系式并對無刷雙饋電動機功率因數(shù)控制技術進行理論分析，同時研制了30kW實驗樣機進行實驗研究。理論分析和實驗表明，所提出的無刷雙饋電動機功率因數(shù)控制技術是可行的，由此可提高系統(tǒng)運行效率和穩(wěn)定性。

無刷雙饋電動機；功率因數(shù)特性；矢量控制；有功功率；無功功率

0 前言

無刷雙饋電機(brushless doubly-fed machine，BDFM)是一種新型交流電機，電機定子上嵌有兩套繞組，分別是功率繞組和控制繞組，轉子結構分為磁阻型、籠型、繞線型和混合型，因此電機的特性也不相同。本文BDFM采用磁阻轉子結構。BDFM 既可作為變速恒頻發(fā)電機，也可作為變頻調速電動機。作為電動機運行時，功率繞組直接接工頻電源，控制繞組接逆變器，調節(jié)逆變器輸出電壓的頻率、幅值和相位，可以調節(jié)電機的轉速和功率因數(shù)。與傳統(tǒng)電機相比，無刷雙饋電機的優(yōu)勢在于：取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時所要求的變頻裝置容量較小，僅為轉差功率，大大降低了系統(tǒng)的成本。因此無刷雙饋電動機廣泛應用于大功率的風機、泵類負載的節(jié)能變頻調速中，具有十分廣闊的應用前景[1, 2-4]。文基于BDFM功率因數(shù)低的問題，采用矢量控制策略，功率繞組電流全部提供轉矩電流，控制繞組電流提供勵磁電流，從而實現(xiàn)功率繞組功率因數(shù)校正目的。

1 無刷雙饋電動機工作原理

BDFM可運行在三種不同狀態(tài)：（1）異步運行狀態(tài)，功率繞組接入電網(wǎng)電源，控制繞組串接啟動電阻，實現(xiàn)自起動異步運行；（2）同步運行狀態(tài)，電機穩(wěn)定運行時，控制繞組通入直流電流進行勵磁，改變勵磁電流大小，可實現(xiàn)電機功率因數(shù)調節(jié)；（3）雙饋運行狀態(tài)，控制繞組由變頻裝置供電，通過調節(jié)控制繞組電流幅值、頻率和相位來實現(xiàn)變頻調速,同時可以調節(jié)功率因數(shù)[4]。BDFM結構如圖1所示。

圖1 無刷雙饋電機結構圖

無刷雙饋電機功率繞組接工頻電源（p），控制繞組接變頻電源（c），由于定子兩套繞組同時有電流流過，因此在氣隙中產(chǎn)生兩個不同極對數(shù)的磁場，這兩個磁場通過轉子的調制發(fā)生交叉耦合，從而實現(xiàn)能量傳遞。經(jīng)分析，可得穩(wěn)態(tài)運行時轉子轉速表達式為[5]：

2 無刷雙饋電動機數(shù)學模型

在轉子速dq坐標下，BDFM的電壓、磁鏈、功率方程分別為[6-7]：

（1）電壓方程

（2）磁鏈方程

（3）轉矩方程

電機的電磁轉矩表示為：

（4）功率方程

（5）功率因數(shù)方程

功率繞組的功率因數(shù)為[9]：

3 無刷雙饋電動機矢量控制策略

3.1 矢量原理圖

由上述矢量原理圖可得：

由式上式可得：

由此可計算出控制繞組電流幅值與相位。

3.2 控制原理圖

圖3 無刷雙饋電動機矢量控制系統(tǒng)

4 仿真結果分析

為了驗證上述控制策略的正確性，根據(jù)無刷雙饋電機的數(shù)學模型，利用 Matlab / Simulink 搭建了無刷雙饋電機的仿真模型[10-12]，電機相關參數(shù)見表1。

表1 BDFM 參數(shù)表

BDFM由異步起動，遷入同步運行，達到同步轉速時切入超同步運行，電機轉速如圖4所示。電動機在0.8s時負載由20N增加至40N，電磁轉矩如圖5所示，經(jīng)過微小的震蕩后進入平穩(wěn)狀態(tài)。此時測得控制繞組電流變化波形如圖6所示，功率繞組電流變化波形如圖7所示，由圖可以看出，隨負載增加時控制繞組和功率繞組電流都變大，并且功率繞組電流跟隨性能更好，也即功率繞組提供更大的轉矩，控制繞組提供部分轉矩，與理論分析相一致。

圖4 轉速曲線

圖5 負載變化曲線

圖6 控制繞組A相電流曲線

圖7 功率繞組A相電流曲線

5 實驗驗證

實驗樣機額定功率為30kW，功率繞組極對數(shù)為3，控制繞組極對數(shù)為1，同步轉速為750r/min，負載由電勵磁發(fā)電機與交流智能假負載（電阻性負載）組成，實物圖如圖8所示。實驗在1000r/min轉速下進行加載，如圖9所示，得出不同負載與控制繞組電流(a)、功率繞組電流(b)、功率繞組功率因數(shù)的曲線(c)，控制繞組電流與功率繞組功率因數(shù)曲線(d)。同理，在轉速為1200r/min下，如圖10所示，得出不同負載與控制繞組電流(a)、功率繞組電流(b)、功率繞組功率因數(shù)的曲線(c)，控制繞組電流與功率繞組功率因數(shù)曲線(d)。由實驗結果可以看出在不同轉速下，無刷雙饋電動機功率繞組和控制繞組的電流隨負載增加而隨之增大趨勢，最后隨著控制繞組電流的增大，功率繞組功率因數(shù)在增加，與理論分析一致，從而驗證了控制策略的可行性。

6 結論

本文在無刷雙饋電動機數(shù)學模型的基礎上，通過矢量控制原理，建立了功率繞組有功功率和無功功率與控制繞組電流之間的關系，并對功率繞組功率因數(shù)特性進行了深入分析，提出了一種新的無刷雙饋電動機的控制方法，實現(xiàn)了無刷雙饋電動機雙饋穩(wěn)定運行時功率繞組功率因數(shù)校正的目的。通過仿真和實驗，驗證了該方法的可行性。本文的控制方法為無刷雙饋電機的變頻調速提供了一條新的思路。

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Research on Power Factor Control of Brushless Doubly-fed Motors

HAO Peng, WANG Zheng

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

At present, there are many qualitative researches on the power factor of brushless doubly-fed motors in China. But there are few experimental data, and low power factor is a key issue that has always restricted its industrialization.Based on the mathematical model of brushless doubly-fed motor, this paper establishes the relationship between the control winding current and the active component and reactive component of the power winding according to the principle of field-oriented vector control, and then derives the relationship between the power factor and the control winding current and motor parameters, as well as power factor control features. The theoretical analysis of the power factor control technology of the brushless doubly-fed motor was carried out, and a 30 kW prototype for experimental research was developed. Theoretical analysis and experiments show that the proposed brushless doubly-fed motor power factor control technology is feasible, thereby improving the system operating efficiency and stability.

brushless doubly-fed motor; power factor characteristics; vector control; active power; reactive power

TM301.2

A

1000-3983(2018)05-0042-06

2018-06-12

郝鵬（1988-），沈陽工業(yè)大學碩士研究生，研究方向電力電子與電力傳動。