无刷双馈电机控制技术讲义资料

无刷双馈电机控制技术

✧无刷双馈电机的运行原理

✧绕线式转子无刷双馈电机的数学模型

✧绕线式转子无刷双馈电机控制系统分析

1 无刷双馈电机的运行原理

1.1 工作原理

无刷双馈电机与两台极联的感应电机的原理相同。两台电机级联是将两台绕线式电机的轴相连，转子绕组反相序连接。级联电机系统从第一台电机的定子侧输入电功率，通过转子传递给第二台电机的转子绕组侧，第二台电机的定子绕组外接电阻短接。省去了滑环，系统通过改变外接电阻大小就可以改变电机的转速。

无刷双馈电机接线如下图1.1所示，两套定子绕组没有直接电磁耦合，转子经特殊设计，起着两套定子绕组之间能量传递中介。

电网

图1.1 无刷双馈电机系统示意图

功率绕组p p 对极接入工频电源（p f ）、控制绕组c p 对极接变频器（c f ），两套绕组同时通电，在气隙中产生两种极对数不同的磁场，这两个磁场通过转子的调制，发生相互耦合，实现能量的相互传递。

功率绕组在电机气隙中产生的磁场同步转速：

60p sp p

f n p =

转差率：

sp r p r

p sp p

n n s n ωωω--=

=

则转子绕组感应的电流频率为：

6060

p p r

p p rp f p n s f f -==

控制绕组接入变频电源时频率c f ，控制绕组与功率绕组反相序，故产生的旋转磁场方向与功率绕组产生的旋转磁场方向相反，其在转子绕组感应的电流频率：

6060

c c r

c c rc f p n s f f +==

采用绕线式转子结构电机（如变极法或齿谐波法），转子绕组共用线圈，因此当电机稳定运行时感应的转子绕组电流频率有rp rc f f =，因此由上面式子可得：

p c r p c

f f f p p -=

+

转子机械转速为：

60()p c p c

r f f p p n -=

+

如果第一台电机的定子输入的电功率是N P ，当运行于某一转速时的两台电机的转差分别是p s 和c s 。可以得到第一台电机的机械功率：

(1)wp p N P s P =-

忽略了电机的其他损耗，p N s P 就成为第一台电机通过转子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，第二台电机的转子按变压器原理为原边，而第二台电机的定子为副边。第二台电机轴上产生的机械功率就是：

(1)wc c p N P s s P =-

整个级联系统轴上的输出机械功率为：

(1)wp wc p c N P P P s s P =+=-

上式的p c N s s P 就是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。如果改变第二台电机副边电阻的阻值，则消耗在其上的功率p c N s s P 将发生变化。在N P 一定的前提下，p c s s 将发生变化，即等效滑差p c s s s =发生变化，相应的第二台电机的副边电流频率也会随之变化。因此，如果我们能够改变第二台电机副边的电流频率，就会反过来改变电机的转速。无刷双馈电机即用变频器来替代原理电机中的外接电阻来，通过对第二台副变电流频率的调节来改变整个等效滑差。

假定转子电流频率为r f ，第一台电机的定子电流频率是p f ，第二台电机定子的电流频率是c f 则电机的转速为：

60()

p r p p

f f n p ±=

第二台电机的转子转速是

60()

c r c c

f f n p ±=

因为两台电机机械同轴，电路相连，故转子电流频率r f 相同，转子转速相同。即r p c n n n == 。由上三式可求得转速为：

60()(/min)p c r p c

f f n r p p ±=

±

式中的“±” 号取决于两台电机的定、转子相对相序。一般采用反相序接法称为和调制。

采用和调制的转速表达式是：

p c

p c

p p ωω+Ω=

+

1.2 运行方式

无刷双馈电机的运行情况相当于一台p c p p +对极绕线转子感应电机，其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。该种电机具有自起动能力，可实现异步运行、同步运行和双馈调速等多种电动运行方式；当作发电机运行时，可实现变速恒频恒压发电。

1．无刷双馈电机的异步运行

BDFM 异步运行时，功率绕组接到工频电源上，控制绕组接三相对称电阻，调节电阻的大小就可以在一定的范围内调节电机的转矩-转速特性。BDFM 与传统绕线式电机相比，去掉了电刷，可维护性大大提高，适用范围进一步扩大。如果在负载转矩一定时，可通过改变串接电阻的大小来实现串电阻调速。异步运行时可以作为p p 对极，也可以作为p c p p +对极异步电机，取决于电机参数以及负载转矩，其转速为：

60(1)p p r p c

f s n p p -=

+ 或60(1)

p p r p

f s n p -=

电网

变阻器

图1.2异步运行方式接线图

2．同步运行方式

在这种运行方式下，定子侧功率绕组直接接到工频电源上，而控制绕组短接或串接电阻，电机将进行异步自起动。当电机转速接近同步速时，如将Y 接的控制绕组改为两并一串的型式接于直流电源，电机从异步运行方式过渡到同步运

行方式，稳定地运行于同步转速。通过改变控制绕组中直流电流的大小，就可以改变功率绕组的无功功率大小，从而改善电机的功率因数。同步运行方式相当于一台2()p c p p +极的同步电动机，其转速为：

60p r p c

f n p p =

+

由于励磁绕组放在定子上，从而实现了无刷励磁。

电网

图1同步运行方式接线图

3．双馈运行方式

无刷双馈电机双馈运行时，功率绕组接工频电源，控制绕组接变频器，通过改变变频器的输出频率c f ，即可调节转速。改变控制绕组通电相序可以实现电机的亚同步和超同步运行。

电网

图1-4 双馈运行方式接线图

4．发电运行方式

当无刷双馈电机作发电机运行时，控制绕组通常作为励磁绕组，定子功率绕组作为发电绕组。图2-11为发电运行方式的示意图。由于励磁绕组放置在定子