磁阻短路绕组混合转子无刷双馈电机的关键技术研究开题报告.doc

目 录1.课题的目的及意义12.无刷双馈电机的发展和研究现状52.1无刷双馈电机的发展52.2无刷双馈电机的研究现状62.2.1 无刷双馈电机的运行原理的研究现状72.2.2 无刷双馈电机特性仿真与参数计算方法的研究现状83.课题的研究方案103.1研究目标103.2研究内容103.3研究方法104.课题的研究计划12参考文献13磁阻短路绕组混合转子无刷双馈电机的关键技术研究1.课题的目的及意义随着电力电子、微电子和计算机技术的不断发展，人们对交流调速技术及其系统进行了长时间的研究，希望能够找到一种有效的方法取代成本较高的直流调速系统。交流调速系统主要分为：异步电动机调速系统和同步电动机调速系统，但是它们都存在不足。例如：异步电动机调速系统所需的变频装置容量较大，控制精度较低；同步电动机调速系统维护费用较大，而且控制方法较复杂1。因此，能不能找到一种新的交流调速方法，使其既具有同步电动机调速系统功率因数可调的优点，又具有异步电动机调速系统维护成本较低，并且控制简单的特点呢？近年来，许多国内外学者都将其目光投向无刷双馈电机。无刷双馈电机是一种综合性能优良的新型交流电机，它同时具有异步、同步、双馈和发电等多种运行方式，它即可作为变频调速电机，又可作为变速恒频发电机。它可以在无刷的情况下实现双馈电，无刷结构保证了其具有良好的起动性能和稳定的运行特性。无刷双馈电机在结构和运行原理上与传统的交流电机有较大的差别，其定子上嵌放两套极数不同的三相对称绕组，称为功率绕组和控制绕组（主绕组和副绕组）；转子不需要电刷和滑环，可以采用笼型或磁阻结构。通过转子对定子两套绕组中电流产生的磁场进行调制，实现机电能量的转换。通过改变控制绕组的接线方式与供电频率、幅值、相位来实现该电机的多种运行方式。该种电机在电动机运行方式下，既可异步运行又可同步运行，并可通过调节控制绕组的电流实现低于和高于同步速的双馈调速运行。在发电机运行方式下，则可通过调节控制绕组的交流励磁来实现变速恒频，即在电机转速变化的情况下使功率绕组输出交流电的频率恒定2。因此，无刷双馈电机越来越受到关注。无刷双馈电机具有以下三个主要特点：(1)无刷双馈电机实现了无刷化和通用化，既具有异步电机良好的起动特性又有同步电机稳定的运行特性。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，但是控制方面却没有绕线式感应电机方便，也没有同步电机良好的运行性能。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。无刷双馈电机则可以实现无刷化。除了可靠外，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，可以方便的实现自起动、异步、同步和双馈等多种运行方式，使其既具有良好的起动特性，又具有稳定的运行特性。(2)无刷双馈电机作为变频调速电机可以有效的降低调速系统成本。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：另一种是采用高低高变频方案。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，系统的可靠性较低，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，无形中提高了调速系统的成本；当采用高低高变频方案时，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，缺点是使用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3。许多工业生产领域中，大量使用风机和水泵类负载，如果采用交流变频调速装置代替阀门、挡板来调节流量，可获得很好的节能效果，但是最大问题是变频器（特别是大容量的变频器）的价格昂贵。当采用无刷双馈电机调速系统时，承担主要输入电功率的功率绕组直接由工频电网供电，而变频器只需为控制绕组提供“转差功率”，这样可以很大程度上降低变频器的容量，从而降低调速系统的成本4。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。与有刷双馈和串级调速系统相比，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。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，因此电机具有较硬的机械特性5。(3)无刷双馈电机作为变速恒频发电机有着广泛的应用前景。在众多可再生能源中，风能是目前发展最快、商业化程度最高的6 。在全球范围能源短缺和生态环境日益恶化的今天，各国越来越重视对风能的开发利用。许多国家把风力发电作为重要的能源政策7。我国发展风力发电有很多优势：可以改善化石燃料储量不足，能源结构不合理的状况。可以开发新的经济增长领域。可以有效地解决我国日益恶化的环境问题8。近年来，国外的风力发电发展非常快，装机容量以每年30%以上的速度增长9。而中国可再生能源法的实施10，使风电场建设迅猛发展。风力发电机组单机容量从最初的几十千瓦发展到兆瓦级，基本的定桨距失速型控制和变桨距控制已经走向成熟。当前，针对发展更大容量和更高控制性能风力发电机组的趋势，研究的重点是并网型变速风力发电机组11。但是，我国目前具有规模生产能力、具有自主知识产权的风力发电机组总装厂很少，而且生产的风力发电机组单机规模较小，与国际先进水平相比，还有很大的差距。目前迫在眉睫任务是提高大型风力发电机组关键技术研发及其部件的制造能力，打破一直依赖引进国外设备和技术的窘境，因此要进一步发展我国风力发电事业，必须在引进消化吸收的基础上不断创新，走大型风力发电机国产化的道路12。变速恒频风力发电是目前世界上最先进的风电技术。采用变速恒频技术的主要目的是可以最大限度地利用风能13。由于风能与风速的三次方成正比，而风力机对风能的转化效率(利用系数)在某一确定的风轮周速比(桨叶尖速度与风速之比)下达到最大值14-15。在风力发电中，当风力发电机与电网并网时，要求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。恒速恒频系统的风车转速保持不变，而风速又经常在变化，显然功率利用系数不可能保持在最佳值。变速恒频系统的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率，通过适当的控制，使风车的周速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能16。目前并网型变速恒频风力发电电系统采用的发电机主要有两种，即永磁式发电机和交流励磁有刷双馈发电机。永磁发电机变速恒频风力发电电系统为无刷结构，运行安全可靠，且无需外部提供励磁电源，效率较高。但是，在这种风力发电系统中，风速变化使得发电机输出的电能频率实际上是变化的，需要通过定子绕组与电网之间的变频器把发出的电能转换成与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频，但由于变速恒频策略是在定子侧实现的，变频器的容量需与发电机的容量相当，使得整个系统的成本、体积明显增加。交流励磁双馈发电机的结构类似于绕线式异步电机，当风速变化引起发电机转速变化时，通过控制转子电流的频率，可使定子输出电能的频率和电压保持恒定。这种变速恒频控制方案是在转子侧实现的，流过变频器的功率只是由发电机转速运行范围所决定的转差功率，因此所需双向变频器容量较小、成本较低。但其具有电刷、滑环的转子结构会使得整个系统运行的可靠性大大降低。无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频运行，特别适合于多极风力发电系统。其功率绕组用于发电，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。由于无刷双馈电机控制绕组所需要的控制功率较小和控制系统成本较低，该种电机在大中型交流电机调速系统和变速恒频风力发电系统中具有良好的推广应用前景。2.无刷双馈电机的发展和研究现状2.1无刷双馈电机的发展无刷双馈电机是由两台自级联感应电机发展而来的。自级联感应电机的运行是将两台绕线式感应电机同轴串级连接而获得的一种运行方式，如图2-1所示。这种方法首先由美国的Steilunetz和德国的Gorges在1893年所发现17。由于采用这种方法可以获得低速运行，并且可以在一定范围内调速，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试。Hunt做了最大的贡献18-19。Hunt发明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论。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。后来Creedy对这种电机做了进一步的改进20，为之设计了精巧的定转子绕组，使它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够胜任需要可靠性和坚固性的大转矩低速的运行状态21。但是由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。而且也由于电力电子器件发展的限制，该电机的发展一度停滞。图2-1 两台感应电机的串级连接一直到了上世纪70年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展，在生产生活中发挥了越来越大的作用。但是调速系统的成本高昂，其中变频器在总成本中占较大比重。变频器的成本基本上与容量成正比，因此降低变频器的容量就具有重大的意义。另外，使用变频器给电网带来了谐波污染，因此从确保电网供电质量方面，也要求降低变频器的容量。从经济成本和电网质量角度出发，迫切需要具有控制简单且变频容量小的调速系统。由于无刷双馈电机在运行时所需的变频器装置容量较小(只占调速系统总功率较小的一部分)，而且通过调节控制绕组就可以达到控制电机转速与功率因数的目的，因此无刷双馈电机的研究重新引起了人们的广泛兴趣。2.2无刷双馈电机的研究现状在近三十年的时间中，美国Wisconsin大学、Ohio州立大学、Oregon州立大学等高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，Ohio州立大学对该种电机的研究还曾获得了1991年美国国家自然科学基金的资助；Oregon州立大学在建模及控制策略方面做了较多的工作，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已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，从而使之进入实用化、应用化的阶段，如风力发电、高压调速系统等。但总的看来，无刷双馈电机尚处于应用基础研究阶段，还未普遍推广应用22-26。上世纪70年代，Broadway等对Hunt发明的电机进行了较大改进，简化了转子绕组，使之具有笼型转子的坚固性与可靠性，又能满足无刷双馈电机对转子磁场的要求，并使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自级联无刷异步电机理论向前推进了一大步。后来Broadway又将相调制理论应用到变极绕组中，从而使定子绕组对称化，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，为无刷双馈电机进入实用铺平了道路27。上世纪80年代末90年代初，AKWallace课题组提出了无刷双馈电机的多回路模型28，是无刷双馈电机的仿真研究的新突破。随后dq0动态数学模型和同步坐标系数学模型的相继建立29-30，为无刷双馈电机的动态仿真和控制系统性能的优化提供了基础31。各种控制方法相继被应用于无刷双馈电机32-36，如标量控制、转子磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等。而电力电子器件和微处理器的发展，如IGBT、SXCl96、DSP等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展。国内对无刷双馈电机研究起步较晚，90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。但是，对该种电机的研究开发还有许许多多的工作要做。2.2.1 无刷双馈电机的运行原理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，Hunt和Greedy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，Broadway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，Broadway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，Heyne和E.Antably在自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。该种电机用新型的磁阻转子结构（ATA轴向迭片转子）代替了用于自串级电机的隐极式绕线转子，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37：其一是以A.Wallace教授和R.Spee教授为首的美国Oregon州立大学以及以Williamson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（BDFM）；另一流派是以T.A.Lipo教授为首的Wisconsin大学和以L.Xu教授为首的Ohio州立大学，他们重点研究磁阻转子结构的双馈电机38。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39。2.2.2 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动态和稳态性能，为进一步改进电机设计、提高电机性能提供依据，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。无刷双馈电机的仿真模型创建于80年代末90年代初，美国Oregon州立大学的AKwallace、Rene spee、Ruqi Li等学者在建模及控制策略方面做了较多的研究。文献27首先提出了复杂模型，利用回路电压方程和连接矩阵求解电机动态性能，其本质上是异步电机“多回路”模型的拓展。文献40利用上述模型研究了多种定子绕组结构参数的变化对电机性能的影响。文献28在复杂模型的基础上，通过坐标变换推出了（6+2）极无刷双馈电机在dq0坐标系中的数学模型，直到1995年，Michael SBoger才把上述(6+2)极鼠笼转子的无刷双馈电机d-q轴模型改造成适合任意极数的通用形式，为无刷双馈电机的动态仿真和控制算法的研究提供了坚实的基础。文献41利用双轴数学模型，导出了不同运行状态的稳态等效电路。文献42-43把异步电机多谐波理论用于无刷双馈电机的分析，提供了一个介于仿真和设计之间的折衷方案，本模型只适用于同步运行的稳态计算。文献30提出了解耦控制的同步模型，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。电机的参数是进行特性仿真的基础，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电磁场有限元来完成，也可以通过磁路的方法获得；前者方法复杂但精度较高，后者相对简单，适合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的要求。文献44中用绕组函数法来计算无刷双馈电机的电感参数，简单易行，但精度较差。其根本原因是用“路”的方法计算无刷双馈电机的电感参数难以考虑饱和、定转子齿槽等因素对电感计算的影响，而且不像在用“路”的方法分析传统异步电机时，尚有众多的不断修正、长期积累的经验系数(修正因子)可以利用。故为了克服以上缺点，进一步提高计算精度，寻找适合无刷双馈电机的有限元模型来计算电感参数是一项很有意义的工作。但是，直接采用“场”的分析方法很少，其原因在于：(1)无刷双馈电机结构复杂，定子有两套绕组，转子端接不规则，使建模变得困难；(2)无刷双馈电机既不同于传统的异步电机，也不同于传统的同步电机，通常交流电机有限元稳态分析模型并不适用于无刷双馈电机。文献45-46利用无刷双馈电机的时步有限元模型研究了转子绕组电流分布和电机铁心饱和问题。该时步有限元模型属于有限元-状态空间变量模型，称为耦合电路法。其基本原理是在每次静态有限元分析后，利用能量摄动法来计算微分电感系数，并“升级”到电路状态方程组中；而电路微分方程组计算出的电流变量值又返回到静态有限元模型中，进行下一步的计算分析。通过多次循环、迭代可以求得满意的解，其本质上是间接或顺序耦合法。它与场路耦合法有本质的不同。后者是直接耦合法，其本质是把描述电压、电流关系的方程组，机械运动方程，有限元离散方程组等联立并同时求解。二者相比，后者的计算速度较快，场路耦合更加紧密。3.课题的研究方案3.1研究目标在前期对无刷双馈电机理论研究和现有成果的基础上，对混合转子进一步优化设计。然后利用场路结合的方法对该电机的磁场和阻抗参数进行准确计算，寻求削弱高次谐波磁场的有效方法。在此基础上对其稳态和动态性能进行仿真研究，研制样机并进行试验研究。3.2研究内容(1)在课题组先前对无刷双馈电机研究成果的基础上，提出该电机的定转子结构的设计方案。(2)对该电机的磁场和参数进行准确计算，寻求削弱高次谐波磁场的有效方法。在理论研究的基础上，提出无刷双馈电机的通用电磁设计方法并开发相应的设计软件。(3)对无刷双馈电机的稳态和动态性能进行仿真研究，并进一步分析双馈运行的稳定性。在此基础上研制样机并对其进行试验研究。3.3研究方法 (1) 为了提高设计的灵活性和运行的稳定性，定子采用两套具有不同极数的三相对称绕组。而为了提高转子“极数转换器”的磁场调制效果，采用磁阻和笼型相结合的混合转子。并在前期设计的基础上进一步完善混合转子结构。最后确定定转子的具体结构参数。(2) 现有的无刷双馈电机参数计算方法多数是路的方法。用绕组函数法来计算无刷双馈电机的电感参数，简单易行，但精度较差；其根本原因是用“路”的方法计算无刷双馈电机的电感参数难以考虑饱和、定转子齿槽等因素对电感计算的影响。采用ANSYS有限元分析，以场路结合的方法对电机的磁场和参数进行准确计算，寻求削弱高次谐波磁场的有效方法。常规交流电机参数和运行性能的计算方法不再直接适用于该种电机，通过建模分析准确计算出电机的各种重要参数，研究出该种电机通用的设计方法。(3)以MATLAB/SIMULINK软件为仿真平台，对电机的稳态和动态性能进行仿真。在此基础上，研制开发样机并对其进行试验，以使研究成果和分析设计手段在该样机上得到间接地验证。4.课题的研究计划2010年9月-2010年10月 充分查阅国内外文献，了解国内外研究现状，写出开题报告。2010年11月-2010年12月 在前期设计的基础上进一步完善混合转子结构。最后确定转子的具体结构参数。2011年1月-2011年3月 对电机的磁场和参数进行计算，寻求削弱高次谐波磁场的有效方法。2011年4月-2011年6月 对电机进行仿真研究。2011年7月-2011年10月 制作样机，进行试验。2011年11月-2011年12月 撰写学位论文，准备答辩。参考文献1高景德,王样衍,李发海.交流电机及其系统分析,清华大学出版社,1993.2张凤阁,王凤翔,林成武.无刷双馈电机的结构特点与设计原则J,微特电机,1999,(3):21-24.3马小亮.大功率风机、泵节能调速发展方向探讨.电气传动,1999,29(1). 4Yuefeng Liao. 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