（电机与电器专业论文）双定子笼型感应电动机的研究.pdf

a b s t r a c t d u et ot h ep o o rs t a r t i n gp e r f o r m a n c eo f n o r m a ls q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm o t o r , i t ss t a r t i n g t o r q u ei sl o wa n da c c e l e r a t i o ni ss l o ww h i c hr e s u l t si nl o n gs t a r t i n gt i m ew h e nt h en o r m a l s q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm o t o rs t a r t e dw i t hh e a v yl o a d t h o s ew i l lh a r mt h em o t o ra n dr e s t r i c t t h ei m p r o v e m e n to ft h em o t o rc a p a c i t yw i t l le l e c t r i c i t yl o s s t h et w i n - s t a t o rs q u i r r e l - c a g e i n d u c t i o nm o t o rw i ma p p e n d e di n t e r s p a c e dr e s i s t o rr o t o rp r e s e n t e di n t h i sp a p e rh a st h e s t r u c t u r eo ft h en o r m a ls q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h ea d v a n t a g eo ft h ec o i lr o t o r i n d u c t i o nm o t o rw h i c hs t a r t sb yb u n c h i n gr e s i s t o r i ti ss i m i l a rw i t hn o r m a li n d u c t i o nm o t o r 、v i t l ll l i g he f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o rw h i l eo p e r a t i o nw i t ht h ea d o p t i o no f p a r a l l e ls t a r - s h a p e c o n n e c t i o na n dn o n p a r t i c i p a t i o no fa p p e n d e di n t e r s p a c e dr e s i s t o r d u r i n gs t a r t i n gs t a g et h e a d o p t i o no fu n i q u es e r i a lt r i a n g l ec o n n e c t i o nw i t ht h ep a r t i c i p a t i o no fa p p e n d e di n t e r s p a c e d r e s i s t o ri m p r o v e st h es t a r t i n gp e r f o r m a n c ew i t ht h ec h a r a c t e ro fl o ws t a r tc u r r e n ta n dh i 曲 s t a r tt o r q h e t h ei n d u c t i o no ft h es t a t i ca n dd y n a m i cm a t hm o d e lu n d e rs e r i a la n dp a r a l l e lc o n n e c t i o n b a s e do nt h em o t o re l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r ya n dg e n e r a lm o t o rt h e o r yi sp r e s e n t e di n t h i s p a p e r t h ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mi sa c h i e v e db ys t a t i cm a t hm o d e la n dt h em o t o r p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai sa c h i e v e db ys o l v i n gt h ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m a f t e r l a b o r i n gt h ed e m e r i to fb r i e fe q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 、i mp r o p e ri m p r o v e m e n tr e f e r r i n gt o t h e a s y n c h r o n o u s m o t o r e l e c t r o m a g n e t i s m c a l c u l a t i o n p r o g r a m v e r s i o n1 9 7 1 ，t h e e l e c t r o m a g n e t i s mc a l c u l a t i o np r o g r a mi si n d u c e db a s e do nt h ep r e c i s i o ne q u i v a l e n c ec i r c u i t a n dp r o g r a m m e du s i n gv i s u a lb a s i cw i t hs p e c i f i ce x a m p l ec a l c u l a t i o n t h ed y n a m i ca n ds t a t e e q u a t i o no ft h em o t o ri sa c h i e v e db yd y n a m i cm a t hm o d e la n db a s e do nt h a tt h es i m u l a t i o n p r o g r a mu s i n gm a t l a bs i m u l a t e st h es t a r t i n gp r o g r e s s ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e st h a tt h e m o t o rh a st h ee m i n e n ts t a r t i n gp e r f o r m a n c ea sl o wc u r r e n t ，h i g ht o r q u e ，s h o r tp e r i o de t c a l s o t h ed e s i g nv a l u ec o n f o r m st ot h es i m u l a t i o nv a l u ew h i c hp r o v et h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s k e yw o r d s ：t w i n s t a t o r ；i n d u c t i o nm o t o r ；a p p e n d e di n t e r s p a c e dr e s i s t o r ；s t a t i cm a t hm o d e l ： d y n a m i cm a t hm o d e l ；e l e c t r o m a g n e t i s mc a l c u l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期妙6 年够月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：驴d 吾三二 导师签名：崔鲁覆 日期： 日期： g d1， 中 年年厂p 厶v d 第1 章绪论 1 1 传统异步电动机的起动特性及存在问题 1 1 1 全压起动 全压起动是最好的起动方式之一，它是将电动机的定子绕组直接接入额定电压起 动，因此也称为直接起动“3 。现代设计的笼型三相异步电动机都是允许直接起动的，故 直接起动方法的应用主要受电网容量的限制。当直接起动时的起动电流在电网中引起的 电压降落不超过1 0 1 5 ( 对经常起动的电动机取1 0 ；对不经常起动的电动机取 1 5 ) ，就允许直接起动。一般来说，7 5 k w 以下的三相异步电动机允许直接起动；如 果功率大于7 5 k w ，能符合下列经验公式要求者，也允许直接起动，其中l 为额定电流， 。，为起动电流： 神+ 器i d 如不能满足上式的要求，则必须采用降压起动的方法，通过降压，把起动电流限制 到允许的数值。全压起动具有起动转矩大、起动时间短、起动设备简单、操作方便、易 于维护、投资省和设备故障低等优点。所以，只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲 击力矩，起动引起的压将不超过允许值，就应该选择全压起动方式。全压起动的缺点是 起动电流大，鼠笼式异步电动机的起动电流一般为额定电流的5 8 倍。 1 1 2 降压起动 降压起动，就是在起动时，降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机转速趋近 稳定后，再将加在定子绕组上的电压恢复到额定电压工作。传统的降压起动方式有：在 定子线路中串电阻或电抗降压起动、星三角形降压起动、自耦变压器降压起动、延边 三角形降压起动和软起动等。3 。 1 电阻降压或电抗降压起动 即在定子电路串接电阻或电抗，使起动电流在电阻或电抗上产生压降，降低了电动 机定子绕组上的电压，起动电流也从而得到减小。但其成本较高，起动时电能消耗较多， 因此实际应用不多。 2 星三角降压起动 在电动机起动时，先将三相定子绕组接成星形，待转速接近稳定时再改接成三角形， 因此起动时接成星形的定子绕组的电压只有三角形的y 再，线路电流只有接成三角形 时直接起动电流的。但由于起动转矩与端电压的平方成正比，起动转矩也降低到了 直接起动时的。此方法的二次冲击电流较大，一般只适用于空载或轻载起动。 ，j 3 自耦变压器降压起动 它利用自耦变压器降低了加到电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，是国内 以往使用较多的起动方式。它较星三角降压起动在保护功能及适应负载变化方面有很 大提高，但仍存在起动电流较大、有二次冲击、缩短用电设备的使用寿命等缺点，且体 积大、价格高，特别是在电网容量有限而负载较重的情况下，用其做降压起动仍有一定 困难。 4 延边三角形降压起动 该降压法由星三角降压起动法演变而来，是利用电动机引出的九个出线端( 即每 相定子绕组多引出一个出线端) 的接法，达到降压起动的目的。其缺点是电动机内部接 线较为复杂，使用上有一定的局限性。 5 软起动 软起动是通过软起动器来降低电动机起动时的定子电压，以达到降低起动电流的 目的。目前软起动器有磁控降压软起动器和电子软起动器等。磁控降压软起动器采用控 磁限幅调压方式对电动机起动过程的电压进行减压调控，实质上就是电抗器降压起动。 电子软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电动机控 青4 装置。软起动器的工作原理是由串接于电源和被控电动机之间的三相反并联晶闸管进 行调压，可通过调节晶闸管的导通角使电动机的端子电压从预先设定的值上升到额定电 压。它一般采用1 6 位单片机智能化控制，能实现直接计算机通信控制，具有起动电流 小，对电网无冲击、保护功能齐全等优点。但是，软起动器存在高次谐波、结构比较复 杂、价格比较昂贵等缺点。 低压鼠笼式异步电动机降压起动，一般选星三角形降压起动，在达不到起动要求时， 再选择延边三角形降压起动，自耦变压器降压起动或定子串电阻或电抗降压起动；但是， 随着电力电子器件的发展，现在设计中大多采用软起动器降压起动。对于低压鼠笼式异 步电动机的降压起动，各种起动方式性能比较见表1 1 “1 。从表可以看出电子软起动很大 程度上优于传统起动方式。 1 1 3 绕线式异步电动机串电阻起动 通过对异步电动机的功率和转矩分析，町知异步电动机的最大转矩与转子电阻大小 无关，但是达到最大转矩时的转差率( 临界转差率) 却取决于转子电阻的大小。因此增 大转子电阻，就会使最大转矩往转差率增大的方向偏移，只要选择合适的电阻，就可以 在起动时获得最大转矩。利用此原理，绕线异步电动机起动时在转子电路中串入一大小 硕上学位论文 合适的电阻来增大起动转矩，并且限制起动电流。转子电路串入电阻有以下两种方法。1 ： 1 转子电路串接起动变阻器通过计算，选择适当的起动变阻器，使在起动时接入 的电阻符合式( 1 2 ) 的要求，就能够在起动时获得最大的起动转矩。但是由于这种 起动电阻是按短时运行设计的，如果长期流过较大电流，就会过热而损坏，所以当电机 开始转起来后，逐渐将串入的起动电阻切除，最后将全部切除。 + = 孵i i 丽 ( 1 2 ) 2 转子电路串接频敏变阻器频敏变阻器的电阻随着通过电流的频率变化而变化， 将它接在绕线异步电动机的转子电路里，在起动过程中频敏变阻器的电阻就随着转子电 流频率的降低而自动减小，从而起到自行逐渐切除电阻的作用而不用人工控制去分段切 除电阻，免除了分段切除电阻引起的冲击。因此，采用频敏变阻器起动，能自动地减小 电阻，使电动机在限定的起动电流范围内平稳地起动起来。 表1 1 异步电动机各种降压起动方式性能比较 名称全压起星一三角起动自耦降压起动磁控降压软起电子软起动 动动 起动电压u n0 5 跗k u n 2 2 0 v 由零逐渐升至 全压 起动电流 i q o 3 3 i ok 2 乇0 8 2 5 kf 0 3 3 ) o 间 调节 起动转矩 m q 0 3 3 k 1 m o( 1 8 2 ，5 ) 毛( o 3 1 m 。 起动机理全压分段恒压分段恒压区域恒流软起限流或电压斜 动坡软起动 控制方式继电器控制继电器控制继电器控制1 6 位单片机模 糊控制 电流冲击1 次 2 次以上 2 次以上1 次 0 次 起动时间 最短较长较短较长较短( 可调) 重量体积轻d , 轻, b重火较重俄大轻，j 、 初投资低 低 较高较高较高 注：u 为额定电压，厶、为电动机全压起动电流和起动转矩，k 为起动电压，额定电压，对自 耦变压器为变比。 绕线式异步电动机串电阻起动，能够获得较高的功率因数、较大的起动转矩和较小 的起动电流，同时还具有较好的调速性能和起动平滑等优点，应用广泛。但是，绕线式 异步电动机串电阻起动的起动控制复杂，电气元件的触点非常多，因而故障频繁，特别 是电刷与集电环之间的摩擦容易产生火花及增大接触电阻，使电刷的耗量较大。为了克 双定子笼型感应电动机的研究 服上述缺点，人们探索如何实现绕线式异步电动机的无刷运行，成都时达电子仪器厂试 制成功了“无刷无环起动器”，具有定的先进性，但是还存在着起动电流偏大，体积与 重量都不理想等缺点。3 。 1 2 船用异步电动机起动器的现状及分析 交流感应电动机起动器是船舶电力设备中不可缺少的重要部分，特别是鼠笼式异步 电动机在船上应用广泛“1 。随着船舶电气化程度的不断提高，在大型船舶上用于驱动机 舱辅机、甲板机械以及冷藏空调通风等机械的交流感应电动机已达数百台之多，其中侧 推装置、货物起重机、冷藏压缩机的驱动电动机功率均为近百千瓦乃至几百千瓦。由于 船舶电站的容量有限，为避免大型电动机直接起动时对电网电压的剧烈冲击，防止在转 轴上产生过大的机械应力，需要严格控制船用起动电机的起动电流”1 。为了抑制船用起 动电机的起动电流，目前的解决方案如下： 1 降压起动 在降压起动方式中，星一三角及自耦变压器降压起动又通常是首选的方法。采用星 三角起动器进行起动时，电动机每相绕组的电压降低为电源电压的y 。，起动电流则 是直接起动时的。但当电动机转速升高到7 0 9 0 的额定转速( 取决于电动机特 j 性) ，从星形转换成三角形时，产生的转矩仍可达到2 5 倍的满载转矩，电流峰值则为 4 5 倍满载电流，有时暂态电流的峰值可能会增止2 0 倍的满载电流。自耦变压器降压 起动和星一三角降压起动一样是采用梯式降压方法，当降压起动过程完成后，再加全压 投入运行时，难免产生由于突加全压而产生的二次冲击电流，二次冲击电流除了会对船 舶电站电网产生影响外，也将对船舶辅机设备产生不良的后果。因此，星，三角降压起 动及自耦变压器降压起动对于减小船用电机起动电流并非理想。 软起动器作为船舶用电机起动器得到了广泛的应用，它采用无级调节的降压方式， 起动电流的变化也是无级、平滑和稳定的，因此克服了其它起动形式对船舶电站电网以 及辅机设备所造成的不良影响，例如二次冲击电流等。软起动器有着过流及速断保护、 断相保护、晶闸管等的过热保护、进线电源逆序保护以及节能的优点；但是，软起动器 也有着不少缺点：1 ) 由于晶闸管等发热需要一定的恢复时间，因此，对每次起动的间 隔时间有一定的要求。一般产品使用说明中对1 小时内的起动次数都有严格的限制条件， 当设备需要频繁起动时，应该严格遵守说明规定。2 ) 软起动器虽然解决了异步电动机 起动和停止对船舶电网的影响，但由于它采用诸如可控硅等非线性器件，在选用功率较 大或台数较多的软起动器时，应注意高次谐波对船舶电网造成的不良影响以及对船上无 线电通讯设备的干扰。3 ) 由于软起动仍然属于降压起动的范畴，因此，起动转矩相应 有所下降，软起动一般适合于轻载起动的船舶设备，对于需要重载起动的船用设备，采 4 硕士学位论文 用绕线式异步电动机串电阻起动的方法来降低起动电流和增大起动转矩；如果采用鼠笼 式异步电动机软起动器，则必须经过机械设备的动、静阻力矩和电动机起动转矩计算后， 在订货时向厂家提出技术参数的要求。可见，软起动也不是一种降低起动电流的理想方 法。 2 变频器起动 由于对频率进行控制，所用变频装置价格非常昂贵，不是一种理想的改善船用电机 起动性能的起动方式。 3 全压起动 全压起动( 直接起动) 在船上最为常见”1 。目前，全压起动的起动电流为5 5 7 倍 额定电流，据测量在起动瞬间1 2 个周波内，起动电流大大超出上述数值范围，达到8 1 3 倍之多。显然，全压起动降低起动电流的效果不显著。 根据电机学原理可知，在直接起动的时候，通用异步电动机可以采用下列的方 法抑制起动电流：1 ) 提高异步电机的二次电阻，使起动电阻为容许值；2 ) 降低电源电 压压降来抑制起动电流。当电源电压瞬时降低时，控制电源的整流装置的输出电压也下 降。如果以上两点能得到进一步地改善，就能更好地抑制起动电流。 4 双定子笼型感应电动机串联三角形起动 转子带中间附加电阻的双定子笼型感应电动机串联三角形起动就是作了以上改进 的一种方法1 9 1 。它也正是本文研究的一种低起动电流新型异步电动机。这种结构电机具 有笼型感应电动机结构特点和绕线式转子感应电动机串电阻起动的优点。它采用转子导 条带中间环附加电阻的双定子结构，来提高异步电机的二次电阻；采用两定子绕组串联 三角形起动方法来降低加在每相绕组上的电源电压压降。该电机具有良好的起动性能， 工作损耗小、效率高，发热问题不严重，并且起动装置简单，不需要如星一三角起动和 软起动器那样的降压起动装置，所占空间小，特别适合在空问有限和容量有限的船舶上 使用。 综上所述，前几种解决方案都存在一定的缺点，不能很好地解决船用起动电机起动 电流过大的问题。本文认为，双定子笼型感应电动机是较好地解决方案之一，在应用领 域值得推广。 1 3 双定子电机国内外研究现状 1 3 1 双定子电机的发展过程 双定子电机的思想起源于双绕组电机。 本世纪2 0 年代后期，为了进一步增加重要电站大型发电机组装机容量，工程设计人 员转向设计双绕组发电机，也就是发电机中有两个独立的定子绕组，它们分别连接到电 站总线的不同区段。这两个绕组发出的电压数值上和相位上均相同。他们设爿了几种类 双定子笼型感应电动机的研究 型的电机，从而使一些机组的额定容量上升到1 7 5 m v a 。 。 到了7 0 年代，p r o b e r t 等人研究发现，两个定子绕组的异相输出通过升压变压器中 两个初级线圈重新组合，其中一个线圈为三角形接法，另一个为星形接法。若两个定子 绕组互相错开3 0 。，由相谐波引起的杂散损耗会显著减少【l 。 为了提高交流驱动的功率级别，人们进行了许多尝试。美国俄亥俄大学的l u r o n gy e 和l o n g y ax u 提出了双6 拍供电给双定子绕组的交流驱动策略。在感应电机定子槽中放置 了两套电绝缘绕组，其中一套相对于另一套有3 0 0 的空间相位移。由两个逆变器给双绕 组供电，两个逆变器产生的每相电压也同时间隔3 0 。的相位移。研究表明气隙磁通和转 子电流的5 次和7 次谐波急剧减少，输出转矩要优于单一的六拍供电“。 美国的r o g e rg l a w r e n c e 等人通过对他们设计的可调速离心天然气压气机电驱动系 统的理论研究和试验，指出对于高速同步电动机，若两个独立的三相定子绕组具有3 0 0 的位移，当两个定子绕组供电电流也具有3 0 。的相位移时，转子电流的6 次和1 8 次谐波电 流将被消除，谐波损耗将在很大程度上减小“。 美国w i s c o n s i n m a d i s o n 大学的a l f i e d o 和t h o m a s 提出一种新型的双定子绕组感应电 机。该种新电机的最突出的特征是两个定子绕组的极数不同。这产生了两个独立的转矩， 并能够通过控制得到任何理想的合成输出转矩。由于每个转矩分量由独立的定子电流控 制，当每一个定子绕组设置成最小的运行频率时，仍能够得到零或接近零速和额定的运 行转矩。这个特点对降低低速运行时定子绕组的负面影响尤其重要，而且双定子感应驱 动中共有的高次谐波环流问题也能够完全消除“”。 1 3 2 双定子电机的国外研究现状 双定子电机最初由澳大利亚的b h s m i t h 在1 9 6 6 年以感应电动机的形式提出来的， 当初主要是为了解决电动机的调速问题“。到了2 0 世纪末，提出了在转子回路中增加 附加电阻的双定子电机，主要是为了改善异步电机的起动问题。它因为具有许多不同于 普通电机的优点而得到了广泛的重视和研究，不论是在基本理论还是在电机结构方面都 取得了重大发展，而且已经在一些工业部门中得到了广泛的应用。 日本在双定子电机的理论研究和工业应用上显得较为活泼，英国、澳大利亚也围绕 双定子电机做了大量的工作。他们为双定子电机申请了专利，甚至还专门成立了电机调 速有限公司。 双定子电机种类很多，直流电机、感应电机、同步电机、步进电机、静电电机等都 有采用此种结构。目前电机中最常见的双定子结构分两种：同心结构和并行结构i l 。 1 同心结构 同心结构双定子电机以杯形转子结构电机应用得最为普通。为了减小转子电枢的转 动惯量，提高电机快速响应性能，微型交直流伺服电动机中都有杯形转子结构。直流电 机中杯形转子绕组多采用高强度漆包铜线绕制，交流伺服机杯形转子则为一个金属杯。 6 硕上学位论文 金属杯形转子是杯形转子交流伺服机和交流测速发电机的重要部件，有磁性材料杯和非 磁性材料杯之分，常用的是非磁性材料杯由铝、铜或它们的合金等材料制造。励磁和输 出绕组分别嵌在外、内定子铁心槽内，如图1 1 所示。这种电机的优点是：电枢的转动 惯量低，电感和电气时间常数小，起动电压低，电枢中没有磁滞损耗和涡流损耗，效率 高单位体积的功率大，电枢在任何位置时的力矩平稳性好，运行平稳，噪声低，转矩与 惯量的比值大。其缺点是：工艺难度较大，成本较高。 图1 1 同心结构 l 一转子杯2 一内定子电枢3 一外定子电枢 2 并行结构 并行结构双定子电机是指两个定子并行放置。众所周知，笼型感应电机由于 其简单、可靠、低电阻、低损耗，无论是电动机还是发电机在电力系统中都得到 广泛应用。常规笼型感应电机的特性控制离不开变频器的运用。当电机既被用作 发电机又被用作电动机时，变频器向两个方向传递功率，它的安装复杂又昂贵， 此时，绕线转子感应电机通常作为首选，但由于滑环和绕线转子的存在，它的缺 陷也为大家所熟知。 爱尔兰的d l e v y 设计了一种等同步电机( i s o s y n c h r o n o u s ) ，该电机是具有 并行放置的双定子绕组的多相单性旋转笼型感应电机【i 。当用作发电机和电动机 时，其中一个定子是固定的，另一个定子可手动调节和定位，用来与机械功率和 电功率相匹配。可调定子被形象地看作电压调节器用来控制电机内功率的流动， 有效地解决了传统笼型感应电机不能控制功率流动的缺陷。近年来，该种结构电 机作为一种新型的调速电机日益受到重视，其结构图如1 2 。 图1 2 双定子调速电机 轴 图1 3 双定子笼型感应电动 双定，笼型感应电动l 的研艽 日本的k a n e ot a k a k u 设计出一种起动性能良好的双定子笼型感应电动机，如 图1 3 所示”“。澳大利亚c u r t i n 技术学院也提出了类似结构的感应电机“”。该电 机单个定子的结构与普通笼型转子感应电动机相同，转子结构也基本上与普通笼 型转子感应电动机相同，在转子两端以常规的端环短路，只是转子的每根导条具 有两个定子的全部长度，并且转子中央具有高电阻的中间端环与导条连接。两个 定子绕组可以并联，也可以串联，通过接触器的切换使加在两定子绕组的电压有 相位差，迫使电流从中间端环流过，相当于增加转子电阻，性能上与绕线转子感 应电动机带电阻起动相似，起动转矩大而起动电流小。当起动过程完成后，切换 接触器，此时该电机与传统笼型感应电动机一样，电机的效率与功率因数较高。 这种双定子感应电机采用相位切换的新起动方式，其特殊结构使起动时和运行时 不同特性要求成为可能。在电机的速度和转矩需要控制的场合，该种电机可代替 绕线转子感应电机。 1 3 3 双定子电机国内研究现状 我国对双定子异步电动机的研究起步较晚，目前有华中理工大学、四川联合 大学、哈尔滨理业大学、哈尔滨工业大学等高校在做这方面的工作。 华中理工大学对新型双定子调速感应电动机( 如图1 2 ) 的研究比较深入，引 入“旋转等效”等概念，将双定子感应电动机两个定予之间的相对旋转，看成是定 子不动，而转子对应部分扭转了一个角度，在此基础上，又通过引入“相位折算” 的概念，将两个定子之间的旋转角的变化，等效为转子相绕组有效匝数的变化， 因而能进行绕组折算，得到折算后的基本方程式，进而推导出了与常规感应电动 机相似的“7 ”形和“r ”形等效电路，并且通过通用电机理论等知识，推导出了该双 定子调速电机的动态模型，使用m a t l a b 语言对其起动性能进行了仿真i ”1 。 哈尔滨工业大学根据传统稀土永磁同步电动机的结构特点，设计出了一种双 定子结构永磁同步电动机，用于电动汽车用电动机“。 哈尔滨理工大学、四川联合大学等高校对新型双定子笼型感应电动机( 如图 1 3 ) 的研究比较深入。东方电机股份有限公司和四川联合大学为四川白马发电厂 研制的1 0 0 0 k w 高起动转矩低起动电流新型双定子异步电动机，做为白马电厂2 0 万k w 汽轮发电机组钢球磨煤机配套用的笼型异步电动机，于1 9 9 4 年7 月1 8 曰 投入商业运行以来，性能良好，起动电流为3 4 倍额定电流，是常规电机的6 0 ， 起动转矩达1 8 倍额定转矩，为常规电机的2 倍左右。起动时间短，对电网冲击 小，极大地改善了蘑煤机的工作面貌，深受用户的喜爱。用户对该电机的评价是： 起动性能优越，起动力矩高，起动电流小，起动电压低，转子部件温升低，起动 时间短，开关动作可靠，运行稳定，大大提高了设备的安全可靠性。“。哈尔滨理 工大学针对目前油田抽油机配套电机存在的问题，研究出了抽油机专用高起动转 硕上学位论文 矩节能三相感应电动机“。 综上所述，双定子电机的研究情况目前主要集中在新型双定子电机的结构、 原理与应用方面。对双定子电机的原理分析又主要集中在建立双定子电机的数学 模型，推导其等效电路及对其进行计算机辅助分析等方面。 1 3 4 双定子电机应用前景展望 需要重载起动的场合例如火电厂中的磨煤机，这种情况下双定子电机的结 构( 如图1 3 ) ，两个定子绕组串联( 也可以并联) ，利用一对高压真空接触器的 切换来控制两定子绕组串联间的相位，使两定子产生的旋转磁场在空间的相位差 为妒，如图1 4 ，图中9 = 6 0 。当起动时妒 o ，两定子产生的两旋转磁场有相位 差。所以每一转子导条中的感应电势就有相位差，连接转子导条的中间环中有电 流流过，这等效于转子电阻增加。当起动过程结束后，接触器切换到妒= 0 0 ，如 图1 5 所示，两定子产生的两个旋转磁场同相位，于是每一转子导条中的感应电 势同相位，从而中间环中没有电流流过，这时与普通鼠笼电机一样。这种方法相 当于转子串电阻起动，减小了起动电流，增大了起动转矩，具有良好的起动性能。 图1 4 两定子绕组茕相位差时旋转磁场关系图 双定了笼型感应电动机的研j 宄 端环 图l ，5 两定子绕组无相位差时旋转磁场关系图 直接驱动电机双定子结构使直接驱动电机首次用于机器人领域，随着电机 新材料的出现、工艺水平的提高及智能控制策略的发展，其应用范围必将越来越 广泛，在要求高分辨率的分度装置、自动焊接机、孔加工机等的机器、装料装置 等的搬运机器，塑料薄膜成型机的辊驱动、医疗仪器、测量器等领域都有很大的 发展空间。特别值得一提的是，由于燃料的紧缺和环境保护的需要，电动概念车 的研发越来越受到各国科学家的重视。电动车采用直接轮式驱动的优势是很明显 的，因为这样可以省去变速箱、机械传输和差动装置。缺陷是增加了车辆的簧下 质量及机械装置同行轮耦合的复杂程度。采用转子居中双边轴向磁场电机可克服 这些困难。电机的两个定子可以安放到汽车的底盘上，转子直接驱动行轮。同时， 双定子结构轴向磁场电机也使直接轮式驱动中转子相对驱动轴运动方向的垂直不 对齐得到了控制。 风力水力发电机由于双定子感应电机克服了传统笼型感应电机不能调节 功率流动的缺点，在速度和转矩调节领域受到普遍关注。目前引起广泛注意的一 个应用是风力或水力发电机。出于风轮机的转速通常取决于风速，水轮机的转速 取决于水流速率和落差，人们不得不提出相当周密的设计方案调整风轮机特性以 减少因风速改变引起涡轮机速度脉动，或不考虑涡轮机速度，调整驱动系统旋转 速度到一相对恒定程度；在水轮机中，通常发电机与一速度调节器相联以使转速 与负载无关，维持恒定。这些措施既昂贵又经常效率低下。爱尔兰的利菲河磨坊 安装了这样的双定子笼型转子感应电机，它有效地利用了风力水力涡轮机功率的 变化，通过调整一个定子的位置角以使机械转矩和转速与电力元件相匹配。该电 机尤其适用于小型风力水力变速恒频电力发电，无需接口电路、同步网络和调 节器，直接可靠、简单经济。 无自起动能力的机械双定子结构的引入，很好地解决了如双凸极永磁电机、 微型永磁同步电动机的自起动问题，同样的思想也适用于其它类似的无起动能力 硕士学位论文 的电机。对于某些原动机，例如无起动能力的风轮机，双定子感应电动机可拖动 风轮机到达运行转速，当风能达到能提供涡轮机运转的水平时，并且只要风能保 持在由风轮机特性和发电系统所确定的某些期望条件之上，该电动机将自动转换 成发电机。 微型电机静电电机已经在一些基本上不需要功率输出的场合得到了应用， 如光、磁领域。但目前静电电机的驱动力还是相对过小，这使它的应用范围受到 限制。随着微机电系统( m e m s ) 的不断发展以及微观领域基础理论的不断深入研 究，作为微型机械的动力，双定子静电电机优越的转矩性能和转子的稳定性将会 发挥其优势，在医疗领域、航天航空领域、军事领域等各种纤细复杂的微环境里 将会有广阔的应用前景“”。 1 4 课题研究目的意义及本文的主要研究内容 1 4 1 课题研究目的和意义 本课题是受上海电器科学研究所委托，为了研制舰艇用低起动电流电动机而 提出的。本文拟采用双定子鼠笼式三相感应电动机来改善船舶用电机的起动性能。 起动是交流异步电动机的一种特殊运行状态，首先必须满足生产工艺的要求， 同时还要使电动机能够合理运行。对其起动性能的要求主要是：a ) 具有足够大的 起动转矩，以保证生产机械能够正常起动；b ) 在保证一定大小的起动转矩的前提 下，电动机的起动电流越小越好；c ) 起动设备力求结构简单，操作方便；d ) 起 动过程的能量损耗越小越好。评价异步电动机的起动性能主要看它的起动转矩和 起动电流。为改善异步电动机的起动性能，关键在于限制其起动电流，增大起动 转矩。一般都希望在起动电流比较小的情况下，能得到较大的起动转矩。 在电力拖动系统中应用较广泛的普通鼠笼式三相感应电动，虽然具有结构简 单、制造方便、运行可靠、造价低廉、维护简单等优点，但是在起动时由于受到 电机磁路高度饱和以及转子导条集肤效应的影响，引起电机漏抗显著减小，转子 电阻增加，存在着起动电流大、起动转矩小和重载起动时间长等缺点；特别是对 于带重负荷全压起动，其起动转矩不高，加速缓慢，起动时间长，笼条经常出现 开焊和断裂。可见，其起动性能恰恰和上述要求相反，即起动电流大，而起动转 矩却很小。 综上所述，电动机虽然有了百年的发展，但三相异步电机的起动却一直未能 得到很完善的解决，一直是困扰着广大电机设计者和使用者的一大难题。据统计， 在实际运用中，需要降压起动的电机占异步电机总量的2 0 以上。因此，对改善 电机起动性能的研究成为电机行业重要而迫切的课题。 本文提出了用双定子鼠笼式三相感应电动机来解决这一问题的方案。它是一 双定子笼型感应电动机的研究 种具有两个定子的新型电机，其研究将可能会涉及到一些传统结构单定子电机研 究中所未涉及的新问题，形成一些新的研究方向，有可能扩展电机学科的研究范 围。因此对双定子电机的研究具有一定的理论意义和实际价值。 1 4 2 本文的主要研究内容 本文拟就双定子笼型感应电动机的原理和设计及起动性能分析开展研究，并 进行如下方面的研究工作： 1 在综述国内外大量双定子电动机方面的研究成果的基础上，分析双定子电 机的研究现状及今后的研究方向。 2 从双定子鼠笼式三相感应电动机气隙磁场的分析出发，论述双定子笼型感 应电动机的基本理论，阐明其基本结构和运行原理，建立基本方程式，得出等效 电路。 3 探求该种电机的电磁计算程序，并用v i s u a lb a s i c 语言编写计算机辅 助设计程序。 4 推导双定子笼型感应电动机的动态模型，建立其状态方程，并且用 m a t l a b 语言编写其仿真程序，对双定予鼠笼式三相感应电动机的起动性能进行 仿真分析。 顾十学位论文 第2 章双定子感应电动机的原理及数学模型 2 1 鼠笼式感应电动机双定子结构思想的提出 我们知道，当异步电动机直接投入电网起动时，在t = 0 时刻，玎= o ，s = 1 ，异 步电动机对电网呈现短路阻抗乙，流过它的稳态电流称为起动电流。利用简化等 效电路，忽略励磁支路，则异步电动机起动电流( 相电流) 为”： l ：了尹r l 亍 ( 2 1 ) ( 胄1 + r 2 。) 2 + ( 五。+ r 2 。) 2 一般情况下，起动电流很大，其起动电流倍数k ，= z4 7 。而起动转矩却 得不到相应的提高，其起动转矩倍数置。 至。o 9 1 3 。影响异步电动机起动转 n 矩的主要原因是：( 1 ) 起动电流太大，引起定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应 电势e 。减小，从屯o 。e ，可知丸也将减小；( 2 ) 起动时转子漏抗x ：。远大于转子 电阻屯，使转子功率因数角v 2 = a r c t g ( x 2 么：。，) 接近于9 0 0 ，咖o s 很小，所 以尽管：很大，但其有功分量i ：c o s v ：却不大。所以由公式瓦= c 。i ：c o s w ：可知 起动转矩贮，正比于磁通和转子电流有功分量，因而起动转矩并不是很大。 通过对异步电动机电磁功率的分析，可知起动转矩的计算公式是： r ：竺：旦堕塾；( 2 2 )js t 一 ，_。7 2 秭 ( r l + r 2 。) 。+ ( r l m ，+ 2 。) 2 】 ， 由于墨。+ 也。 r i + r 2 。，式( 2 ) 可以近似写为： t ，：垫型k ( 2 3 ) 2 顽( x l 。+ z 2 。，) 2 因此，要想改善异步电动机的起动性能，即减小起动电流，增大起动转矩。 从式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可知，若增大转子电阻r ，可以减小起动电流，增大起动转 矩，达到改善电机起动特性的目的，但是转子电阻的增加对电机的运行特性产生 了很大的负面影响。因此，本文采用鼠笼式感应电动机双定子结构的方案，在转 双定了茏型感应电动机的研究 子相邻导条问连接附加电阻环以提高起动时异步电机的二次电阻，来抑制起动电 流，提高起动转矩，而在正常运行状态时，中间端环不参与运行，转子电阻和普 通异步电动机一样并没有增加，保证了额定运行时的效率，和普通异步电机一样 额定运行效率较高。 2 2 双定子鼠笼式感应电动机的结构和原理 2 2 1 双定子鼠笼式感应电动机的结构 双定子感应电动机有两个沿电机轴向放置的独立的功率相等或不等的固定不 动的定子( 本文假设两定子完全相同) ，在每个定子中嵌放有三相对称的定予绕组， 单个定子的结构与普通笼型感应电动机相同；与其对应有两个转子铁心，他们通 过鼠笼型导条组成一个完整的转子，转子的每根导条具有两个定子的全部长度， 实际长度应大于两个定子的全部长度( 因为两定子间有距离) ，导条在两端以常规 的铜端环短接，其转子结构也基本上与普通笼型转予感应电动机相同；同时在两 个转子铁心的中间安放有由高电阻材料组成的附加电阻环( 也称联络电阻) ，如图 2 1 所示。两个定子绕组可以串联也可以并联，起动时利用高压真空接触器切换， 可控制两串联定予绕组上的外施电压的相位。 轴 转寻站构图 图2 i 双定子感应电动机结构图 2 2 2 双定子笼型感应电动机的运行原理 双定子笼型感应电动机的运行原理与普通笼型感应电动机基本上相同，只是 在起动与正常运行状态之间存在切换过程。双定子笼型感应电动机通过控制加在 两定子绕组的电压相位( 其相位差妒可以为6 0 。、1 2 0 。或l8 0 。) ，使起动时转子的 二次电阻呈高阻状态，运行时旱低阻状态，其切换电路如图2 2 所示“。 起动时，双定子的两绕组为串联三角形连接，如图2 3 所示分别为相位差驴等 于6 0 。、】2 0 。或1 8 0 0 时的连接图。以妒等于6 0 0 的情况来分析一下其起动原理，如 图2 3 ( a ) 所示，定子1 的u l 、k 、彬帽绕组分别落后定子2 的u ，、k 、绕 组6 0 。起动时，断开电磁接触器t m ，则加在两定子绕组上的电压相位差为6 0 0 ， 这时流过两定子绕组中的电流就有相位差，他们分别产生的定子旋转磁场也有相 位差，因此对应的转子导条段的感应电动势就有相位差，如图1 4 所示，从而迫 使电流从中间环流过，这就相当于转子电阻增加，呈高阻状态，从而抑制了起动 电流并产生了高的起动转矩。这时双定子笼型感应电动机在性能上与绕线转子感 应电动机串电阻起动相似。如设计合理，中间端环电阻取值恰当，双定子电机可 以做到起动电流为额定电流的3 5 倍，而起动转矩可以达到额定转矩的2 倍。 当起动完成后，转速升高了，时间继电器动作，电磁接触器闭合，回路就切 换成图2 4 的并联星形连接，加在两定子绕组的电压没有相位差，流经两定子绕 组中的电流就没有相位差，他们分别产生的旋转磁场也没有相位差，对应的转子 导条段的感应电动势就没有相位差，如图1 5 ，所以二次电流不流过中间环，仅 流经转子导条和两端普通端环。这样相当于运行时去掉了中间端环，此时双定子 笼型感应电动机与传统鼠笼感应电动机一样，电机的效率和功率因数都比较高。 由上可知，该电机在结构方面与y 系列电机相似，仅增加了高电阻率的中间 端环附加电阻。 定子a a b c 图2 2双定子感应电动机起动到运行切换电路 埘c 电磁接触器7 m 时间继电器 ( a ) 两串联定子绕组相位相差6 0 。 双定了笼型感应电动机的研究 ( b ) 两串联定子绕组相位相差1 2 0 0 ( c ) 两串联定子绕组相位相差1 8 0 。 图2 3 双定子电机两串联定子绕组起动连接图 图2 4 双定子电机两定子绕组并联运行时y 型接法 2 3 双定子笼型感应电动机的数学模型及等效电路 双定子笼型感应电动机的两个定子绕组接成形，或者y 形，然后连接电源， 通过接触器的切换来控制加在两定子绕组上电压的相位，使两定子的旋转磁场产 生相位差。由于双定子笼型感应电动机起动时接成串联三角形，运行时接成并联 星形，因此本文将对