本實(shí)用新型涉及交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，特別涉及無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的交流電機(jī)調(diào)速方式主要有兩類，一類是通過變頻電源為定子繞組供電調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，該種調(diào)速方式適用于同步電機(jī)(電勵磁同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)等)和籠型感應(yīng)電機(jī)；另一類是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別由固定工頻電源和變頻電源供電的雙饋調(diào)速方式；第一種調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，控制靈活，缺點(diǎn)是需要全功率變頻電源，特別是高壓電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成本較高；繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)雙饋調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是所需要的變頻電源功率較小和控制系統(tǒng)成本較低，缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子繞組供電通過滑環(huán)和電刷，需要定期維護(hù)和運(yùn)行可靠性稍差；為了克服繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)雙饋調(diào)速的上述缺點(diǎn)，又出現(xiàn)了將轉(zhuǎn)子控制繞組移到定子上去的一種新的無刷雙饋電機(jī)調(diào)速方式。

傳統(tǒng)無刷雙饋電機(jī)的調(diào)速范圍多采用從低于同步速(亞同步)到高于同步速(超同步)的所謂“雙向調(diào)速”方式，雖然所需變頻器的功率可以小一些，但電機(jī)和變頻器的成本并不比單向調(diào)速小；其原因是：

①從無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理來看，無論電動機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式，在亞同步速運(yùn)行區(qū)電機(jī)的輸出功率都是主繞組(功率繞組)與副繞組(控制繞組)功率之差，電機(jī)的輸出功率較小而主副繞組的功率和損耗不小，導(dǎo)致電機(jī)的效率降低；在超同步運(yùn)行時，電機(jī)的輸出功率為主繞組與副繞組功率之和，繞組得到充分利用，電機(jī)效率較高，因此無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行在超同步調(diào)速范圍比較經(jīng)濟(jì)。

②從變頻器和控制技術(shù)來看，無刷雙饋電機(jī)亞同步到超同步的“雙向調(diào)速”控制技術(shù)比較復(fù)雜，需要雙向變流的變頻器，成本較高。無刷雙饋電機(jī)無論電動機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式，在亞同步速區(qū)和超同步速區(qū)副繞組(控制繞組)中三相電流的相序和功率流向是相反的，因而從亞同步到超同步的“雙向調(diào)速”需要“雙向變流”的變頻器供電，其硬件和軟件的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)要比僅需要“單向調(diào)速”復(fù)雜得多。

“雙向調(diào)速”比“單向調(diào)速”所需的變頻器功率可能稍小一些，但其制造成本不會降低；綜合考慮制造成本、運(yùn)行性能和可靠性，無刷雙饋電機(jī)超同步“單向調(diào)速”要比亞同步和超同步“雙向調(diào)速”系統(tǒng)更為優(yōu)越。

考慮到高壓電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要對象是風(fēng)機(jī)和泵類流體機(jī)械，其輸出功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，如果最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比為0.5，其最低與最高轉(zhuǎn)速時的功率比為0.53＝0.125，即最低轉(zhuǎn)速時的功率僅為最高轉(zhuǎn)速時功率的八分之一，一般驅(qū)動風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載電機(jī)不需要這么大的調(diào)速范圍，可以根據(jù)負(fù)載所需要的功率調(diào)節(jié)范圍確定調(diào)速范圍，通過適當(dāng)選取無刷雙饋電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，采用超同步“單向調(diào)速”來實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種以降低調(diào)速系統(tǒng)成本與提高運(yùn)行性能和可靠性且適合于超同步單向調(diào)速運(yùn)行的無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)包括供電電源，無刷雙饋電機(jī)定子，無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子，變壓器、整流器、變頻器、起動電阻、驅(qū)動單元、控制器、開關(guān)K₁以及開關(guān)K₂；定子的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對稱繞組，分別為主繞組和副繞組，主繞組的出線端子A₁、B₁、C₁與供電電源相連接，副繞組的出線端子A₂、B₂、C₂經(jīng)過開關(guān)K₂、變頻器、整流器、變壓器與供電電源相連接；起動電阻設(shè)置在副繞組的出線端子A₂、B₂、C₂與變頻器之間，開關(guān)K₁用于控制起動電阻的開關(guān)；控制器設(shè)置在主繞組的出線端子A₁、B₁、C₁與變頻器之間，驅(qū)動單元設(shè)置在控制器與變頻器之間；電機(jī)起動過程時，開關(guān)K₁閉合，副繞組串入起動電阻，K₂斷開，切斷變頻器與副繞組的連接；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，K₁斷開而K₂閉合，副繞組切除起動電阻而接通變頻器。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述調(diào)速系統(tǒng)還包括電機(jī)定子主繞組電壓電流檢測單元、電機(jī)定子副繞組電壓電流檢測單元、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測單元，電機(jī)定子主繞組電壓電流檢測單元設(shè)置在主繞組的出線端子A₁、B₁、C₁與控制器之間；電機(jī)定子副繞組電壓電流檢測單元設(shè)置在副繞組的出線端子A₂、B₂、C₂與控制器之間；電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測單元與控制器連接，用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述主繞組極數(shù)為2p₁，副繞組極數(shù)為2p₂，主繞組和副繞組的極數(shù)不相等，而且需滿足下述關(guān)系：2p₂≥2p₁+4。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu)，其包括具有p₁+p₂個凸極的轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上,所述轉(zhuǎn)子鐵心的外緣上均布有p₁+p₂個倒梯形槽，凸極與倒梯形槽之間間隔設(shè)置，凸極中心開有半開口的第一半開口槽；凸極第一半開口槽的兩側(cè)開有以凸極中心線為對稱軸的至少一對半開口槽，半開口槽包括第二半開口槽和第三半開口槽，在凸極的第一、第二、第三半開口槽中相對應(yīng)的放置了多匝第一、第二、第三短路線圈，多匝短路線圈的兩個線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開口槽中。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子鐵心由導(dǎo)磁電工鋼片疊壓而成。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，每個凸極的兩側(cè)邊平行，凸極的外沿和倒梯形槽底邊呈圓弧狀，其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓同圓心。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，第一、第二、第三半開口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑之間均留有一定的距離，第一、第二、第三半開口槽的深度隨其與凸極中心線距離的增加而減小。

在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立，在電路上沒有聯(lián)系；位于凸極第一半開口槽中的短路線圈采用雙層結(jié)構(gòu)，一個線圈邊放在第一半開口槽的上層，另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開口槽的下層，第一、第二半開口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu)，每個半開口槽中僅放置一個短路線圈邊。

通過上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、由于采用超同步調(diào)速，不需要能量回饋環(huán)節(jié)，故所需要的變頻器功率較小和成本較低。

2、采用超同步調(diào)速，電機(jī)的輸出功率為主繞組與副繞組功率之和，繞組得到充分利用，電機(jī)效率較高。

3、采用凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，綜合利用了轉(zhuǎn)子磁動勢和磁阻對于定子磁場的調(diào)制能力，提高了無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。

4、通過無刷雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，擴(kuò)大了無刷雙饋電機(jī)的超同步調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速(≥1500r/min)的雙饋調(diào)速。

5、無刷雙饋電機(jī)通過轉(zhuǎn)子采用多匝短路線圈，減小了深槽轉(zhuǎn)子繞組電流集膚效應(yīng)產(chǎn)生的附加損耗，提高了轉(zhuǎn)子繞組的利用率和電機(jī)效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型無刷雙饋凸極繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

1、供電電源 2、無刷雙饋電機(jī)定子 2a、主繞組 2b、副繞組 3、無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子 4、變壓器 5、整流器 6、變頻器 7、起動電阻 8、主繞組電壓電流檢測單元 9、副繞組電壓電流檢測單元 10、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測單元 11、驅(qū)動單元 12、控制器 13、轉(zhuǎn)子鐵心 13a、凸極 13b、倒梯形槽 14、第一半開口槽 15、第二半開口槽 16、第三半開口槽 17、第一短路線圈 18、第二短路線圈 19、第三短路線圈 20、轉(zhuǎn)軸；

圖4為本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速主繞組磁場定向控制系統(tǒng)原理框圖；

18、坐標(biāo)變換單元 19、磁鏈計算器 20、轉(zhuǎn)矩計算器 21、無功計算器 22、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 23、無功功率調(diào)節(jié)器 24、坐標(biāo)變換器 25、電壓源PWM逆變器驅(qū)動電路；

圖5為本實(shí)用新型主繞組磁場定向下主副繞組電流矢量及主繞組磁鏈的空間相位關(guān)系；

圖6為本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖；

19、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器 26、磁鏈計算器 27、速度調(diào)節(jié)器 28、轉(zhuǎn)矩計算器 29、磁鏈幅值計算器 30、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 31、磁鏈調(diào)節(jié)器 32、副繞組電壓矢量選擇器；

圖7為無刷雙饋電機(jī)主副繞組磁鏈?zhǔn)噶颗c副繞組電壓矢量的關(guān)系；

圖8為電壓源逆變器電路原理接線圖；

圖9為無刷雙饋電機(jī)副繞組電壓矢量；

圖10為無刷雙饋電機(jī)副繞組電壓矢量與電流矢量的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。

參見圖1至圖3所示，本實(shí)用新型公開了無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)包括供電電源1，無刷雙饋電機(jī)定子2，無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子3，變壓器4、整流器5、變頻器6、起動電阻7、驅(qū)動單元11、控制器12、開關(guān)K₁以及開關(guān)K₂；定子的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對稱繞組，分別為主繞組2a和副繞組2b，主繞組2a的出線端子A₁、B₁、C₁與供電電源1相連接，副繞組2b的出線端子A₂、B₂、C₂經(jīng)過開關(guān)K₂、變頻器、整流器、變壓器與供電電源1相連接；起動電阻7設(shè)置在副繞組2b的出線端子A₂、B₂、C₂與變頻器6之間，開關(guān)K₁用于控制起動電阻的開關(guān)；控制器12設(shè)置在主繞組2a的出線端子A₁、B₁、C₁與變頻器6之間，驅(qū)動單元11設(shè)置在控制器12與變頻器6之間；變壓器4用于高壓供電電源1降壓，然后經(jīng)過整流器5將工頻交流電變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)變頻器6向無刷雙饋電機(jī)定子的副繞組2b提供電壓和頻率可調(diào)的電源；本實(shí)用新型的檢測單元包括主繞組電壓電流檢測單元8，副繞組電壓電流檢測單元9和電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測單元10，主繞組電壓電流檢測單元8設(shè)置在主繞組2a的出線端子A₁、B₁、C₁與控制器12之間；副繞組電壓電流檢測單元9設(shè)置在副繞組2b的出線端子A₂、B₂、C₂與控制器12之間；電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測單元10與控制器12連接；該三個檢測單元在工作時分別將實(shí)時監(jiān)測信號供給控制器12，由控制器12發(fā)出指令經(jīng)過驅(qū)動單元11控制變頻器6的輸出電壓、頻率、相序和相位；電機(jī)起動過程時，開關(guān)K₁閉合，副繞組2b串入起動電阻7，K₂斷開，切斷變頻器6與副繞組2b的連接；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，K₁斷開而K₂閉合，副繞組2b切除起動電阻7而接通變頻器6。

本實(shí)用新型主繞組2a極數(shù)為2p₁，副繞組2b極數(shù)為2p₂，主繞組和副繞組的極數(shù)不相等，而且需滿足下述關(guān)系：2p₂≥2p₁+4；為了實(shí)現(xiàn)超同步寬范圍的雙饋調(diào)速運(yùn)行，主繞組需要選用少極數(shù)2p₁，而副繞組采用多極數(shù)2p₂；在雙饋調(diào)速運(yùn)行范圍較小時，主繞組可以采用多極數(shù)2p₂，而副繞組采用少極數(shù)2p₁。

本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu)，其包括具有p₁+p₂個凸極13a的轉(zhuǎn)子鐵心13，轉(zhuǎn)子鐵心13由具有良好導(dǎo)磁性能的電工鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子鐵心13安裝在轉(zhuǎn)軸20上,轉(zhuǎn)子鐵心13的外緣上均布有p₁+p₂個倒梯形槽13b，凸極13a與倒梯形槽13b之間間隔設(shè)置，凸極中心開有半開口的第一半開口槽14，每個凸極13a的兩側(cè)邊平行，凸極13a的外沿和倒梯形槽13b底邊呈圓弧狀，其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓同圓心。

本實(shí)用新型凸極第一半開口槽14的兩側(cè)開有以凸極中心線為對稱軸的至少一對半開口槽，半開口槽包括第二半開口槽15和第三半開口槽16，凸極上開槽的作用，是利用轉(zhuǎn)子磁路的磁阻進(jìn)行導(dǎo)向，使磁通按照最佳路徑通過轉(zhuǎn)子；在凸極的第一、第二、第三半開口槽中相對應(yīng)的放置了多匝第一短路線圈17、第二短路線圈18、第三短路線圈19，多匝短路線圈的兩個線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開口槽中。

本實(shí)用新型第一、第二、第三半開口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑之間均留有一定的距離，以滿足轉(zhuǎn)子鐵心強(qiáng)度和剛度的要求；第一、第二、第三半開口槽的深度隨其與凸極中心線距離的增加而減小，以滿足槽對于轉(zhuǎn)子磁通的導(dǎo)向要求。

本實(shí)用新型第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立，在電路上沒有聯(lián)系；位于凸極第一半開口槽14中的第一短路線圈17采用雙層結(jié)構(gòu)，一個線圈邊放在第一半開口槽14的上層，另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開口槽的下層，第一、第二半開口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu)，每個半開口槽中僅放置一個短路線圈邊，在上述半開口槽中放置多匝短路線圈的作用，是利用轉(zhuǎn)子短路線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁動勢調(diào)制定子繞組電流產(chǎn)生的磁場；第二、第三短路線圈可以根據(jù)需要部分放置或者不放置，其特別適用于極數(shù)較多而極寬尺寸較小的轉(zhuǎn)子，可以簡化轉(zhuǎn)子制造工藝。

本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)起動時主繞組2a接通高壓電源1，副繞組2b不接變頻器6而是通過開關(guān)K₁串聯(lián)起動電阻7，副繞組2b串聯(lián)起動電阻7的作用是減小主、副繞組中的起動電流和增加電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，副繞組2b由開關(guān)K₁切除起動電阻7并通過開關(guān)K₂接通變頻器6，通過改變變頻器6的輸出電壓和頻率，控制無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速；由于僅在同步速以上單向調(diào)速，不需要能量回饋環(huán)節(jié)，故所需要的變頻器功率較小和成本較低。

參見圖4所示，本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的一種主繞組磁場定向矢量控制方法的原理如下：

電機(jī)矢量控制分析一般采用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，在無刷雙饋電機(jī)的分析中，d-q參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度選擇與主繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步比較方便；將主、副繞組在實(shí)際三相系統(tǒng)中的電壓和磁鏈方程轉(zhuǎn)換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)后，無刷雙饋電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別如式(1)、(2)和(3)所示。

式(1)、(2)和(3)中主、副繞組的變量分別用下標(biāo)“1”和“2”表示，如u_q1和u_q2分別表示d-q坐標(biāo)中主繞組和副繞組在q軸方向上的電壓分量；r₁、r₂、L₁、L₂分別為主副繞組的電阻和自電感，L_m為主副繞組之間的互電感，p₁和p₂分別為主副繞組的極對數(shù)，ω₁和ω₂分別為主副繞組的供電角頻率，p＝d/dt為一微分算子。

選取d-q參考坐標(biāo)d軸方向與主繞組總磁鏈方向一致，則主繞組磁鏈僅有d軸分量ψ_d1，而q軸分量ψ_q1＝0，在此條件下無刷雙饋電機(jī)的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程得以簡化，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和主繞組側(cè)的無功功率可分別以(4)和(5)式表示；主繞組是由固定電壓和頻率的三相電源供電，因此主繞組的磁鏈Ψ_d1基本不變，由式(4)和(5)可以看出，在主繞組磁場定向矢量控制方式下，無刷雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T_e和主繞組的無功功率Q₁可以分別由主繞組磁鏈的無功分量ψ_d1、副繞組電流的有功分量i_q2和主繞組電流的無功分量i_d1進(jìn)行解耦控制。

以下結(jié)合圖5說明無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速主繞組磁場定向矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

①主副繞組電流矢量及轉(zhuǎn)子位置角的確定；

主繞組磁場定向條件下主副繞組電流矢量及主繞組磁鏈的空間相位關(guān)系如圖4所示；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置傳感器10的檢測信號，可知轉(zhuǎn)子瞬時相對于靜止參考坐標(biāo)d₀軸的位置角θ_r；根據(jù)主繞組電壓電流檢測單元8的檢測值，可求得主繞組電流矢量i₁及其相對于坐標(biāo)d₀軸的位置角θ₁；副繞組電流矢量i₂相對于坐標(biāo)d₀軸的位置角θ₂可由轉(zhuǎn)子位置角θ_r和主繞組電流矢量位置角θ₁求得，即θ₂＝θ₁-θ_r。

②主繞組磁鏈的確定；

根據(jù)主副繞組相電流的檢測值，經(jīng)坐標(biāo)變換單元18可求得主副繞組電流分量i_d1和i_d2，然后由磁鏈計算器19按(2)式求出主繞組磁鏈Ψ_d1。

③計算電磁轉(zhuǎn)矩；

電磁轉(zhuǎn)矩T_e可根據(jù)主繞組磁鏈Ψ_d1和副繞組電流分量i_q2按(4)式由轉(zhuǎn)矩計算器20求得。

④計算無功功率；

主繞組側(cè)的無功功率Q₁可根據(jù)主繞組磁鏈Ψ_d1和主繞組電流分量i_d1按(5)式由無功計算器21求得。

⑤副繞組電流給定值的確定；

將轉(zhuǎn)矩給定值T^*_e與轉(zhuǎn)矩計算值T_e相比較后的差值，通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器22轉(zhuǎn)變?yōu)楦崩@組電流轉(zhuǎn)矩分量的給定值i^*_q2；將無功功率給定值Q₁^*與計算值Q₁相比較后的差值，通過無功功率調(diào)節(jié)器23轉(zhuǎn)變?yōu)楦崩@組電流無功分量的給定值i^*_d2；

⑥副繞組相電流給定及其控制；

根據(jù)在d-q軸坐標(biāo)系統(tǒng)中副繞組電流給定值i^*_q2和i^*_d2以及電流矢量位置角θ₂，經(jīng)過坐標(biāo)變換器24可求得副繞組相電流的給定值i^*_a2、i^*_b2和i^*_c2；通過電流可控的電壓源PWM逆變器驅(qū)動電路25，經(jīng)變頻器4按i^*_a2、i^*_b2和i^*_c2控制所要求的副繞組相電流。

本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的主繞組磁場定向矢量控制，選取d-q-n參考坐標(biāo)d軸的方向與主繞組總磁鏈的方向一致，則主繞組磁鏈僅有d軸分量，而q軸分量為零，在此條件下無刷雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(電磁功率)和無功功率可分別由副繞組電流的有功分量和無功分量進(jìn)行解耦控制；可使無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。

參見圖6和圖7所示，本實(shí)用新型無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的另一種電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其工作原理如下：

利用d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的無刷雙饋電機(jī)磁鏈方程(2)解得用磁鏈表

示的i_q2和i_d2表達(dá)式，然后將其代入式(3)，可得用主副繞組磁鏈表示的電

磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(6)：

顯然(6)式右端可用主副繞組磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>1和ψ₂的叉積表示，即

式中p₁和p₂分別為主副繞組的極對數(shù)；L₁、L₂和L_m為主、副繞組的自感和互感；|ψ₁|和|ψ₂|分別為主、副繞組磁鏈?zhǔn)噶康哪?，δ為主、副繞組磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角；由于主繞組用固定幅值和頻率的電源供電，故電壓u₁的幅值不變，主繞組電阻壓降相對于主繞組電壓很小，因此可認(rèn)為主繞組磁鏈幅值基本不變；由(7)式可以看出：如果能使副繞組磁鏈的幅值不變，則可通過控制主副繞組磁鏈的夾角δ來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因此可將δ稱為轉(zhuǎn)矩角；只要按照一定規(guī)律調(diào)整副繞組磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩角，就能得到所要求的轉(zhuǎn)矩；無刷雙饋電機(jī)的副繞組通常由電壓源逆變器供電，其簡化接線方式如圖7所示，其中電力電子開關(guān)器件用理想開關(guān)S_a，S_b，S_c代表。定義S_a＝1表示A相繞組接通電源U_dc，未接通電源S_a＝0；S_b和S_c類似定義；副繞組相電壓瞬時值可表示為：

副繞組磁鏈與電壓的關(guān)系為：

ψ₂＝∫(u₂-r₂i₂)dt (9)

如忽略副繞組電阻壓降的影響，并將(9)式進(jìn)行離散化處理，則副繞組磁鏈?zhǔn)噶靠杀硎緸椋?/p>

ψ₂＝u₂Δt+ψ₂₀ (10)

式(10)中ψ₂和u₂分別為t時刻的副繞組磁鏈和電壓矢量，ψ₂₀為t₀時刻副繞組磁鏈，Δt＝t–t₀；上述矢量之間的關(guān)系如圖8所示，可以看出，通過適當(dāng)選取副繞組電壓矢量以及時間間隔Δt，便可控制副繞組磁鏈的幅值以及副繞組磁鏈?zhǔn)噶颗c主繞組磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角δ，即控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。副繞組電壓矢量的選取是通過S_a，S_b，S_c三個開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，可有8種不同的配置模式，即產(chǎn)生8種電壓矢量：u₂(0,0,0)，u₂(0,0,1)，u₂(0,1,0)，u₂(0,1,1)，u₂(1,0,0)，u₂(1,0,1)，u₂(1,1,0)，u₂(1,1,1)；其中，u₂(1,1,1)和u₂(0,0,0)分別代表三相同時接到正電源和負(fù)電源，此時副繞組的相電壓為零，故實(shí)際上的非零電壓矢量只有六種，其空間矢量關(guān)系如圖9所示，其中兩個零矢量電壓為坐標(biāo)原點(diǎn)。副繞組電壓矢量選取需要知道副繞組的功率流向，在超同步速電動機(jī)運(yùn)行方式下副繞組吸收有功功率，副繞組電壓和電流矢量的夾角小于90°，而亞同步速時副繞組輸出有功功率，副繞組電壓和電流矢量的夾角大于90°，因此可以根據(jù)電壓電流矢量夾角的關(guān)系選取副繞組電壓矢量；附圖10為副繞組磁鏈、電壓和電流矢量的空間關(guān)系示意圖，在超同步速運(yùn)行時，要使副繞組電壓與電流矢量間的夾角小于90°，對于圖10中副繞組電流矢量i₂的位置角，應(yīng)選取u₂(0,0,1)，u₂(0,1,1)，u₂(0,1,0)中的一個電壓矢量。

以下結(jié)合圖6說明無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

①電機(jī)速度給定值n^*與速度反饋值n相比較得到的速度差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器27后形成轉(zhuǎn)矩的給定值

②轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T_e可用主副繞組電壓電流測量值經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、磁鏈計算器26和轉(zhuǎn)矩計算器28求得；

③轉(zhuǎn)矩給定值與實(shí)際值T_e相比較后經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器30送給副繞組電壓矢量選擇器32；

④副繞組磁鏈幅值│ψ₂│可根據(jù)副繞組電壓電流測量值經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、磁鏈幅值計算器29求得，與磁鏈幅值給定值│ψ^*₂│相比較后通過磁鏈調(diào)節(jié)器31送至副繞組電壓矢量選擇器32；

⑤副繞組電流矢量角θ₂可根據(jù)副繞組電壓電流測量值經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、電流矢量計算器26求得，然后送至副繞組電壓矢量選擇器32；

⑥副繞組電壓矢量選擇器32可根據(jù)副繞組磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩增減的要求，決定所選用的副繞組電壓矢量。

本實(shí)用新型所述無刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，可通過適當(dāng)選取副繞組電壓矢量以及時間間隔，便可控制副繞組磁鏈的幅值及轉(zhuǎn)矩角，即直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；直接轉(zhuǎn)矩控制解決了磁場定向矢量控制中復(fù)雜計算與控制特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響的問題，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。