基于MATLAB/Simulink的无刷双馈电机的数学仿真

侯 春

(江苏省联合职业技术学院 徐州机电分院 电气工程系，江苏 徐州 221011)

基于MATLAB/Simulink的无刷双馈电机的数学仿真

侯 春

(江苏省联合职业技术学院 徐州机电分院 电气工程系，江苏 徐州 221011)

建立了无刷双馈电机的模型，对其开环特性进行了分析，并对无刷双馈电机异步、同步通用的机械特性进行了仿真验证；通过开环系统仿真验证了模型的正确性，为下一步闭环系统的仿真与设计做好铺垫。

数学模型；开环运行特性；无刷双馈电机

0 引言

无刷双馈电机定子侧有两套绕组，分别为功率绕组和控制绕组，绕组的结构与三相异步电动机的绕组结构不同，但绕组的名称与普通单相异步电动机有些类似。无刷双馈电机的转子可以是改进型的鼠笼型，也可以是磁阻式结构，虽然转子为普通结构，但是由于其具有两套定子绕组，从而使无刷双馈电机既具有绕线式异步电机的特性，同时还具有同步电机的特性。因此，无刷双馈电机既可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用。无刷双馈电机由于其特殊的定子结构，在运行时，功率绕组接工频电源，只需在控制绕组接变频器，因此所要求的变频器容量小，故可以降低成本，特别适合于风机和泵类等二次方率负载的节能调速系统，以及风力、水力和潮汐能等可再生能源发电的变速恒频发电系统。因此，对无刷双馈电机的研究开发越来越关注，本文对无刷双馈电机进行建模和特性分析。

1 基于MATLAB/Simulink搭建无刷双馈电机仿真模型

搭建无刷双馈电机模型之前，依据选定的坐标系，对电机的d-q数学模型利用坐标变换和电感矩阵变换等手段进行化简，从而得到更为简洁的基于转子速两相坐标系的数学模型[1-3]，其输入为电压变量，输出为电流变量，中间变量为电流的导数。

在MATLAB/Simulink软件[4]中，先依据基于转子速两相坐标系的无刷双馈电机的数学模型搭建电机的定子、转子仿真模型，如图1所示；然后再结合电机的电磁转矩方程、电机的运动方程，搭建无刷双馈电机的仿真模型。

把图1中定子、转子的仿真模型的输出作为系统的输入，搭建电磁转矩的仿真模型，如图2所示。

将上述所建立的各仿真模型封装成模块，加上电源，就构成了无刷双馈电机的数学仿真模型，如图3所示。

仿真系统中电机的参数如表1所示。

图1 无刷双馈电机的定子、转子仿真模型

图2 无刷双馈电机的电磁转矩仿真模型

2 无刷双馈电机的开环运行

无刷双馈电机的功率绕组直接接到工频电源(380 V/50 Hz)上，控制绕组直接接直流电压(60 V)，此时，电机工作在双馈同步运行状态，现对其进行仿真。2.1 启动特性仿真

图4为无刷双馈电机双馈同步运行启动特性。图4(a)中速度在2 s时由1 000 r/min经过震荡下降至750 r/min，这是由于2 s之前无刷双馈电机工作在单馈异步运行状态进行电机启动，2 s时无刷双馈电机的控制绕组加直流电压，电机工作在双馈同步运行状态，电机的速度稳定在750 r/min。

图3 无刷双馈电机的数学仿真模型

绕组参数极对数自感(mH)互感(mH)电阻(Ω)转动惯量(kg·m2)功率绕组3390.330215.3控制绕组14083501.625转子绕组6506.20.01

图4(b)是同步过程的转矩特性。在2 s时，转矩开始剧烈震荡变化，震荡持续0.5 s左右，这个过程即是电机从单馈异步被牵入双馈同步运行状态，由于空载启动，故转矩最终稳定在零。

图4(c)是同步过程的功率绕组电流特性。在2 s时，电流开始剧烈震荡变化，震荡持续0.5 s左右，这个过程即是电机从单馈异步被牵入双馈同步运行状态，由于空载启动，最后电流稳定在一个较小的值，即电机的空载电流。

图4(d)是同步过程的控制绕组电流特性。在2 s时，电流开始剧烈震荡变化，并且是逐渐上升的，这个过程即是电机从单馈异步被牵入双馈同步运行状态。双馈同步运行状态稳定后，电流最终稳定在一个稳定值。

可见，无刷双馈电机可以采用先异步启动，然后再加控制电流牵入同步的启动方法。该方法简单，而且适合开环控制。不过，同步过程中会产生冲击电流，可能会危害电机。

2.2 突变负载特性

当无刷双馈电机启动后，在t=1 s时，加负载TL=5 N·m；在t=3 s时，加负载TL1=15 N·m。其仿真结果如图5所示。

图5(a)中，不论是第一次加5 N·m负载，还是第二次加15 N·m负载，转速都会震荡，但最终都稳定在750 r/min，其后速度大小不再受负载的影响，具有

普通同步电机的速度特性。

图5(b)中，在增加了负载后，电机的转矩震荡变化，最终稳定在一个确定的值，并且这个值随着负载的增大而增大。

图4 无刷双馈电机双馈同步运行启动特性

图5 无刷双馈电机双馈同步负载突变特性

3 结语

本文建立了无刷双馈电机的模型，分析了无刷双馈电机的单馈异步启动、双馈同步运行状态的开环特性，电机可以工作在单馈、双馈的运行方式下，另外开环系统仿真也验证了模型的正确性，为下一步进行闭环系统的仿真打好基础；同时仿真了无刷双馈电机在负载突变时电机的速度特性和转矩特性，展现了其具有普通同步电机的速度不变的优良性能。

[1] 焦卫星，程小华.无刷双馈电机运行特性的研究与仿真[J].防爆电机，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建模与动态仿真[M].北京：电子工业出版社，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，江苏徐州人，讲师，硕士，主要研究方向为新型电机调速。

TP391.9∶TM32

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