采用变极法设计的新型无刷双馈电机

这种新型的转子绕组接线方式更灵活
可利用交流电机绕组变极理论对 p 和 q 两种极对 数选择 磁势相对转向 绕组分布系数 谐波含 量等进行 人工 控制设计 因而用于无刷双馈 电机可能会有更好的性能 明了这一点 已进行的初步试验说
2
变极
绕线转子接线原理及方式
依据 变极 原理设计无刷双馈电机转子绕 组基本思想仍源于由两台转子绕组作反相序串级 联接绕线型感应电机构成的双馈调速机组 其原 理上可看成两套极对数不同 反相序联接的多相 子绕组构成 当然 如果只是简单将两者加以连 接 那么转子槽导体的实际利用率很难高于现有 笼型绕组的 为提高转子槽导体的实际利用率 还必须使得转子槽导体做到 来复利用 使得同 一套绕组对两种极数既能感应电势又能互相作为 激磁源 若实现上述构想 必须还要有能具体实现的 接线方式 为此 笔者提出可用于无刷双馈电机
源自文库
的 变极 所示
绕线转子绕组的一种接线方式 如图 1
AI BI CI AII BII CII AIII BIII CIII pa pb pc
qa
qb
qc
有磁阻转子和特殊笼型转子这两种结构 其中笼 型转子被认为可能应用于大容量电机 但是 现 有的笼型转子绕组主要依据 共轭 原理设计的 即对无刷双馈电机转子所要求的两种极对数 设 计时保留两种极数下感应电势同相的笼条导体 去掉反相的笼条导体 而这样做的结果必然会使 得转子导体利用率低 谐波含量大 造成电机效 率及过载能力低 因此 依据 共轭 原理设计 的转子绕组不能做到充分利用转子导体而导致性 能较差 研究中 转子绕组 针对这个问题 提出采用依据 笔者在无刷双馈电机的 变极 原理设计的绕线
ABSTRACT The brushless doubly-fed machine has two types of rotor structures, reluctance and cage rotor. The cage rotor is reckoned to be possible to be used in the high capacity machine, but the cage rotor can’t do this at present because its conductor availability ratio is low and harmonic content is high. A new brushless doubly-fed machine with a new type of rotor structure is presented in this paper. The new machine has a p/q– pole wound-rotor changing-pole winding which is repeatedly used in p or q pole-pair numbers, therefore it has higher rotor conductor availability ratio and low harmonic content. The new machine can operate like a traditional machine yet. Some examples of the new rotor windings are given. Analysis and test results show that the new machine has better performance in speed control. KEY WORDS: Doubly-fed induction machine rotor Frequency control 摘要 无刷双馈变频调速电机的转子结构 目前研究的有 Wound态工作 最后 果 关键词 双馈电机 绕线转子 变频调速
第 23 卷 第 6 期 2003 年 6 月 文章编号 0258-8013 (2003) 06-0108-05
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号 TM344 文献标识码 A
Vol.23 No.6 Jun. 2003 ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470⋅4024
磁阻和特殊笼型两种类型 依据 共轭 原理设计的
其中特殊笼型转子被认为最有 这种特殊笼型转子绕组是 谐波含量大 提出了一 即根据 变 导体利用率低
可能应用于大容量电机 但是 因而性能还达不到实用要求 极法 设计的绕线型转子绕组
为解决这个问题
种不同于上述两种转子结构的新型转子绕组
这种新型绕组利用其中两 重复利用 从而具有较高
一种转子绕组采用变极法设计的 新型无刷双馈电机
王雪帆
(华中科技大学电气学院 湖北 武汉 430074)
A NEW BRUSHLESS DOUBLY-FED MACHINE WITH A WOUND-ROTOR CHANGING-POLE WINDING
WANG Xue-fan Huazhong University of Science and Technology
种不同极对数 p 和 q 对应感应电势在理论上可以有不同电 回路的特点 对转子导体进行 的利用率和低的谐波含量 采用这种绕组的双馈电动机可
以如同常规电机那样运行 只是在需要时才进入变频调速
基金项目 国家自然科学基金项目 50277014 Project Supported by National Natural Science Foundation of China ( 50277014).
第6期
王雪帆 一种转子绕组采用变极法设计的新型无刷双馈电机
109
运行性能则类似于用交流励磁的同步电机 这种新型电机的理论及应用方面 近十年来 在国内外一些大学及研究机构中的研究甚为活 跃 [2-4] 也取得了相当大的进展[5-6] 但是由于还有 一些诸如转子绕组谐波含量大 导体利用率低 使得电机效率较低及体积较大等问题没有得到很 好解决 因此到目前为止 尚未进入工业应用 不过 国内外的研究者还是认为这种电机无论是 在理论研究或是实际应用方面都将有着好的前景 笔者近几年来为提高这种电机的性能也进行 了研究 笔者认为 无刷双馈电机性能难以提高 目前研究采用的主要 的关键在于转子绕组结构
110
中
国
电 机
工 程
学 报
AI qa • BI CI AII qb • BII CII AIII qc • BIII CIII Ap Bp Cp pa • pb
第 23 卷
刷双馈电机一样进入变频调速工作态 值得注意的是 与通常的笼形结构转子绕组 相比较 本文转子绕组同时产生 p 和 q 对极这两 个旋转方向相反磁势的机理是有所不同的 通常 笼形转子绕组的 p 和 q 对极磁势是相同导体中流 过电流产生的 而本文转子绕组则是在原理上看 作两套不同极对数的三相绕组反相序串联而成 每套绕组导体只产生一种极对数的磁势 只是因 为利用了 3Y 并联接法换相变极绕组的特点 使转 子绕组导体得到重复利用 达到两套绕组的效果 一套绕组就可以完全
图 1 p/q, 3Y/3Y 换相变极异极反相序串联接的转子绕组 Fig. 1 A wound-rotor p/q-pole winding with 3Y/3Y different pole port negative phase sequence series connections
从图 1 可以看出 这种接线方式的基本部分 是变极比为 p/q 的 3Y 并联接法换相变极绕组 这 个 3Y 并联接法换相变极绕组有分为两组的 6 个 出线端 每组 3 个出线端 标记为 pa pb pc 和 qa qb qc 分别对应 p 对极和 q 对极 两组出线头之 间按反相序关系联接 即 pa 和 qc pb 和 qb pc 和 qa 分别联接 采用上述联接的工作原理如下 参见图 1, 用 于定子的极对数为 p 和 q 的 3Y 并联接法换相变极 绕组 如果在出线端 pa pb pc 接入三相电源 出 线端 qa qb qc 悬空 则呈现 p 对极 反之 如果 在出线端 qa qb qc 接入三相电源 出线端 pa pb pc 悬空 则呈现 q 对极 现在笔者是将 3Y 并联接 法换相变极绕组用于转子绕组 并且按无刷双馈 电机理论要求[1,5]将出线端 pa pb pc 和 qa qb qc 作异极反相序联接 这样 当定子上放置有极对 数分别为 p 和 q 的两套三相绕组时 若将极对数 为 p 的定子绕组接电网电源 转子绕组因为出线 端 pa pb pc 和 qa qb qc 反相序联接 这时在定 子 p 对极旋转磁场下感应产生的转子电流 除因 从出线端 pa pb pc 流出使转子绕组产生 p 对极旋 转磁势外 还因注入到出线端 qa qb qc 使转子 绕组产生相对 p 对极反向旋转的 q 对极磁势 同 样 当极对数为 q 定子绕组接入变频电源时 转 子绕组也既能产生 q 对极旋转磁势 又能产生反 向旋转的 p 对极旋转磁势 这样 当极对数为 p 的定子绕组接电网电源 同时在极对数为 q 的定 子绕组接入变频电源 两套定子绕组通过转子相 互作用 调节变频电源频率 将可以如同常规无
Wuhan 430074 China
变频器可采用普通变频器 文中列出了这种新型 并对其工作原理进行了说明
绕组几种可能的连接方式
给出了应用这种绕组双馈电机空载下的调速实验结
1 引言
无刷双馈变频调速电机是近年来研究的一种新 型电机[1] 采用电网电源和变频电源同时供电的方 式 它作为变频调速电机应用于电气传动系统时 并不要求变频器提供全功率 只要求提供 转差 功率 即可 这样不仅所要求的变频装置容量小 而且变频器还可采用较低的电压等级 调速系统 的谐波含量也相应较低 这对于采用高压大容量 电机需要变频调速系统的场合是很重要的 因为 在电机容量大 电压等级高的情况下 如果变频 装置对全功率进行变换 将可能产生大量的电力 谐波 给电网造成污染 而如果要进行谐波治理 又会增大成本 系统效率也会降低 这种新型电 机的出现 正好为解决这个问题提供了一条可能 的途径 这种电机源于两台绕线转子感应电动机机械 上同轴串接 转子绕组作反相序联接 以实现调 速的串级方式 后经改进成为在同一定子上装有 两套不同极数的三相对称绕组 其中一套接至工 频电源 另一套作为副绕组接至变频电源 转子 则采用不需引向外部电路的笼型转子或磁阻式特 殊结构 这样整台电机外形与普通电机相同 实 现了交流电机的无刷化 结构上更加安全可靠
图 2 p/q, 3Y+Y/3Y 换相变极异极反相序 串联接的转子绕组 Fig. 2 A wound-rotor p/q-pole winding with 3Y+Y/3Y different pole port negative phase sequence series connections
极对数 p 运行 其适合的调速范围可以为 n=f1/(p+q) 和 n1=f 1/p 之间 在这个范围内 变频器将总是输 出功率 而不会有电能通过变频器反馈到电网 显然 在这种情况下 将特别适合风机水泵类负 载的调速 因为这类负载往往只需要向下调速 调速范围也不太大 对这种负载 选择额定转速 为 n1=f 1/p 这时候无需变频器即可如同普通单速 标准电动机那样正常工作 需要调速时 接入变 频器即可进入调速工作态 这时转速为 n=(f 1+f2)/(p+q) 只要转速不低于 n=f 1/(p+q) 变频 器就将总是输出功率 不会有能量返回到电源 也可以在 3Y 并联绕组的出线端 pa pb pc 和 qa qb qc 分别反相序串联连接极对数为 p 和 q 的 两套三相绕组 如图 3 所示 这种接法的一个好 处是并联部分绕组可以不局限于 3Y 接法 也可以 为 3Y/4Y 或其它多星并联接法
•
pc •
显然 与通常无刷双馈电机中的笼形结构转 子绕组相比较 本文转子绕组有更多的特点 笼形转子绕组因为结构的限制 同时产生的极对 数 p 和 q 只能是倍极比的关系 而本文转子绕组 的极对数 p 和 q 则是可以任意选择的 笼形转 子绕组无论是对于极对数 p 或是 q 绕组分布系数 都不太高 谐波含量也较高 这直接限制了其应 用 而本文利用换相变极绕组理论 可以使两种 极数下的绕组分布系数都得到提高 谐波含量则 可降低 笼形转子绕组所产生的极对数 p 和 q 的绕组有效匝数比很难加以调整 本文转子因为 采用的是绕线转子绕组 接线方式要灵活得多 极对数 p 和 q 绕组有效匝数比可以根据需要任意 调整