（电力系统及其自动化专业论文）无刷双馈电机的效率分析及仿真研究.pdf

a b s t r a c t 1 1 忙b r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a e h i n e 0 3 d r m ) i san e wt y p eo fi n d u c t i o nm a c h i n ea n d c 锄e a s i l yr e a l i z ea 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 c t l t t i o l lm o d e s 1 1 圮 b d f mh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nr e s p e c to fd r i v i n gw i n d m i l l so rw a t e rp u m p st o p e r f o r ms p e e d - a c l j u s t i n ga n de n e r g y - s a v i n go p e r a t i o n s ot h es t u d yo f b d f mi sr e g a r d e d v e r yi m p o r t a n tb ym a n yr e s e a r c h e r s 1 1 地s t u d yo fb d f m i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r 1 1 圮m a i nw o r ko ft h ep a p e ri sa s f o l l o w s f i r s t l y ，w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go ft h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , r e s e a r c h i n ga c t u a l i t ya n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，c o m b i n i n gw i t ht h el i t e r a t u r ei nc l t l i l 扭a n da b r o a d , t h eb a s i ct h e o r y o f b d f mi ss t u d i e d i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f b d f mi sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h ee q u a t i o n so f t l a er o t o rs p e e d ，p o w e ra n dr o t o rf r e q u e n c ya l ed e r i v e d s e c o n d l y , t h ee f f i e i e n e yo fb d f mi sa , l a l y z e di ni t ss d u c t u r e b e c a u s et h es t a t o ro f b d f mi sc o m p o s e dw i t hp o w e rw i n d i n ga n dc o n t r o lw i n d i n g , t w ow i n d i n gm o d e sa g i v e na n dm o r e o v e r , p o l e - p a i rs e l e c t i o n , d e s i g no fs t a t o rw i n d i n g s ，t h ec o m b i n a t i o no f s l o t so fs t a t o ra n dr o t o r , s l r u e t u r ed e s i g no f r o t o r , h a r m o n i cd i s t r i b u t i o no fs t a t o ra n dr o t o r a n dd e e m s i n go f h i g h e rh a r m o n i ca r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l t h i r d l y , t h e r ei sn o ta n yd i r e c t l yc o u p l i n gi ne l e e l r i c - m a g n e t i ci nt h et w os e t so f w i n d i n g sd u et ot h es p e c i a l i t yo fb d f m ss t r u c t u r e n 呛e l e c t r i c - m a g n e t i cp o w e ri s l 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 gi n s t e a d , 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 f b d f m i sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to f c o n v e n t i o n a le l e e l r i cm a c h i n e s b a s e d o nt h e s t e a d ys t a t e m o d e lo ft h eb d f m ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep o w e rf l o wi n t h et w os t a t o rw i n d i n g sa n dt h er o t o rc i r c u i tu n d e rd i f f e r e n ts p e e dr a n g e s n l er e s u l t s o b t a i n e do f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i st om a c h i n e sd e s i g na n ds e l e c t i o no ft h ec a p a c i t yo f c o n v e r t e r f i n a l l y , m a t hm o d e lo fb d f m i se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d b a s e do nt h en e t w o r k m o d e l t h eb d f m d - qm o d e li sa e l a i e v e d t h e nt h em a t l a b s i m u l i n ks o t t w a r e i su s e da n d t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ei nv a r i o u so p e r a t i o nm o d e li ss i m u l a t e d t h i sp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo fe o n l r o ls t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o no ft h i sk i n do f m a c h i n ei nf l m l l e k e yw o r d s ：b d f m ，s t r u c t u r ea n de f f i e i e n e ya n a l y z e ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，m a t h m o d e l c h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所警交的学位沦文是本人在导帅指导下进行的研究】i 作嗣1 墩得的 研究成果，除了文巾特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人l 经发表 或撰写过的研究成果，也小包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。j 我同 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。 学位论文作者签名：污岁汤栖 签字同期：刀7 年2 - 月f l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 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) 学位论文作者签名：i 勿泗怕 导师签名： 签字h 期：力坷年2 月 嵫理j ，) 秽州1 期：刁q 吾 第章绪论 第一章绪论 1 1 无刷双馈电机的发展历史及研究现状 1 1 1 无刷双馈电机的发展历史 无刷双馈电机佃m s h l e 鼹d o u b l y - f e dm a c h i n e ) 是种结构简单、坚固可靠、异同 步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈【l 】，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 【2 】。h u n t 电机是由两台电机的轴机械相连， 转子绕组反相序相互连接而成的。其结构简图如图1 1 所示。即从第一台电机的定 子输入电功率，通过转子传递给第二台电机的转子绕组，第二台电机的定子绕组通 过外接电阻短接。该系统通过改变外接电阻的大小来实现调速，实现了无刷化。级 联式电机是一种两体机的形式，它存在着成本高、安装匕方便、性能指标上理想等 问题3 1 。 最对极 图1 - 1 无刷双馈电机的原型电机 为降低串级电机的成本和提高运行性能，以h u n t 和g r e e d y 为代表的研究者将 两个转子合二为一构成个公用转子，并对定子绕组进行重新设计，使之具有套 转子绕组，套能产生上同极数的定子绕组，且具有个共同的磁路。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。 第章绪论 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，在满足无刷双馈电 机对转子磁场要求的前提下，将相调制理论应用到极变换绕组中，使得定、转子绕 组极数配合的范围进步扩大【4 】，并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极 对数的磁场，简化了定子绕组。转子采用了类似鼠笼式结构，这些成果将自串级无 刷双馈电机理论向前推进了一大步，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【5 6 1 ，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，又进步促进了b d f i v l 的发展。 1 1 2 无刷双馈电机的研究现状 无刷双馈电机源于两台感应电机的串级联接，b r o a d w a y 智为该种电机的研究发 展作出了卓越的贡献，对该种电机的系统深入的研究始于七十年代末期。在近二十 几年的时间中，美国w i s c o n s m x 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。英国、日本和澳大利亚等 国也在对该种电机进行研究。近年来，在英美等国，基本形成两大流派【7 1 ；其一是 以a k w a l l a c e 教授和r s p e e 教授为首的美国o r e g o n 州立大学以及以w i u 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；另一流派是 以t a l i p o 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，并且形成了两套上同的 分析研究体系。 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出删坐标系统中的数学模型和通用数学模型， 并进行了仿真研究。可以看出，现有的无刷双馈电机的数学模型大多建立在d 一q _ _ o 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上同，计算值需要通过坐标变换方可与测试值相比较，另外， 其电压电流变量也上能与变频器电压电流变量直接耦合，给无刷双馈电机调速系统 的仿真研究带来一定的困难。因而，上述数学模型上够直观，使用起来也上够方便。 国内外学者研究给出的上同转子结构无刷双馈电机的数学模型，上仅形式各异，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。 虽然近二十年来，国内外许多学者对无刷双馈电机进行了分析的研究，取得了 第章绪论 些成果并发表了许多相关的论文，他们对该种电机的运行原理、分析方法和分析 手段以及特性仿真等方面做了许多研究工作。但是无刷双馈电机的研制水平却略显 滞后。就所查阅的有关文献来看，到目前为止，以美国o r e g o n 州立大学w a n a e e 教授 为首的研究小组公布了一台5 h p 笼型转子无刷双馈电机样机的试验结果，并将一台 4 5 k w 的实验样机应用于某废水处理厂。国内仅有沈阳工业大学研制出笼型转子和磁 阻( a l a ) 转子无刷双馈电机各一台。因此，研制较大功率的无刷双馈电机的实验 样机，并从理论和实验两方面来进行对比研究，对于推动该种电机的发展具有重要 意义。 在国内对无刷双馈电机研究总体起步较晚，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，但总的来说，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 的研究开发还有许多的工作要做【s l 。 1 2 无刷双馈电机的研究意义和应用前景 无刷双馈电机调速传动系统将很好的解决变频调速系统中的“成本问题”以及 t 谐波污染问题”。无刷双馈电机及调速系统有其独特的优势，可实现异步运行、同 步运行和双馈调速运行，主要表现为：1 ) 作为变频调速电机用可实现无级调速，特 别是在3 0 调速范围内的场合，通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分， 因此可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本；2 ) 功率因数可调， 可以提高调速系统的性能指标，降低线路损耗和减少无功功率补偿装置的投资；3 ) 与有刷双馈和串调系统相比，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：4 ) 作为电 动机双馈运行时，功率绕组接高压工频电源，控制绕组通过变频器接低压工频电网。 通过调节控制绕组的电压( 电流) 频率和幅值可实现对转速的调节和性能的控制。由 于变频器只需处理较小的转差功率，使其容量大大减小，可解决高压电机的调速传 动的可靠性差、成本高、对电网的谐波污染严重等的问题；5 ) 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 ，开关频率上能过高，因此性能上 够理想。如果采用无刷双馈电机，那么就可以使用具有耐压较低的i g b t ，开关频率 可以大大提高，系统性能得到优化。6 ) 无刷双馈电机采用转子磁场定向矢量控制， 可快速控制电机输出转矩和转速，而且可在四象限运行，具有良好动态性能，因而 可用于调速范围上太大，而调速精度要求高的场合。7 ) 无刷双馈电机作为变速恒频 交流发电机，应用于水力或风力发电系统时，可以大大提高发电系统的可靠性。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 第章绪论 速水力或风力发电系统。在对无刷双馈电机的研究取得重大进展和突破之后，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 无刷双馈电机个很有发展前景的应用领域9 1 。 1 3 席澈所傲的工作 如上所述，尽管国内外学者对无刷双馈调速电机做了许多研舡作，但还有待 于进一步深入，以使无刷双馈电机能够在工业中获得应用【l 们。本文结合国内外有关 文献，对无刷双馈电机的运行原理，定、转子结构，提高电机效率的方法，电机的 建模和仿真等方面进行了较为细致的分析，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。从原型电机出发，根据转差关系，得出 了b d f m 的转速公式，并讨论了各种运行方式下的运行特性，指出该种电机具有自 起动能力并可实现同步、异步和双馈运行。 2 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， 它是由两套绕组一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，分析产生上同极对数的单、双定子绕组的设计方法，深入研究了无刷双 馈电机笼型转子结构。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较为细致和全面的分析，从而为无刷双馈电机设计 和参数优化提供了理论依据。 3 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。 4 从电机的稳态模型出发，分析了无刷双馈电机作为调速电动机在各种上同转 速范围内定、转子间的能量流动，为无刷双馈电机的绕组容量设计以及变频器容量 的选择方面提供依据。 5 推导了b d f m 的数学模型，包括三相坐标系下的网路模型和转子坐标下的 d q 模型，从矩阵变换的角度出发，得出了两轴模型下的参数计算和转矩公式，并 用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对无刷双馈电机进行了开环仿真，并给出了仿真结果， 得到了电机在开环运行下的速度响应曲线。 6 本课题结合样机用实验进行了验证，仿真计算与实验结果比较致。 第二章无帚4 双馈电机的原理 第二章无刷双馈电机的原理 无刷双馈电机的结构如图2 1 所示，定子匕装有二套绕组，套通常接至工频 电源，极对数为0 称为功率绕组；另套通常接至控制电源( 变频电源) ，极对 数为，称为控制绕组。这两套绕组没有直接的电磁耦合，而是通过转子绕组间接 进行电磁功率的传递。转子采用自行闭和的环路结构，其极对数为功率绕组极对数 0 与控制绕组极对数之和。 工频； 电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。由于电机结构的特殊 设计，它们的基波并上交链，分别在转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行， 其具体分析如下1 0 】。 功率绕组和控制绕组的同步转速分别为 ，：p ：业，m ：坐 ( 2 1 ) p p p c 式中 石一功率绕组频率5 压一控制绕组频率； b 一功率绕组极对数； 只一控制绕组极对数。 当功率绕组和控制绕组电流反相序时，定子绕组产生的旋转磁场方向相反。控 绕组能量由变频器回馈电网。设转子的转速为则两定子绕组磁场在转子中产 第二章无刷双馈电机的原理 生的感应电势频率分别为居和声，则 速为 居= 跖= 等百n p p ，一( r i p - 6 n 。, ) - p ( 2 - 2 ) 届：跖：型旦尘：n c + n ，) p c ( 2 - 3 ) 。7 一m6 0 6 0 电机运行达到稳定时，转子电流频率必须相同，即居= 声，则电机的稳定转 6 0 ( 石一乒) r r = = - - 二；。= 。二 p p + p c 所以功率绕组和控制绕组的转差率分别为 转子感应电流的频率为 纠一詈= 箍篙l bj 叭r p 七r c ：1 + 一n r ：堑墅 m 乒( b + p c ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 歹= 跖= 跏= 丽p ：f p 4 p ： ( 2 - 7 ) 所以电机稳定运行时，定子两个上同极数的旋转磁场在转子绕组中感应电流的 频率是相等的。 若功率绕组和控制绕组电流同相序时，即电机超同步运行，控制绕组能量由变 频器提供，则 胁；垒坐五五2( 2 8 ) p p 七p c s p = 丝二墅 ( 2 9 ) 1 舯p p c ) ：盟二墅( 2 1 0 ) 1 婶p 七p 由 厍：p 函- p ：( 2 1 1 ) 第二章无刷双馈电帆的原理 无刷双馈电机匕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 以上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 2 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 - 2 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，等效于一台2 ( p p + p = ) 极的异步电动机。 2 2 2 同步运行方式 功率绕组由工频电源供电，控制绕组加直流励磁，即为电机的同步运行方式。 如图2 3 所示。 图2 - 3 同步运貊械 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( 转差率j o 0 5 【1 3 1 ) ，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 第二章无刷双馈电机的原理 定地运行在同步转速。通过改变控制绕组中直流电流的大小，可以改变功率绕组中 电流的无功分量，从而改善电机的功率因数。 2 2 3 双馈调速运行方式 功率绕组由工频电源供电，控制绕组由变频器供电，这就是该种电机的双馈运 行方式。如图2 _ 4 所示。在无刷双馈电机处于异步运行方式( 转差率s 0 0 5 ) 或同 步运行方式时，将控制绕组由当前状态迅速切换到由变频器供电，此时无刷双馈电 机将进入双馈运行方式，改变变频器输出频率，即可调节电机转速，即为 ，fir 、 m = o u = - l p _ - rj o 。如果功率绕组和控制绕组的电流同相序，电机为超同步运行方式； p 。七p c 如果功率绕组和控制绕组的电流反相序，电机为亚同步运行方式。从上图可看出， 电机所需变频器的容量仅满足控制绕组的需要即可，而控制绕组只承担转差功率， 这就使得所需变频器的容量大幅度减少，从而系统成本大大降低。 2 2 4 发电机运行方式 当无刷双馈电机作发电帆运行时，通常将控制绕组用作交流励磁绕组，变频器用 于供电，定子功率绕组作为发电绕组。如图2 5 所示。由于励磁绕组也在定子上， 其变速恒频恒压控制是在无刷情况下完成的，运行安全可靠，特别适合于需要长期 运行且上便经常维护的水力发电、风力发电等领域1 4 】。 第二章无刷双馈电机的原理 总之，运行时，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组分别相当于绕线式感应电 机的定子绕组和转子绕组的作用。该种电机上仅具有自起动能力，而且根据控制绕 组供电方式的上同，可以工作于多种运行方式1 5 1 。因此，可以认为，无刷双馈电机 是双馈电机在上同条件下的特定表现形式。这样就可以建立电机的统模型，从而 在此基础上的控制系统将会更加灵活，应用也会更加广泛。 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 3 1 无刷双馈电机的效率分析 电机的效率主要由基波阻抗参数决定，但谐波会对效率和功率因数造成严重影 响。普通感应电机的谐波主要由以下原因产生：1 ) 绕组磁势在空间分布上是正弦波； 2 ) 定转子表面有齿和槽存在。无刷双馈电机的谐波产生原因除了上述两个条件外， 还有以下原因：3 ) 控制绕组的变频电源输出中含有大量谐波；4 ) 定子两套绕组的 旋转磁势，分别会在对方绕组中感应出谐波电势。因此，无刷双馈电机的谐波含量 比普通感应电机的谐波含量大。 无刷双馈电机的效率公式为 t i = ( 1 一静x 1 0 0 ( 3 1 ) 式中露为输入功率：劲为总损耗，包括铜耗、铁耗和机械损耗。下面逐一分析。 3 1 1 定子部分的分析 1 定子铜耗 1 ) 定子绕组电阻上的损耗； 2 ) 高次谐波电流的集肤效应，引起电流分布上均匀，使绕组的交流电阻增大， 从而导致铜耗增加。 2 定子铁耗 1 1 铁心中磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗： 2 1 谐波的加大，造成铁耗增加。在无刷双馈电机中，定子绕组会感应基波电势 和高次谐波电势；另外，功率绕组和控制绕组的基波磁场会在对方绕组中感应互感 电势。这些高次谐波电势和互感电势会增加电机的电磁损耗，上利于电机正常运行。 3 1 2 转子部分的分析 1 转子铜耗 当电机处于同步转速( e p 乒= 0 ) 稳定运行时，转子铜耗为 = 昂p 呷2 瓦j 鬲c p 唧 ( 3 。2 ) 一 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 当电机处于超同步最高速( 1 i p 乒= 石) 稳定运行时，转子铜耗为 = 昂= 麓 ( 3 - 3 ) 若只增加，则函增加，损耗增加，影响电机的效率降低。 2 转子铁耗 在普通异步电动机中，额定负载时，转差率很小，转子频率很低，因此转子铁 损可忽略。然而无刷双馈电机正常稳态运行时，定子绕组产生的两个旋转磁场转速 与转子本体存在较大的转差，转子铁损上能忽略。 铁心损耗与磁通的交变频率及磁密幅度的关系为p p ec i c 厂9 风2 ( 1 3 = 1 2 1 6 ) ，以下从厂和碥两方面进行分析。 1 ) 厂的影响 当电机处于同步转速( 1 i p 声u r n = 0 ) 稳定运行时，转子电流的频率为 = 惫石 ( 3 _ 4 ) 当电机处于超同步最高速( 即乒= 石) 稳定运行时，转子电流的频率为 = 篇石 ( 3 - 5 ) 以上两式说明，在b + p c 一定时，昂、p c 的选择直接影响转子电流的频率， 从而影响转子损耗的大小。对于昂、尸c 已确定的电机利用上述关系计算转子铁耗， 该类电机的铁耗匕仅与电机所加的电压，也与电机的转速( r p 压) 大小密切相关， 这与常规的恒速电机是上同的。 2 ) b 的影响( 定子绕组为2 套绕组) 由于2 套绕组共用1 个定子、气隙及转子，电机中存在2 个上同转速的旋转磁 场，它们时而相加，时而相减【l6 1 。有如下近似关系 舢彘风 & 。j l 晚 b - t - p c ( 3 _ 6 ) ( 3 7 ) 上式说明，在岛+ 只一定时，昂、p c 的选择也会直接影响曰，从而影响转子 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 损耗的大小。所以在考虑主要尺寸确定时，可选b ( 即岛，+ & 。) 值适当小于常规 电机的召值。 3 2 提高无刷双馈电 臌率的方法 为提高无刷双馈电机的效率，需要对电机参数进行合理的设计，减少其中的高 次谐波。 3 2 1 定子结构设计 1 定子绕组极对数的选择 无刷双馈变频调速电机的定子绕组有两个极数它们的具体取值对电机的性能 有重大影响，是上能随意决定的。我们主要从以下几个方面来看极数对电机性能的 影响以及两种极数选择应满足的条件。 1 ) 两种极数影响功率分配。无刷双馈电机中定子绕组的功率分配与它们的极 数成正比。如果电机的两种极数之比相差较大，则变频器用于极数较少的控制绕组 时，其容量将远远小于电机的实际容量，因此较大的极对数比能减小变频器的容量。 2 ) 定子绕组的形式对极数的限制。当无刷双馈电机采用定子双绕组结构时，对 两定子绕组极数的匹配没有明确限制。但采用定子单绕组结构，双层排列时，则在 线圈、跨距的选择匕必须合适于两种极数要求，因此定子单绕组在极数相差教大时， 极数匹配会产生实际困难。 3 ) 作为调速电机，根据转速的表达式刀：6 0 _ ( 3 彳刍f 1 ) ，可知岛+ r 的值决定着调 r p r c 速范围。 4 ) 从电机的工作原理上看，2 p p 极和2 尸c 极绕组皆可作为功率绕组，但通常情 况下一般选择极数多的绕组作为功率绕组( 直接与工频电网相连) ，以承担电机的大 部分功率；极少数的绕组用于承担励磁功率。因此，一般取2 p p 2 p c 。 5 ) 为了避免共存于同一电机中的两个上同极数的磁场产生匕对称磁拉力和电磁 噪声，还要求：昂一p c 2 。 6 ) 还应保证p p p c ，正弦的磁密波b s i n ( p a o ) 作用于正弦分布的绕组t s i n ( p ，o ) 上时产生的磁通链是下面的形式 b r f s i n ( p ，o ) s 缸瑚) d o ( 3 - 8 ) 由函数的正交性可知，只要b p c 则积分结果为零，即保证了两套磁场匕直接 交链。 7 ) ， 的最简分式中分子、分母最好是奇偶，否则，它们包含的各次 ，jc 谐波相互交链，而且定、转子都要采用整数槽以避免分数次谐波的出现。如果分子 分母都是奇数，就要通过绕组的适当排列来消除有可能相互耦合的谐波。 d 8 ) 在这种电机的自然同步转速时，主功率电机的转差昂= = 二= - ，转子的损 r p 七y c d 耗都和昂有关，昂越大，损耗越大，所以希望兰尽量小。 r p 综合以上各种因素可以发现，无刷双馈变频调速电机定子绕组的极数配合问题 是错综杂的，具体的选择要根据实际情况来定。 2 定子绕组设计 1 ) 定子为套绕组的设计 单绕组是采用同一套绕组经上同的出线端供电以产生出上同极对数磁场。为使 一套定子绕组采用两套电源馈电同时产生两种上同极对数的磁场并保持两磁场激励 源互相独立，定子绕组的构成就需要作出特别的安排。对于单定子绕组的无刷双馈 电机来说，套定子绕组应有6 个出线端，分别作为工频和变频电源的接入口，当两 个端口同时供电时，会产生两个独立的、上同极对数、上同转速的旋转磁场。为使 两个电源互上干扰，由功率绕组b 对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势，应 在p c 对极控制绕组的3 个出线端之间上出现电势差，以避免控制端口通电时引起工 频电源的附加电流；同理，由控制绕组p c 对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电 势，也应在岛对极功率绕组的6 个出线端之间上出现电势差，上引起变频电源的附 加电流u 。 假定( 6 十2 ) 极无刷双馈电机的定子槽数z l = 3 6 。其定子绕组采用单绕组方案， 如图3 1 所示。从a b e 瑞口看进去时呈现2 极，虬m 3 c 瑞口呈现6 极。这样可达到两个 电源彼此独立、无电功率的直接传递和准确控制转速和功率的目的l l 引。 l 2 - 1 2 -hc 图3 - 13 6 槽( 6 + 2 ) 极无刷双馈电机定子单绕组接线图 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 如采用单绕组方案，2 p p 极和2 p c 极共用相同的绕组，只有种线圈节距，故 选取时应对两种极数兼顾，使其既有利于提高两个瑞口绕组之间的耦合，又有利于 尽可能消除上参与机电能量转换的其它次谐波磁场，降低电机损耗。 当采用单绕组方案时，线圈节距的选取应兼顾6 极和2 极磁场的需要。表3 1 给出 了选择上同的节距) ，时，6 极和2 极短距系数对比。其中短距系数b = s i n 士1 8 0 。， 矗 对于6 极极距仁寺= 薏- o ，62 极极距弘去= 酱= 1 8 从表中可以看出，节距y 的合理选择应为y = 8 ，这时如和k y 2 均较大，特别是岛：的数值最大，这正是无 刷双馈电机所希望的，因为电机的出力与性能与主副绕组之间的互感密切相关，而 这一互感值与岛6 和b ：的乘积成正比【1 9 】。图3 2 和图3 - 2 分别为y = 8 定子功率绕组a 相绕组展开图和定子控制绕组a 相绕组展开图。 由于套定子绕组可以提高槽空间利用率，增加导体截面积，电机运行有较高 的效率，但绕组设计上灵活，尤其是设计上当时，谐波分量增加，反而会降低电机 的效率，影响电机的性能。同时对控制端来说，由于三个支路向量在空间分布的上 对称将引起支路间互感的上相等。支路并联时，将引起3 支路中电流匕平衡，引起电 机的环流损耗。 表3 - 1 上同节距y 时，6 极短距系数岛6 和2 极短距系数岛2 的对比 j ， 45 6 78 9 1 0l l1 2 k , 6 o 8 6 6o 9 6 6lo 9 6 6o 8 6 60 7 0 7o 50 2 5 9o 岛2 0 3 4 2o 4 2 3 o 5 0 5 7 4o 6 4 30 7 0 70 7 6 60 8 1 90 8 6 6 匆6 岛2 o 2 9 60 4 0 9o 50 5 5 40 5 5 7o 50 3 8 3o 2 1 20 图3 - 2定子功率绕组4 相绕组展开图 ? 。 聃 j | 1 ， 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 b c 2 ) 定子为两套绕组的设计 为了减小高次谐波和互感电势，定子绕组可以采用两套绕组方案。这是对于无 刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的种。在定子铁心匕装有两套彼此独立、 极数上同的绕组，即极数为2 p p 的功率绕组和极数为2 尸c 的控制绕组。此时，在功 率绕组和控制绕组中流过的电流会产生极数上同旋转磁场，为避免三次谐波磁场在 定子绕组中产生环流，功率绕组和控制绕组般采用y 妾法。这时可按2 b 极和2 只 极选取绕组节距和确定绕组排列，它们可分别采用独立的双层短距分布绕组，以使 各自的基波绕组系数尽可能大，其它高次谐波的绕组系数尽可能小。 对于本文设计的( 6 十2 ) 极电机，采用双绕组方案时，绕组节距的选择比较容易， 对于6 极绕组，可选理想节距儿：= 5 - z i ：寻粤：5 ；对于2 极绕组可选理想 oz p o o 节距耽= z 5 熹：罢要= 1 5 。如图3 _ 4 所示。 当三、，o 一二三k ，0 2 再芝挎，榭 曩 c 曩。 5一2 3一纠 b ， 1 71 8 3 5一拍 酗u 一| = - u j 墨一翼一一一麓一 ( a ) 功率绕组3 y 接法 彻控蝴y 接法 图3 - 43 6 槽( 6 + 2 ) 极无刷双馈电机定子双绕组接线图 双绕组方案设计比较简单，定子绕组设计有较大的灵活性，电机的性能相对稳 定，便于获得功率绕组和控制绕组之间较理想的耦合关系。但两套绕组共用定子槽， 绕组和槽的利用率上高，端部过长，为考虑槽漏抗以及端部的影响，一般将少数极 绕组放置槽的底部。 3 定子绕组的匝数和线规的选择 定子绕组的匝数和线规的选择与电机的出力和性能密切相关。由于绕组匝数的 增加，会使线负荷增大，磁通密度降低，铜耗和漏抗随之增大，因此在对两套定子 绕组进行匝数和线规的选择时，必须考虑磁路的饱和程度、电机材料的利用率以及 电机的性能指标。在双绕组方案时，两套绕组共嵌于同一定子铁心，产生的磁场通 过同个磁路。由于两种磁场的磁势在磁路上叠加，为避免磁路过饱和，应比同功 率的普通电机增多一些匝数。 4 定子绕组磁场分析 无论无刷双馈电机定子绕组采用单绕组方案还是双绕组方案，从磁势产生的观 点来说，定子都可以看成两个独立的绕组。功率绕组和控制绕组外接两个三相对称 电源，设定子三相功率绕组电流产生的基波旋转磁场与三相控制绕组电流产生的基 波旋转磁场方向相反。 无刷双馈电机无论是功率绕组还是控制绕组，都是由对称的三相绕组构成，每 相绕组都是由若干个线圈组串联或并联组成的，而每个线圈组是由若干个节距相等、 匝数相同、依次沿定子圆周错开同个角度( 通常为一槽距角) 的线圈串联而成， 只要求出每个线圈组的磁势就上难得到整个相绕组的磁势。因此，求出了单个线圈 产生的磁势，就可以求出整个交流绕组产生的磁势。 分析一个线圈电流产生的磁势时，加。为线圈的跨距( 用机械角度表示) ，每 个线圈的匝数为，通过的电流为f i 。为简便起见，将定子空间的坐标( 机械角度) 原点设在线圈的轴线上幽】。 单个线圈产生的磁势进行傅立叶分解，可以得到 六( 。) = co ) c o s o o 。) ( 3 9 ) v = l 式中，v 次谐波的幅值为 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 只o ) = _ 冗2 v i n i 。s i n q 。，) = j b 式中，屯为v 次谐波磁势的短距系数 b = s i n ( v o ，) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 若每个线圈组由g 个相邻的线圈构成，则每个线圈组产生的磁势为 ( e ，) = e ) c o s e o ，) ( 3 1 2 ) v = l 式中，谐波幅值为 o ) = 以) 式中k 为v 次谐波磁势的分布系数， = 器器 用矢量法把构成相绕组的各线圈组的v 次谐波磁势相加， 谐波磁势： 工( 。，) = 0 ) c o s o ，) 式中 91 e ) 2 孟u k ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 便得到相绕组的v 次 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 其中，为每相绕组的总匝数，七。= 七，为磁势的v 次谐波的绕组系数。为 了方便起见，将无刷双馈电机定子内圆的机械角度原点设在功率绕组a 相的相轴上。 对于功率绕组来说，极对数为0 ，每相串联的匝数为，并设功率绕组a 相的电 流为i a p = 2 ，s i n ，f ) ，则a 相功率绕组电流产生的磁势为 厶，( 0 ，r ) ：艺学! 竺告立c o s o 。，) s i n o ，) = 主五，) c 。s e 。，) s i n o p ，) ( 3 1 7 ) 同理，可以计算出定子控制绕组a 相电流产生的磁势为 厶。 ，f ) = 喜之三号 瞄 ve - e 声溷s 访 f ) = 妻v m l 气，e ) 瞄 ve ，棚卢溷如。吖) 式中，。为控制绕组电流的角频率，0 声为功率绕组a 相相轴和控制绕组a 相 相轴之间相差的机械角度，比为控制绕组每相串联的匝数，l 为控制绕组电流的有 第三章无刷双馈电机的结构及效率分析 效值，七。为控制绕组v 次谐波的绕组系数，互。o ) 为控制相绕组电流产生的v 次谐 波磁势幅值。 定子对称三相绕组流过对称三相电流时，在气隙中会产生旋转磁场，对于定子 功率绕组来说，三相合成磁势存在的谐波次数为 v p = ( 1 士6 七) 0 k - - o ，1 州2 一 ( 3 - 1 9 ) 式中，当七= o 时，为功率绕组的基波磁势。当v p 为正时，表示与基波同转向 波，当v ，为负时，表示与基波反转向波。因此，功率绕组电流产生的磁势为 p ) = 厶，p ，) = e ，s i nm p t - v p ，) = e ，s i n 0 ) p t - o + 6 0 7 , e ， ( 3 - 2 0 ) 谐波磁势的幅值为 仆警争 ( 3 - 2 1 ) 同理，对于定子控制绕组来说，三相合成磁势存在的谐波次数为 v 。= ( 1 士6 七) k = o ，1 ，2 ，( 3 - 2 2 ) 式中，当七= o 时，为控制绕组的基波磁势。当v 。为正时，表示与基波同转向 波，当v 。为负时，表示与基波反转向波。因此，控制绕组电流产生的磁势为 z ，f ) = 丘n ，f ) = 。灿 - i v 。e 也渺办e 。灿陋+ o 吣2 e 也溷 峪咯 一1 - - i ( 3 - 2 3 ) 谐波磁势的幅值为 eo 。) ：丝型立l ( 3 - 2 4 ) 孤 y c 5 定子绕组谐波分布情况 1 ) 定子为一套绕组 由于产生两种极对数磁场的绕组为同套绕组，只有一种线圈节距，所以选择 节距时应兼顾绕组在两种极数磁场下既有利于生成有效磁势，又有利于减少上必要 的谐波磁场。 对于一套绕组可以通过改变跨距或线圈跨槽放置来改善磁势波形，提高电机性 能。以昂= 3 ，p c = 1 ，而= 3 6 为例，对于6 极端来说，极距为6 ；对于2 极端来说， 极距为1 8 ，节距的多少分别对6 、2 极的绕组系数有影响。节距较小可以使线圈间 的互感减小，有利于绕组间的平衡。因为6 极端是功率端，较小的节距有利于6 极 端的磁势波形分布，因而对电机的整体性能有利。然而较小的节距对2 极端的磁势 波形分布匕利，因为2 极端与变频器相连，无刷双馈电机依靠调节变频器的频率来 调速，所以对整个系统控制性能有影响。改变定子节距会改变定、转子间的耦合， 对6 、2 组合，转子有4 相绕组，每相绕组占9 0 ，当定子节距增加时，定子线圈与 个转子相绕组的互感耦合增加，直到定子节距超过转子回路的节距。表3 - 3 ，表 3 _ 4 和图3 = 5 ，图3 - 6 是定子采用套绕组时的6 极端和2 极端的谐波分布系数以及 6 极端和2 极端的谐波分布图其帆= 咖詈x 1 8 0 0 ，如= 篙酬， 锄= h 对