（电机与电器专业论文）无刷双馈电机及其智能控制.pdf

一 墨型翌塑皇堡垒茎塑壁焦型 一一一一 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e ( b d f m ) ，w i t hs i m p l es t r u c t u r ea n df a v o r a b l e r e l i a b i l i t y ，h a sg a i n e dr e n e w e da t t e n t i o ni na d j u s t a b l e - s p e e dd r i v ea n dv a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c yg e n e r a t o ra p p l i c a t i o n s i nr e c e n ty e a r sf o ri t f e a t u r e sa d j u s t a b l e p o w e r f a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c y i nt h i s p a p e r ，ac o m p r e h e n s i v e r e s e a r c ho nt h eb d f mw i t hc a g e r o t o ri s d e v e l o p e d ，i n c l u d i n g t h eb d f m s o p e r a t i o n a lp r i n c i p a l ，d e s i g nt h e o r y a n dc o n t r o l s t r a t e g i e s f i n a l l y t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o li nt h eb d f mi sd i s c u s s e d t h ef o l l o w i n g i t e r n sa f ci n c l u d e ： 1 t oi n t r o d u c et h er e s e a r c hh i s t o r ya n dd e v e l o p i n gf u t u r e o fb d f m ，t i m i n g s y s t e m sa n db r i n gf o r w a r d t h ep u r p o s eo ft h eb d f ma sw e l la st h ec o n t e n t so ft h i s p a p e r 2 t h e p r o t o t y p e o fb d f ma n di t s d e v e l o p m e n t a r e i n v e s t i g a t e d 。t h e b a s i c s t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p a li sd e e p l ys t u d y t h e nt h eb d f m s t a t ee q u a t i o n s a r eg i v e n ，a n dt h ep o w e r e q u a t i o na n dt o r q u ee q u a t i o na r ed e d u c t e d b a s e d o nt h e s e e q u a t i o n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ep r o b e di n t o 3 t os t u d yi nd e t a i lt h e p r i n c i p a l o fb d f md e s i g nf e a t h e r s ，t of o u n dt h e d o c t r i n eo fb d f md e s i g n p r i n c i p a l w o r k o u tt h e e l e c t f o m a g n e t i cd e s i g n i n g p r o g r a mo fb d f m ，u s i n gt h ep r o g r a mt h eb d f mp r o t o t y p ei s m a k e no u ta n dt h e e x p e r i e n ti sc a r r i e do u t 。 4 b yd e r i v a t i n gt h eb d f m sm a t h e m a t i cm o d e l ，t h e c i r c u i tn e t w o r km o d e l ，r o t o r s p e e dm o d e la n ds y n c h r o n o u ss p e e dm o d e la r eb r i n gf o r t h as i m u l a t i o nb d f m m o d e l u s i n gm a t l a b s i m u l i n ki s b u i l tb a s e d0 nt h er o t o rs p e e dm o d e l w i t ht h e m o d e l ，s t e a d ys t a t ea n dd y n a m i c s t a t es t u d ya r em a d e 。 5 h a v i n ga n a l y s i s e ds o m ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l s t r a t e g y i ss t u d i e d 。t h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g y m o d e la n df u z z yc o n t r o l l e ra r e d e d u c e da n db u i l t ，a n dt h es i m u l a t i o ns t u d ya n da n a l y s i sa r em a d es u b s e q u e n t l y ， k e y w o r d s ：b r u s h l e s s d o u b l y f e dm a c h i n e ，m a t h e m a t i cm o d e l s ， m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o l 塑塑盔兰堡主兰堡堡苎 一一 第一章无刷双馈电机的调速系统的发展和研究现状 1 1 电气传动及调速系统的发展和特点 根据在完成电能一机械能的转换过程中所用的执行部件一直流电动机或交流 电动机的不同工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类世 纪8 0 年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到1 9 世纪末叶，出现 了交流电并且解决了三相制交流电的输送和分配问题，研制了经济实用的笼型异 步电动机，使得交流电气传动在工业中逐步获得了广泛的应用【1 】。生产技术的发 展，特别是精密机械加工和冶金、交通等工业生产过程的进步，对电气传动在启 动、制动、正反转以及调速精度、调速范围等静态特性和动态响应方面都提出了 更高的要求。传统意义上，与交流电动机相比较，直流电动机在技术上更容易满 足上述要求，所以2 0 世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动领域中， 直流电气传动系统在相当长的时期内占踞统治地位。虽然这期间，人们曾经对交 流电机的调速方法进行了持久而详细的研究，希望能够找到一种有效的方法取代 并且昂贵的直流电气传动系统，但由于条件的限制，并没有取得太大的进展。 由于直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自身机械和电气方面的弱点， 必须经常进行维护，使用环境也受到限制( 如不能用于易燃易爆场合) ，限制了直 流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。自6 0 年代以后，随着电力电子学、 微电二f 学和现代电机控制理论的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利的 条件，使得交流电气传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态及四象 限运行等良好的技术性能，并且实现了交流调速装置的产品系列化，取代直流电 动机调速传动已是必然的发展趋势。 目前，调速系统已经形成直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系 统并存的局面。这三种调速系统各有优缺点。 1 ) 直流调速系统：和交流调速系统相比，直流电动机调速系统控制简单，调 速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速传动中占主导地位。人们在大力 发展交流调速系统的同时，对直流调速系统也未完全放弃。随着微电子学的发展， 国际上全数字直流调速系统已非常普及。由于参数的调节从硬件变成了软件，调 整非常方便，过去模拟控制无法实现的各种控制要求，现在通过软件编程均能实 现，计算机在完成控制任务的同时，还有故障监视、保护功能及自我诊断功能， 无刷双馈电机及其智能控制 使系统的司靠性有了进一步的提高。尽管直流调速系统在控制手段上有了长足的 进步，和交流控制系统相比，它固有的缺点并未克服： a 直滴电动机结构复杂，成本高，故障多，维护困难且工作量大，经常因为 火花大而影响生产。 b 机械换向的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传 输又限制了直流电动机的应用场合。 c 电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，为改善换向能 力，减少电枢电感，转子变得粗短，影响系统的动态性能。 2 ) 异步电动机调速：笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，维护工作量小， 运行效率高，转动惯量小，动态响应快，可以做到高电压、大容量、高转速。异 步电动机和新一代全数字通用变频器可组成恒压频比的开环调速系统，此系统具 有较硬的机械特性和较好的调速特性，可满足绝大部分中小型生产机械的一般调 速要求，达到节能、提高产品质量和生产效益的目的。矢量控制( 磁场定向控制) 的异步电动机转速闭环系统是高性能的调速系统，其静、动态性能完全可与直流 调速系统的性能相媲美。异步电机矢量控制系统相对于直流调速系统较复杂，但 比同步电动机矢量控制系统简单，控制部分采用全数字后，也具有易于操作、调 整、维护的优点【2 】。另外绕线式转子异步电动机的调速方式一串级调速在性能上 也有了较大提高，适用于调速范围不太宽的生产机械。异步电动机调速系统也存 在如下缺点： a 异步电动机需从定子侧励磁，因此，电动机功率因数较低，和相同容量的 同步电动机相比，所用变频装置容量大。 b 在高性能的矢量控制异步电动机的调速系统中，转子参数受温度影响将发 生变化，产生控制误差，影响其控制精度，因此，需要加补偿措施或采用其它控 制方式，如直接转矩控制、参数自适应控制等 3 。 c 异步电动机为提高其功率因数及效率，需尽量减少定转子之间的气隙，这 使得制造困难，并且不适合工作于冲击振动大的场合。 d 高压变频器成本高。 3 ) 同步电动机调速：结构上，普通同步电机要比笼型异步电动机复杂，但比 直流电动机简单。和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体 积小、转动惯量小、省维护等优点，并且可以做到大容量、高电压、高转速。和 异步电动机调速系统相比，它具有功率因数可调、转子参数可测、效率高、定转 子气隙较大、控制性能好等方面的优势。但是，同步电动机调速系统也有以下缺 湖南大学硕士学位论文 点： a 同步电动机( 除永磁式外) 需要在转子侧加一套励磁装置，无论是无刷励 磁还是有刷励磁，和笼型异步电动机相比，都要增加维护工作量。 b 同步电动机的矢量控制比异步电动机的矢量控制复杂，需要精确检测转子 位置或转子磁链位置。 综上所述，以上三种调速系统虽然在不断获得发展，但是它们本身的固有缺 陷并没有得到克服。那么，能不能找到一种新的方法，使调速系统既具有同步电 动机调速系统功率因数可调的优点，又具有笼型异步电动机调速系统需要较少的 维护的，并且控制简单的特点呢? 为了解决这个技术难题，近几年来，许多国内 外学者将目光投向无刷双馈电机( 简称b d f m ) 。这种电机不仅具有笼型转子的简单 结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性；既可同步又可异步 运行，既可作为交流调速电机，又可作为变速恒频发电机，可以在无刷的情况下 实现双馈电。无刷双馈电机在运行时所要求的变频器容量小，降低了系统的成本。 作为发电机可实现变频恒速发电，特别适用于风力发电、变落差水力发电、潮汐 发电等可再生能源的开发、利用，因此无刷双馈电机的应用越来越受注目，作为 一种新型电机的研究也正在获得不断发展。 1 2 无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机是由串级感应电机发展而来。串级感应电机运行是将两台绕线式 异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式( 如图1 1 所示) 。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 所发现。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 组叫定子咽黜 注：串极感应电机的串级连 接是两台绕线式异步电机机械上 同轴联接、转子绕组直接按正或 图1 i 两台感应电机的串极连接 无刷双馈电机及其智能控制 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。其中贡献最大 的要数h u n t 3 3 、 3 4 。h u n t 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c r e e d y 对这种电机进行进一步的改进，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力矩低速运行的工作中 3 5 。但是由于定转予绕组 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。 一直到了7 0 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，而其中变频器在总成本占 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很 大的意义。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 3 7 】。7 0 年代，b r o a d w a y 等对h u n t 发明的电机进行了较大改进，简化了转 工频电源 绕组 数p c 转子导条 p p + p c 极对数p p 图1 2 无刷双馈电机的典型结构形式 子绕组，使之具有笼型转予的坚固性与可靠性，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，将自串级无刷异步电机 理论向前推进了大步【3 4 】。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，为这种电机进入实用铺平t i 苣路 3 5 。 4 湖南大学硕士学位论文 8 0 年代底9 0 年代初，无刷双馈电机d q 动态数学模型和同步坐标系数学模 型的建立 4 2 1 、【4 4 、【4 5 】，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化提供 了坚买的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，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 4 8 【4 9 【5 0 】 5 1 】。而电力电子 器件和微处理器得发展，如i g b t 、8 x c l 9 6 、d s p 等，又进一步促进了无刷双馈 电机的发展【5 2 】。 1 3 国内外研究现状和应用前景 目前，国外对无利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，开始寻找适于无刷双馈电机的控制方法，从而促 进它进入实用化的阶段。美国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 3 0 、 4 8 、【4 9 】、【5 0 】、【5 1 】。近来，无刷双馈电机应用方面的 研究也比较热门，如风力发电、水力发电、中高压调速系统等。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。 国内对同步电机的无刷励磁、异步化同步电机、绕线式异步电机双馈调速都 有不同程度的研究，然而对无刷双馈电机的研究却极少见。从九十年代开始，才 有一些大专院校( 如沈阳工业大学、浙江大学、西安交通大学等) 和一些研究机 构对无刷双馈电机进行了一定的研究，但是国内研究文献大部分只是对这种电机 的原理及性能做过简单介绍，并没有对其进行深入探讨。国内尚未见到公开发表 的无刷双馈电机样机实验数据的有关报道和文献f 7 1 1 7 1 。 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电，从而具有转速稳定 ( 同步速) 、功率因数可调、效率高的优点。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 ，开关频率不能过高，因此性能不够理想。如果 采用无刷双馈电机，那么就可以使用具有较低耐压的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，无刷双馈电机可以 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， 无刷双馈电机将在一定程度上取代传统电机。 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，如风力发电、水力发电 无刷双馈电机及其智能控制 等，十分有效，可以充分的利用能源。无刷的简单结构和无需机械转速调节( 恒 频) 装置的特点，使无刷双馈电机更能满足无( 少) 维护的野外环境的需要。 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 度及功率因数均可调节，既可同步运行又可异步运行，且变流装置功率容量小， 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 5 】【6 5 4 5 7 卜 1 4 无刷双馈电机研究的目的和意义 当今世界研究开发性能优良、成本低廉的新型交流电机变频调速传动系统是 电机及其自动控制领域的重大科研课题之一【5 4 】。无刷双馈电机包括电机本身和交 流励磁自动控制系统，是电机与电力电子技术和微机控制技术相结合的产物，是 机电一体化的高新技术产品，能实现无级高效的变频调速传动和变速恒频恒压发 电。近二十几年来，美国、英国、日本和澳大利亚等国也相继展开了对该种电机 的研究。其中以美国w is c o f i s i n 大学、o h i 0 州立大学、o r e g o n 州立大学为代表的 高等院校和科研机构对无刷双馈电机进行的研究较为深入，其研究内容涉及电机 结构的分析、数学模型的建立、控制策略的探讨。而国内的一些高校和研究院所 如沈阳工业大学、浙江大学、重庆大学、重庆钢铁设计研究院等近年来也在着手 对无刷双馈电机的研究工作，并取得了一定的成就。主要还只是对这种电机的原 理、性能以及电机的建模方面进行一些理论研究，很少进入实验研究阶段。 交流变频调速传动的发展趋势已表明，其性能完全可和直流调速传动相媲美、 相抗衡，并在逐步取代直流调速传动系统，它在电气传动的应用，可简化设备结 构、节省电能、提高技术性能。目前我国变频调速传动系统应用推广缓慢，主要 是由于下述原因：绝大部分变频调速装置是从国外进口，系统价格昂贵，单从 节电角度，设备改造要3 - 6 年才能收回投资。对于高压电机的变频调速装置要 用的方案：一是高压直接变频( 元器件多，结构复杂) ，二是高一低一高的变频( 需 另增加两台变压器) ，两者均存在谐波含量大，功率因数低，投资巨大，而且可靠 性差。无厩双馈电机调速传动系统将很好地解决上述问题，该系统由专门设计的 无刷双馈电机和变频调速装置组成，可实现异步运行、同步运行和双馈调速运行， 具有以下特点：作为变频调速电机用，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：功率因 数可调，可以提高调速系统的力能指标，降低线路损耗和无功功率补偿装置的投 湖南大学硕上学位论文 资。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； 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；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。无刷双馈电机的开发以耗电量占全国 总发是电量的3 1 的风机、泵类机械为重点市场，如果在全国保有量的3 7 0 0 万台 中的3 0 进行调速节能改造，年节电约1 2 0 亿k w h ，约合8 0 亿元，设备改造费 用可在1 1 5 年内回收。再加上新增配套的产品，节电效果更好。因此对于节能降 耗、提高经济效益有着巨大的现实意义。本项目开发可迅速形成产业，不仅可占 领国内市场，而且可以进入国际市场，为民族工业的振兴作贡献。本项目开发的 产品性能好、价格低、可靠，综合技术经济指标处于国际领先水平，完全可以参 与国际市场竞争。 另外，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。我国风力资源丰富，小水电事业发展迅速， 如果用无刷双馈电机来代替现有的有刷变速恒频电机或恒速恒频电机，将能够更 好的利用能源。而且我们电机制造厂家众多，但产品多以传统电机和少量、品种 单一的调速电机为主，远不能满足在调速节能中对高性能交流调速电机的需要。 因此本项目的推广应用必将对全省乃至全国的风力发电、水力发电以及高性能调 速电机等机电产品的更新换代起推动作用，产生显著的经济、社会效益 6 。因此， 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 以取代同步电机和绕线式感应电机，从而提高电机的运行可靠性，可产生明显的 经济和社会效益。 为了进一步深化无刷双馈电机的理论，使无刷双馈电机的研究尽快赶上国际 水平，并尽快地将这一种新式电机的研究推向使用化、产业化，湖南大学和湖南 特种电机有限公司于2 0 0 0 年联合开展开发这一新技术。项目以鼠笼式无刷双馈电 机及其调速系统为研究对象，结合国内外有关文献，在对无刷双馈电机的运行机 理、定转子结构、设计规律、建模与仿真、控制策略等方面进行了较为全面而细 致的分析与探讨后，试制了实验样机并对无刷双馈电机进行实验运行和实验研究。 经过多年对这一新技术的理论和实际问题共同攻关，已经取得了定的成果。 无刷双馈电机及其智能控制 1 5 本文的主要工作 本文是在湖南省科技攻关项目( 9 9 6 k y 2 0 0 6 ) 和“2 0 0 1 年湖南省企业重点技术 创新计划湘经贸技术( 2 0 0 1 ) 3 3 9 号】”的支持下，以类鼠笼式无刷双馈电机及其 调速系统为研究对象，结合国内外的有关文献对无刷双馈电机的运行原理、无刷 双馈电机的结构、无刷双馈电机的设计、无刷双馈电机的建模和仿真以及无刷双 馈电机的控制策略等进行了广泛的研究。并且与湖南特种电机有限公司合作，试 制了一台4 k w 的无刷双馈电机。 本文主要内容包括以下几个方面： 1 在现有的无刷双馈电机的文献基础上，借助于m a t l a b s i m u l i n k 软件对 无刷双馈电机的基本运行原理和磁场能量转换关系的基本特性进行了深入的 研究和探讨。 2 深入研究了b d f m 电机的数学模型，并且建立起了适用于定量分析( 仿 真) 和实现各种控制策略的无刷双馈电机的动态仿真模型。 3 利用建立的数学模型对电机的稳态及动态性能进行仿真研究，从定量的 角度上理解无刷双馈电机的运行原理与性能。 4 样机研制及测试。 5 分析各种传统的控制方法在无刷双馈电机上的应用，提出了智能控制在 无刷双馈电机中运用的控制方法，并对控制系统进行了设计。 羔! ! ! i 堕! 堡主兰垡堡；! ! ! ；一 第二章无刷双馈电机的基本理论和特。眭分析 2 1 无刷双馈电机的原型及发展 无刷双馈电机是由串级异步电动机组发展而来。所谓两台电机级联，就是将两 台绕线式电机的转轴相连，转子绕组相互连接 3 2 。这种级联系统的结构如图2 1 所示。从结构简图我们可以看出：这种串级异步电机系统从第一台电机( 图上的 p p 对极电机) 的定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机( 图上的p p 对极 电机) 的原边，第二台电机的副边绕组( 即其定子绕组) 通过外接电阻短接。这 样就可以省去了滑环，该系统通过改变外界电阻大小就可以改变电机的转速。下 面就详分析原型电机的运行原理。 在原理分析中，忽略了两台电机的 损耗。假设第一台电机的定子输入的电 功率是p n ，运行于某一转速时的两台 电机转差分别是s p 、s c ，由电机学的基 础知识我们可以得出第一台电机产生 的机械功率是 p w p = ( 1 一s p ) p n( 2 一1 ) 在忽略了电机损耗的前提下，p w p 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， 电机的转子为原边， 因此我们称第二台 而第二台电机的定 工频电源 子 p c 对极电机 图2 - 1 原型电机：串级连接 子边为副边。第二台电机轴上产生的机械功率就是 h c = ( 卜s c ) s p p n ( 2 - 2 ) 由此，整套级联异步电机系统轴上的输出功率在两台电机转子绕组反相序相 连的条件下为 式中的s p s c p n 就是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 现在如果我们改变第二台电机副边( 定子) 电阻的阻值，则消耗在其：的功率 s p s c ? n 将会发生变化。在系统输入功率一定的前提下，s p s c 将发生变化，即等效 无刷双馈电机及其智能控制 滑差s = s p s c 发生变化，相应的第二台电机的定子侧电流频率将发生变化因此， 如果我们能够改变第二台电机定子侧的电流频率，就会反过来改变电机的转速。 在此基础上改进型的，比较实用的级联式无刷双馈变频调速电机( 图2 2 ) ，即用 变频器来代替原理电机中的外接电阻，既可实现电压频率的调节达到调速的目的 又可实现能量的传递以提高系统的效率。下面就来我们就来看看这种电机怎样通 过调节变频器的频率来达到调速的目的。 工 频 电 源 工 频 电 源 极对数p p 的电机极对数p c 的电机 图2 2 级连式无刷双馈电机的结构图 假设转子电流频率为f r ，第一台电机的定子电流频率是f p ，第二台电机副边 绕组的电流频率是f c 则第一台电机的转速为 n 。；竺型( r m i 。) 第二台电机的转子转速是 n 。；竺必( r m i n ) p c ( 2 - 5 ) 因为两台电机转子电路相连，机械上同轴，所以转子电流频率f r 相同，转子 转速相同。即n ! o = n c = n r ，：盟兰上。6 0 一m i l l l p p2 见 ( 2 6 ) 式中的“”号取决于两台电机的定、转子相对相序。结合级联系统中两台 电机产生的机械功率表达式( 2 1 ) 或( 2 - 2 ) ，通过对级联系统在不同转速运行区 间的各种相序配合的分析、计算，发现只有当两台电机转子反相序连结时，两台 电机的电磁转矩才同方向；反之，则相反。 因此，无刷双馈变频调速电机真正高效、实用的结构方式是转子反相序连接。 在此基础上写出的转速表达式是 q = ( p f o c ) ( p p + p c )( 2 7 ) 级联式无刷双馈电机虽然可以降低所用变频器的容量，又没有机械的电刷所 带来的电机运行和维护的不便，但是级联式无刷双馈电机，需要两台电机，成本较 湖南大学硕上学位论文 高，而且体积较大。最好是用一台电机实现无刷，而且体积越小越好。7 0 年代以后， b r o a d 、v a y 等对h u n t 发明的电机进行了简化了转子绕组等方面的较大改进，于是就 有了可以进入实用领域的无刷双馈电机( 图2 3 ) 这就是本文所要讨论和研究的无 刷双馈电机关于无刷双馈电机的运行原理和调速特性，我们将在下一个章节详 细讨论。 2 2 无刷双馈电机的基本结构和运行原理 无刷双馈电机的基本结构如图2 3 所示，定子侧有两套绕组，分别为功率绕组 和控制绕组。转子侧是特殊构造的结构，有两种形式：鼠笼式和磁阻式。下面就 详细地分析无刷双馈电机的机械结构。 工频电源 极对数p - 图2 3 无刷双馈电机的结构形式 绕组 数p c 转子导条 p p + p c 2 2 1 定子结构和绕组的连接要求 无刷双馈电机的定子的结构尺寸可以按照一般异步电机的设计方法来设计， 与一般的一步电机没有很大的区别，但是定子绕组的连接却有较大的不同。 无刷双馈电机有两套绕组：功率绕组和控制绕组。无刷双馈电机调速系统一 个特点就是能够降低调速用的变频器的容量，这只有将极数较少的绕组接至电网 才能实现。( 关于变频器的容量大小与电机调速系统的容量大小的关系，我们将在 2 3 节一无刷双馈电机的运行原理中加以讨论) 。在图2 2 4 中，直接接至电网 的、极数较大的绕组为功率绕组；通过变频器接电网的、极数较少的为控制绕组。 无刷双馈电机要将功率绕组和控制绕组放在同一个定子中，就必须考虑几方 面的问题 1 5 1 6 ： 1 ) 要实现在气隙中产生不同极数的磁场，是采用同一套绕组还是采用分别独 无刷双馈电机及其智能控制 立的两套绕组； 2 ) 如何通过两种绕组合理的排列组合，它们能够在同一个气隙中产生两种不 同极对数的磁场； 3 ) 这两种不同的磁场波形要接近正弦波，并尽量地消除其它的谐波的影响； 4 ) 怎样使能量能在气隙之间得到有效的传递等。 对于1 ) 2 ) 3 ) 的要求，按照一般的异步电机设计要求就可以完全得到满足。 对4 的要求，实际上也是无刷双馈电机的原理性要求。一般地说，无刷双馈电机 的定子功率绕组和控制绕组不能有直接地电磁耦合。这就要求当一组绕组通过电 流时，另一组绕组的出线端的合成感应电动势为零或出线端之间的线感应电动势 为零，反之，亦同。以避免功率绕组和控制绕组端口通电时引起工频电源的附加 电流；这也是无刷双馈电机定子绕组连接的设计目标。此外，绕组在选择线圈节 距和线圈组排列时，须同时兼顾两种极对数下削弱有害谐波的要求 3 。 从理论上讲，这种要求通常可以通过以下两种方法来实现 1 6 ： 1 两套定子绕组方案：在定子上安排两套分别对应于两种不同极对数的绕组： 2 单套绕组方案：无刷双馈电机的两套绕组共用一套绕组，通过合理的安排 使得气隙中的磁场为两个不同极数的旋转磁场； 此外还有另外几种不同的绕组方案 3 1 0 ： 3 多并联支路单套绕组方案：定子绕组每相有三个或三的倍数个并联支路， 通过内部对不同相支路的连接，形成另一种极数的绕组； 4 内部交叉连接绕组方案：主要用于极对数的配合比率为“奇：偶”或“偶： 奇”的情况； 5 极幅调制( p a m ) 绕组方案：这种绕组每相有两个并联通路，通过对每相一 半绕组中的电流反相来得到另一种极数的绕组。这种绕组适用于任何极数，但可 能会导致调制后生成的极数下绕组的分布系数较低。 在对无刷双馈电机的研究中，大部分采用前两种方案。单绕组和双绕组方案 各有其优缺点： 当定予功率绕组和控制绕组采用两套独立的绕组时，采用各自的分布和短距 绕组，可以使两套绕组均具有较高的绕组系数，可以有目的的消除某些谐波的影 响，使绕组设计具有较大的选择余地，因此，绕组的设计具有很大的灵活性，这 是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法，但是，采用该类绕组方 案时，每槽中往往采用四层绕组，槽的利用率低，从而导致电机的有效材料利用 率的降低。 1 2 湖南大学硕士学位论文 当定子功率绕组和控制绕组采用一套绕组时，可以大大提高电机槽的利用率， 从而大大提高了电机有效材料的利用率。但是，单套绕组方案由于要兼顾功率绕 组和控制绕组二者的性能，特别是要求该套绕组在连接成功率绕组和连接成控制 绕组时要保持各并联支路均具有相同的电势，从而限制了绕组设计的灵活性，另 外，绕组节距的选取也要受到限制。 2 2 2 转子的基本结构类型 无刷双馈电机转子有两种结构形 式，一种是磁阻式结构，该种转子结 构形式简单，转子一共形成p r 个凸 极磁阻磁极( p r = p p + p c ，式中p p 为定 子功率绕组的极对数，p c 为定子控制 绕组的极对数) ，定转子之间气隙为 非均匀气隙；另一种是笼型绕组形 式，定转子之间气隙为均匀气隙，该 种转子共形成p r 组同心式线圈结 构( p r = p p + p c ，式中p p 为定子功率绕 组的极对数，p c 为定子控制绕组的极 对数) ，绕组端部可采用各回路独立 礅阻式转子结构 2 p p + 2 p c 极 图2 4 无刷双馈电机转子的两种形式 笼型转子和磁阻转子 的连接形式，也可以采用公共导条连接的形式。两种转子结构的形式如图2 4 所 示。 第种转子型式的无刷双馈电机称为无刷双馈磁阻电机( b r u s h le ss d o u b l y - f e dr e l u c t a n c em a c h i n e s 简称b d f r m ) 。第二种转子型式的无刷双馈电机 称为无刷双馈感应电机( b r u s h l e s sd o u b l yf e di n d u c t i o nm a c h i n e s ，简称b d f i m ) ： 在国内文献中也称笼型无刷双馈电机。一般说无刷双馈电机( b r u s h ie s s d o u b l y - f e d m a c h i n e s ，简称b d f m ) 是指第二种电机形式。两种无刷双馈电机的性 能比较见 5 5 。 本文的研究重点是笼型无刷双馈电机。对于无刷双馈磁阻电机可参考文献 4 7 5 5 5 8 5 9 。如无特别声明，本文中的无刷双馈电机是指无刷双馈笼型电 机或无刷双馈感应电机。 无刷双馈电机及其智能控制 2 2 3 无刷双馈电机转子的结构 在研究转子结构之前，我们先来看看两套定子绕组在转子导条上作用的情景。 根据电机学的基本知识，我们知道对称的定子绕组在气隙中产生幅值恒定的旋转 磁场。忽略高次谐波，定子侧功率绕组和控制绕组( 相序相反) 所产生的旋转磁 动势在静止空间的表达式为： b g p ( 日，f ) = b 口c o s ( ( ，一0 日+ a p ) ( 2 - 8 ) b g , ( 日，t ) = b g 。c o s ( o ) 。t + 臼+ a 。) 2 - 93 在转子侧观察到的旋转磁动势表达式为： 6 9 p ( 日，) ；b g pc o s ( ( p 一0 ，) f 一0 日+ a p ) ( 2 - l o ) 6 9 c 徊，) = b 盯c 0 8 ( ( c + 只，) r + 只臼+ a c ) ( 2 - 1 1 ) 转子导条上感应出对应于定子两套不同极数的磁场的两个电流分量。这两个 电流分量产生的磁势分别与两个定子磁势相对应。因为电机要稳定运行，必须使 定转予的旋转磁是相对静止，才能产生稳定的平均转矩分量，进而产生稳定的电 机电磁转矩，满足电机稳定运行的要求。定子侧的磁势有两个定子电流所产生的 磁势。这样这就要求，转子相邻的两根导条对应于两个定子旋转的磁场感应电流 的相位差在电气上应该是等效的，即相邻的两根转子导条在功率绕组产生的电流 体系中的相位差与在控制绕组产生的电流体系中的相位差，相差2n 的整数倍 3 8 ，即 p 将2 r t - _ _ 只阱z q 玎 式中，n ，为转子的导条数。 由上式可得： 一：墨兰 q q = o ，- + 1 ，- - - 2 ， ( 2 1 2 ) g 为整数。 取。为l ，则，= e + 只，从这里我们可知 为只+ 条，才能满足电机稳定运行的条件。 ( 2 13 ) 无刷双馈电机转子导条数至少应 从这里也可以推出转速公式：无刷双馈电机在双馈稳定运行时，转子导条上的 感应电流频率只有一个，即 m p p7 m ，2 mc + p o ， 则，电机双馈稳定运行时的转速为： 塑堕查兰堡圭堂垡堡壅 ；p - - c o c j p ，+ p ： 但是，在实际中电机的转子导条数不可能仅仅为只+ 只，因为在实际的电机中， 定子的两套绕组的极对数不可能很大，就我们所研究的双馈电机来说，0 + 为 3 + 1 = 4 ，这对于任一台电机来说，导条数都是太少了。转子的导条数或导体数很少， 将引起转子侧的漏抗和谐波很大，电机的各项性能指标变差。 要使电机有较好的性能指标，必须增加转子的导条数。从a k w a l l a c e 和 s w n l m m s o n 等的研究来看，不影响上述原理的情况下有两种方法在可以对转 子导条数( 即槽数) 进行扩展。以只= 3 、只= 1 无刷双馈电机为例，最少的转子导 条数为3 + l = 4 根，我们可以以这4 根导条为基础，向两边扩展转子导条数( 如图 2 5 所示) 。 = 图2 5a ，无刷双馈电机的转子型式1 展开图 图2 5b 无刷双馈电机转子型式2 的展开图 图2 5a 和图2 5b 给出的无刷双馈电机的可能的两种结构展开图。在图2 j a 中，转子导条连接成n ，组同心式的转子绕组回路组。n ，为由公式( 2 13 ) 给出， 图中n 。为4 。图2 5b 中的转子形是图2 5a 的改进形式，即把图2 5a 形式的转 子异端接到一个公共的端环上。两种转予的结构形式的最大的区别就是，图2 5 b 形式的转子结构在工艺上易于达到，即较容易制造。 无目i 双馈电机及其智能控制 可以通过槽星图来验证这种转子 结构形式的有效性。我们先来看看两套 一一 ，z 。 一 旋转磁场在转子槽中的导条上感应的 二 ，_j 。 电流的分布情况。以p p = 3 、p c = 1 ，转 一， 。 子槽数为2 4 槽的无刷双馈电机为例， 功率绕组出线端a b c 与三相工频电源相： 联，控制绕组出线端a b c 接变频电源。l 、 、 此时两套定子绕组产生两种不同极数，s ：”5 67 ” 的旋转磁场。产生这两个磁场的两个电 流分量在导体中的分布如图2 6 上的曲线1 和曲线2 ，这两个部分电流合成为曲线 3 。要达到这种结果，必定要连接那些电流大小相等方向相反的电流的导体，例如 第2 号导体可以连接1 2 号或1 4 号导体，两导体的这种连接后的逻辑图如图2 7 ， 当然图2 7a 的这种逐次连接形式端部有太多交叉重叠，相互之间必须绝缘，且 导体跨距也比集中式绕组2 7b 大。一个简单的装配或铸铝转子不能采用2 7 a 这 种框架，因而在后面不考虑这种框架。而集中式或嵌套槽式结构没有重叠，因而 可以适合于更简单更全面的制造技术。 图2 7a 图2 7b 。一t 豸爹爹爹鎏萋囊薏蕊。 一一：豸j 爹赛誊冬文。，一 2 7 无刷双馈电机转子绕组的连接形式 为了产生相对转子旋转的磁场，而不是脉动磁场，需要另外一相绕组，物理 结构上为第一相的移置，如图2 8a 所示。如果这种系统被建造成一个单层构架， 必定会存在一些槽空间上的冲突。然而跨距空问为l2 0 。的线圈并不能产生有用的6 极磁场，因而可以略去( 虚线所示) 。对于一个铸造过程必须使线圈与线圈之间没 有重叠，因而引起这种2 4 槽的系统框架，形成了内部有两个线圈的笼型系统，如 图2 8 b 所示，并使一个端部全部连在一个公共端环上，这并不影响各个线圈电 湖南大学顽士学位论文 图2 8a 无刷双馈电机的 转子电流分布图 图2 8b 无刷双馈电机的实际转 子电流分布简图 图2 8c 无刷双馈电机的转子铸造形式图292 4 槽6 2 极合成槽星图 流的独立性。图2 8c 为无刷双馈电机的转子铸造形式。在实际设计生产中，除 了少数要减小漏抗的电机外，大部分电机转子都不止有2 4 槽。 这种转子的有效性可以通过槽星图来得到验证。图2 9 给出了2 4 槽转子的合 成槽星图。其中，连续槽中的电流导体由互差槽电角度的矢量来表示，数字的外 环对应于6 极时电流导体的槽星图，内环对应于2 极时电流导体的槽星图。矢量 被以相反方向编号，以满足相对于转子相反方向旋转的两种磁场的需要。 每6 个矢量重合表明，在这些槽中的载流导体形成了一个与相反方向旋转的 6 2 极磁场等效的2 相系统。因此4 个导条可以放在这些槽中。对于相邻鼠笼导条 ( 例如1 槽和7 槽) 之间的导条，2 、一6 可以连成一个短路环，合成矢量的方向与 1 、一7 的合成矢量相同，对6 极来说为 角，而对于2 极来说为一 ，这与两种磁 场旋转方向相反一致。同理，3 、5 导条也可以连成一个