基于交互技术的无刷双馈电机运行特性仿真平台设计

郭一飞，张 岳

(辽宁科技学院 电气与信息工程学院， 辽宁 本溪 117004)

无刷双馈电机是一种新型交流电机，它的定子铁心上有两套不同极数的三相绕组，分别为功率绕组和控制绕组，转子为无刷结构部，通过转子对定子两套绕组电流所产生磁场进行调制，实现机电能量转换。在电动运行方式下，可异步运行和同步运行，并可通过改变控制绕组电流频率、幅值和相位，实现低于和高于同步速的双馈调速运行。在发电运行方式下，则可通过调节控制绕组的交流励磁实现变速恒频运行。由于控制绕组所需要的变流器功率较小和控制系统成本较低，无刷双馈电机在大中型交流电机调速系统和变速恒频发电系统中具有良好的应用前景〔1-4〕。

MATLAB拥有动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，若与GUIDE可视化编程联合应用，则能更加直观清晰地操控仿真模型参数并显示仿真结果。一个好的GUIDE既可以保留MATLAB强大的数值处理功能，又可以提供良好的人机对话窗口，给科研、教学带来极大的灵活性〔5〕。

本文基于MATLAB/simulink仿真软件构建了不同运行状况下的无刷双馈电机仿真模型，并利用GUI技术设计了人机友好对话界面的仿真平台，通过该仿真平台分析了无刷双馈电机不同运行状态的特性。

1 仿真平台的GUI界面设计

1.1 设计目标

通过GUIDE技术建立一个窗口，列出无刷双馈电机各种运行特性以供操作者选择。选中其中的运行特性后，进入相应运行特性界面，点击运行按钮进行仿真模型的运行，通过上一页按钮来关闭用户界面返回主界面。

1.2 主界面的设计

图1 控件属性

根据平台设计要求，设计两个figure，一个为主界面，另一个为主菜单界面。以主菜单界面为例，详细阐述实现过程：在MATLAB 7.1仿真环境下，新建一个figure窗口，命名为u1.fig。该界面包括一个static text 控件和4个pushbutton控件，双击相应的控件，打开property inspector对话框，按设计要求完成控件属性修改，如其中一个pushbutton控件的“string”修改为“无刷双馈电机异步运行”、“font size”修改为26、“callback”修改为y2，其中y2为无刷双馈电机异步运行GUIDE界面，控件属性修改如图1所示〔6-13〕。

其余的pushbutton控件的“string”分别修改为“无刷双馈电机双馈运行”、“无刷双馈电机变速恒频运行”、“font size”修改为26、“callback”修改为y3和y4，其中y3和y4分别为无刷双馈电机双馈和变速恒频运行GUIDE界面。

完成相应控件属性参数修改后的主菜单运行界面如图2所示。

图2 主菜单界面

1.3 运行界面的设计

以该仿真平台的无刷双馈电机异步运行界面为例，阐述GUIDE设计过程。该界面如图3所示。

图3 异步运行GUIDE设计界面

包含3个axes控件、3个static text控件以及2个pushbutton控件。通过该界面的M-文件编辑器编写程序代码，读函数图片显示在Tag为“axes1”、“axes2”的坐标轴上面，实现程序代码的M-文件如下〔5〕：

I=imread('y2-1.bmp','bmp');

axes(handles.axes1);

image(I);

axis off

I1=imread('y2-2.bmp','bmp');

axes(handles.axes2);

image(I1);

axis off

其中：“′y2-1.bmp”为无刷双馈电机异步运行仿真模型图片。如图4所示，“y2-2.bmp”为无刷双馈电机异步运行实验图片。

图4 无刷双馈电机异步运行仿真模型图

无刷双馈电机异步运行仿真结果显示在Tag为“axes3”的坐标轴上，为无刷双馈电机异步运行转速曲线，其中一个pushbutton控件的“string”属性修改为“仿真”，该pushbutton控件的功能是实现无刷双馈电机异步仿真运行，其实现的M-文件程序代码如下：

options=simset('SrcWorkspace','current');

sim('model_yibu_hege',[],options);

axes(handles.axes3);

t1=a1.time;

y1=a1.signals.values;

plot(t1,y1)

axis([0 15 740 760])

另一个pushbutton控件的“string”属性修改为“上一页”，该pushbutton控件的功能是返回上一层菜单，通过编辑控件的call back 函数来实现，如图5所示。

图5 pushbutton控件功能实现

通过上述对无刷双馈电机异步仿真运行的GUIDE设计，其运行结果如图6所示。

图6 无刷双馈电机异步仿真运行的GUI

从图6中可以看出，无刷双馈电机异步运行时的转速公式为〔1-3〕：

(1)

其中：pp和fp为无刷双馈电机功率绕组的极对数和电源频率，pc为无刷双馈电机控制绕组的极对数。

本文的无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组的极对数分别为3和1，功率绕组的供电源的频率为50 Hz，按照式(1)无刷双馈电机异步转速为750r/min，从图6 中可以看到仿真结果和实验结果与理论分析一致。

同理，无刷双馈电机的双馈运行、变速恒频运行的GUIDE设计步骤与无刷双馈电机的异步的GUIDE设计步骤类似，它们的GUIDE运行情况如图7和图8所示。

图7 无刷双馈电机双馈仿真运行的GUI

图8 无刷双馈电机变速恒频发电仿真运行的GUI

3 结论

本文介绍了基于MATLAB/SIMULINK和图形用户界面GUIDE的无刷双馈电机运行特性仿真平台的设计思想和实现方法。通过本仿真平台，可以对无刷双馈电机的各种运行状况有所了解，并直观地观察到仿真结果，有助于学生理解无刷双馈电机的性能，使该仿真教学平台具备较强的教学、实验和工程研究价值。