无刷双馈电机
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
无刷双馈电机的转速和功率 分析
无刷双馈电机的发展历史
• 无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed
Machine,BDFM）作为近年发展起来的一种新型交 流调速电机，它由两套相互独立的定子绕组（功 率绕组和控制绕组）和特殊结构的转子组成，利 用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对 BDFM的转速控制。BDFM具有无电刷、结构简 单坚固、变频器容量小、功率因数可控制、运行 可靠等优点，是传统交、直流电机调速系统的强 有力竞争者，在大型水泵、风机调速和风力发电 领域具有广阔的应用前景。
• BDFM由级联异步电动机发展而来，级联式
双馈电机由两台同轴串级而成，如图1所示:
• 它是由两台绕线转子异步电动机同轴串级
连接而构成，具有两套磁路彼此无关的定 子绕组和转子绕组，控制绕组由变频电源 供电，功率绕组直接由电网供电，改变控 制绕组的供电频率就可以调节系统的速度。 上世纪初Hunt和后来的Wallace等人在此基 础上，提供出在单一铁心中安放两套定子 绕组的无刷双馈电机模型，如图2所示:
（10）
pps m2 Eps I2s cos2
控制绕组提供给转子的转差功率为:
pcs m2 Ecs I2s cos2
p p m I r
转子回路的功率平衡方程为: 2 ps cs 2 2s 2
（11）
（12）
由于此时转子铜耗相对很小，为了分析方便将其忽略，式 （12)简化为:
p ps pcs 0
(19)
pcem
(20)
联立式（8）、（9）和转差率的定义，可以解得功率绕组 和控制绕组的转差率分别为
sp
f p pc f c p p f p ( p p pc )
（21）
sc
( f p pc f c p p ) fc ( p p pc )
（22）
功率绕组和控制绕组电源同相序时，式（21）、（22）中 取负号，反之取正号。
nr
60( f p fc ) p p pc
(8)
当功率绕组电源正相序连接，控制绕组通过变频器也正相 序联接时，同理可得到电机的转速为:
nr
60( f p fc ) p p pc
(9)
可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频 率 f c，可以很方便的调节电机转速。当 fc =0时的电机转速 称为自然同步转速；低于自然同步转速时，称为亚同步调速； 高于自然同步转速时称超同步调速。
n pcr
60 f cr pp
（6）
它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转 矩。若得到恒定的电磁转矩，这两个磁场必须同步旋转， 比较式（5）和（6），转子电流频率必须相等，即
f pr f cr
(7)
同理，频率为f pr 和 f cr 的电流也会通过与控制绕组极数对应 的转子导体，只有在满足式（7）的条件下，产生的旋转磁 场与控制绕组电流建立的磁场才会同步，相互作用产生恒定 的电磁转矩，从而维持电机稳定运行。 因此，联立解式（1）~（4）、（7），可得电机稳态运行 的转速
由式（19）~（22），可得（电源同相序取“+”，逆相序 取“—”）
p pem
fp
f p fc
p2
(23)
pcem
fp f p fc
p2
(24)
由式（23）（24）可知，定子绕组提供的电磁功率与电源频 率成正比。如果电机拖动恒转矩负载，它在启动时，功率绕 组和控制绕组电源频率相等，此时功率绕组提供的电磁功率 达到最大值，变频器的容量将较大。为了降低控制绕组变频 器的容量，该电机适合拖动启动转矩小的风机和泵类负载。 变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计，调速范围越 大所需要变频器容量越大，反之越小。
无刷双馈电机的功率分析
电机在双馈运行时，功率绕组和控制绕组都会为负载提供 电磁功率，此时，电机的等效电路如图4。
• 其中参数下标为p的电路是功率绕组对应的定子等效电路；
下标为c的是控制绕组对应的定子等效电路；参数下标为s 的部分是没有经过折算的转子实际等效电路。分析转子等 效电路，功率绕组通过气隙传递给转子的转差功率为:
• 其中功率绕组的极对数为Pp，直接连接电网，频率为fp；
控制绕组极对数为Pc，由变频电源供电，频率为fc。由于 定子和转子结构采用合理的设计，使得两套定子绕组产生 的磁场只能通过转子间接耦合；同时转子磁场的极对数可 以自动转换，分别与定子磁场极对数匹配，因此无刷双馈 电机的工作原理与级联式电机的原理相同。
pem p pem pcem
功率输出，即
sc s p s p sc
ps
(17)
忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械
pem p2
p pem sc p2 sc s p
sp sc s p p2
(18)
当负载不变时，功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为
当频率为f pr的电流，通过与功率绕组极数对应的转子导体时， 产生的旋转磁场相对于转子的转速为：
nppr
60 f pr pp
np1 nr
（5）
n 而相对于定子的转速是：ppr + nr= n p1;它与功率绕组电流建 立的磁场同步，因此，它们相互作用会产生恒定的电磁转 矩。同时，频率为 f cr 的电流，也会通过与功率绕组极数对 应的转子导体，它产生的旋转磁场相对于转子的转速为:
n p1
60 f p pp
a)反相序
（1）
nc1
Leabharlann Baidu
60 f c pc
(n p1 nr ) p p
（2）
设转子的旋转速度是nr ，则这两个定子磁场在转子中感 应电动势的频率分别为：
f pr
f cr
（3）
60 ( nc1 nr ) pc 60
（4）
它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁 场。
无刷双馈电机的转速分析
• 电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。
由于电机结构的特殊设计，它们的基波并不交链，分别在 转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行，具体分析 如下： • 当功率绕组电源正相序联接，控制绕组通过变频器反相序 联接时，它们产生的旋转磁场方向相反，同步转速见图3 （a）：
（13）
由式（13）可知，功率绕组和控制绕组提供转差功率大小 相等，而功率流向相反，它们互相平衡，即
pps pcs ps
（14）
根据转差功率与电磁功率的关系，可以求出功率绕组和控 制绕组提供的电磁功率分别为
ps p pem sp ps pcem sc
（15）
（16）
两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为:
无刷双馈电机的发展历史
• 无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed
Machine,BDFM）作为近年发展起来的一种新型交 流调速电机，它由两套相互独立的定子绕组（功 率绕组和控制绕组）和特殊结构的转子组成，利 用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对 BDFM的转速控制。BDFM具有无电刷、结构简 单坚固、变频器容量小、功率因数可控制、运行 可靠等优点，是传统交、直流电机调速系统的强 有力竞争者，在大型水泵、风机调速和风力发电 领域具有广阔的应用前景。
• BDFM由级联异步电动机发展而来，级联式
双馈电机由两台同轴串级而成，如图1所示:
• 它是由两台绕线转子异步电动机同轴串级
连接而构成，具有两套磁路彼此无关的定 子绕组和转子绕组，控制绕组由变频电源 供电，功率绕组直接由电网供电，改变控 制绕组的供电频率就可以调节系统的速度。 上世纪初Hunt和后来的Wallace等人在此基 础上，提供出在单一铁心中安放两套定子 绕组的无刷双馈电机模型，如图2所示:
（10）
pps m2 Eps I2s cos2
控制绕组提供给转子的转差功率为:
pcs m2 Ecs I2s cos2
p p m I r
转子回路的功率平衡方程为: 2 ps cs 2 2s 2
（11）
（12）
由于此时转子铜耗相对很小，为了分析方便将其忽略，式 （12)简化为:
p ps pcs 0
(19)
pcem
(20)
联立式（8）、（9）和转差率的定义，可以解得功率绕组 和控制绕组的转差率分别为
sp
f p pc f c p p f p ( p p pc )
（21）
sc
( f p pc f c p p ) fc ( p p pc )
（22）
功率绕组和控制绕组电源同相序时，式（21）、（22）中 取负号，反之取正号。
nr
60( f p fc ) p p pc
(8)
当功率绕组电源正相序连接，控制绕组通过变频器也正相 序联接时，同理可得到电机的转速为:
nr
60( f p fc ) p p pc
(9)
可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频 率 f c，可以很方便的调节电机转速。当 fc =0时的电机转速 称为自然同步转速；低于自然同步转速时，称为亚同步调速； 高于自然同步转速时称超同步调速。
n pcr
60 f cr pp
（6）
它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转 矩。若得到恒定的电磁转矩，这两个磁场必须同步旋转， 比较式（5）和（6），转子电流频率必须相等，即
f pr f cr
(7)
同理，频率为f pr 和 f cr 的电流也会通过与控制绕组极数对应 的转子导体，只有在满足式（7）的条件下，产生的旋转磁 场与控制绕组电流建立的磁场才会同步，相互作用产生恒定 的电磁转矩，从而维持电机稳定运行。 因此，联立解式（1）~（4）、（7），可得电机稳态运行 的转速
由式（19）~（22），可得（电源同相序取“+”，逆相序 取“—”）
p pem
fp
f p fc
p2
(23)
pcem
fp f p fc
p2
(24)
由式（23）（24）可知，定子绕组提供的电磁功率与电源频 率成正比。如果电机拖动恒转矩负载，它在启动时，功率绕 组和控制绕组电源频率相等，此时功率绕组提供的电磁功率 达到最大值，变频器的容量将较大。为了降低控制绕组变频 器的容量，该电机适合拖动启动转矩小的风机和泵类负载。 变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计，调速范围越 大所需要变频器容量越大，反之越小。
无刷双馈电机的功率分析
电机在双馈运行时，功率绕组和控制绕组都会为负载提供 电磁功率，此时，电机的等效电路如图4。
• 其中参数下标为p的电路是功率绕组对应的定子等效电路；
下标为c的是控制绕组对应的定子等效电路；参数下标为s 的部分是没有经过折算的转子实际等效电路。分析转子等 效电路，功率绕组通过气隙传递给转子的转差功率为:
• 其中功率绕组的极对数为Pp，直接连接电网，频率为fp；
控制绕组极对数为Pc，由变频电源供电，频率为fc。由于 定子和转子结构采用合理的设计，使得两套定子绕组产生 的磁场只能通过转子间接耦合；同时转子磁场的极对数可 以自动转换，分别与定子磁场极对数匹配，因此无刷双馈 电机的工作原理与级联式电机的原理相同。
pem p pem pcem
功率输出，即
sc s p s p sc
ps
(17)
忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械
pem p2
p pem sc p2 sc s p
sp sc s p p2
(18)
当负载不变时，功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为
当频率为f pr的电流，通过与功率绕组极数对应的转子导体时， 产生的旋转磁场相对于转子的转速为：
nppr
60 f pr pp
np1 nr
（5）
n 而相对于定子的转速是：ppr + nr= n p1;它与功率绕组电流建 立的磁场同步，因此，它们相互作用会产生恒定的电磁转 矩。同时，频率为 f cr 的电流，也会通过与功率绕组极数对 应的转子导体，它产生的旋转磁场相对于转子的转速为:
n p1
60 f p pp
a)反相序
（1）
nc1
Leabharlann Baidu
60 f c pc
(n p1 nr ) p p
（2）
设转子的旋转速度是nr ，则这两个定子磁场在转子中感 应电动势的频率分别为：
f pr
f cr
（3）
60 ( nc1 nr ) pc 60
（4）
它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁 场。
无刷双馈电机的转速分析
• 电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。
由于电机结构的特殊设计，它们的基波并不交链，分别在 转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行，具体分析 如下： • 当功率绕组电源正相序联接，控制绕组通过变频器反相序 联接时，它们产生的旋转磁场方向相反，同步转速见图3 （a）：
（13）
由式（13）可知，功率绕组和控制绕组提供转差功率大小 相等，而功率流向相反，它们互相平衡，即
pps pcs ps
（14）
根据转差功率与电磁功率的关系，可以求出功率绕组和控 制绕组提供的电磁功率分别为
ps p pem sp ps pcem sc
（15）
（16）
两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为: