（电机与电器专业论文）无刷双馈电机的电磁结构分析及仿真研究.pdf

a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd o u b l e f e dm a c h i n e ( b d f m ) n o to n l yf e a t u r e ss i m p l i c i t y , h a st h e r o b u s tm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c st o g e t h e rw i mc o n t r o l l a b l es p e e da n dp o w e rf a c t o r , b u ta l s oc a nr e a l i z ee a s i l ya s y n c h r o n o u s ，s y n c h r o n o u sa n dd o u b l e - f e do p e r a t i o n m o d e s b e i n ga c t e da sa l la d j u s t a b l es p e e ds y s t e mu s i n gc o n v e n t i o n a la cm a c h i n e , t h eb d f mc o u l dr e d u c et h ec a p a c i t yo f t r a n s d u c e ra n dt h ea d j u s t a b l es p e e dc o s t t h e b d f mg a l lb ew i d e l ya p p l i e di nf a n , p u m pa n da d j u s t a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u a n c y g e n e r a t o rs y s t e m , s u c ha sw a t e r p o w e ra n dw i n dp o w e r , s ot h es t u d yo fb d f mi s r e g a r d e db ym a n y r e s e a r c h e r s t h es t u d yo fb d f mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n i sa sf o r l l o w ： f i r s t l y , t h r o u g h t h e u n d e r s t a n d i n g o ft h e d e v e l o p m e n th i s t o r y , a c t u a l l y r e s e a r c h i n ga n da p p l i a n c ef o r e g r o u n d ，c o m b i n i n gw i t ht h el i t e r a t u r eo fi na n do u t c o u n t r y , t h eb a s i ct h e o r yo fb d f mi ss t u d i e d t h et h e o r yo fa d j u s t a b l es p e e dw i t h c o n s t a n tf r e q u e n c yo fb d f mi sa n a l y z e dt h r o u g hp o w e rv i e w , a n dt h er o t a t es p e e d f o r m u l aa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i s mp o w e ra n dt h ep o w e rs u p p l y f r e q u e n c yo f p o w e rw i n d i n ga n dc o n t r o lw i n d i n go f b d f m ss t a t o ra r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h ec o n f i g u r a t i o no fb d f mi sa n a l y z e d b e c a u s et h eb d f mi s c o m p o s e dw i mp o w e rw i n d i n ga n dc o n t r o lw i n d i n go fs t a t o r , t w ow i n d i n gm o d e sa r c g i v e n , t h eo n ei ss i n g l ew i n g i n ga n dt h eo t h e ro n ei s d o u b l ew i n d i n g t h e et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s et w ok i n d so fw i n d i n g sa r ea n a l y z e da n dt h ec o n f i g u r a t i o no f s i n g l ew i n d i n gi sa n a l y z e de s p e c i a l l y s u b s e q u e n t l y , t h ef o r mo fs q u i r r e lc a g er o t o r a n dt h es e l e c t i o no fr o t o rb a rn u m b e ra r ea n a l y z e dr o u n d l y , s ot h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no fe l e c l r o m a g n e t i cd e s i g na n dp a r a m e t e ro p t i m i z i n gf o rb r u s h l e s s d o u b l e - f e dm a c h i n ei sg i v e n t h i r d l y , t h es t a t o rc o n f i g u r a t i o no fb d f m i ss p e c i a l ，s ot h e r ei sn oa n yc o u p l i n g i ne l e c t r i ca n dm a g n e td i r e c t l yi nt h et w os e t so fw i n d i l l g sa n dt h ee l e c t r i cm a g n e t p o w e ri st r a n s f e r r e di n d i r e c t l yt h r o u g hr o t o rw i n d i n g , s ot h ea n a l y s i so fs t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c eo fb d f mi sv e r yd i f f e r e n tf o r mt h a to fc o n v e n t i o n a le l e c t r i cm a c h i n e s t h ef r e q u a n c yo fe v e r yw i n d i n gi sc o n v e r t e dt ot h es a m ev a l u eb yu s i n g f r e q u e n c y - c o n v e r s i o nm e t h o d t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ep h a s o rd i a g r a ma r e g a i n e d u s i n gt h ep h a s o rd i a g r a m , t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dp o w e re q u a t i o na r e a n a l y z e d t h e nt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n , e v e r yh a r m o n i cp r o d u c e db yb o t h s t a t o ra n dr o t o rw i n d i n g sa n dt h ea c t i o no f e a c ho t h e ra l ea n a l y z e d f i n a l l y , d o i n gs o m ea m e l i o r a t i o nt om a t hm o d e le x i s t i n g , t h ec r o s s e dr e f e r e n c e f l a m em o d e lo fb d f mi sp r o p o s e d 1 1 ”m o d e li sd e v e l o p e db yc o n v e r t i n gt h ep o w e r w i n d i n g sv a r i a b l eo f s t a t o ra n dt h er o t o rw i n d i n g sv a r i a b l ei n t os t a t i cd q 0a x i sd o m a i n w h i l em a i n t a i n i n gt h ec o n t r o lw i n d i n g sv a r i a b l eo fs t a t o ri ns t a t i ca b ca x i sd o m a i n w i t h o u tc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n , t h ev a r i a b l eo fc o n t r o lw i n d i n g sm a yb ed i r e c t l y s o l v e dw i t ht h ev a r i a b l ea n dc o r r e l a t i v en e te q u a t i o no fc o n v e r t e r t h e nt h e m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei su s e da n dt h i sm o d e li ss i m u l a t e d n er e s u l ti se x a c t b a s i c a l l y , 8 0i tm e a n st h em a t h m o d e li sc o r r c e ti ns u b s t a n c e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd o u b l e - f e dm a c h i n e , p a r a m e t e rc a l c u l a t i n g , a n a l y s i s o fs t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e ，e l e c t r o m a g n e t i s ma n a l y z e ，c r o s s e dr e f e r e n c ef r a m e m o d e l c h a r a c t e r i s t i cs i m u l a n o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做储鹕。嗣移辩醐：删引月州 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生态茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做储獬：锄纠仅 签字日期；乒年月o 日 导师签名： 签字日期：日 t 月杉纠年 么0o 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷双馈电机的发展历史 无刷双馈电机( b r u s h l e s sd o u b l e f e dm a c h i n e ) 是一种结构简单、坚固可靠、 异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈，可应用于调速系统和变速恒频发 电系统中。 无刷双馈电机是由串级感应电机发展而来。串级感应电机是将两台绕线式异 步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在1 8 9 3 年，由美国 的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，所以 曾引起人们广泛的注意，其中贡献最大的是h u n t 1 】。h u n t 电机提出了比以前的 电机更先进可行的理论。这种电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子 绕组，并且具有一个共同的磁路。它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和 速度控制，实现了无刷化。后来g r e e d y 对这种电机进行了进一步的改进，为之 设计了精巧的定转子绕组( 2 】。但是由于定、转子绕组极数配合及绕组设计上的种 种限制，该电机未能投入实际应用。 直到7 0 年代，b r o a d w a y 等对h u n t 电机进行了较大的改进，简化了转子绕 组，并使得定、转子绕组极数配合的范围进一步扩大f 3 】，将自串级无刷双馈异步 电机理论向前推进了一大步。后来b r o a d w a y 又将相调制理论应用到极变换绕组 中，从而使得定子绕组对称化，简化了定子绕组，使之可以通过对普通双层绕组 经过适当的连接来得到，这为b d f m 电机进入实用铺平了道路。 8 0 年代末9 0 年代初，无刷双馈电机动态数学模型的建立【4 捌，为b d f m 的 动态仿真和控制性能上的优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于 b d f m ，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等等。 而电力电子器件和微处理器的发展，如i g b t 、d s p 等，又进一步促进了b d f m 的发展。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 无刷双馈电机的研究意义 无刷双馈电机不但取消了电刷和滑环，提高了电机运行的可靠性，减小了维 护的成本，而且可方便地实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式； 同时还与转子接串调或双馈装置的绕线电机相似，可用较小容量的变频器对功率 较大的电机进行调速，特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速，是一种很有 希望的中压节能调速方案，而且对该种电机的进一步研究和开发可能会有效解决 制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关键技术问题，以及水力、风力发电 系统的恒频变速问题。因此，对无刷双馈电机进行深入的研究具有十分重要的意 义。 ( 1 ) 无刷双馈电机可以有效解决高压电机变频调速系统中的技术难题。实现 高压电机的变频调速一般有两种方法；一种是采用高压变频器：另一种是采用高 一低一高变频方案。当采用高压直接变频时，由于需要采用多器件的串并联，线 路复杂，技术难度大，系统的可靠性较差，而且高压变频器的价格比同容量的普 通低压变频器要高得多；当采用高一低一高变频方案时，需要先用降压变压器把 高压变为低压，经低压变频后，再用升压变压器升压，该方案的优点是可采用普 通的低压变频器，缺点是多了两台同容量的变压器，增加了调速系统的成本。 如果采用无刷双馈电机的调速系统，功率绕组可以由高压电源供电，控制绕 组由普通的低压变频器供电，则高压电机变频调速系统存在的上述问题可以得到 有效的解决。 ( 2 ) 无刷双馈电机可以大大降低调速系统的成本。在许许多多的生产应用领 域，如发电厂和钢铁企业中，水泵和通风机等负载量大，如果采用交流变频调速 装置替代阀门、挡板来调节流量，可获得很好的节能效果。然而不幸的是在风机 泵类负载中采用普通的变频调速系统，尽管可以起到良好的节能效果，但是存在 的最大问题是变频器( 特别是大中容量的变频器) 的价格太高，往往使大中型电 机的变频调速变得可望而不可及。因此，如何降低所需变频器容量从而降低整个 调速系统的成本成为在更大范围内推广变频调速节能的关键所在。 在风机和泵类负载中，一般调速范围在7 0 1 0 0 额定转速之间，所需变频 器的功率很小，因此绕线式感应电机双馈调速驱动系统与笼型电机的变频调速系 统相比只需一个较小的变频器，大大降低了变频器的容量和造价，减小了调速系 统的成本。但是，绕线式感应电机具有电刷和滑环，其运行的可靠性差，需要经 常维护，特别在某些易燃易爆和多灰的场合难以推广应用。 当采用无刷双馈电机调速系统时，承担主要输入电功率的定子功率绕组可以 直接由工频电网供电，而变频器只需为定子控制绕组提供“转差功率”，不仅降 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 低了调速系统的成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性。 无刷双馈变频调速与其它调速系统相比，具有以下突出的优点： 通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器 的容量，从而降低了调速系统的成本。 国与有刷双馈和串调速系统相比，取消了电刷和滑环，提高了系统运行的 可靠性。 即使在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状 态下。 电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关，而与负 载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。 ( 3 ) 无刷双馈电机可以大大提高水力、风力发电系统的可靠性。水力或风力 发电机一般极数较多，特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了很高的要求。近 年来，将绕线式转子感应电机用于交流励磁发电机的研究工作已引起国内外众多 学者研究兴趣，取得了许多研究成果并己成功地应用于生产实际”1 。但绕线式感 应发电机具有电刷和滑环，故可靠性差是其致命的弱点。 无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适合 于多极低速水力或风力发电系统。无刷双馈电机的功率绕组用于发电，控制绕组 用作交流励磁，根据原动机的转速变化调节励磁电流的频率便可实现变速恒频发 电，通过改变励磁电流的幅值和相位可以实现无功调节。因此在水力和风力变速 恒频发电系统中，无刷双馈电机具有广阔的应用前景。 在我国，已经将“交流励磁变速发电机的研究”列为三峡工程水力发电机组 技术急需进一步研究的几项关键技术的首位。有理由相信，在对无刷双馈电机的 研究取得重大进展和突破以后，将其用于抽水蓄能电站机组以取代绕线式感应电 机，从而提高电机的运行可靠性，也是无刷双馈电机一个很有发展前景的应用领 域。 ( 4 ) 无刷双馈电机可作为异步和同步通用电机。目前应用于工农业生产中面 广量大的交流电机主要是同步电机和感应电机，由于电机结构上的差异，同步电 机和感应电机一般是不能兼用的，它们各有自己的优缺点。 同步电机和绕线式感应电机都采用电刷和滑环来实现转子绕组与外部电路 的连接，由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需 要定期维护和更换，增加了运行费用。此外滑动接触容易产生火花，从而限制了 有刷电机在含有易燃易爆气体环境中的应用。普通笼型感应电机虽然结构简单， 但是它又不如绕线式转子感应电机的控制那样方便，也不如同步电机的运行性能 指标高。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 因此，开发研制一种集各种电机优势于一体，既无刷( 坚固可靠) 又通用( 能 实现多种运行方式) 的新型交流电机是一个重要的发展方向，也是当前我国电机 制造业亟待解决的一项重大技术难题。目前在部分同步电机中采用的无刷励磁虽 然取消了滑环和电刷，但并未使电机结构得到简化，而是将励磁控制元件固定在 转子上，随电机一起旋转，增加了电机结构的复杂性和制造成本，并未从根本上 解决电机的运行可靠性问题，因为随转子一起高速旋转的电子元件和控制电路增 加了转子运行的不可靠因素。永磁电机虽然可以实现无刷化，但是由于其励磁不 能调节从而限制了它的应用范围。目前在国民经济各部门中大量应用的同步电机 和绕线式转子感应电机仍然采用有刷结构。 无刷双馈调速电机从根本上解决了无刷化问题。除了无刷可靠外，该类电机 的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。通过 简单的改变控制绕组联接与馈电方式，可以方便地实现自起动、异步、同步和双 馈等多种运行方式，使其既具有良好的启动特性，又具有优良的运行性能。 1 3 无刷双馈电机的研究发展现状 在近三十几年的时间中，美国w i s c o n s i n 大学、o h i o 州立大学、o r e g o n 州 立大学等高等学校和科研机构对无刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究，其 中，o h i o 州立大学对该种电机的研究还曾获得了1 9 9 1 年度美国国家自然科学基 金的资助；o r e g o n 州立大学在建模及控制策略方面做了较多的研究，先后提出 了网路模型、d - q 轴数学模型、同步数学模型及基于这三种模型的多种控制方法。 到目前为止，国外对无刷双馈电机的研究己从对电机结构的改进阶段，发展到通 过建立比较准确实用的数学模型，找到适合的控制方法，从而使进入实用化、应 用化的阶段，如风力发电、中、高压调速系统等。 国内对无刷双馈电机研究起步较晚，9 0 年代以来，国内一些高等院校和科 研机构对该种电机进行了研究，取得了一些成果。近几年来，国内对同步电机的 无刷励磁、绕线式异步电机双馈调速都有不同程度的研究，对无刷双馈电机的研 究和以前相比也有了较大的提高。总之，国内对无刷双馈电机的研究尚处于基础 研究阶段，还未推广应用到实际生产中，因此，对该种电机的研究开发还有许许 多多的工作要做。 ( 1 ) 无刷双馈电机的运行理论与分析方法的研究现状。由于无刷双馈电机的 结构和运行原理与常规交流电机相比有较大的不同，属于一种新型的交流电机， 因此关于该种电机运行原理分析的文章较多。早期文献中，h u n t 和g r e e d y 分别 研究了自串级电机的运行原理及其结构上的改进，提出了将同轴串级联接的两台 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 感应电机合二为一的方案单一定转子铁心的自串级电机，形成了无刷双馈电 机的雏形。七十年代，b r o a d w a y 用转子槽矢量图详细研究了自串级电机的笼型 转子或绕线式转子对定子两套不同极数绕组的“极数转换器”调制作用，奠定了 无刷双馈电机原理的分析基础。后来的研究者大多都沿用了这种分析方法一即 无刷双馈电机是源于两台感应电机的串级联接，并据此分析无刷双馈电机的运行 原理。 根据笼型转子短路绕组的磁障作用，b r o a d w a y 等人提出了可用磁阻转子替 代短路的笼型转子。八十年代中期，h e y n e 和e i - - a n t a b l y 在白串级感应电机的 基础上，提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机的试验结果。该种电机用于自 串级电机的隐极式绕线转子将被新型的磁阻转子结构( a t a 轴向迭片转子) 所代 替，电机的性能指标也有了较大的提高。 近年来，对无刷双馈电机的研究主要集中在英、美等国，而且基本形成两大 流派“：其一是以a w a l l a c e 教授和r s p 教授为首的美国o r e g o n 州立大学以 及以w i l l i a m s o n 教授为首的英国剑桥大学，他们重点研究笼型转子结构的无刷 双馈电机( b d f m ) ；另一流派是以t a l i p 0 教授为首的w i s c o n s i n 大学和以l x u 教授为首的o h i o 州立大学，他们重点研究磁阻转子结构的双励磁磁阻电机。 他们对无刷双馈电机的转子结构各持己见，对两种转子结构的无刷双馈电机的分 析方法有所差异，并且形成了两套不同的分析研究体系。 等效电路是对交流电机进行特性分析的一种有效工具和分析手段，而从结构 上的巨大差异决定了传统的交流电机的等效电路不能再直接应用于无刷双馈电 机，因此，导出无刷双馈电机的等效电路和电磁转矩表达式对于进行该种电机的 电磁设计和性能计算将具有十分重要的指导意义。l x u 和el i a n g 从电机的基 本方程入手，借助坐标变换技术，分别导出了同步和双馈运行的无刷双馈磁阻电 机在d q 0 坐标下的等效电路及其参数简化计算公式。r u q il i 等人导出了笼型转 子无刷双馈电机的双轴模型即在d q 0 坐标系中的d 轴和q 轴等效电路及转矩 计算公式。该等效电路由功率绕组、控制绕组和转子绕组三部分组成，含有八个 电路分支，使用起来不够方便，另外，a q o 坐标下的等效电路也不够直观。因此， 推导出无刷双馈电机在实际的a b e 坐标下的基本电磁关系并导出等效电路及其 参数的计算公式，不仅为分析研究无刷双馈电机的参数和稳态运行特性提供了一 种简便的工具，而且对于完善该种电机的设计手段、分析方法和仿真计算等都具 有重要的指导意义。 ( 2 ) 无刷双馈电机特性仿真与参数计算方法的研究现状。现代化的仿真技术 是研究和设计新型电机的一种有效的途径和方法，通过仿真研究可以预测所设计 电机的各种瞬态和稳态性能，为进一步改进电机设计、提高电机性能提供依据， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 特别是对于结构和原理上与常规电机相比具有较大不同的新型无刷双馈电机，仿 真研究尤为重要。 在无刷双馈电机的性能仿真研究领域，国内外学者做了许多工作。分别建立 了同步和双馈运行的无刷双馈电机在d q 0 坐标系统中的数学模型，并进行了仿真 研究。而且还建立了无刷双馈电机在d q 0 坐标系下的通用数学模型，并给出了不 同运行方式下的动态仿真结果。可以看出，现有的无刷双馈电机的数学模型大多 建立在d q 0 坐标系基础之上，虽然参数计算简单一些，但模型中的电压、电流等 状态变量与电机绕组中的实际电压电流不同，计算值需要通过坐标变换方可与测 试值相比较，另外，其电压、电流变量也不能与变频器电压、电流变量直接耦合， 给变频器无刷双馈电机系统的仿真研究带来一定的困难。因而，上述数学模 型不够直观，使用起来也不够方便。 上述的不同转子结构无刷双馈电机的数学模型，不仅形式各异，而且在仿真 研究中大多忽略了电感参数脉动和谐波的影响，因此缺乏准确性。此外，未见无 刷双馈电机控制绕组由s p w m 电源供电的双馈运行方式特性仿真的文献报道。 因此，研制一套能用于无刷双馈电机多种运行方式( 异步、同步和双馈运行) 稳 态和动态性能仿真计算的软件包，对于研究无刷双馈电机的运行性能、提高该种 电机的设计水平以及推进其实用化进程均具有十分重要的意义。 电机的绕组参数是进行特性仿真计算的基础，也是间接评价电机性能优劣的 重要依据。电机的参数计算可以由磁场分析来完成，也可以通过磁路计算而获得。 磁场分析法比较复杂，但精度较高：磁路计算法相对简单，便于对大量设计方案 进行对比研究，尽管精度稍差，但一般仍可满足工程计算精度要求。已有人用有 限元法分析了无刷双馈磁阻电机的气隙磁场；还有人提出并运用绕组函数法导出 了凸极磁阻转子无刷双馈电机电感参数计算的简便公式，但忽略了电感参数的谐 波成分。 1 4 无刷双馈电机的应用前景 无刷双馈电机是一种结构相对简单，加工比较方便，坚固可靠的电机。它具 有异、同步通用的特点，可以在没有电刷的情况下实现双馈【8 】，从而具有转速稳 定( 同步速) 、更加安全等优点。 如果变频器用于无刷双馈电机极数较少的定子绕组，那么不仅可以实现电机 转速的平滑调节，更重要的是大大降低了变频器的容量，极大地克服传统变频调 速系统中由于变频器的容量、谐波污染、可靠性以及控制复杂等带来的问题。对 于那些中、高压的场合，传统调速系统必须采用耐高压的g t o 或g t r ，开关频 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 率不能过高，因此性能不够理想。如果采用b d f m ，那么就可以使用i g b t ，开 关频率可以大大提高，系统性能得到优化。而且在变频器出现故障的情况下， b d f m 可以作为普通异步电机运行，这对于那些绝对不允许停机的场合十分重 要。由此看来，b d f m 将在一定程度上取代传统电机【叫0 1 。 无刷双馈电机的功率绕组频率、控制绕组频率以及转子旋转频率之间存在着 互相依赖的关系。在发电情况下，如果将转差频率的电流或电压加到控制绕组中， 就可以实现功率绕组的恒频输出。这对于转子速度经常变化的系统，例如风力发 电】、水力发电等，十分有效。无刷的简单结构和无需机械转速调节( 恒频) 装 置的特点，使b d f m 更能满足那些无、少维护的野外环境的需要。 总之，无刷双馈电机作为一种新型电机，由于它可以在无刷的情况下实现双 馈，速度可调，既可同步运行又可异步运行，且变流装置只需处理滑差功率，装 置容量比电机容量小得多，减小了对电网的污染，因此它必将在不久的将来，在 中、大容量调速系统和变速恒频发电系统中获得广泛的应用，取得较大的经济和 社会效益。 1 5 本论文所做的工作 通过上面所述的关于无刷双馈电机的发展历史、研究现状和应用前景，可以 对无刷双馈电机的过去、现在和将来有一个比较清晰得了解和认识。通过对这些 背景知识的了解，本文在前人的基础上，以无刷双馈电机为研究对象，结合国内、 外有关文献，对无刷电机与原理相关的基本理论，定、转子结构，参数计算，稳 态运行，电磁分析，数学建模及其仿真等方面进行了较为细致的分析，并获得了 一些创新性的研究成果，主要的研究内容包括： ( 1 ) 对无刷双馈电机的原理进行了分析。从功率角度分析了无刷双馈电机的 变频调速原理，并得到了转速公式，发现当定子两套绕组的相序相反( 亚同步) 时电磁转矩同向，从而得到了进一步的无刷双馈电机的转速公式。 ( 2 ) 进行了无刷双馈电机的功率分析。最终得到定子绕组中功率绕组及控制 绕组各自的电磁功率公式，为了降低功率绕组变频器的容量，降低运行成本，这 类无刷双馈电机适合拖动启动转矩较小的风机和泵类负载。 ( 3 ) 分析了无刷双馈电机的结构。无刷双馈电机的定子结构较其它电机比较 特殊，它是由两套绕组功率绕组和控制绕组构成的，产生两套绕组有单绕组 和双绕组两种形式，从特点上讲，单套绕组和双套绕组各有优缺点。单套绕组可 以增加导体截面积，铜损耗和漏抗相对得到减少，因此无刷双馈电机有较好的效 率及堵转力矩，但绕组设计困难，两绕组之间干扰较大。双套绕组会降低定子槽 7 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的利用率、材料的利用率及电机效率，但设计比较简单，定子绕组设计有较大的 灵活性，便于获得主、副绕组之间较理想的耦合关系。本文侧重单绕组进行了分 析，采用单套绕组时定子依然引出六根接线端，其中三根功率绕组，三根控制绕 组，而其从不同绕组端口看入时会呈现出不同的极对数，本文为了能够进一步明 确的分析这种单绕组结构，将定子绕组中的功率绕组和控制绕组分别拆出一相， 进行解剖分析，这样就能够对单绕组结构有了一个十分明确的认识。此后，对转 子的基本形式、笼形转子绕组的形式、导条数的选取、短路线圈槽数的选取分别 进行了分析，从而为无刷双馈电机设计和参数优化提供了理论依据。 ( 4 ) 对无刷双馈电机的定、转子参数进行了计算。无刷双馈电机定子绕组的 参数计算中，单绕组与普通的异步电机基本相同；双绕组除槽漏抗外，其余与普 通的异步电机基本相同。计算双绕组的槽漏抗时，将功率绕组和控制绕组所占槽 面积求出后进行计算。无刷双馈电机转子绕组的参数计算时，需要将转子绕组折 算成三相，然后计算功率绕组与转子之间的互感、转子绕组的自感和转子绕组的 电阻。 ( 5 ) 对无刷双馈电机的稳态运行性能进行了研究。根据无刷双馈电机三个绕 组之间的电磁耦合关系，得到无刷双馈电机三个绕组中的电压方程，但由于方程 中的电流频率均不相同，给求解带来麻烦，故将方程中控制绕组和转子绕组中的 电压电流频率折算为功率绕组中电压电流的频率，再次得到统一的电压方程组。 然后，从电机定、转子各个绕组的基本电压方程入手，获得了无刷双馈电机在稳 态运行下的等效电路和相量图，构成了稳态分析的基本手段。在此基础上，又对 无刷双馈电机的功率和转矩以及相关的能量流向进行了分析，对无刷双馈电机特 性有了进一步的认识：无刷双馈电机定子的功率绕组和控制绕组输出的机械 能量基本上与它们的极对数成正比，为了减少变频器容量，控制绕组应该尽量设 计成小的极对数。无刷双馈电机电动运行时，从总的输出机械功率来看，其 特性性能与串极电机基本一致，类似于定子绕组为功率绕组、转子转差为s p s , 的 普通电机。当无刷双馈电机运行在低速的亚同步状态时，改变控制绕组的电流 频率可调节电机转速，还可使转差功率回馈至电网，由此可见给控制绕组供电的 变频器除了能实现供电频率的变化外，还必须具有功率可以双向流动的能力。 ( 6 ) 对无刷双馈电机的磁场分布进行了分析和研究。分析了定、转子所产生 的各次谐波及其相互作用。分析了谐波转矩的产生及其对无刷双馈电机运行性能 的影响，为无刷双馈电机的分析设计及其更为深入的谐波分析提供了有力的理论 工具和支持。 ( 7 ) 对已有数学模型进行改进，提出了无刷双馈电机的交叉坐标数学模型， 将定子功率绕组和转子回路绕组变换为静止坐标系下的o q o 系统，而定子控制绕 天津大学硕士学位论文第一章绪论 组采用静止a b e 三相坐标系统，因此，当控制绕组与变频器相连接时，其接口变 量可以直接与变频器及其有关的网络方程联立求解，不必经过坐标变换。 ( 8 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，建立了交叉坐标数学模型的仿真模型， 并通过此模型对无刷双馈电机的单馈、同步和双馈运行状态进行了仿真研究，结 果较为理想，从而也验证了模型建立的正确性。 9 天津大学硕士学位论文 第二章无刷双馈电机的基本理论 第二章无刷双馈电机的基本理论 2 1 无刷双馈电机原理简述 无刷双馈电机是在级联式双馈拖动系统的基础上发展而来。要了解笼型无刷 双馈电动机及其拖动系统，就必须了解自级联无刷双馈电动机的基本情况。自级 联无刷双馈电动机实际上是由两台绕线转子电动机组成的自级联机组【12 1 。第一 台电动机的定子绕组( 称之为功率绕组) 接工频电源，第二台电动机的定子绕组 ( 称之为控制绕组) 接变频电源，从第一台电机的定子输入的功率通过转子传递给 第二台电机的原边( 即第二台电机的转子绕组) ，第二台电机的副边( 即第二台 电机的定子绕组) 外接变频器。下面给出系统结构图。 图2 - 1 系统结构图 级联式双馈电机，有两台同轴串级而成，具有两套磁路彼此无关的定子绕组 和转子绕组，控制绕组由变频电源供电，功率绕组直接由电网供电，通过变频器 改变控制绕组的供电频率就可以实现系统速度的调节。两台电动机的转予三相绕 组作反相序串联，安装在同一轴上，带同一机械负载。 图2 2 中，单一铁心中安放两套定予绕组，其中功率绕组的极对数为p ，直 接连接到电网，频率为厅；控制绕组的极对数为q ，有变频器电源供电，频率为 ，：。由于定子和转子结构采用了合理的设计，使得两套定子绕组产生的磁场只 能通过转子间接耦合，同时转子磁场的极对数可以自动转换，分别与定子磁场的 极对数匹配。 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章无刷双馈电机的基本理论 三 相 电 潭 图2 - 2 无刷双馈电机结构图 2 2 无刷双馈电机变频调速原理 为了清晰、准确的了解无刷双馈电机的工作原理，需要从它的原型电机来阐 述，如上文所述，无刷双馈电机的工作原理与级联式电机的原理相同f l ”。 以下分析忽略电机的损耗，假设第一台电机的定子输入的电功率是晶，运 行于某一转速时的两台电机的转差率分别是昂、& ，那么由电机学的基础知识我 们可以得出第一台电机产生的机械功率为 p 叩= ( 1 一s p ) 晶 ( 2 1 ) 这样s 。熙就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率、由于第二 台电机的功率来源于它的转子，因此我们称第二台电机的转子为原边，而第二台 电机的定子为副边。第二台电机轴上产生的机械功率为 厶= ( 卜& ) j ，晶 ( 2 2 ) 因此，整套级联系统轴上的输出功率在两台电机转子绕组反相序相联条件 下为 = 0 + 只= ( 1 - & ) 晶 ( 2 3 ) 式子中$ p $ c e n 为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 现在如果改变第二台电机副边电阻的阻值，则消耗在其上的功率5 p $ 。玮将发 生变化，在晶一定的前提下，s p s , 将发生变化，即等效转差率s = j p & 发生变化， 相应的第二台电机的副边电流频率也会随之变化。由此想到，如果能够改变第二 台电机不变的电流频率，就会反过来改变电机的转速。基于这种思想，出现了本 文所要介绍的无刷双馈变频调速电机，即用变频器来替代原理机中的外接电阻， 既可实现频率的调节，又可实现能量的传递以提高效率f 1 5 1 。 设无刷双馈电机功率绕组和控制绕组中的同步速为，l d 和 天津大学硕士学位论文第二章无刷双馈电机的基本理论 n p 堋= 6 0 五f p 瓜p p ) 浯a ， = 6 0 五风i 转子的旋转速度为n r ，则这两个定子磁场在转子中感应电势的频率分别为 厶= ( 旷珥) p p 6 0 l( 2 _ 5 ) 厶= 以一n , ) p 。6 0 j 若获得恒定转矩，转子电流频率相等( 厶= 厶) ，故结合( 2 4 ) 和( 2 5 ) ， 得到转子转速 m ：量互6 0 ( r r a i n ) ( 2 6 ) p p p c 当功率绕组电源和控制绕组同相序连接时，同理可得到电机转速： f ：立监6 0 ( r m i n ) ( 2 7 ) p p p 。 由于当两台电机转子反相序连接时，电磁转矩同向，故取( 2 6 ) 。从此公式 可以看出当定子两绕组极数确定后，改变控制绕组的电流频率，即z 时，即可 改变转速。 2 3 无刷双馈电机的功率分析 电机在双馈运行时，功率绕组和控制绕组都会为负载提供电磁功率。此时， 无刷双馈电机的等效电路如图2 - 3 所示。 图2 - 3 无刷双馈电机等效电路 其中，参数下标为p 的是功率绕组对应的定子等效电路；下标为c 的是控制 绕组对应的定子等效电路；参数为j 的部分是没有经过折算的转子实际等效电 天津大学硕士学位论文第二章无刷双馈电机的基本理论 路。功率绕组通过气隙传给转子的转差功率为 名= 脚2 靠厶。c o s 仍 ( 2 8 ) 控制绕组提供给转予的转差功率为 圪= m 2 瓦厶。c o s i f 2 ( 2 9 ) 忽略转子铜耗，转子回路的功率平衡方程为 兄+ 兄= 0 ( 2 1 0 ) 由上式可知，功率绕组和控制绕组提供的转差功率大小相等，而功率流向相 反o6 1 ，故令只= 最+ 尾，它们相互平衡，而且根据转差功率与电磁功率的关系， 可以求出功率绕组和控制绕组提供的电磁功率分别为 p 嗍= 玉 ( 2 1 1 ) j p = 土 ( 2 1 2 ) 故两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为 气= p 嗍+ p 咖：$ c - - s p 只 ( 2 1 3 ) 5 p 。 忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械功率输出，即 p 锄= 昱 ( 2 1 4 ) 当负载不变时，功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为 p 嘲= 土最 ( 2 1 5 ) j c j p p 咖：土昱 ( 2 1 6 ) j c j p 功率绕组和控制绕组的转差率分别为 = 笼 m ，：圭! ：五丝圭墨垒! ( 2 - 1 8 ) 铲1 菇；产 功率绕组和控制绕组电源同相序时，式( 2 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 中取负号，反之取 正号。 1 3 天津大学硕士学位论文第二章无刷双馈电机的基本理论 由式( 2 1 5 ) ( 2 1 8 ) ，可得( 其中电源同相序取“+ ”，逆相序取“”) ， 2 惫b 。1 ” ， p 2 丽j c 昱 2 2 0 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可知，定子绕组提供的电磁功率与电源频率成正比”l 。 为了降低控制绕组变频器的容量，该电机适合拖动启动转矩较小的风机和泵类负 载。变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计，调节范围越大所需要变频器 的容量就越大，反之较小。 2 4 无刷双馈电机的运行方式分析 无刷双馈电机不但具有类似于笼型感应电机和磁阻电机的简单结构，而且当 它以不同的运行方式工作时，又兼有绕线转子感应电机和电励磁同步电机的某些 优点。 2 4 1 自起动与异步运行方式 无刷双馈电机自起动与异步运行方式下的接线情况如图2 4 所示。控制绕组 ( a b c ) 串接三相对称起动电阻后，功率绕组( a b c ) 可接在工频电网上直接起 动，通过改变串联电阻的大小可改善电机的起动特性，电机起动后的空载转速接 近电机的同步速。当三相副绕组短接( 串接起动电阻为零) 时，即为该种电机的 异步运行方式。 2 4 2 同步运行方式 图2 4 自起动与异步运行方式 功率绕组由工频电源供电，控制绕组加直流励磁，这就是该种电机的同步运 行方式。 1 4 天津大学硕士学位论文第二章无刷双馈电机的基本理论 图2 - 5 同步运行方式 在异步起动过程( 或异步运行方式) 完成以后，当电机转速接近于电机的同 步速时( 滑差s o 0 5 2 q ) ，将控制绕组由短接状态迅速切换到以两并一串方式 加入直流励磁电压状态，电机将从异步运行方式过渡到同步运行方式，这时电机 将稳定地运行在同步转速。图2