摘 要

无刷双馈电机是一种能够在无刷的情况实现双馈运行新型的交流电机。转子结构更加坚固耐用，并且具有功率因数可调，系统成本低廉等优点，具有很好的应用前景。本文的目的是提出一种控制双三相无刷双馈电机运行的控制方法。

首先，本文介绍了无刷双馈电机的应用和研究现状，然后，详细阐述了无刷双馈电机的原理，控制侧采用双三相结构可以消除低次的优点，介绍了其本体结构、工作原理以及在不同工作状况下，电机中各绕组的功率分配和定转子间的功率流向。

接着，根据电机的相关理论，建立了无刷双馈电机的数学模型，首先建立三相静止坐标系上较复杂的数学模型，通过坐标变换，转换到任意转速两相旋转坐标系中，并通过进一步简化，推导出转子机械速两相旋转坐标系上的数学模型，便于分析，在此基础上，推导出无刷双馈电机的等效电路，为无刷双馈电机标量控制算法的研究提供了理论依据。

最后，基于无刷双馈电机的等效电路，本文提出了控制无刷双馈电机的标量控制算法，详细阐述了该算法的实现原理，给出了原理框图，在此基础上，在MATLAB中搭建了标量控制系统仿真模型，分析了仿真波形，验证了标量控制算法可以很好的控制双三相无刷双馈电机的运行。

关键词：无刷双馈电机；双三相；标量控制；系统仿真

Abstract

Brushless Doubly-Fed Machine(BDFM) is a new AC motor and can realize doubly-fed operation. The rotor structure is more durable, and has adjustable power factor, low system cost, etc. Our goal is to provide a method to control the operation of dual three-phase brushless doubly-fed motor.

First, the article introduces the application and research of BDFM, and then we introduce that the dual-phase structure of the BDFM control side can eliminate merit of low order. We also introduces its body structure, principles. The power distribution in the motor windings and power flow between the stator and rotor under different operating conditions have been derived.

Then, according to the theory of the motor, we first establish the mathematical model of brushless doubly-fed motor under a three-phase stationary coordinate system, which is more complicated mathematical model. Through coordinate transformation, the model is changed to two-phase rotating coordinate system of an arbitrary speed. By further simplification, the mathematical model is derived to two-phase rotating coordinate system of the mechanical rotor speed. To facilitate the analysis, on this basis, we derive BDFM equivalent circuit, which provided a theoretical basis for scalar control strategy of BDFM.

Finally, based on BDFM equivalent circuit，we provide a scalar control algorithm for BDFM. It expatiates the principle of scalar control algorithm in detail and presents the diagram of the system. On this basis, we build the simulation model of the control system in MATLAB and analyze the waveform result, which verify that the scalar control strategy can well control dual three-phase BDFM.

Key words: Brushless Doubly-Fed Machine(BDFM)；Dual-phase；Scalar control；

system simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2无刷双馈电机的研究现状 1

1.2.1无刷双馈电机的结构研究 1

1.2.2无刷双馈电机的数学模型和等效电路 2

1.2.3无刷双馈电机的控制策略 3

1.3 本文主要研究内容和工作 3

第2章 无刷双馈电机工作原理 5

2.1 无刷双馈电机基本原理 5

2.2双三相结构消除低次磁势谐波的原理 7

2.3无刷双馈电机电动运行状态下的功率分配 8

2.4无刷双馈电动机运行状态下的功率流向分析 9

2.4.1次同步区功率流向分析 9

2.4.2超同步区功率流向分析 10

2.5本章小结 11

第3章 无刷双馈电机数学模型分析 12

3.1 无刷双馈电机在静止abc坐标系下的数学模型 12

3.2无刷双馈电动机的阻抗矩阵 13

3.3无刷双馈电动机在两相旋转坐标系下的数学模型 15

3.3.1任意转速两相旋转坐标系数学模型 15

3.3.2转子机械转速旋转dq坐标系数学模型 17

3.4无刷双馈电机稳态等效电路分析 18

3.5本章小结 21

第4章 无刷双馈电机标量控制算法 22

4.1 无刷双馈电机标量控制系统的硬件结构 22

4.2 无刷双馈电机标量控制系统原理 23

4.3 无刷双馈电机标量控制系统仿真 27

4.3.1 次同步速运行仿真 28

4.3.2 超同步速运行仿真 31

4.4 本章小结 33

结束语 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1引言

无刷双馈电机作为一种新型电机，可以应用在水泵、风机等负载的变频节能调速系统以及变速恒压恒频的风力发电、水力发电等系统中。无刷双馈电机有两套极对数不同的定子绕组，分别为功率定子绕组和控制定子绕组，并且功率定子绕组和控制定子绕组之间不存在直接的磁场耦合。

在化工、冶金、供水、电力等各行业中，应用广泛的泵类负载占40%左右的用电设备能耗。目前应用于高压大容量风机、泵类调速的主流解决方案是常规笼型异步电动机加高压变频器。但这种高压变频方案最大的缺点是系统构成较为复杂，成本比较高，占地面积大，可靠性也相对不高，限制了其大量的推广应用。

采用无刷双馈电动机加变频器的方案可实现变频调速运行.由于电机的功率绕组直接由电网供电，控制绕组由变频器供电，在速度变化范围不大的情况下，所需变频器容量较小，可使用小容量的变频器控制大容量的电机，且具有较硬的机械特性，从而解决了高压调速系统成本高、谐波含量大、可靠性差的问题。该电机既可应用于高压大容量风机泵类的调速系统，也可应用于风力或水力等变速恒频发电系统。因此无刷双馈电机近年来引起了人们的广泛关注。无刷双馈电机保留了常规有刷双馈电系统的诸多优点，如功率变换器容量小，系统转换效率高等，同时又由于实现了无刷化，电机的可靠性要比有刷双馈电机高。

在交流电机的变频驱动的发展中，异步电机一直占有主导地位，这是由于异步电机运行可靠，制造比较简单而且成本比较低，但是控制异步电机所用的变频器的容量比较大，成本很高，需要寻求可替代的方案。