无刷双馈电机综述

1、无刷双馈电机的研究及应用前景浙江大学电机及其控制研究所(310027) 张彦锋 潘再平【提要】无刷双馈电机(BDFM )是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈。它具有 功率因数可调、高效率的特点，可应用于调速系统和变速恒频发电系统中。本文在系统研究国内外各有关文献的基础上，详 细综述了 BDFM的发展历史、运行机理、分析方法、控制方式、研究现状及应用前景，对在我国开展 BDFM的研究有着积 极的意义。关键词无刷双馈电机综述Review and Future Application of Brushless Doubly-Fed MachineZhang Yanfen

2、g Pan Zaiping(Zhejiang University, Hangzhou 310027)Abstract Brushless doubly-fed machine (BDFM) is the electrical machine that incorporates the robustness of the squirrel cage induction machine and the speed and power factor control of the synchronous machine, which shows substantial potential in va

3、riable speed drives and variable speed constant frequency generating systems. This paper describes the developments, operation principle, dynamic models, control strategies and future applications of BDFM in detail. It will help a lot to study BDFM in China.Key Words: Brushless, doubly-fed machine,

4、review91、引言无刷双馈电机(简称BDFM)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1893年由美国的Steinmetz和德国的Gorges所发现。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。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，其中贡献最大的要数 Hunt1。 Hunt发明的电机具有一 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。它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和 速度控制，实现无刷化。后来Creedy对这种电机进行了进一步的改进，为之设计了

5、精巧的定转子绕组2。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。一直到了 70年代，Broadway等对Hunt电机进行了较 大改进，简化了转子绕组，并使定转子绕组极数配合的范围 进一步扩大3,将自串级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，这为BDFM电机进入实用铺平了道路。80年代末90年代初，无刷双馈电机动态数学模型和两 轴数学模型的建立45,为BDFM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BD

6、FM,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IGBT、8XC196、DSP等，又进一步促进了 BDFM的发展。2、运行原理2 - 1异步运行为了清晰准确地了解这种电机的工作原理，要从它的 原型电机来阐述。此原型电机实际上是由两台感应电机的串 级连接而成，如图1所示。 第一台电机的次级绕组被连接 到第二台电机的初级绕组上， 而第二台电机的次级绕组被短 接或在外部通过电阻短接，并且两台电机同轴连接。这一机组的同步速度为1：1-rP"2(1)上式中正号代表两台电机转子正序连接，负号代表反序连 接。当上式取负号时，两台电机将产生相

7、反的力矩，因此启 动转矩可能很小或为负值，并且转子损耗较高；取正号时， 机组将低速运行，没有上述缺点，且机组有较高的运行效率 3。BDFM与上述两台电机构成的机组在原理上相似，只是分开的定转子绕组被单一定转子绕组所代替，共用一个磁 路，如图2所示。BDFM异步运行时，定子绕组的一套端点连到工频电 源上，另一套端点通过滑动变阻器短接，调节电阻的大小就 可以在一定的范围内调节电机的速度。当然另一套端点也可 连到整流器上，从而实现滑差功率的回收。BDFM与传统绕 线式双馈电机相比，去掉了电刷，可维护性大大增加，适用范围进一步扩大。* . .浙江省自然科学基金资助项目极）在转子中感应的电流的频率分别为

8、(2)frp = fp -Ppfmfrc =±fc +Pcfm（3）其中下标p、c分别代表功率绕组和控制绕组，下同。由图1可知，由于两台电机转子电路相连，机械上同轴，因此转子中感应的电流频率相同，即frp = frc，则由方程（3）得fmfp _ fcPpPc(4)图1两台感应电机的串级连接图2 BDFM异步运行示意图由方程（4）可见，只需调整fc即可使fm在一个较大 的范围内变化，而与其他因素无关。在同步运行方式下，两 套绕组的输出功率近似地与极对数成正比3。这样，如果这种电机输出功率一定，极对数确定以后，变频器的容量即可以确定，选择合适的极数就可以大大降低变频器的容量，既可降低成

9、本，又减轻了谐波污染，使困扰传统变频调速系统 的问题得以解决。2 - 2 同步运行同步运行方式是BDFM特有的一种运行方式。在这种 运行方式下，定子绕组的一套端点直接连接到工频电源上， 而另一套端点通过变频器连接到电源上，如图3所示。图3 BDFM同步运行示意图3、BDFM的结构3 - 1 定子绕组从原理上分析，在定子上安排两套分别对应两种不同 极对数的绕组是一种方便可行的方案。但是这种方案中绕组的利用率不高，性能不够理想。因此，人们普遍采用一套绕 组通过不同的出线而得到两种极数的方法。从Hunt1、Creedy一直到Broadway3,人们提出了许多结构巧妙的定 子绕组方案。这些方案虽然比较

10、复杂，但都可以通过普通双 层绕组经适当的连接得到。以相调制极变换（6/2极）为例,只要通过合理安排，可获得3相完全对称的绕组，而不必省 略某些线圈7。绕组连接如图5所示，图中负号表示连到线 圈的下层边。图4各旋转磁场的关系图5 6/2极36槽BDFM定子绕组接线图图4给出了 BDFM在双馈模式下各旋转磁场之间的关系6。由该图可见，功率绕组（Pp对极）和控制绕组（Pc对BDFM的定子冲片与普通感应电机完全相同，因此可以 利用现有工艺条件进行生产，而不必进行改造，有利于实用 化。应当指出，无论两套绕组还是一套绕组，都应该严格禁止两种不同极数绕组之间的直接功率传递。否则，将导致电机出力不足，发热严重

11、。3-2 转子绕组我们知道，当普通感应电机的鼠笼转子具有Q2根导图6 BDFM转子结构示意图ZsrIg【Zrr'Ir 一(10)Vg2,，Vg9】，.,Ig9 , I r为所有转子回路的电(11)VsplNp0Z sprZsprl侦Vsc0ZscZscr7ZscrI scVrptZ spr0Zr0 1I rp虹10Zt 1 scr0Z一i 一c(12)其中参数（以按照文献数施以矩阵变换得到;条时，在P对极的旋转磁场作用下，产生的一阶齿谐波次 p数是：n = Pp±Q2（5）式中正负号表示此谐波的旋转方向与主磁场旋转方向是否一致；n取负号表示该谐波磁场相对于转子的旋转方向与 感

12、应的p对极转子磁场相反，这样才满足方程（1）中取正号的要求。因此，令 n= p o c于是，笼形转子恰好同时产生两个分别是Pp和Pc对极的磁场，满足与定子磁场作用的要求。由此可得BDFM的鼠笼条数为：Q2 = Pp"c（6）由于（Pp+Pc）一般较小，故转子槽漏抗较高。解决的办法是增加转子槽数，构成一些用于提高性能的短路绕组，但转子鼠笼导条数 Q2保持不变，如图6所示。短路绕组的分布对电机的性能有较大影响，一般来说，内环短路绕组影响较小，而靠近鼠笼导条的短路绕组影响较 大回。通过合理安排短路绕组的分布，可以使电机性能得到 优化。这种转子结构与传统鼠笼转子相比，结构并不复杂， 然而却具

13、有坚固耐用、 不用维护的特点，并且加工容易，适 合于批量生产。4、数学模型BDFM中有两种不同极数的磁场相互作用，因此数学 模型中的角度都以机械角度来表示，而不是电角度。4 - 1网路数学模型由于BDFM的定转子结构与普通电机有所不同，因此 其参数计算与传统的参数计算方法有一定区别。定转子绕组的自感、互感可以采用文献4中所介绍的网路分析法来加 以计算。而定转子绕组的电阻、漏感可以采用传统的计算方 法。这样就可获得定子阻抗矩阵 Zss、转子阻抗矩阵Zrr以 及定转子互感抗矩阵 Zrs、Zsr。这些矩阵都是经过一个个 线圈分别计算，然后再加以迭加得到的。虽然电机是由一个个独立的线圈组成，但由图4可

14、以看出所有线圈构成了九个线圈组。为了使电机方程得以简 化，必须将阻抗矩阵加以转换。转换过程中存在着一个转换 矩阵C4。经过转换后的阻抗矩阵变为：Zss =CZssC（7）'t.Zsr = C Zsr（ 8）'Zrs =ZrsC（9）其中上标t代表矩阵的转置。因此电机方程可以表示为以下 形式：yj Zss即 V = ZI其中 V； = Vg1,g = H g1 , I g2 ,流。这样电机的电磁转矩为：T 史（Z）I e 2 du式（10）、（11）即构成了 BDFM的网路数学模型。文 献4、9应用这个模型对电机进行了仿真， 并对其具体应 用做了说明。4 - 2 d - q数学模

15、型d-q数学模型是在网路模型的基础上发展起来的。它 进一步简化了网路数学模型，使之看起来更直观，用起来更方便，特别是节省了微机计算时间，有利于控制方法的实现。BDFM可以加以理想化而分为两个子系统，分别为Pn p对极系统和 P对极系统。这样电机方程可以表示为以下形为了消除时间变量以及降低阶数，文献5采用正交变换矩阵Cs将方程（12）转化到转子速参考坐标系上。可以证明，所有用来得到d-q模型的变换都可以通过矩阵Cs获得10。经过一系列转换和简化，方程（12）变为：沁-rp S如Lsp00pMpP<a mp ! qpVdp£Mp玲+py00* M ppMpI dpVqc00&quo

16、t;+pLcFcdTDM。吸Mc' qcVdc一00rfLscP©M.pMc' dc0pMp0qpMc0r+pL0qr0pMp0pMc0rfL! dr1其中阻抗矩阵可以通过文献4所介绍的方法加以计算，然 后经矩阵变换得到。方程（12）中包含时变高阶矩阵，应用起来很不方便。(13)Lsc)可rc、p、Mc、rp、Lr、Lsp、5所介绍的方法，通过对文献4中网路模型参d p = dt可以看出，方程（13）仅为六阶，参数都为常数。如 果转子速度CO r保持不变，则方程（13）为常系数状态方程。 这就大大减少了计算量，为仿真及采用比较简单的控制策略 铺平了道路。电磁转矩方程（

17、11）经过正交变换后变为：Te=PpMp（IqpId-IdpIqr）+PcMc（IqcIdr +IdcIqr）（14）方程（13）、（14）构成了 BDFM的d-q数学模型，文 献11利用它进行了电机的动态仿真， 与样机的实测结果比 较，仿真结果是令人满意的。4 - 3 同步坐标数学模型BDFM可以通过控制可控绕组的电流Iqc、I dc来实现一 Vqp-工 +pLspPp 切 rLsppMpPp0 M p 1lqp!Vdp-Pp© Lsprp +pLsp-Pp0 M ppMpl dpMcplqc=pMp0rr +pLr0lqrJMcpldc-0pMp0rr +pLr调速和调性能。实验

18、及仿真结果表明，电流控制比电压控制 动态性能优越12。这样，方程（13）变为：(15)其中M p . pe pepe ce pe ce .,.、Te 二 Pp (M qpNqrp 一 Pc Mc(_lqrplqc 、卬、0)$1口(小 Tbe)-pe ce pe cece ce ce ce、(l qrp1 dc Tdrp k )COS(功e 如)-Pc M c (lqrc 1 d 1 drc lqc )MpP p ( : pel ce cos(.) / pel ce sin(.)-Pp ( - dpl qc cos(peZlce )- dpl dc Sin( pe据(18)RMce ce ce

19、dc drc qc由于方程（15）处于转子坐标系中，因此定子方的量 都是正弦函数（稳态），这对于控制来说是很不方便的。如 果忽略转子饱和，采用两套同步坐标系统（功率绕组频率和 控制绕组频率），则上述方程在稳态时，各量就保持常数。 图7给出了转子速坐标系与同步坐标系之间的关系。2T z. Mp、，为转子时间常数。Tr =（L）/1；Lsp方程（16）（18）构成了 BDFM的同步坐标数学模型。在这种模型中，输入、输出量不再是时变变量，而是某常数（稳态）。文献13、14、15采用这一模型进行了仿真，从中可以看出，这种模型应用起来比较方便，而且准确性较高。sp图7转子速坐标系与同步坐标系的关系示意图

20、图中上标ce代表控制绕组同步坐标系，pe代表功率绕组同步坐标系，r代表转子坐标系；Bpe =e pt Pp 炉 rdt&ce = （®2dt PC 职 rdt。在正常情况下，BDFM的功率绕组直接连到工频电源上，这样功率绕组的感抗就远远大于电阻， 电阻上的压降可 以忽略。因此功率绕组的磁链可以认为是一个常数。 如果功率绕组的总磁链与 P对极同步坐标系直轴相重合，那么 p"pe =0qp其中V。为功率绕组电压的幅值。在同步坐标系下，方程（15） p变为：孔，r）L_(16)cece |5、控制策略几乎所有可用于异步感应电机的控制策略都可以用在 BDFM的控制中。但是由

21、于 BDFM只有一套绕组可控，而 另一套绕组是不可控的，因此必将导致其控制策略与传统异 步电机的各种控制策略有所不同。虽然BDFM可以在开环控制下稳定运行16,但是应当 看到，由方程（4）所确定的同步运行的稳定区域是很小的， 动态性能也比较差。而且采用开环控制不可能实现功率因数 和运行效率的优化。这样，各种各样的闭环控制方法就应运 而生了削718。下面将简要介绍各种闭环控制方法。5 - 1标量控制BDFM的理想工作方式是同步运行方式。在这种运行 方式下，速度特性如方程（4）所示。通过控制可控绕组激 励的幅值以及频率，即可实现对速度、转矩以及电机性能（如 功率因数、效率等）的控制，这是标量控制的

22、基本思想。标量控制利用反馈量，采用简单的Pl调节器来实现给定，并增加系统的稳定性。标量控制算法的主要特点是具有 一个同步回路。在快要失去同步时，计算值fc与给定值f： 的差别将较大。如果这种差别没有减小的趋势，那么基于方 程（4）的控制方法将不能保证成功的速度控制。在这种情 况下，标量控制算法会指示CPU将f：调整以接近fc ,并调节Pl参数。这样就保证了同步运行并最终建立所需速度。标量控制算法比较简单， 容易实现。文献16采用标量 控制策略对BDFM进行了仿真，可以看出，标量控制比开 环控制运行稳定性有较大提高，动态性能也有所改善，适用于对动态性能要求不高的场合，如风机、水泵等。5 - 2转

23、子磁场定向控制转子磁场定向控制采用同步数学模型，忽略了定子绕 组的电阻及磁路饱和的影响，将 BDFM分为两个独立的子 系统。如果转速®r已知，那么采用方程（16）可以很容易地 计算出转子电流分量l pe、l广。与功率绕组一样，我们也 qrp drp将控制绕组同步坐标系的d轴取得与它的转子总磁链方向一致。这样，方程（17）变为：| (*p 7 ；.-；)Tr Jpqe -(；.、-，如一2cedcrrcMc ,ce .l 一ce , qc T r drc(17) '-;ce地 l：e =0drcdcTrTr(19)(20)其中W ：e= r T I ：e Ml：e。在运行过程中

24、 平：e应保drc 1 r r drc c dcdrcI*Tr 平 cec(ABc +A印)Mc.*t(22)(23)(24)(25)持不变，以减轻电机的瞬变过程，抑制振荡。从方程（20）可以看出，W算只与Id?有关，故I：可看作是磁化电流分 dICdCdC量。方程（19）表明了 I；与切c和饥之间的关系，故y 可看作转矩电流分量。BDFM的电磁转矩方程（18）变为：Te =H +1 cos 8 pee + J sin 6 pee（21）pp其中H、I、J为电机电流、磁链以及参数的函数。8gpee 与同步电机的功角相类似，可以称做同步角，Bpce =8pe +&e 。pce pe ce

25、由方程（2i）可以看出，Te是epce的函数，这一点已 被仿真及实验所证实1415 o图8给出了稳态运行时 Te与 0Dce的关系。容易发现，这与同步电机的特性十分相似，-pce稳定运行区域也为曲线上升段。图8 BDFM电磁转矩与同步角的关系这样，在控制策略中，我们就可以用同步角来代pce表Te,从而减少了 Te复杂的计算，使控制方法易于实现。在转子磁场定向控制中，速度偏差信号经过一个PI及限幅调节器直接产生所需的 0Dce ,从而计算出0co由方程（19） pce c可得:Tr drc即其中氏为一个控制周期，们为一个控制周期内er的改变量，Aec为nc的改变量。磁化电流分量 I；：可以由方程

26、 （20）在保持平dec不变的情况下得到。这样，通过由同步 坐标系到静止定子坐标系的转换，就可以得到瞬时电流指令 * * *Iac、c、转子磁场定向控制的实现难度与异步感应电机的矢量 控制相当。虽然其中采用了一系列假设，但从仿真及实验结果61415来看，各方面性能比较优良， 可满足大部分工业上 的要求。5-3直接转矩控制在BDFM中，由于一套绕组不可控，因此用来使转矩 和磁链达到所需方向的电压矢量是不确定的，这导致传统的直接转矩控制方法必须加以改进才能应用于BDFM o这样，基于一套绕组来估计磁链和转矩变化的直接转矩方法被提 出来17。在直接转矩控制中，Pc对极绕组基于转子坐标系的 d q电压

27、被表示为：Vqc12Vdc 一 *2 -：2 1 _ 1其中岗、% （i=1,2,3）是电机参数、输入量以及反馈量的函数。由上式可知，如果能估计出转矩及磁链的变化，那么1Iqp!qpAqp-Lsp000Mp0 1I dp?Sp0L sp000MpI qc?_qc00L sc0-Mc0I qc园c 1000L sc0Mc_I qr控制绕组的给定电压就可以算出来。BDFM的磁链可以用下 式表示17：Jqr这样以磁链表示的电磁转矩为:=Pp ( qp f'.dp dp U.qp ) R (，qc/'.dc ，dc U.qc )由方程（24）、（25）连同方程（13）可以算出现在的转矩

28、以及磁链，再根据转差估计所需转矩及磁链，则可得转矩及磁链的变化量，从而算出控制绕组的给定电压。直接转矩控制的计算量较大，不能采用一般的微处理 器，因而成本较高，但其性能十分优越。近来，在直接转矩 控制基础上又出现了一种模型自适应控制18,使BDFM对负载惯量的变化不敏感， 以达到更佳的性能。但这种方法的 实现更加复杂，只处于理论仿真阶段。6、国内外研究现状目前，国外对BDFM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，找到适于 BDFM的控制方法，从而使 BDFM实用化的阶段。美国的 Oregon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4、d

29、 -q轴数学模型5、同步数学模型 13及基于这三种模型的多种控制方法。近来，BDFM应用方面的研究也比较热门，如风力发电19、中高压调速系统20 等。但是，应当看到，这些研究都是建立在线性化及简化电 机模型的基础上，尚未建立电机完整的、精确的“场路结合” 的数学模型，对电机饱和及谐波也没有进行深入研究。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，然而对BDFM的研究却极少见。国内文献2122也只是对这种电机的原理及性 能作过简单介绍。目前国内采用的同步电机无刷励磁是将控 制励磁的元件固定在转子上一同旋转，不是从电机运行原理 上解决无刷问题；绕线式异步电机的双馈调速具有BDFM的类似特性：可异同步运行、功率因数可调、变频器容量小， 但是它是有刷电机，存在结构上固有的缺陷。因此，非常有 必要开展BDFM研究。7、应用前景BDFM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，从而具有转速稳定（同步速）、功率因数可调、效率高的优点。如果变频器用于BDFM极数较少的定子绕组，那么， 不仅可以实现电机转速的平滑调节， 更重要