（电机与电器专业论文）无刷双馈电机系统及其控制研究.pdf

堑江查兰堡主堂堡垒查 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 ) i s am a c h i n e ，w h i c hi n c o r p o r a t e st h e d e s i g nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g y t h eb d f ms y s t e mh a s t h er o b u s tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c st o g e t h e rw i t hc 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 , ar e l a t i v e l yl o wr a t i n g p o w e r c o n v e r t e r , t h e s eb e n e f i t sa t t r a c tm o r ea n d m o r er e s e a r c h e r sa t t e n t i o n t h es t u d yo nb d f mi ss t i l lan e wp r o j e c ti nc h i n a i nt h i sp 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 m w i t hc a g er o t o ri sd e v e l o p e d t h r e ep a r t sa r ei n c l u d e d f i r s to fa l l ，b a s e do nt h es u m m a r i z i n go fc u r r e n tr e s e a r c h e so i lb d f m ，s o m e f u r t h e r s t u d i e sh a v eb e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no f 也eh a r m o n i cm m f s e tu pb yr o t o r c u r r e n ti na i r g a pf i e l d ，t h e “m a g n e t i cf i e l dm o d u l a t i o n t h e o r yi nc a g er o t o rb d f m i s e s t a b l i s h e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h es e l f 书a r a l l e ls y m m e t r i cw i n d i n gt h e o r yt ob d f m w i n d i n gd e s i g n ，i tw i l lb ec o n c l u d e d t h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc l o s ep o l er a t i oa n dw e l l m a t c hs l o t aw e l is e l e c t e d “t h r e ee l e m e n t a lw i n d i n g s ”c a nb ec o m b i n e di ns u c haw a y t h a t as i n g l et h r e ep h a s es y m m e t r i cw i n d i n gw i t hd i f f e r e n tc o n n e c t i o nt e r m i n a lw i l lp r o d u c e t w oi n d e p e n d e n td i f f e r e n tp o l ep a i r sm a g n e t i cf i e l d ss i m u l t a n e o u s l y t h es t a t i ce q u i v a l e n t c i r c u i to fb d f mi so b m i n e d b ye m p l o y i n g t h em u l t i - c i r c u i tt h e o r y , m e a n w h i l e ，t h ee n e r g y d i s t r i b u t i o n d u r i n g d i f f e r e n t s p e e dr a n g e i sd i s c u s s e di n d e t a i la n dt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y t i c f o r m u l a i sd e r i v e d a f t e r w a r d s t h eb d f md qm o d e l i s e s t a b l i s h e do nt h er o t o rr e f e r e n c ef r a m e ，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 n m o d e si ss i m u l a t e d s e c o n d l y , w i t h t h el y a p u n o vc r i t e r i a ，t h es t a t i cs t a b i l i t yo fb d f mu n d e rc o n s t a n tv f m o d ei sa n a l y z e d a i mt oc o n t r o lt h ep o w e rf a c t o ra n di m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， t h es t a t i co p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h er o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o lm e t h o da r es t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa p p r o v e dt h e s em e t h o d s f i n a l l y , t h e b d f m sd e s i g n p r i n c i p l e a n d e x p e r i m e n t a ls y s t e m s s t r u c t u r e a r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t oi t a3 k w p r o t o t y p em a c h i n ew i m f o u rs h o r t c i r c u i t e dg r o u p sc a g e r o t o ra n da ne x p e r i m e n t a ld e v i c eb a s e do nt h ed s p c h i pa n di p mm o d u l ea r ed e s i g n e d a n db u i l t s o m e e x p e r i m e n t si n c l u d i n g t h e p a r a m e t e r sm e a s u r i n g ，m a g n e t i c f i e l d h a r m o n i c sa n a l y z i n g ，s p e e da d j u s t i n ga n dt h eo p e r a t i o nb e h a v i o r si nv a r i o u so p e r a t i o n m o d e sh a v eb e e nd o n e t h e s er e s u l t ss h o w g o o d c o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e ，p o l em o d u l a t i o nt h e o r y ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， m o t o r d e s i g n ，c o n t r o is t r a t e g y u l 堑兰垄兰堡主兰堡垒查 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一 致谢 值此论文脱稿之际，谨向导师贺益康教授致以最诚挚的感谢。自1 9 8 8 年师从贺 老师攻读硕士学位以来，始终有幸得到贺老师的言传身教。贺老师渊博的知识、丰 富的经验、对科学的执着追求和严谨的治学态度为我树立了科学工作者的榜样。在 职攻读博士学位期间，贺老师更是不辞辛劳，亲临指教。从课题的进展到对论文初 稿的修改，倾注了大量的精力和心血。贺老师给予我的启迪和影响，我将终身受益 不尽。同样感谢师母石渭珍老师，石老师多年来对我的关心，使我终身难忘。正值 新世纪来临之际，祝贺老师全家身体健康、合家欢乐。 本论文进行过程中得到了浙江调速电机厂和浙江卧龙集团的大力支持，安排了 专人负责样机制造。浙江大学电机实验室人员为系统实验提供了大力帮助。在此向 浙江调速电机厂宗正民董事长、赵三元总经理，卧龙集团的朱亚娟工程师、严伟灿 总工，电机实验室的孟小莲、江皓等老师表示衷心的感谢。 攻读博士期间，有幸得到了日本静冈大学宫下隆雄教授、香港大学陈清泉院士 和上海大学江建中教授的指点，陈清泉院士还为控制系统提供了硬件设备。趁此机 会向他们表示我由衷的感谢。电气工程学院和电机控制研究所的领导和老师们为我 攻读博士学位提供了很大的方便，感谢黄进教授、潘再平教授、徐裕项副教授等老 师长期以来对我的关心和帮助。 由衷感谢电机控制研究室的王文举、石赞、卞松江等各位师弟师妹，在他们的 帮助和共同讨论下，使我受到很多新的启发，完成了一系列的实验。共同营造的团 结、进取的精神让每一个生活在这个团体中的人员都感受到一种集体的力量。 最后，衷心感谢我的家人多年来对我的关心、爱护和支持。也同样感谢姚维 博士对本论文的最后成稿所付出的心血。 再次将我诚挚的谢意献给所有曾经关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲 人! 毫 百昂 i 2 0 0 0 年1 2 月3 1 日于求是园 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：本章简要回顾了无刷双馈电机的发展历程、研究现状以及应用前景，详 细介绍了本文的主要研究内容和结构安排 1 1 无刷双馈电机的发展及研究现状 1 1 l电气传动技术的研究进展 近l o 年来，随着电力电子技术、计算机技术和现代电机控制技术的迅速发展， 电气传动技术面临着一场历史性的变革，以变频调速为代表的交流电气传动以其优 异的调速性能，如调速范围宽、稳速精度高、动态响应快与四象限运行等，在石油、 化工、机械、冶金等工业领域得到了广泛的应用，尤其对于大功率的风机或泵类负 载，采用交流电机变频调速可节电2 0 3 0 ，具有显著的节能效果。交流调速全面 取代直流调速已成为发展趋势。归纳起来，现代交流调速按交流电机类型划分有： ( 1 ) 同步电机 这是一种转子转速n 永远等于气隙旋转磁场同步速n 。的电机，即n = n 。= 譬， 通常仅有改变定子供电频率f f 的变频调速，又称为无换向器电机。 根据频率控制信号的来源，同步电机调速又可分为： 1 它控式同步电机变频调速：频率由外界控制，有失步问题； 2 自控式同步电机变频调速：频率由电机转子磁极位置信号控制，无失步问题。 ( 2 ) 异步电机 这是一种转子转速n 永远不等于同步速n 。、中间存在滑差s 以使转子产生切割 关系，感应电流而产生转矩的交流电机，转速满足n = ( i s ) n 。= ( 1 一s ) 譬。调速时 可调节量较多，方法总的可分为： 1 变同步速n ，调速 具体方法有： 变频调速：改变定子供电频率f i 实现同步速变化，适合任何类型异步电机。 笙二主竺垒 变极调速：由于要求定、转子极对数同时变化，仅适合鼠笼式异步电机。 2 变滑差s 调速 实质上是一种改变转子内滑差功率p s = s p m 的调速方法。根据引起滑差功率消耗 的具体方法不同，又可细分为： 调压调速：通过改变定子电压的幅值( 不改变频率) 使电磁转矩变化，从而 变化滑差。要求采用高转子电阻电机以限制滑差功率消耗产生的发热，适合于鼠笼 式及绕线式异步电机。 绕线式异步电机特有调速 a 转子串电阻调速：改变转子电阻以改变机械特性硬度，实现滑差的变化， 但因滑差功率的不可逆消耗而耗能。采用电力电子技术时可演变为转子串电阻斩波 调速，以实现调速过程电子控制。 b 串级调速：定子接固定频率电网，转子接滑差频率反电势以吸收或补充滑 差功率，从而实现变滑差调速( 一般低于同步速) 。 c 双馈调速：定子接固定频率电网，转子接变频电源，改变变频电源的频率、 相序可实现同步速上、下的高速调速，并可实现有功、无功控制。 近年来还出现了不少电机本体与控制装置紧密结合的调速电机，如开关磁阻电 机、永磁无刷直流电机，它们的共同特点是实现了半导体变流装置与电机本体一体 化，是一类新型调速电机。在所有这些交流电机的调速传动方式中，交流电机的结 构不同，各具特色，同时也存在一些其本身难以克服的缺陷。同步电机采用滑环、 电刷实现转子绕组与外部控制电路的连接，可与定子绕组一起实现双重馈电，能满 足大容量、高电压、高转速的性能要求，并具有转速稳定( 同步速) 、功率因数可调、 效率高等方面的优点。然而由于滑环与电刷须经常维护，降低了电机的可靠性，同 时滑动接触易产生火花，限制了其使用场合。鼠笼式异步电机( 包括开关磁阻电机) 转子结构简单、无接触，运行可靠、无需维护，但由于异步电机转子需从定子侧获 取励磁，功率因数较低，用于变频调速系统时，由于转差的存在使转速与负载直接 相关，为了得到精确的调速，还需要加上复杂的闭环控制系统。此外，鼠笼式异步 电机变频调速时变频器设置在定子侧，通过全部功率时所需的变频器容量大于电机 的额定功率，使整个系统的成本较高。绕线式异步电机可以实现双馈运行，速度、 2 浙江大学博士学位论又 功率因数同时可调：变流装置只需处理滑差功率，因此，变频器容量比电机小，降 低了系统成本，但也存在电刷和滑环带来的弊病。所以，虽然目前交流调速技术在 不断地改进，但是电机本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流电机无刷化并 具备双馈运行功能，使交流传动系统具有高效率、高功率因数、高可靠性、低成本 已成为电机制造工业和交流传动系统亟待解决的一项技术难题。近几年来，为了解 决这个问题，国内外许多学者都将目光投向无刷双馈电机( b r u s h i e s s 1 0 u b l y f e d m a c h i n o 简称b d f m ) 。由于这种电机在定子上实现了无刷双馈，不仅具有简单的转 子结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性，既可作为交流调速 电机，又可作为变速恒频发电机。因此作为一种性能优良的新型电机，越来越受到 研究者的关注。 三1a b c 定子毋一 一 图l f1 两台感应电机的串极连接 串极系统中，若p ，、p q 分别为两台电机的极对数，u ，为共轴转子的机械角速度 叭黼躺觚蟊则桃勰献删滞硼撇触勘r 2 击摸、 一号分别对应转子反、正相序连接。假定第一台电机的输入功率为p n ，若在某一转 速时两台电机的转差率分别为s 。、s 。，那么第一台电机产生的机械功率为： 箜二主竺垒 一一 p w 。= ( 1 一s p ) p u 若忽略电机损耗，, e js 。p n 就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率。 这样第二台电机轴上产生的机械功率为： p w 。= ( 1 一s q ) s p p n l l 2 在两台电机转子绕组反相序连接的条件下，整个机组的输出功率为： p 出= p w p + p w q = ( 1 - s p s q ) p n ( 1 3 ) 式中：s p s 。p n 为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 从串极电机的运行过程来看，如果改变第二台电机外接电阻的阻值，消耗在其 上的滑差功率就将发生变化。在p n 一定的前提下，机组的转差率将发生变化，电机 转速随之发生改变。由于电机采用这种串极方法时可以取消滑环和电刷，并在一定 范围内调速，人们曾经将两台电机的定转子安装在同一机座内，使串极电机从外观 上看是一台电机从而减小机组的体积和简化安装调试。这其实己是无刷双馈电机的 雏形。为了降低串极电机的成本和提高运行性能，以h u n t 和c r e e d y 为代表的研究 者妇2 “8 3 1 将两个转子合二为一构成一个公用转子，并采用了较以往电机更为先进可行 的理论对定子绕组进行重新设计，使之具有一套转子绕组、一套能产生不同极数的 定子绕组，且具有一个共同的磁路的单一机组，这就是无刷双馈电机的原型。但由 于受当时技术条件限制，该电机未能投入实用研究。 进入7 0 年代后，交流电机的变频调速技术获得了较快地发展，在各行业发挥了 越来越大的作用。但随之而来的变频器的高成本、谐波污染等问题也受到了关注。 研究者发现在串极电机运行时，当机组的转差率发生变化，第二台电机的定子电流 频率也会随之改变。反之，如果改变第二台电机定子绕组的电流频率，电机的转速 也将发生变化，且由于通过第二台电机定子绕组的是转差功率，功率大小与调速范 围直接相关。在电机调速范围不大的情况下，该功率远小于由第台电机的定子绕 组输入的功率。这样，将变频器代替第二台电机定子所接的电阻，就可采用较小容 量的变频器来控制电机的转速。因此，在7 0 年代后期，单一机组串极电机的研究又 4 浙江大学博士学位论文 吸引了很多研究者的注意。对于电机本体，以b r o a d w a y 为代表的研究者们在h u n t 发明的电机结构基础上进行了较大改进1 5 2 , j 5 4 1 1 8 4 1 0 8 8 。他们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，使定转子绕组极数配合的 范围迸一步扩大，并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极对数磁场，简化 了定子绕组。转予采用了类鼠笼式结构，这些成果将自串级无刷异步电机理论向前 推进了一大步，得到了目前被称为无刷双馈电机的典型结构形式( 如图1 2 所示) 。 其中在气隙中产生p p 极对数磁场的绕组连接称为功率绕组，在气隙中产生p c 极对数 磁场的绕组连接称为控制绕组。 工频电源 条 极对数p p 图1 2 无刷双馈电机的结构形式 八十年代后，双励磁磁阻式电机成为无刷双馈电机研究的又一个新分支o - 1 6 3 1 。随着新型电力电子器件和微处理器的飞速发展，各种交流电机的控制策略如标 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也都开始应用 于无刷双馈电机，这一切使无刷双馈电机及其系统的研究呈现出了新的热潮，促使 无刷双馈电机从实验室研究阶段迈向实用化应用阶段。 1 2 无刷双馈电机的研究现状 由于无刷双馈电机不仅具有可靠的无刷结构、多种运行模式和良好运行特性， 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 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、b d f m 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 墨二主竺堡一 大学、浙江大学、山东工业大学、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。综合国内外的研究情况，目 前无刷双馈电机的研究主要在以下几个方面展开，并取得一些成果。 1 2 ，】电机本体的研究 ( 一) 电机结构 自七十年代b r o a d w a y 用转子槽电动势矢量图详细分析了串极电机的笼型和绕 线转子对定子两套绕组的“极数转换”作用后18 4 1 一直为研究者所采用，作为无刷 双馈电机的运行机理。在此基础上，根据转子结构的不同形成了笼型结构和磁阻结 构的无刷双馈电机的两大分支，形成了各自的研究方法和结果。 ( 1 ) 定子绕组研究 无刷双馈电机在定子上实现双馈，定子绕组将产生各自相应的磁场。对于不同 转子结构电机，可以具有完全相同的定子结构。o r e g o n 州立大学的a k w a l l a c e 教 授以定子3 6 槽、生成3 对极和1 对极磁场为例“1 ，分析了单绕组和双绕组情况下定 子的连接形式、绕组线圈的跨距、线圈的分布等方面对定子磁势波的影响。结果表 明：当采用单绕组生成双磁场时，为使绕组在生成两种极数磁场时都能对称分布， 往往采用y 型多并联支路形式。但常规的双层单绕组多极对数连接方法在生成其中 某一磁场时很容易引起线圈间的环流，仅改变线圈的跨距不能消除这个现象。只有 通过适当改变线圈组中线圈的排列以及线圈组的构成，方可以消除部分谐波，同时 保持绕组对称和磁场激励源的相互独立。双绕组方案生成双磁场的方案最具灵活性， 不存在绝缘和对称的问题，可根据谐波的要求对绕组进行独立设计。但由于双绕组 共用一个定子铁心，降低了槽利用率，文中对如何选取线圈的排列和组合没有加以 进一步的论述。 ( 2 ) 转子结构研究 从转子在实现机电能量转换过程中的“极数转换器”的机理上来区分，转子可 分为笼型和磁阻型结构。 笼型转子有如图】3 所示的几种结构形式。其中i 型和i i 型转子尽管端部连接形 式不同，但不会对转子绕组所产生的磁势波形产生任何影响。o r e g o n 州立大学的 浙江大学博士学位论文 a k w a i l a c e 教授和r s p e e 教授以及英国剑桥大学的研究者们对笼型结构的无刷双 馈电机进行了大量分析。他们对鼠笼式转子各导条及闭合环路在生成转矩时所起的 作用进行了对比，得出了在极对数转换过程中转予导条电流分布与定予极对数、控 制绕组频率有关的结论。分析各转子槽的作用后发现在产生电磁转矩时，少极数磁 场下跨距小于3 0 4 的转子环路的作用可以被忽略，而在多极数磁场下跨距接近整距 的转子环路作用最大；从产生转矩的角度来看，转子槽无需在转予表面作均匀分布”7 1 “”、“”。这些结果为无刷双馈电机的设计确立了理论基础。 ( a ) 带公共笼条i 型 口口口口 ( b ) 带公共笼条i i 型 ( c ) 无公共笼条 图i 3 笼型转子结构的主要形式 在对定子磁场实现调制的机理上，磁阻式转子结构的无刷双馈电机则是通过磁 阻转子磁导谐波的调制作用来实现。 w i s c o n s i n 大学的t a l i p o 教授和o h i o 州立大学的l x u 教授为代表的研究者 们对双励磁磁阻电机进行了一系列的研究。他们从电机定转子的基本耦合参数入手， 研究了无刷双馈磁阻电机的机电能量转换机理“”，从电机的非线性特性和运行时磁 场的分布关系来确立电机的设计原则“”，并给出了磁阻电机样机的实验结果。“”。 从他们的研究结果可以看出，常用的磁阻转子结构形式如图1 4 所示。它们都是通 过磁阻式转子磁导谐波对定子磁场的调制作用来实现极对数的转换。凸极转子结构 第一章绪论 简单易于制造，但它的磁极问不隔磁，对定子主副绕组的磁场调制效果不够理想； 带磁隔离层的磁障转子为转子磁导谐波磁通提供通路，使磁场分布优于凸极转子， 但制造工艺比较复杂。轴向叠片的各向异性a l a ( a x i a l l yl a m i n a t e da n i s o t r o p y ) 磁阻转子是磁障转子的特例，在对定子磁场进行调制时具有较好的特性，但同样存 在制造上的困难。 ( a ) 凸极式转子( b ) 磁障式转子( c ) a l a 转子 图1 4 磁阻式转子常用结构 ( 二) 电机参数计算 电机参数与结构直接相关，是分析电机特性的基础，也是间接评价电机性能的 依据。对于具有特殊结构的无刷双馈电机，电机参数的计算就显得更为重要。一般 来说，由于绕组电阻的计算和测量都比较容易，因此电机参数的确定主要考虑绕组 的电感值。在无刷双馈电机的研究中，研究者采用了多种方法来计算无刷双馈电机 的电感参数。文献 8 7 1 在基于磁动势和磁导的基础上，对笼型转子无刷双馈电机 的两定子绕组以及转予间的自互感系数进行计算。文献【6 5 】采用有限元法分析了 磁阻式无刷双馈电机的气隙磁场，而文献【6 1 】运用绕组函数法导出凸极磁阻转子 无刷双馈电机电感参数的计算公式。综合他们的研究结果可以看出，绕组的跨距以 及线圈的排列对定转子的电感有较大影响。在计算电感系数时，采用磁场分析法可 不受无刷双馈电机绕组和气隙结构复杂程度的限制，因而精度较高，但在分析电机 稳态和瞬态特性时的计算量较大。由于磁路分析法的假定条件较多，理论上不够严 谨，因此精确程度稍差，但比较简单和直观，如果记及谐波的影响，仍能满足工程 上的精度要求。 1 2 2 电机的分析方法 一 塑兰垄堂堡主兰竺竺圣 一 _ h 一一 等效电路是对交流电机进行稳态特性分析的一种有效工具。无刷双馈电机的“极 调制，运行方式和结构上的特殊性决定了电机的等效电路将有别于普通交流电机。 文献 8 8 1 从电机的基本方程入手，导出了无刷双馈电机在同步和双馈方式下稳态 运行时的复数形式的电压方程和等效电路。文献【6 1 】、1 8 7 1 利用电机的基本方程， 并借助于坐标变换技术，分别导出了鼠笼式和磁阻式无刷双馈电机在转子速d - q 坐 标轴系上的d 轴和q 轴等效电路。沈阳工业大学张风阁博士在其博士论文中导出不 同转子结构的无刷双馈电机在实际a b c 坐标下的统一等效电路，统一了不同转子结 构的无刷双馈电机的分析理论。 计算机仿真技术的进展为现代交流电机及其调速系统的分析、设计、测试等提 供了先进、有效的手段，通过系统仿真可论证所设计的交流电机及其调速系统方案 的可行性，探讨结构的合理性以及参数对系统暂态、稳态特性的影响，确定出最佳 的控制方案、结构和最优的系统参数，实现优化设计。 为了能改善无刷双馈电机的运行、控制特性，国内外研究者在无刷双馈电机的 建模和仿真方面作了大量的研究工作。a l a n k 1 ；l a l l a c e “3 。“和重庆大学杨顺昌教 授”1 以各定子线圈组、转子各环路电流作为状态变量，在实际a b c 坐标下建立了数 学模型，并在此基础上对电机的稳态、动态特性进行仿真。该方法能有效地分析电 机运行时电流的分布情况和电机结构对性能的影响，但由于数学模型过于繁杂，不 利于系统的仿真研究。文献【6 5 1 提到了无刷双馈电机的有限元模型，由于无刷双 馈电机结构的特殊性，不容易找到周期性边界条件，使求解区域扩大到整个电机圆 周，所需解算节点至少在8 0 0 0 点以上。因此该方法虽能提高模型的精确度，但实用 价值不大。文献【6 1 】、 6 2 】、 8 7 】、【9 4 】利用坐标变换后所得到的转子速d - q 坐 标系下的电机参数，以定转子的d - q 轴电流为状态变量，建立了转子速d - q 坐标系 下的数学模型，并给出了不同运行方式下的动态仿真结果。这些仿真结果较好地揭 示了无刷双馈电机的运行特性，以及在不同运行方式下定转子电流、电压和转矩的 调节过程，同时简化了对象数学模型。但由于其在建模过程中忽略了谐波的影响， 因而理论与实际存在差距。若能考虑磁场谐波的影响和参数的变化，仿真值与实际 值将能进一步相符合。为配合无刷双馈电机的控制，文献【9 6 专门讨论了适用于 9 第一章绪论 无刷双馈电机转子磁链定向解耦控制的同步模型，在此模型上将定子的输入电压、 电流作为时间常量，控制绕组的电流分解为转矩分量和励磁分量，则更适用于电机 动态转矩控制。与普通感应电机磁链定向解耦控制存在的问题一样，运行过程中转 子参数的变化仍是影响该模型准确性的一个问题。 j 2 3 电机的控制研究 随着控制理论的发展，交流电机控制技术从标量控制发展到矢量变换控制、宜 接转矩控制，直至目前基于现代控制理论的滑模变结构控制、非线性解耦控制、模 型参考自适应控制、模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的智能控制。从原理 上讲，运行时无刷双馈电机一套绕组接至工频电网，只有另一套绕组可控，因此各 种普通感应电机控制策略都能用于无刷双馈电机的控制。 文献【6 0 从频域分析的角度对电机运行的稳定性进行了分析，讨论了电机参 数对稳定性的影响。分析结果表明在控制绕组恒压频比控制下，定转子电抗值在一 定范围内变化时，不会对电机的稳定运行产生影响。d z h o u 、r s p e e 和w a l l a c e 在 无刷双馈电机的同步模型基础上，采用了与普通感应电机类似的控制方法，实现了 无刷双馈电机转子磁链的定向控制，取得了优良的控制效果h ”。、m 。考虑到无刷 双馈电机套绕组的电压、频率不可控，文献【4 7 提出了基于一套绕组的估计磁 链和转矩变化的直接转矩控制策略。在控制策略中，在转子速d - q 坐标系下将控制 绕组电压表示成电机参数、输入量以及反馈量的函数，然后预估转矩及磁链的变化， 最后得到控制绕组的给定电压。文献【4 8 1 还给出了基于直接转矩控制的模型自适 应控制策略，使无刷双馈电机对负载及电机参数的变化不敏感，达到最佳的工作特 性。但上述方法的计算量较大，难于实现，目前仍处于仿真的理论研究阶段。 1 2 4 电机的应用研究 在人们对无刷双馈电机进行实验室研究的同时，工业应用随之成为人们关一山的 问题。随着研究的深入，研究者越来越发现尽管无刷双馈电机与常规交流电机相比 存在功率密度较低、体积较大、磁场分布较普通电机复杂等缺陷，但无刷双馈电机 的良好起动和运行特性，尤其是无刷条件下的多种运行方式为其应用带来了广阔的 前景。 1 0 塑兰查兰堡主兰堡堡圭一 _ _ _ 一一 ( 1 ) 无刷双馈电机作为变频调速电机在电气传动中的应用 无刷双馈电机作为电动机双馈运行时，功率绕组( 又称主绕组) 接工频电源， 控制绕组( 又称副绕组) 接变频嚣。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。由于控制绕组中流过的只是电机的转差功率， 大大减小了变频器的容量，同时避免了有刷结构电机的运行可靠性低，需经常维护 等问题。 目前，在中高电压交流电机变频调速驱动中，高压大容量变频器主要有两种制 式：一种是采用升降压变压器的“高一低一高”式变频，即采用间接高压变频器； 另一种是无输出变压器的“高一高”式变频，即采用直接高压变频器。间接高压变 频器由输入、输出变压器和低压变频器组成。由于采用了两次电压变换，因而增加 了损耗，影响了节能效果，并且装置占地面积大，易产生大量高次谐波，更重要的 是低压型变频器容量做不大，实际应用中受容量的限制，因而具有较明显的缺陷。 直接高压变频器在变流装置中需要对开关器件或低压变频功率单元进行串并联组 合，有均压、均流等问题，线路复杂、成本高，易引起故障。因此，如果将无刷双 馈电机应用于中高压大容量驱动时，在一定的调速范围内，可通过选择两定子绕组 合适的极对数比使电机转速满足调速的需要，同时由于控制绕组电压等级可根据变 频器的最高电压设计，避免变频器的高压化，解决了高压电机变频调速系统中存在 的问题。此外，在变频器出现故障的情况下，无刷双馈电机还可以通过短接控制绕 组而作为普通异步电机运行，这对于不允许出现停机的应用场合是十分有利的。文 献【7 】给出了无刷双馈电机在调速范围6 0 0 转分8 0 0 转分、最大输出功率4 5 k 的废水处理厂水泵驱动上的应用例子。根据文献1 6 8 1 ，表1 1 给出了各种不同结构 的电机用于驱动调速范围为3 0 0 转分6 0 0 转分、最大输出功率5 6 0 k w 的风机水泵 的技术性能对比。可以看出，b d f i 在中高压场合完全有可能取代传统电机。 ( 2 ) 无刷双馈电机作为发电机在变速恒频发电中的应用 无刷双馈电机的功率绕组频率、控制绕组频率与转子旋转频率之间存在着互相 依赖的关系。作为发电机运行时，电机的功率绕组用于发电，控制绕组用作交流励 磁，通过对原动机的转速变化检测将相应转差频率的励磁电流( 电压) 加到控制绕 第一章绪论 表1 1 各种不同结构的电机驱动风机水泵的技术性能 采用电机 s c i m gs c i mw f s ms r d f m b d f m 齿轮变速有无无有无 电机结构笼式笼式滑环式滑环式笼式 变频器容量( k v h )7 4 01 0 0 06 0 03 5 02 4 0 变流器件g t o g t og t oi g b ti g b t ( 表中：s c i l d g 代表带齿轮变速的鼠笼式感应电机；s c i l 4 代表鼠笼式感应电机；w f s m 代表绕线 式感应电机；s - r d f m 代表有刷双馈电机；b d f m 代表无刷双馈电机。) 组上，就可以实现变速恒频发电，同时可通过改变控制绕组电流( 电压) 的幅值和 相位实现系统的无功调节。这对于一些转速经常变化的发电系统( 如风力发电、水 力发电及与变速动力主轴同轴驱动的发电( 如航空发电、船舶发电等) 十分有效。 文献【2 6 】以定子极对数( 3 + 1 ) 、功率1 5 k w 的无刷双馈电机在变速恒频发电中的 应用进行研究，结果表明，在调速比l ：2 的范围内，所需变频器的容量仅为系统总 容量的2 5 ，提高了系统效率，并具有很好的输出波形。由于无刷双馈电机的简单 结构和无需机械转速调节( 恒频) 装置的特点，使之更能适用于无( 少) 维护的野 外环境工作的需要，这对于需要充分利用再生能源的今天，具有十分深远的意义。 综上所述，无刷双馈电机作为一种新型电机，结构特殊，运行机理异于传统电 机，在高性能的交流调速传动和变速恒频发电领域具有广阔的应用前景，但也存在 许多需深入探讨的理论与技术问题。目前，我国有关无刷双馈电机的资料很少，除 沈阳工业大学研制了几种不同结构的无刷双馈电机并进行了实验测定以外，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。为使无刷双馈电机的研究尽快赶上国际水平，并在我国得到应用与推 广，有必要深入开展这方面的研究。 1 3 本文的主要研究内容 本文是在浙江省自然科学基金项目“无刷双馈异、同步通用交流电机的研究， 资助下，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，对 1 2 一 塑兰查兰堡主兰竺望查 一 _ _ _ _ _ 一一一 无刷双馈电机的运行机理、定转子结构、电机的设计规律、电机的建模与仿真、电 机的控制策略等方面进行了较为全面而细致的分析与探讨，并进行了实验样机及控 制系统的研制、实验运行和实验研究，取得了相应的研究成果。主要研究内容包括： 1 通过对电机稳定运行时气隙磁场的分析，从磁势谐波和磁导谐波两方面对“磁 场调制”或“极对数转换”理论进行进一步的探讨，用以解释这类新型电机的运行 机理。 2 将绕组自并联理论用于无刷双馈电机定子绕组的设计，分析产生不同极对数 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。 3 利用电机的多回路理论，对无刷双馈电机的参数进行计算，并建立起无刷双 馈电机稳态等效电路和用于可对系统进行仿真研究的转子速d - q 模型。在此基础上， 对无刷双馈电机稳态运行时的机械特性、能量关系进行了详细的研究，对各种工作 模式下的运行特性进行仿真分析。 4 确立无刷双馈电机的设计原则，编制无刷双馈电机的电磁设计程序，据此研 制笼型无刷双馈样机，在此基础上对无刷双馈电机在各种运行模式下的磁场分布、 工作特性进行实验研究。 5 研制以d s p ( 数字信号处理器) t m s 3 2 0 c 2 4 0 为控制核心、以i p m ( i g b t 智能 模块) 为功率开关器件的变频电源。在控制绕组开路、控制绕组直流供电、控制绕 组变频供电条件下，对无刷双馈电机进行调速运行。 6 研究改善无刷双馈电机稳态特性和动态特性的控制策略，并通过计算机仿真 和实验研究，验证了该控制策略的正确性。 本论文分八章对以上研究内容进行论述。 第一章结合文献综述，简要回顾了无刷双馈电机的发展历程、研究现状、应用前 景，并详细介绍了论文的主要研究内容。 第二章运用磁路分析方法，从谐波磁导和谐波磁势对气隙磁场的影响，分析了 无刷双馈电机运行过程中磁场的极对数转换过程，建立了相应的“极调制”理论。 结合绕组的自并联理论、槽星形矢量图等电机绕组理论中的分析方法，研究了无刷 双馈电机在利用转子磁场对定子两不同极数磁场实现调制功能的绕组结构特点；将 一 箜二主竺笙 _ _ - _ - _ 一。一一 电机的多回路理论运用于无刷双馈电机的参数计算，得出双绕组笼型转子无刷双馈 电机定、转子电感系数的计算公式，从而揭示影响电机电感系数的主要因素。 第三章根据电机的基本电磁关系，建立了电机的稳态等效电路，并在此基础上 对电机的稳态特性进行了研究，获得了直接反映电机参数与输出转矩间关系的电磁 转矩表达式以及电机作电动运行时不同运行速度范围内的能量关系。 第四章在建立无刷双馈电机子系统的基础上，通过坐标变换建立了转子速d - q 模型。通过对电机不同运行模式下动态过程的仿真研究，从理论上揭示无刷双馈电 机的运行特性。 第五章根据李亚普诺夫稳定性判据判断运行过程中控制电压对电机静态稳定性 的影响。分别以功率因数的优化控制为例和转子磁链的定向解耦控制为例，探讨了 改善电机稳态特性和动态特性的控制策略，并通过仿真验证策略的有效性。 第六章阐述了笼型、双定子绕组无刷双馈电机样机设计中有关极数、磁密、线 规等结构参数的设计原则。在此原则的指导下，编制了笼型无刷双馈电机的设计计 算程序，试制了一台6 极定子功率绕组、2 极控制绕组、类鼠笼式转子结构的3 k w 样 机。同时介绍了研制的以t m s 3 2 0 c 2 4 0d s p 为控制核心的调速实验装置。 第七章理论结合实际地进行了实验研究，给出实际样机在异步、同步、双馈运 行方式下的气隙磁场分布、工作特性和调节特性的实验结果，并对照理论进行分析。 第八章总结了整个论文工作，并对今后的研究提出了设想与展望 通过上述研究工作，获得了以下具有创新意义的研究成果： 1 详细分析了转子磁势谐波和磁导谐波在无刷双馈电机运行中所起的“极对数 转换”作用，发现不管采用哪一种转子结构，在无刷双馈电机中两个原本不会发生 磁耦合关系的极对数分别为p d 和p c 的旋转磁场，通过转子的中介作用将发生磁耦合， 进而实现能量传递、机电能量转换。即通过转子的磁势谐波或磁导谐波的调制作用， 某一极对数的定子旋转磁场可在气隙中产生与另一定子磁场具有相同极对数和旋转 速度的磁场，从而使这两独立磁场发生磁耦合，产生能量的传递。这个结论确立了 在无刷双馈电机设计中的“提升有用磁场谐波，抑制无用磁场谐波”的明确原则， 为设计新结构的无刷双馈电机找到了可靠的理论依据。 浙江大学博士学位论叉 2 成功地将三相绕组的自并联对称理论应用于无刷双馈电机单定子绕组设计， 奠定了设计满足对称条件、具有不同极对数的单一定子绕组的理论基础。三相绕组 的自并联对称理论最初是用于某些按通常相带分布难以获得三相对称绕组的槽极数 配合情况而提出的分析方法，目的是找出生成三相对称绕组的连接方案。针对无刷 双馈电机单绕组条件下要产生出两不同极对数磁场的要求，本论文将该理论应用于 其单定予绕组的设计。即将三组在两种极对数下都能满足三相对称条件的单元绕组， 按对称要求在槽空间布置，荐由分属于不同单元绕组中不同相的三个线圈组来构成 一相绕组的三条支路。运用这种设计原则得到的无刷双馈电机单定子绕组设计方案 可在两种极对数下均保持三相绕组对称，构成一相绕组的三条并联支路间不存在环 流，从而保证了两定子磁场的激励源之间的相互独立。 3 对无刷双馈电机在不同转速区域内的能量流向进行了细致的分析，导出了笼 型转子无刷双馈电机电磁转矩的解析表达式。明确了运行过程中，无刷双馈电机能 量的分配和电磁转矩的分量构成。对全面理解无刷双馈电机的运行工况以及电机参 数、输入电压对电机机械特性的影响等具有一定的理论价值。 4 将自动控制理论中的李亚普诺夫稳定性判据由于无刷双馈电机的静态稳定性 分析，通过对不同的稳态运行速度下无刷双馈电机小信号模型中系数矩阵的特征根 随输入参数变化的分析，验证了所设计的无刷双馈样机在恒压频控制方式下，在工 作区域内具有静态稳定性和可控性，为该电机控制策略的制定提供了依据。 5 从改善电机的稳态特性和动态特性两方面对无刷双馈电机的控制策略进行了 探讨