无刷双馈电机非线性控制

【摘要】无刷双馈电机(BDFM)是在串级电机基础上发展起来的一种兼具异同步电机特点的新型交流调速电机,具有结构简单坚固、功率因数可调、调速特性好、变频器容量小、运行模式灵活等特点,可应用于变频调速和变速恒频发电领域。根据交流电机的基本分析理论和方法,研究了无刷双馈电机的结构、运行方式、稳态方程,首先简述了BDFM的基本结构和工作原理,分析了BDFM电流频率与转速、转差率的关系,表明通过改变控制绕组的频率可以实现电机转速的调节。介绍了BDFM的单馈异步及双馈同步、超同步、亚同步四种运行方式。在稳态方程的基础上分析了电机的功率流向,为对无刷双馈电机做更深一步的研究奠定了基础。简述了BDFM三种主要的数学模型的优缺点,通过推导BDFM转子速d-q轴数学模型,建立了BDFM开环运行的Matlab/Simulink仿真模型,对BDFM的四种运行方式和发电运行方式进行了仿真研究,开环实验验证了BDFM开环时的运行特性,从而揭示了BDFM在不同运行方式下的动、静态运行特性,验证了通过改变BDFM控制绕组的电源频率可以稳定地调节电机转速的原理。为BDFM控制方法的研究打下基础。从能量角度研究了BDFM控制系统,应用无源性控制理论,建立了BDFM的欧拉-拉格朗日方程,并将其分解为机械和电气两个无源子系统的反馈并联,从能量的角度分离出系统“无功力”,有效简化控制器设计,提高了系统鲁棒性。在笼型转子无刷双馈电机的转速控制中引入无源性非线性控制方法,简化了控制算法,并设计了电机转矩和转速的无源性控制器。基于Matlab/Simulink环境,构造BDFM系统和转矩、转速的无源性控制器仿真模型,以变结构的形式注入非线性阻尼,提高了系统收敛速度,改善系统动态响应。并对算法进行仿真验证。仿真结果表明此控制策略能快速地跟踪速度给定,动静态响应能力较好,且具有全局稳定、系统鲁棒性好的特点。根据无刷双馈电机同步速旋转坐标系下的电压、磁链和转矩方程,采用模型参考自适应方法观测转子磁链在控制绕组中的分量。通过四个自抗扰控制器,分别控制控制绕组的磁链、转速和电流,应用扩张状态观测器估计相应状态变量及其广义导数,实现电机的精确解耦。无刷双馈电机转子磁场定向自抗扰矢量控制,可实现磁链和转矩的快速调节。搭建了Matlab/Simulink环境下的无刷双馈电机自抗扰控制的仿真模型,仿真结果表明,自抗扰控制策略能够对系统的模型扰动进行准确观测,并加以前馈补偿,提高了系统响应速度；配合非线性调节方式,有效解决了线性调节器存在的超调与快速性之间的矛盾。可快速跟踪给定转速,受系统参数变化的影响较小,动态响应性能好,全局稳定、鲁棒性好。
【作者】黄健健；
【导师】杨俊华；
【作者基本信息】广东工业大学，电气工程，2014，硕士
【关键词】无刷双馈电机；无源性控制；欧拉-拉格朗日方程；非线性阻尼；自抗扰控制；解耦控制；

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