（电机与电器专业论文）多相感应电机的设计研究.pdf

硕士学位论文 a bs t r a c t t h e s y s t e mo fe l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o n a n dd i s t r i b u t i o ni s t h r e e - p h a s es i n c eo nt h eb e g i n n i n go ft h el a s tc e n t u r ys ol o t so fe l e c t r i cm a c h i n e a d j u s t a b l es p e e dd r i v e sa r em a d eu po ft h r e e - - p h a s ee l e c t r i cm a c h i n ea n dt h r e e - - p h a s e c o n v e r t e rb u tt h ep r e s e n tt h r e e - p h a s ee l e c t r i cm a c h i n es t a t u sh a sa l r e a d yr e c e i v e dt h e c e r t a i nc h a l l e n g eo n ei si nt h es i t u a t i o nw h i c hr e q u i r e dh i g hp o w e rr a t i n ga n dl o w e r p e rp h a s ev o l t a g e t h eo t h e ri si nt h es i t u a t i o nw h i c hr e q u i r e dh i g hr e l i a b i l i t yi n a d d i t i o nt oh i g hp o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t y ，t h em u l t i p h a s ew i n d i n gs t r u c t u r ep r o v i d e s am u l t i p h a s em a c h i n ew i t hc a p a b i l i t i e so fs t a r t i n ga n dr u n n i n ge v e nw i t ho n eo rm o r e o fi t ss t a t o re x c i t a t i o ns e t sf a i l e dt h e r e f o r e r e s e a r c ho nm u l t i p h a s ee l e c t r i cm a c h i n e a d j u s t a b l es p e e dd r i v er e c e i v e sd a yb yd a yt h ew i d es p r e a da t t e n t i o n m u l t i p h a s e i n d u c t i o nm a c h i n eh a s m a n ya d v a n t a g e s o v e rc o n v e n t i o n a l t h r e e - p h a s e ，s u c ha sc a p a b i l i t yt os t a r ta n dc o n t i n u er u n n i n ge v e nw i t ho n eo rm o r eo f i t sm a n ys t a t o rp h a s e so p e no rs h o r tc i r c u i t e d ，r e d u c e dt o r q u ep u l s a t i o n ，r e d u c e dr o t o r c o p p e rl o s sl e a d i n gt oi m p r o v e do v e r a l lp e r f o r m a n c e ，i n c r e a s e dp o w e rr a t i n gw i t h o u t i n c r e a s ei np e rp h a s ev o l t a g ei ts u i t sa p p l i e dt on a v a lv e s s e lp r o p u l s i o ns y s t e ma n ds o o n i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a lt h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ea d j u s t a b l e s p e e dd r i v e ，t h em u l t i p h a s e i n d u c t i o nm a c h i n ea d j u s t a b l e s p e e d d r i v ei s m a i n l y r e s e a r c h e dac o m p r e h e n s i v er e s e a r c hi sm a d eo nt h em u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n e t h ef o l l o w i n gi t e m sa r ei n c l u d e d ： 1s u m m a r i z et h er e s e a r c ho nm u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ea d j u s t a b l e s p e e d d r i v e ，i n t r o d u c ei t sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs i t u a t i o n 2t h ew i n d i n gc o n n e c t i o nw a ya n dh a r m o n i ca n a l y s i so fm u l t i p h a s ei n d u c t i o n m a c h i n ei ss t u d i e d ，t h es u p e r i o r i t yo fm u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ei nr e d u c e d h a r m o n i cc o n t e n tc o m p a r e dw i t ht h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ei sp r o v e di nt h e o r y ， m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ei sb r o u g h tf o r w a r da tt h es a m e t i m e 3b a s e do nt h e e l e c t r o m a g n e t i s md e s i g np r o g r a mo ft h r e e - p h a s e i n d u c t i o n m a c h i n e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g np r o g r a mo fm u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ei s f i r s t l yd e r i v e d a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n g v i s u a lc + + 4t h em u l t i p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n e st r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a sb e e n a n a l y z e di n d e t a i l b yt h em a x w e l l2 d t h er e s u l to fa n a l y s i s c o m p a r e dw i t ht h e i i i 多相感应电机的设计研究 c a l c u l a t i v er e s u l tb yv cp r o g r a mc o n f i r m e dt h ev a l i d i t yo fm u l t i p h a s ei n d u c t i o n m a c h i n ew h i c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：m u l t i p h a s e m a c h i n e a d j u s t a b l es p e e dd r i v e ，i n d u c t i o n m a c h i n e e l e c t r o m a g n e t i s md e s i g n ，f e a 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，均已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：年月日 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，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 多相感应电机调速系统概述 厂皇塑型 f k 功率换流 直流变流，_电流型 交流变流 交直交型 交交变流 o _ _ 直接高压型_ _ 中低压型o_电压型 传统交交变流 = 极管箝位式 普通双电平 电容箝位式 单元逆变桥串联式 o _ _ 矩阵式父父受流 图11 功率变换分类图 自上世纪初以来，电力发电、输配电系统都是三相系统。因此，大多数电机 调速系统都是由三相电机与三相变频器构成的。尽管目前大规模生产的经济性确 保了三相电机会一直被使用，但是三相电机的地位已经受到一定的挑战。具体表 现在以下三个方面： ( 1 ) 第一个挑战与额定容量为几兆瓦的大功率调速系统有关。大功率电机调 速系统在风机、泵类、压缩机、水泥磨机、轧机、矿井提升机等场合得到广泛的 应用。目前，最成功的大功率调速系统是由周波变换器或者电流型晶闸管变频器 供电的同步电机调速系统【1j 。电压型变频器虽然具有比周波变换器功率因数高， 使用的感应电机比同步电机价格低且易于维护的优点，但是由于受g t o 功率器件 容量的限制，它的应用被限制在大功率应用的低端范围内。 为了提高电压型逆变器的功率，器件成组技术被普遍应用。然而，这种结构 多相感应电机的设计研究 存在功率开关元件串联带来的静态均压和动态均压，或者并联带来的静态均流和 动态均流问题。于是，必须严格选择器件的参数，确保器件门控信号同步，必须 添加辅助的无源器件以避免由功率器件的电压或电流不平衡引起的故障。 过去十多年中，多电平逆变器供电的电机调速技术是一种采用电压受限器件 实现高压大功率等级的有效手段。由于多电平电压型逆变器采用分割的直流母线 电压，器件的电压应力只是总直流母线电压的一部分。因此，器件串联所引起的 均压问题得以去除。串联开关器件的典型结构是三电平电压型逆变器【2 - 3j ，它的每 个器件的电压应力仅为总直流母线电压的一半。 与多电平系统平行的是由多相变频器供电的多相电机调速系统。其拓扑结构 如图12 所示，m 相电压型逆变器是三相电压型逆变器拓扑结构的拓展，由m 个 半桥直接并联而成，输出功率与其相数成正比，此结构可以实现低压大功率。 ( 2 ) 第二个挑战出现在小功率调速领域，可以看到两个略露端倪的发展趋势。 第一个是调速系统中采用现成的标准电机在逐步减少；第二个是更加青睐于高效 率的调速系统。这两个趋势共同促进了多相调速系统的发展。一些主要的电机制 造商设计生产专门用于变频器供电的感应电机，足以证明这种使用非标准电机的 发展趋势【4j 。目前日益关注的电机和调速系统所引起的全球环境问题，促进了高 效率多相调速系统的应用。在由电池供电，驱动功率小于1 千瓦，供电电压小于 1 0 0 伏的场合，诸如电动轮椅，电动车，割草机，高尔夫球车以及电池供电的电 动工具等方面得以应用【5j 。它通过相数的增加，使得相电流减小。如果此时采用 三相电机，由于具有较大的电流，这将对整个驱动系统设计提出苛刻的要求【6 j 。 图12m 相两电平电压型逆变器 ( 3 ) 第三个挑战出现在集成变频调速系统领域。由于电机和变频器设计成一 体化形式，势必会推动多相配置的应用。同时，由于散热条件的限制，集成调速 系统中期望采用损耗更小的变频器拓扑结构。但在三相系统中，为消除六阶梯形 波电压型逆变器供电时出现的6 次转矩脉动，需采用高开关频率的p w m 方法， 这无疑会增加系统的开关损耗。而在多相调速系统中，随着驱动系统相数的增加， 硕士学位论文 影响较大的空间谐波次数增大，且幅值下降，转矩脉动大幅度减小。采用频率较 低的方波电压供电，可以得到与采用p w m 控制的三相逆变器供电相当的性能 - 8 j 。 由于多相电机调速系统比常规三相系统拥有一定的优势，因此，对多相电机 调速控制的研究引起了众多学者的广泛兴趣。 1 11 多相感应电机的国内外发展现状 早在上个世纪2 0 年代后期，为了满足切断断路器和电抗器以限制同步发电机 故障电流的需要，决定了同步发电机单机的容量不能过大，这就影响了大型同步 发电机单机容量的进一步提高。此时工程设计人员不得不转向设计双绕组同步发 电机来提高整机的容量而同时使故障电流的切断能力得到提高【9j 。受到定子双绕 组同步发电机设计思想的启发，学者们也在其它类型电机上安装多套绕组，这就 构成了多相电机，其中包括多相感应电动机、多相永磁同步电机和多相永磁无刷 直流电机等。 到了8 0 年代，德国不伦瑞克工业大学的hw e h 教授研制出一种新型的逆变 器供电的多相磁阻电机【1 。该电机的运行原理与直流电机相似，只是将励磁绕组 和电枢绕组均安置在定子上，转子用轴向叠片叠压成凸极结构，转子上无线圈或 永磁体。定子绕组设计成七相，任一时刻，处于极间区域的三相绕组用作为励磁 绕组，其电流在极下区域产生励磁磁场，而处于凸极磁极下的另外四相绕组用作 为电枢绕组，其电流与励磁磁场相互作用产生驱动转矩。由于定子绕组由七相逆 变器供电，并对每相电流进行独立控制，因此该电机的励磁电流和电枢电流能够 独立控制，使得它具有和直流电机一样优越的调速性能【1 “。 1 9 8 1 年，tmj a h n s 采用十五相感应电机，蓄电池供电，以三相为子集构成 的多相系统，并申请了欧洲发明专利。其中，每个三相子集都采用三相半桥逆变 器六步法供电，定子绕组的谐波电流通过配置高的漏电抗加以抑制，它己应用于 潜艇驱动系统中【l2 1 ； 到了9 0 年代，m o h a m e d 等人将一台普通的三相鼠笼感应电机定子重新绕制， 使其成为一台双y 移3 0 。的六相电机，并用一台6 步法电压型变频器驱动，通过 试验证实，6 次谐波转矩脉动得到消除【1 ，但定子谐波电流较大。 hat o l i y a t 等人针对变频器输出电压是方波而创造性地设计了集中绕组呈 矩形分布的感应电机。他们通过建立集中绕组电机的数学模型和运动方程以及采 用傅立叶级数对集中绕组的感应电机空间谐波和电流时间谐波进行研究。仿真和 试验结果证明，这种形式的电机，不仅铁心利用率提高，而且单位电流产生的输 出转矩较大 1 4 , 15 。 gwm c l e a n 采用了傅立叶级数对三相、九相、二十七相电机在方波电压供 电下的定子和转子损耗以及电机的效率进行了研究，结果表明，九相和二十七相 多相感应电机的设计研究 电机采用了整距方波绕组时，它具有与三相电机正弦供电时相当的损耗与效率。 逆变器供电的具有整距方波绕组的多相电机系统也成为今后的研究热点之一。 美军1 9 9 0 年1 月开始了潜艇新型电力推进系统研制计划，1 9 9 4 年8 月在那 不勒斯海军水下系统中心进行海试，采用大功率永磁电动机推进方式，主要参数 为：功率1 8 m w ，逆变器模块直流母线电压7 5 0 v ，极对数1 2 ，六相。 哈尔滨工业大学的陆永平，李建春等、哈尔滨工程大学李殿璞，刘人勇以及 武汉船舶研究所肖先辉等对十五相永磁同步电动机用于船舶主推进器进行了相应 研究，主要对多相永磁同步电动机的设计进行了较为深入的研究【1 。西安交通大 学的贾小川和海军工程大学的马伟明等人先后对多相励磁发电机进行了较为深入 研究1 。 1 12 多相感应电机调速系统的国内外发展现状 早在2 0 世纪5 0 年代末，dcw h i t e 就对交流电机的机电能量转换理论进行 了拓展，对相数为任意自然数的多相电机进行了理论研究，为多相电机调速系统 的研究和应用提供了理论依据 1 9 1 。 半个多世纪以来，对多相( 相数大于三相) 系统的研究不断深入。在电力系 统应用方面，为提高电力传输能力，jrs t e w a r t 研究了多相传输的可能性【2 。 在电机驱动系统方面，针对由六阶梯波电压型变频器供电的三相交流电机产生的 轴转矩中存在6 倍于运行频率的转矩脉动，开始了对多相电机调速系统的研究。 w a r d 等在1 9 6 9 年首次对由变频器供电的五相感应电机进行了初步研究，他 们认为转矩脉动幅值将随定子相数的增加而减小。从理论和实验上证实五相电机 转矩脉动幅值是三相的三分之一，但其定子三次和高次谐波电流较大导致电机定 子侧损耗增加 2 1 1 。 rhn e l s o n 和pck r a u s e 在7 0 年代初实现了由六阶梯波变频器供电的三 种六相感应电机的计算机仿真，结果发现通过使用具有3 0 。相带的感应电机。尽 管定子电流的幅值增加，但却消除了三相感应电机中的六次谐波转矩脉动【2 “。 随着交流调速系统的兴起，人们越来越关注交流调速系统的可靠性问题，于 是在2 0 世纪7 0 年代末，tmj a h n s 提出了相冗余的概念。通过增加多相调速系 统的相数，当其中一相( 或几相) 定子开路或短路时，不显著影响感应电机的平 衡激励，系统性能仍旧比较理想。从而证实了多相电机系统具有较高的可靠性【2 。 eak l i n g s h i r n 采用对称分量法对多相电机在正弦波供电下的谐波分量进行了测 试和分析，验证了在供电电压不平衡和缺相情况下，多相电机系统的优缺点 2 4 , 2 5 。 maa b b a s 采用广义两相正交实变换建立了双y 移3 0 。双三相感应电机的 等效电路和电压方程，从实验上证实转矩脉动和转子铜耗的幅值依赖于定子侧的 电阻和漏抗，平均转矩脉动为三相时的1 3 。ea n d e r s e n 认为电流源型逆变器供 硕士学位论文 电的双三相感应电机具有更小的转矩脉动和更高的效率【2 。 随着数字信号处理器( d s p ) 和大规模可编程逻辑器件( c p l d ) 等的迅速发 展，它们广泛应用于高性能电机调速系统中。hx u 采用浮点型t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 对五相电机系统分别采用转子磁场定向控制( r f o c ) 方法和将模糊控制与直接 转矩控制( d t c ) 相结合的方法进行实验，结果实验表明系统具有很好的稳态和 暂态性能【2 “。 目前，美国海军己经在测试由a l s t o m 公司为其生产的用于船舶推进的十五 相，41 6 k v 的鼠笼感应电机驱动系统，其由基于i g b t 的h 单相桥逆变器组成； 英国海军以多相感应电动机为对象，研制大功率综合全电力推进系统应用于未来 的护卫舰、航空母舰等大型舰只；福特汽车和菲亚特汽车公司在开发新一代电动 汽车时分别采用九相和六相感应电机作为汽车主驱动电机，通过调节极相比p p m 来扩展感应电动机的速度转矩范围。 多相电机调速系统具有广阔的发展空间，但在我国对多相电机调速系统的研 究刚刚开始，在许多相关领域还是一片空白。目前，多相电机调速系统尚未在国 内得到应用。因此开展对多相电机变频调速系统的研究，具有重要的理论价值和 工程实际意义。 多相系统相数这一自由参数提供了丰富的控制资源和潜能。同时，也带来了 一些负面影响，人们仅对其中一种多相系统进行研究，其研究成果不见得适用于 其它相数的多相系统，因此多相电机调速系统还没有建立起完善的理论体系。 1 13 多相感应电机调速系统的特点 随着功率器件的发展，通过电力变换器可以摆脱三相电网供电的束缚。使得 由多相功率变换器和多相电机组成的多相电机调速系统的实现成为可能。对于由 逆变器供电的交流电机来说，定子的相数作为一个新的自由参数，可以影响调速 系统的工作方式【2 。多相感应电机调速系统具有以下的优点： ( 1 ) 三相电机是通过增加绕组的每相串联匝数，实现高压大容量，这直接导 致电机绝缘的等级提高，逆变器供电时使d u d t 增大；多相电机则是通过增加电 机相数，实现低压大容量。故大容量的多相电机，可采用低压变频器，避免功率 器件串联，特别适合无法得到高压，但需要输出大功率的场合。 ( 2 ) 电机相数的增多，使得影响较大的空间谐波次数增大，且幅值下降，转 矩脉动下降，降低了电机的机械振动和噪声。 ( 3 ) 转子电流接近正弦，转子损耗下降。 ( 4 ) 逆变器供电时，直流母线谐波电流较低，输入电路滤波器减小。 ( 5 ) 可靠性提高。多相电机相数的冗余，使得多相电机在定子一相或多相开 路或者短路时可降额起动并继续运行。同时，缺相时可采用适当的控制方法，使 多相感应电机的设计研究 剩余各相电流平衡，维持电机气隙磁通为圆形，适合高可靠性要求的领域。因此， 多相电机系统的研究受到日益广泛、特别是军事界的关注。 尽管存在上述的优点，多相系统也存在一些缺点： ( 1 ) 多相感应电机采用多相逆变器供电，相数的增加，导致使用的功率器件 数量增加，多相逆变器的可靠性下降，这在一定程度上抵消了多相系统本身高可 靠性的优势。 ( 2 ) 逆变器控制策略更为复杂，系统费用更高，供电电线过多，给工业现场 的使用带来一定的困难。 ( 3 ) 由于多相电机定子漏感较小，当由电压型逆变器供电时，多相电机的定 子谐波电流增加，因而定子损耗加大，发热加剧。 由于所用的元件数量很多，以及逆变器的复杂性，多相驱动系统适合于低电 压供电、大功率和高可靠性的特殊场合。目前，在诸如军舰及潜艇推进系统、宇 航推进系统、核电站循环水系统、电动混合燃料车辆的调速系统以及电力机车的 牵引系统和矿井开矿系统中得到应用。 1 2 本文选题的目的和意义 目前，多相感应电机变频调速系统的应用领域主要有两个：一是系统可靠性 要求很高的场合。三相电机调速系统为了提高系统可靠性，需要采用硬件冗余， 当其中一套退出运行时，立即将另一套投入工作。这样做很不经济，在大功率传 动场合尤其如此。多相系统在出现缺相故障时，系统可以继续运行而不必立即停 车，大大提高了系统的可靠性。二是低压大功率的传动场合，如潜艇推进系统、 核电站水冷系统、战车、城市轻轨的牵引系统等。 而本课题主要是为了解决多相感应电机的设计开发、制造和应用的相关技术 问题，推广多相感应电机技术，发展高效，高可靠性，性价比优良，低噪声，大 容量的多相感应电机调速系统。因此，选择本课题具有如下重要意义： ( 1 ) 通过对多相感应电机设计方法的研究，提出设计精度满足要求的设计方 法，在此基础上编写电机设计软件，实现多相感应电机的计算机辅助设计。同时 也可以为控制系统提供一个设计参数准确的数学模型，从而为提高多相电机调速 系统性能奠定坚实的基础。 ( 2 ) 通过对某一特定相数的多相感应电机谐波以及运行特性进行分析研究， 给出了一般情况下了多相感应电机的谐波分析以及运行特性结论。从而证明与三 相感应电机相比，多相感应电机具有很大的优越性的。 本课题较为全面的研究了多相感应电机的设计，运行等方面的问题，提出了 适合于多相感应电机的设计方法，对提高多相感应电机调速系统性能有着积极的 推动作用。 硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 以多相感应电机为研究对象，结合国内外的有关文献对多相感应电机的设计 和运行理论进行了深入的研究，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了多相感应电机的基本理论，在三相感应电机设计方法的基础上提 出了适合于多相感应电机的设计方法。 ( 2 ) 对多相感应电机的电磁设计程序进行了深入的研究，利用v c + + 语言开 发了相应的电磁设计软件。 ( 3 ) 运用有限元分析软件对多相感应电机的电磁场以及运行特性进行仿真分 析。 多相感应电机的设计研究 第2 章多相感应电机的基本理论 多相电机是指电机相数大于三相的电机。随着电力电子技术的发展，尤其是 在本世纪5 0 年代中期，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代，电 机调速用的各种变流装置迅速地进入了实用化的阶段，因此，电机调速技术进入 了一个飞速发展的阶段。与此同时，多相电机由于其运行性能可靠，可以实现低 电压、小电流、大容量，以及电机的谐波分量少，脉振转矩小等特点受到了电机 界的重视。目前，国内外已经开发出许多不同类型，不同结构的多相电机，其中 包括多相永磁同步发电机、多相永磁无刷直流电动机和多相感应电动机等。 2 1 多相感应电机概述 211 多相感应电机的基本结构 多相感应电机和一般的三相感应电机在电机的主要结构和组成形式上是相同 的。多相感应电机典型结构如图21 所示，主要都包括了以下两个部分：静止部 分一定子；转动部分一转子 2 。二者最大的区别在于电机的交流绕组上，多相感 应电机的绕组大多是由多套对称三相绕组相互交错开一定的角度所构成的。 图2l 多相感应电机典型结构图 l 一接线盒2 一紧固件3 一轴承外盖4 一轴承5 一挡风板6 一端盖 7 一机座8 一定子铁心9 一转子l o - 轴承内盖l l 一轴用挡圈1 2 - 轴承外盖 212 多相感应电机绕组连接方式的特点 下面就以广泛使用的六相双y 移3 0 。绕组为例，说明多相绕组连接方式的特 点以及电机采用多相绕组的优势。六相双y 移3 0 。绕组就是将通常采用的按星形 硕士学位论文 图22 每对极下六相双f 移3 0 。绕组的矢量图 连接的“空间分布6 0 。相带绕组”的每一相带等分为两个相带，把一个星形连接 变成在空间彼此位移3 0 。电角度的两个星形连接，于是便构成一个六相双y 移 3 0 。绕组。这时在电机内部定子槽沿内圆每对极距内等分为十二个相带，每一相 带宽度为3 0 。电角度，因此是一个“空间分布3 0 。相带绕组”【3 0 j 。 图22 表示每对极下六相双y 移3 0 。绕组的矢量图。图23 表示每对极下六 相双y 移3 0 。绕组的连接法。图22 中所示的十二个沿定子圆周均匀分布的相带， 可看成是实际电机的上层线圈边沿圆周所占的位置。图中还示出六个相电势的矢 量图，它们包含两个相位差为3 0 。的三相电势，构成一个不对称的六相系统。图 23 为十二个相带构成六相，每相有两条并联支路时的双y 连接法。同时沿圆周 相隔3 0 。电角度依次排列的十二个相带电流矢量也在时间相位上依次位移3 0 。， 因此这种六相双y 移3 0 。绕组和对称的十二相绕组完全一样。于是，从电机内部 看是对称的十二相系统，而从电机外部看则是双y 移3 0 。的不对称的六相系统。 atat7 图23 每对极下六相双f 移3 0 。绕组的连接法 采用六相双y 移3 0 。绕组的电机与常用的三相电机比较具有下列优点 多相感应电机的设计研究 ( 1 ) 扩大了选择电压的范围 在相同的电机额定容量下，六相电机每相的容量为三相电机每相容量的一半。 因此，从三相电机过渡到六相电机设计时，可保持电流不变或者较原来数值为小， 而在原来电压至其一半之间选择电压，以获得最佳方案。 由此可见，采用六相绕组可以显著降低电压。这不仅有利于绕组主绝缘的制 造，并且由于需要的主绝缘厚度减薄，可以增加槽内导体截面积，从而提高槽的 利用率，这样显著提高了电机的有效材料利用率。在电机的几何尺寸保持不变的 情况下，由三相电机改为电压较低的六相电机时，电机容量可以显著提高。 ( 2 ) 能减小槽电流从而减小绕组的电磁振动 当电机容量增长时，槽电流必随着相电流的增加而增加。对于一定的槽宽， 线圈在槽内受到交变电磁力的最大值与槽电流的平方成正比。因此，槽电流太大， 则线圈将在强大的交变电磁力的作用下发生剧烈的振动。这种振动是线圈主绝缘 发生机械磨损和电弧腐蚀的主要原因，若不设法防止，则线圈主绝缘将被迅速破 坏。所以，如何固定定子线圈以防止振动而提高电机运行的可靠性，是大型电机 制造中的一个突出问题。 当改用六相绕组并保持相电压不变，则和原来的三相绕组比较，相电流即槽 电流可以降低一半。若槽宽不变，则线圈受到的电磁力将减到只有原来的四分之 一。实际上，由于六相绕组的电压有所下降，槽电流没有减小这么多，但是只要 电压大于原来电压的一半，槽电流总有一定程度的减小。所以大型电机采用六相 绕组后，能显著降低线圈的振动而有利于解决其固定问题。 ( 3 ) 转子表面损耗显著减小从而提高电机效率 在三相6 0 。相带电机里，由基波电流产生的定子磁势包含5 、7 、1 1 、1 3 、1 7 、 1 9 、2 3 、2 5 、2 9 、3 1 、等次谐波，它们在转子表面引起较大的损耗( 涡流损耗 和磁滞损耗) 。现在改用六相绕组，消除了5 、7 、1 7 、1 9 、2 9 、3 1 、等次谐波。 这时剩下1 1 和1 3 次谐波又可以通过采用“短距比”口= 1 1 1 2 来大大削弱。这样， 定子磁势中，除齿谐波之外，只存在次数较高而幅值较小的2 3 、2 5 、3 5 、3 7 等 高次谐波。因此，即使气隙很小，它们引起的转子表面损耗也小到可以忽略不计。 理论计算表明，在其他条件相同的情况下，若认为每极每相槽数目接近无穷大， 则三相绕组采用最有利短距比= 5 6 时的转子表面损耗，与六相绕组在= 1 1 1 2 时的转子表面损耗之比为3 5 ：1 。由此可见，六相双y 移3 0 。绕组电机的转子表面 损耗显著减小，从而有利于提高电机的效率。 ( 4 ) 气隙较小从而减小转子上的总损耗 众所周知，减小电机气隙能有效地减少需要的励磁安匝数而减少定，转子的 损耗和发热。同时减小电机气隙，将使得定子磁势谐波所引起的转子表面损耗迅 速增加。因此存在某一最合适的气隙使得转子上的总损耗最小。在三相电机里， 硕士学位论文 目前所采用的气隙已经接近转子总损耗最小的气隙值，继续减小气隙将使得转子 总损耗增加。但是若改用六相双y 移3 0 。绕组，由于它的磁势谐波含量很少，即 使气隙减小很多，转子表面损耗的增加仍微不足道。因此可以继续减小气隙，以 进一步减少转子的总损耗。 ( 5 ) 线圈的短距比口可以自由选择 对三相电机而言，转子表面损耗最小出现在= 5 6 附近，大于或者小于此 值则转子表面损耗迅速上升，因此三相电机的口值限制在5 6 左右。但是对六相 电机而言，表面损耗最小的值有好几个，如= 1 1 1 2 和= 3 4 等，并且六相电 机的最大损耗比三相电机的最小损耗还小很多。由此可见，采用六相双y 移3 0 。 绕组时，线圈短距比口可以自由选择，而不受转子表面损耗过大的限制。 ( 6 ) 提高绕组系数从而提高电机的有效材料利用率 众所周知，相带越狭窄则绕组的分布系数七。越大。前面己指出，六相双y 移 3 0 。绕组从电机里面看是空间分布3 0 。相带绕组，因此其分布系数比通常的三相 6 0 。相带绕组的大。再加上六相绕组的短距比口可取得比三相的大很多，因此其 短距系数七。也比三相的大。由此可见，六相电机的绕组系数。= 七。可以比三相 电机的高很多，从而提高了电机有效材料的利用率。 从上述优点可见，六相双y 移3 0 。绕组以及其它多相绕组对设计，制造大型 电机具有重要意义，电机的容量越大，上述的有点越显著。因此，它是现代大型 和超大型电机制造的发展方向之一。 2 2 多相感应电机绕组理论与谐波分析 221 多相电机相数定义 在分析多相电机的相数时，仅仅以电机定子引出端的数目来区分电机的相数 是不够的。eak l i n g s h i r n 提出用每极相带数来细化电机相数这个概念【3 “。定义 每极相带数m = 3 6 0 。口，“为以电角度表示的相带角。通常的三相电机是6 0 。相 带角的，但偶尔也会用到1 2 0 。相带角的电机，这两种电机的特性是大不相同的。 相带角在很大程度上决定了电机的特性。一般而言，电机定子绕组为m 相，用m 个导线引出时，称之为m 相电机；用m 2 个导线引出时，称之为半m 相电机。例 如，当有6 个引出端时( 即在外部看为6 相电机) ，6 0 。相带角的电机，m = 6 ，称 之为6 相电机；3 0 。相带角的电机，= 1 2 ，则称之为半1 2 相电机【”j 。表21 给 出了几种相带角所对应的电机相数和每极相带数。 把每对极内均匀分布的m 个相带接到适当的电源或通过适当的接法接到对称 负载，使得m 个相带内的电流依次在时间相位上互差3 6 0 。m 则从电机内部看便构 成了一个m 相的对称绕组。 硕士学位论文 吃。一v 7 次谐波的相绕组绕组系数 w 一每相串联匝数 一通过第1 相的电流瞬时值( 4 ) x 一沿气隙圆周的空间坐标 同理，由于第2 ，3 ，4 m 等相的线圈组轴线依次沿x 轴正方向位移2 z m 弧度，其磁势表达式应为： e ：三k d ；，v , w i 2c o s vr ( x 一丝) ( 23 ) e ：三。，w i 3c o sr ( x 一2 堡) ( 24 ) e = 。，w 一2 竺) () 只：三v , w 。v ，( x - 3 丝)(2wi c o s 5 ) 只= 。v 7 3 竺) () e ：三。j m c 。，( x - ( 。一1 ) 丝) 万v m 各相电流由于在时间相位上依次相差2 z m ，可以写成下式： = 4 2 is i n c o t z ：扫s i n ( f 一丝) m b ：扫s i n ( f 一22 a ) m z 。：扛s i n ( f 一3 丝) m j m ：丑s i n ( f 一( 一1 ) 堡) m 式中，一每相电流有效值( a ) 0 9 一电流的角频率 将式( 27 ) 、( 28 ) 、( 29 ) 、( 21 0 ) 、( 21 1 ) 分别代入式( 22 ) 、 ( 25 ) 、( 26 ) 便可得到各相产生的磁势谐波的表达式： 巧：磐们s i n 硎c k ( 26 ) ( 27 ) ( 28 ) ( 29 ) ( 21 0 ) ( 21 1 ) ( 21 2 ) 多相感应电机的设计研究 e ：磐k + 。, w ls i n ( 硎一丝) c ， 万vm e ：磐k + 。, w ls i n ( 硎 万v ，厉 只= 兰半一心w is i n ( 硎 万v 2 堡、c o sv r ( x m 32 c o s v r ( 。 m ( 21 3 ) ( 21 4 ) ( 21 5 ) e ：磐吃们s i n ( 硎一( 一1 ) 丝) c 。s v ， 一( 一1 ) 丝) ( 21 6 ) 由式( 21 2 ) 、( 21 3 ) 、( 21 4 ) 、( 21 5 ) 、( 21 6 ) 可得m 相合成磁势的v 7 次谐 波为： 只，= 巧+ e + e + 只+ + ：! 竺吃w ， s i n ( z 酣一v k ) + s i n z 酣一v k + ( v ，一1 ) 三三 + s i n 硎一v k + 2 ( v - 1 ) 堡 + s i n 硎一v k + 3 ( v - 1 ) 堡 + + s i l l 硎一v k + ( 一1 ) ( v ，一1 ) 马+ s i l l ( 口f + v k ) 21 7 ( v ，+ 1 ) 丝 + s i n 硎+ v k m + s i n 万t + v k 一3 ( v ，+ 1 ) 丝 + + s i n 臃+ vr x 一( 州一1 ) ( v ，+ 1 ) 丝b mm 由上式可以看出合成磁势f 包含两个分量，一为沿x 轴正方向旋转的顺转分 量s i n ( 口t vr x l 。一为沿x 轴负方向旋转的逆转分量s i n ( 口t + vr x l 。 顺转分量由m 个幅值大小相等，但在空间相位上依次位移2 ，r ( v7 1 ) m ( 电 弧度) 的顺转波构成。故顺转分量的表达式如下： i 只，+ = 半。屁。，+ ( 21 8 ) 7 v 上式中： 瓦，+ 。i n ! ! 竺坐二坠 2 m s i n 2 7 r ( v - 1 ) 2 m ! ! 竺型尘 ( 21 9 ) 。i 。塑 。 同理，可得逆转分量的表达式如下： 艮：m 芝k 。埘k ， 万v ( 22 0 ) ， 丝堡 丝 乞 辱 硕士学位论文 k。v,=蒿ms i n= 黑ms i n 湍 z ， 一瓦不干百一i 而 “ 由式( 21 9 ) 、( 22 1 ) 可知，由于v 7 = 1 ，2 ，3 ，等整数，分子s i n z f v7 1 1 或 s i n z ( v7 + 1 ) 恒为零，因此吃，+ 和吃，决定于分母是否为零。由此可见，能够存在的谐 波次数v 7 必须满足吃，+ 或吃，不为零，即满足下式，使得吃，+ 或吃，的分母为零： 兰里：m( 22 2 ) 式中m = 0 ，1 ，2 ，3 ，等整数。 由式( 22 2 ) 可知，若取减号满足要求，则存在的v 7 次谐波为顺转波，若取 加号满足要求，则存在逆转波。这时置，或置，的分子和分母都为零，可用微分法， 把分子和分母同时对v 7 求导得： 式中f v7 1 1 m = m 吃，+ 7 c o s ( v7 1 、z 万弋= 丁 m c o s 7 州州 1 札= 弓等圳 ( 22 3 ) ( 22 4 ) 式中f v7 + 1 ) m = m 可见当v7 = n m + 1 时，置，= 1 说明m 个顺转波在空间上同相位，因而直接相 加便得合成磁势得顺转分量。当v7 = n m 一1 时，幺，= 1 ，说明m 个逆转波在空间 上同相位，因而直接相加便得合成磁势得逆转分量。 从上面的分析可见，m 相对称绕组由基波电流产生的合成磁势只存在下列次 数的谐波： v7 = r m 1 、 ( 22 5 ) 式中m = 0 ，1 ，2 ，3 ，o 。两个“”号取得一致，同时取“+ ”，或同时 取“一”。按式( 22 5 ) 计算时，若求得的v 7 为正值，说明该次谐波为顺转波，若 为负值，则为逆转波。 对于空间分布1 2 0 。相带绕组，以m = 3 代入式( 22 5 ) 可得其磁势谐波含量 为： v7 = ( 3 m 1 ) = 1 ，一2 ，4 ，一5 ，7 ，一8 ，1 0 ( 22 6 ) 对于空间分布6 0 。相带绕组，即三相6 0 。相带整数槽绕组，以m = 6 代入式 ( 22 5 ) 可得其磁势谐波含量为： 多相感应电机的设计研究 v 7 = ( 6 m 1 ) = 1 ，一5 ，7 ，一1 1 ，1 3 ，一1 7 ，1 9 ( 22 7 ) 对于空间分布3 0 。相带绕组，即六相双y 移3 0 。绕组，以= 1 2 代入式( 22 5 ) 可得其磁势谐波含量为： v 7 = ( 1 2 m 1 ) = 1 ，一1 1 ，1 3 ，一2 3 ，2 5 ，一3 5 ，3 7 ( 22 8 ) 由以上对一般的m 相电机的谐波分析结论可以看出，随着电机相数的增加， 电机定子绕组由基波电流产生的磁势谐波含量减少，并且最小谐波的次数增加。 众所周知，磁势谐波的幅值是和谐波的次数成反比的，谐波次数的增加也意味着 谐波含量的减少。由于多相电机可以消除对电机运行危害很大的5 ，7 次谐波，大 大提高了电机的运行性能。因此，和一般的三相电机相比，这是多相电机一个突 出的优点。 2 3 静止坐标系下多相感应电机的数学模型 多相感应电机是多相感应电机调速系统中一个主要的环节，其静态和动态特 性以及控制技术又十分的复杂，而建立一个适当的多相感应电机的数学模型则是 研究多相感应电机调速系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础。 在研究多相感应电机的数学模型时，常做如下假定： ( 1 ) 多相电机定子、转子各相绕组在空间对称分布。也就是说各相绕组的匝 数和电阻相同，各相轴线相互位移相同电角度。 ( 2