无刷双馈电机运行稳定性研究

论文摘要

无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM）取消了电刷和滑环，具有运行可靠、变频器容量小、转速调节灵活、系统成本低等优点，在电动机变频调速以及发电机变速恒频发电方面具有良好的应用前景。然而，BDFM的运行方式与传统电机有较大区别，如何在不同情况下保证其稳定运行，是BDFM推广应用的关键问题之一。鉴于目前有关BDFM稳定性的研究还很少，本文依托重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目，对笼型转子BDFM的稳态运行特性和稳定性进行研究。首先，简要介绍了BDFM的基本结构、工作原理及稳定性分析的方法；其次，根据笼型转子BDFM的耦合电路和基本方程，详细推导了其稳态数学模型，进而对其稳态运行特性和能量传递关系进行了研究；第三，利用小信号分析方法，根据Lyapunov稳定性判据，重点分析并得到了笼型转子BDFM在开环和闭环控制下的稳定运行区域，探讨了影响稳定性的因素，并通过Simulink动态仿真验证了其稳定性分析结果的正确性；最后，对比分析了开环和闭环控制情况下的稳定性问题，提出了改善BDFM运行稳定性的措施。结果表明，笼型转子BDFM的各种稳态特性均可表示为控制绕组电压、控制绕组频率和功角3个变量的函数，所提出的数学模型简化了BDFM稳态特性的分析方法；笼型转子BDFM在控制绕组恒压频比开环控制时的稳定性较差，减小转动惯量、选择合适的压频比，能够在一定程度上增加其运行稳定性；与控制绕组恒压频比开环控制相比，控制绕组电流闭环控制策略可使笼型转子BDFM的稳定性有较大提高，基本能够实现宽广调速范围内的稳定运行，适当提高给定最大电磁转矩能够在一定程度上提高BDFM带负载的能力。本文的研究工作为笼型转子BDFM的稳态特性和稳定性分析奠定了理论基础，对笼型转子BDFM控制策略的研究也具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 无刷双馈电机的发展历史
• 1.3 无刷双馈电机的研究现状
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 无刷双馈电机的基本结构、工作原理和稳定性研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 BDFM 的基本结构
• 2.2.1 定子绕组
• 2.2.2 转子结构
• 2.3 BDFM 的工作原理
• 2.4 BDFM 的运行方式
• 2.4.1 异步运行方式
• 2.4.2 自然同步运行方式
• 2.4.3 双馈运行方式
• 2.5 BDFM 的稳定性研究方法
• 2.5.1 稳定性的基本概念
• 2.5.2 稳定性研究方法
• 2.6 小结
• 3 无刷双馈电机的稳态数学模型和运行特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 BDFM 的耦合电路及电压方程式
• 3.3 BDFM 的稳态数学模型
• 3.3.1 电流计算模型
• 3.3.2 功率计算模型
• 3.3.3 电磁转矩计算模型
• 3.3.4 功率绕组电流和功率因数计算模型
• 3.4 仿真实例及其分析
• 3.4.1 转矩特性分析
• 3.4.2 有功功率分析
• 3.4.3 功率流向分析
• 3.4.4 无功功率分析
• 3.4.5 功率因数分析
• 3.4.6 V 形曲线分析
• 3.5 小结
• 4 无刷双馈电机的动态数学模型和稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.2 动态数学模型
• 4.2.1 三相 ABC 静止坐标系动态数学模型
• 4.2.2 任意速 dq 轴旋转坐标系下的动态数学模型
• 4.3 控制绕组恒压频比开环控制下的稳定性分析
• 4.3.1 控制绕组恒压频比开环控制下的小信号数学模型
• 4.3.2 稳定性分析
• 4.3.3 仿真验证
• 4.4 控制绕组电流闭环控制下的稳定性分析
• 4.4.1 BDFM 控制绕组电流闭环控制方法
• 4.4.2 控制绕组电流闭环控制下的小信号数学模型
• 4.4.3 稳定性分析和仿真验证
• 4.5 提高稳定性的措施
• 4.6 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间承担的科研项目情况