无刷双馈电机的基本理论

第二章无刷双馈电机的基本理论

2-1无刷双馈电机的基本架构

近年来，国内外许多学者将目光投向无刷双馈电机。出于这种电机在定子上实现了双馈。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动机，又可作为变速恒频发电，特别适合用于风力发电，变落差水力发电，潮汐发电等可再生能源的开发利用，因此无刷双馈电机的应用越来越受到瞩目，作为一种新型电机的研究也正在获得不断发展。

无刷双馈带年纪的结构相当于2台绕线式异步电机同轴串级而成，具有2套分离的定子绕组。因此，在中高压、大容量变频调速系统中可由工频电网向定子功率绕组提供额定功率，而由变频器仅向定子控制绕组提供转差功率，这样就可以降低变频器的容量，从而降低调速系统的成本，有效地解决了中高压，大容量变频调速系统中的技术难题。另外，在水力或风力等可再生能源发电系统中，有级联式无刷双馈电机控制的绕组做交换励磁，发电系统根据原动机的转速来调节励磁电流的频率，从而实现变速恒频发电，并通过改变励磁点流的幅值和相位来独立调节发电机的有功，无功功率。因此吗，无刷双馈电机在变频调速和变频恒速发电领域中有着广泛的应用前景，引起了越来越多学者们的关注和研究。

2-1-1无刷双馈电机的演变过程

无刷双馈电动机是由串级异步电动机组发展而来。所谓两台电机级联，就是将2台绕线式电机的同轴互相连接。如图2.1。从结构上看，我们看出：这个系统从第一台定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机的原边，第二胎电机的副边绕组（定子绕组）通过外接电阻短接。这样就省去了滑环，该系统通过改变外接电阻大小就可以改变电机转速。下面详细分析原型的运行原理。

极对数p p

工频电网

极对数：P

c

转子

图2.1原型电机示意图

Prototype of brushless doubly 一fed machine

在分析中忽略了2台电机的损耗，假设第一台电机的定子输入的电功率为P P ,运行于某一转速时的2台电机转差分别是P s ,C s ,由电机学基本知识我们可以得出第一台电机产生的机械功率为：

mp p p =s P （1-）P （2.1）

在忽略了电极损耗的前提下P mp 就成为第一台电机通过气隙传递给第二台电机的电功率，由于第二台电机的功率源于他的转子，因此我们称第二台电机的转子为原边，而第二台电机的定子为副边。第二台电机轴上的机械功率就是：

m (1)C C P P P s s P =- （2.2） 因此，整套级联式异步电机系统轴上输出功率在两台电机转子绕组反相序对接的情况下为：

mC mP C P P=P +P =1-s s P （）P (2.3)

式中C P P s s P 是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。

现在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C P P s s P 将会发生变化。在系统输入功率一定的前提下，s C s p 竟会发生变化，相应的第二台电机的定子侧电流频率将会发生变化。因此，如果我们能够改变第二台电机的定子侧电流的频率，就会反过来改变电机的转速。

实际应用中，用变频器来取代原型电机中的外接电阻，既可实现电压频率调节的目的又可以实现能量的传递以提高系统效率，其示意图如图2.2所示 ，下面我们就来看看这种电机怎样通过调节变频器的频率来达到调速的目的。

极对数p p 工频电网

定子绕组

极对数：P

c

转子

图2.2级联式无刷双馈电机示意图

Fig 2.2Sketch figure brushless easeade doubly-fed machine

假设转子电流的频率为r f ,第一台定子的电流频率为p f ，第二台电机的副边绕组的电流频率为c f ，则第一台电机转速为:

p r p p

60f f n =P ±（） (2.4) 第二台电机转速： c r c c

60f f n P ±=（）

（2.5）

因为两台电机相连，机械上同轴，所以转子电流f r 也相同，转子转速也相同。即p c n =n ，因此以上两式联立得：

p c c c p

60f f n =P +P ±（） （2.6） 式中的“±” 号取决于两台电机的定、转子相对的相序。结合级联系统中，两台电机的机械功率表达式通过级联系统在不同的转速运行区间的各种相序配合的分析，计算，发现只有当两台电机转子反相序连接时候，两台电机电磁转矩才同方向，反之则相反。

因此，无刷电机电磁转矩真正高效、使用的结构方式是转子反相序连接。在此基础上的写出的转速表达式是：

p c p c P P ωω±Ω=

+ （2.7）

Ω——电机转子角速度 p ω——钉子功率绕组旋转磁场角度

c ω——定子控制绕组磁场角度

2-1-2无刷双馈电机定子结构和绕组连接形式、

无刷双馈电机的定子结构尺寸可以按照一般的异步电机的设计方法来设计，与一般的异步电机没大的区别，但是定子绕组的连接却有较大的区别。无刷双馈电机有两套绕组，功率绕组和控制绕组。无刷双馈电机的一个特点就是能降低变频去的容量，这只有将极数较多的绕组接至电网才能实现。在图1.9中，直接接至电网的、极数较大的绕组的功率为绕组，通过变频器接电网的、极数较少的为控制绕组无刷双馈电机要将功率绕组和控制绕组放在同一个定子中，就必须考虑几方面的问题[39,40,41,42,43] ：

（a ）要是现在气隙中产生不同极数的磁场，是采用同一套绕组还是采用分别独立的两套绕组

（b ）如何通过两种绕组合理的排列组合，它们在同一气隙中产生两种不同极对数的磁场

（c ）这两种磁场波形要接近正弦波，并尽量消除其他谐波的影响 （d ）怎样使能量在气隙之间的有效传递

对于条件（a ）（b ）（c ），的要求，按照传统的电机设计要求就可以满足要求。条件（d ）实际上也是无刷双馈电机的原理性要求。一般的说，无