無刷雙饋電機轉子磁動勢諧波分析研究

1、. . . . 目 錄摘 要 Abstract主要符號表第1章 無刷雙饋電機研究的背景和意義11.1緒論11.2 無刷雙饋電機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀11.3 無刷雙饋電機的研究意義5第2章 無刷雙饋電機轉子繞組的原理92.1 定子繞組的結構92.2 轉子繞組的結構102.3 籠型轉子的“極數(shù)轉換器”的作用122.4 繞線型轉子繞組的結構13第3章 建立籠型轉子繞組諧波磁勢計算模型173.1“安導波”的概念與其與磁勢的關系173.2單根導體的磁勢計算183.3單個線圈的磁勢計算203.4線圈組的磁勢計算223.5相繞組的磁勢計算233.6 整個轉子繞組各次諧波的磁勢計算24第4章 用MATLAB編寫諧

2、波磁勢的通用計算程序264.1MATLAB簡介與其發(fā)展歷史264.2 用MATLAB語言對轉子諧波磁勢進行編程274.2.1磁勢計算的流程圖274.2.2對磁勢計算進行編程274.2.3 程序的運行31第5章 極對數(shù)的功率繞組在轉子中建立的轉子諧波磁勢的分析研究325.1轉子繞組參數(shù)的選取325.2程序的運行以與計算結果325.3結果分析40第6章 極對數(shù)的控制繞組在轉子中建立的轉子諧波磁勢的分析研究426.1轉子繞組參數(shù)的選取426.2程序的運行以與計算結果426.3結果分析51第7章 變轉子每相線圈數(shù)后轉子諧波磁勢的分析研究527.1變功率繞組中轉子每相線圈數(shù)后轉子諧波磁勢的分析研究527

3、.1.1轉子繞組參數(shù)的選取577.1.2程序的運行以與計算結果527.1.3結果分析617.2變控制繞組中轉子每相線圈數(shù)后轉子諧波磁勢的分析研究617.2.1轉子繞組參數(shù)的選取617.2.2程序的運行以與計算結果617.2.3結果分析70結束語71參考文獻72致 73- 69 - / 75無刷雙饋電機轉子磁動勢諧波分析研究摘 要 無刷雙饋電機作為一種兼有籠型、繞線型異步電機和電勵磁同步電機優(yōu)點的新型電機，在電機變頻調速和變速恒頻發(fā)電領域中越來越受到重視。本文提出了用MATLAB語言編寫無刷雙饋電機轉子磁動勢諧波的計算程序，并且使程序具有一定的通用性。文章的前兩章是介紹無刷雙饋電機研究的背景和意

4、義與無刷雙饋電機轉子繞組的原理；然后建立籠型轉子繞組的諧波磁勢數(shù)學模型，并且用MATLAB編寫計算程序；最后分別對極對數(shù)為的功率繞組和的控制繞組在轉子中建立的轉子磁動勢諧波進行分析研究。關鍵詞 無刷雙饋電機 轉子繞組 磁動勢諧波 分析研究Rotor MMF Harmonic Analysisof Brushless Doubly-FED MachineAbstract:As a new type of electrical machine,combined the merits of the asynchronous motor with the squirrel-cage rotor wit

5、h and wound-rotor and the electro-excited synchronous motor,the brushless doubly-fed machine(BDFM)has been attracted more and more attention in the field of variable-frequency adjustable-speed motor and variable-speed constant frequency generating.This text brings forward using MATLAB language to co

6、mpile the account proceeding of the rotor MMF harmonic of the BDFM,and this proceeding had a certainty currency character.The front of tow chapters of the article are introducing the background and significance of the BDFM researching and the theory of the rotor winding of the BDFM ;then the article

7、 would establish the harmonic magnetic force mathematical model of the squirrel-cage rotor,also use MATLAB compile the account proceeding;finally the aticale would separate to analysis The Rotor MMF Harmonic of the and the .Keywords:BDFM,Rotor Winding,MMF Harmonic,analysis主 要 符 號 表安導強度安導波單個線圈的安導波單根導

8、體的安導波電角度磁勢波單個線圈的磁式波單個線圈的次諧波磁勢的幅值相繞組的磁勢幅值線圈組的次諧波磁勢的幅值單根導體的磁勢波相繞組的磁勢波無刷雙饋電機的定子頻率導體電流的瞬時值每相電流的有效值導體電流的有效值次諧波的分布系數(shù)次諧波的繞組系數(shù)次諧波的短距系數(shù)對對極諧波說的線圈短距系數(shù)對極諧波的槽口系數(shù)氣隙旋轉磁場同步速，轉子繞組的相數(shù)單個線圈的匝數(shù)轉子轉速輸入功率滑差功率機械功率輸出功率基波極對數(shù)轉子導條數(shù)線圈組串聯(lián)的線圈數(shù)，每極每相槽數(shù)滑差諧波對基波的次數(shù)諧波極對數(shù)每相每條并聯(lián)支路的串聯(lián)匝數(shù)機械弧度每相并聯(lián)支路的條數(shù)電流的角頻率電源的角頻率共軸轉子的機械角速度槽口寬度第一章 無刷雙饋電機研究的背景

9、和意義1.1 緒論無刷雙饋調速電機轉子結構簡單，運行可靠，可以實現(xiàn)自啟動、異步、同步、雙饋等多種運行方式，即具有異步電機和同步電機的雙重優(yōu)點，在用作變頻調速系統(tǒng)時還可以大大降低變頻器的容量。在風機和泵類負載的節(jié)能調速系統(tǒng)與變速恒頻的水力和風力發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。研究無刷雙饋變頻調速電機無論是在理論或是實際應用方面都有著很大意義，而目前所研究的無刷雙饋電機性能還達不到實際應用要求，有些學者認為，其關鍵原因在于還沒有找到一個合適的轉子繞組形式。目前研究采用的磁組轉子和特殊籠形轉子這兩種轉子結構形式中籠形轉子被認為是最可能應用于大容量電機，但是，現(xiàn)有的特殊籠形轉子繞組是“共軛”原理設計的，

10、也即對無刷雙饋電機所要求的轉子兩種極數(shù)，設計時保留兩種極數(shù)下感應電機均同相的籠條導體，去掉不同相的籠條導體，而這樣必然會導致轉子導體利用率低，諧波含量大，造成電機效率與過載能力較低的結果。由于認為目前制約無刷雙饋變頻調速電機進入實際應用的瓶頸在于轉子繞組的性能，為解決這個問題，有學者提出采用根據(jù)“變極”原理設計的特殊繞線轉子繞組。鑒于以上的研究情況，本文將設計一籠型和繞線型方案，用Matlab建立籠型轉子繞組諧波磁勢分析的計算模型，針對所設計的繞組方案，分別得出結果，并且分別改變轉子線圈數(shù)，從而證明增加轉子線圈數(shù)可以優(yōu)化轉子繞組的磁勢。1.2 無刷雙饋電機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀近10年來，隨著電力電

11、子技術、計算機技術和現(xiàn)代電機控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史性的變革，以變頻調速為代表的交流電氣傳動以其優(yōu)異的性能、如調速圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應快與四象限運行等，在石油、化工、機械、冶金等工業(yè)領域得到了廣泛的應用，尤其對于大功率的風機或泵類負載，采用交流電機變頻調速可節(jié)電2030%，具有顯著的節(jié)能效果。交流調速全面取代直流調速已成為發(fā)展趨勢。歸納起來，現(xiàn)代交流調速按交流電機類型劃分有：（1） 同步電機這是一種轉子轉速永遠等于氣隙旋轉磁場同步速的電機，即通常僅有改變定子供電頻率的變頻調速，有稱為無換向器電機。根據(jù)頻率控制信號的來源，同步電機調速又可分為：1. 它控式同步電機變頻

12、調速：頻率有外界控制，有失步問題；2. 自控式同步電機變頻調速：頻率由電機轉子磁極位置信號控制，無失步問題。（2） 異步電機這是一種轉子轉速永遠不等于同步速、中間存在滑差以使轉子產(chǎn)生切割關系，感應電流而產(chǎn)生轉矩的交流電機，轉速滿足。調速時可調節(jié)較多，方法總的可分為：1. 變同步速調速具體方法有：A. 變頻調速：改變定子供電頻率實現(xiàn)同步速變化，適合任何類型異步電機。B. 變極調速：由于要求定、轉子極對數(shù)同時變化，僅適合鼠籠式異步電機。2. 變滑差s調速實質上是一種轉子滑差功率的調速方法。根據(jù)引起滑差功率消耗的具體方法不同，又可細分為：A. 調壓調速：通過改變定子電壓的幅值（不改變頻率）使電磁轉矩

13、變化，從而變化滑差。要求采用高轉子電阻電機以限制滑差功率消耗產(chǎn)生的發(fā)熱，適合于鼠籠式與繞線式異步電機。B. 繞線式異步電機特有調速a) 轉子串電阻調速：改變轉子電阻機械特性硬度，實現(xiàn)滑差的變化，但因滑差功率的不可逆消耗而耗能。采用電力電子技術時可演變?yōu)檗D子串電阻斬波調速，以實現(xiàn)調速過程電子控制。b) 串極調速：定子接固定頻率電網(wǎng)，轉子接滑差頻率反電勢以吸收或補充滑差功率，從而實現(xiàn)變滑差調速（一般低于同步速）。c) 雙饋調速：定子接固定頻率電網(wǎng)，轉子接變頻電源，改變頻率電源的頻率、相序可實現(xiàn)同步速上、下的高速調速，并可實現(xiàn)有功、無功控制。近年來還出現(xiàn)了不少電機本體與控制裝置緊密結合的調速電機，如

14、開關磁組電機、永磁無刷直流電機，它們的共同特點是實現(xiàn)了半導體變流裝置與電機本體一體化，是一類新型調速電機。在所有這些交流電機的調速傳動方式中，交流電機的結構不同，個具特色，同時也與外部控制電路的連接，可與定子繞組一起實現(xiàn)雙重饋電，能滿足大容量、高電壓、高轉速的性能要求，并具有轉速穩(wěn)定（同步速）、功率因數(shù)可調、效率高等方面的優(yōu)點。然而由于滑環(huán)與電刷須經(jīng)常維護，降低了電機的可靠性，同時滑動接觸易產(chǎn)生火花，限制了其使用場合。鼠籠式異步電機（包括開關磁組電機）轉子結構簡單、無接觸，運行可靠、無需維護，但由于異步電機轉子需從定子側獲取勵磁，功率因數(shù)較低，由于變頻調速系統(tǒng)時，由于轉差的存在使轉速與負載直接

15、相關，為了得到精確的調速，還需要加上復雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，鼠籠式異步電機變頻調速時變頻器設置在定子側，通過全部功率時所需的變頻器容量大于電機的額定功率，是整個系統(tǒng)的成本較高。繞線式異步電機可以實現(xiàn)雙饋運行，速度、功率因數(shù)同時可調：變流裝置只需處理滑差功率，因此，變頻器容量比電機小，降低了系統(tǒng)成本，但也存在電刷和滑環(huán)帶來的弊病。所以，雖然目前交流調速技術在不斷改進，但是電機本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流電機無刷化并具備雙饋運行功能，使交流傳動系統(tǒng)具有高效率、高功率因數(shù)、高可靠性、低成本已成為電機制造工業(yè)和交流傳動系統(tǒng)亟待解決的一項技術難題。近年來，為了解決這個問題，國外許多學者都將

16、目光投向無刷雙饋，不僅具有簡單的轉子結構，而且具有具有繞線式轉子異步電機和同步電機的優(yōu)良特性，既可作為交流調速電機，又可作為變頻調速發(fā)電機。因此作為一種性能優(yōu)良的新型電機，越來越受到研究者的關注。無刷雙饋電機是從串極感應電機發(fā)展而來的，它繼承了串極電機的一些特性。在串極感應電機中，兩臺繞線式異步電機機械上同軸聯(lián)接、轉子繞組直接按正或反相序相連，其基本結構如圖1.1所示。圖1.1 兩臺感應電機的串極連接串極系統(tǒng)中，若、分別為兩臺電機的極對數(shù)，為共軸轉子的機械角速度，為電源的角頻率，則在電機穩(wěn)定運行時，轉子的機械角速度，其中+、號分別對應轉子反、正相序連接。假定第一臺電機的輸入功率為，若在某一轉速

17、時兩臺電機的轉差率分別為、，那么第一臺電機產(chǎn)生的機械功率為：若忽略電機損耗， 則就成為第一臺電機通過氣隙傳給第二臺電機的電功率。這樣第二臺電機軸上產(chǎn)生的機械功率為：在兩臺電機轉子繞組反相序連接的條件下，整個機組的輸出功率為：試中：為第二臺電機定子外接電阻上消耗的電功率。 從串極電機的運行過程來看，如果改變第二臺電機外接電阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就會發(fā)生變化。在一定的前提下，機組的轉差率將發(fā)生變化，電機轉速隨之發(fā)生改變。由于電機采用這種串極方法時可以取消滑環(huán)和電刷，并在一定圍調速，人們曾經(jīng)將兩臺電機的定轉子安裝在同一機座，使串極電機從外觀上看是一臺電機從而減小機組的體積和提高運行性能，以H

18、unt和Creedy為代表的研究者將兩個轉子合二為一構成一個公用轉子，并采用了較以往電機更為先進可行的理論對定子繞組進行重新設計，使之具有一套轉子繞組、一套能產(chǎn)生不同極數(shù)的定子繞組，且具有一個共同的磁路的單一機組，這就是無刷雙饋電機的原型。但由于受當時技術調節(jié)限制，該電機未能投入實用研究。 進入70年代后，交流電機的變頻調速技術得到了較快的發(fā)展，在各行業(yè)發(fā)揮了越來越大的作用。但隨之而來的變頻器的高成本、諧波污染等問題也受到了關注。研究者發(fā)現(xiàn)在串極電機運行時，當機組的轉差率發(fā)生變化，第二臺電機的定子電流頻率也會隨之改變。反之，如果改變第二臺電機定子繞組的電流頻率，電機的轉速也將發(fā)生變化，且由于通

19、過第二臺電機定子繞組的是轉差功率，功率大小與調速圍直接相關。在電機調速圍不大的情況下，該功率遠小于由第一臺電機的定子繞組輸入的功率。這樣，將變頻器代替第二臺電機定子所接的電阻，就可采用較小容量的變頻器來控制電機的轉速。因此，在70年代后期，單一機組串極電機的研究又吸引了很多研究者的注意。對于電機本體，以Braodway為代表的研究者們在Hunt發(fā)明的電機結構基礎上進行了較大改進。他們在滿足無刷雙饋電機對轉子磁場要求的前提下，將相調制理論應用到極變換繞組，使定轉子繞組極數(shù)配合的圍進一步擴大，并通過對普通雙層繞組的適當連接獲得了兩種極對數(shù)磁場，簡化了定子繞組。轉子采用了類鼠籠式結構，這些成果將自串

20、極無刷異步電機理論向前推進了一步，得到了目前被稱為無刷雙饋電機的典型結構形式（如圖1.2所示）。其中在氣隙中產(chǎn)生極對數(shù)磁場的繞組連接稱為功率繞組，在氣隙中產(chǎn)生極對數(shù)磁場的繞組連接稱為控制繞組。八十年代后，雙勵磁磁組式電機成為無刷雙饋電機研究的又一個新分支。隨著新型電力電子器件和微處理器的飛速發(fā)展，各種交流電機的控制策略如標量控制、轉子磁場定向控制、直接轉矩控制、模型參數(shù)自適應控制等也都開始應用于無刷雙饋電機，這一切使無刷雙饋電機與其系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)出了新的熱潮，促使無刷雙饋電機從實驗室研究階段邁向實用化應用階段。1.3 無刷雙饋電機的研究意義無刷雙饋電機是一種新型的，同時具有同步電機和異步電機特

21、點的交流調速電機，其結構和運行原來與傳統(tǒng)的交流電機有較大的差別，無刷雙饋電機的定子上具有兩套極數(shù)不同的對稱三相繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組，轉子采用籠型或磁組型的結構，取消了電刷和滑環(huán)。通過電機轉子的磁動勢諧波或磁導諧波對定子不同極數(shù)的旋轉磁場進行調制來實現(xiàn)電機的機電能量轉換。如果改變控制繞組的連接方式與其外加電源的頻率、幅值和相位可以實現(xiàn)無刷雙饋電機的多種運行方式。無刷雙饋電機是在上世紀初Hunt提出的自級聯(lián)感應電機的基礎上發(fā)展起來的，一些學者對該類電機進行了進一步的研究和完善，至上世紀80年代末90年代初發(fā)展成為無刷雙饋變頻調速電機。無刷雙饋變頻調速電機與轉子接串調或雙饋裝置的繞組電機

22、相似，可以用較小容量的變頻器對較大功率的電機進行調速，特別適合于大功率的風機和泵類負載的調速，是一種很有希望的中壓節(jié)能調速方案。無刷雙饋電機不但和籠型轉子或磁組型轉子感應電機一樣，取消了電刷和滑環(huán)，提高了電機運行的可靠性，減小了維護的成本，而且具有良好的啟動和運行性能，并可方便的實現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運行方式。對該種電機的研究和開發(fā)可望有效解決制約傳統(tǒng)交流電機與其調速系統(tǒng)發(fā)展的某些關鍵技術問題，以與水力，風力發(fā)電系統(tǒng)的恒頻變速問題，因此，對無刷雙饋電機進行深入的研究具有十分重要的意義。1.3.1 無刷雙饋電機作為變頻調速電機，當應用于大容量的電氣傳動系統(tǒng)時，由于變頻器的容量大

23、大減小，從而可以大大降低調速系統(tǒng)的成本。在許許多多的生產(chǎn)應用領域，如發(fā)電廠和鋼鐵企業(yè)中，水泵和通風機等負載面廣量大，如果采用交流變頻調速裝置替代閥門，擋板來調節(jié)流量，可獲得很好的節(jié)能效果。然而，不幸的是在風機泵類負載中采用普通的變頻調速系統(tǒng)，盡管可以起到良好的節(jié)能效果，但是存在的最大問題是變頻器（特別是大中容量的變頻器）的價格太高，往往使大中型電機的變頻調速變得可望不可與，有些觀點認為，大中型電機采用變頻調速后，一次性投資成本的利息比由節(jié)能所省下的錢還多。因此，如何降低所需變頻器容量從而降低整個調速系統(tǒng)的成本成為在更大圍推廣變頻調節(jié)節(jié)能技術的關鍵所在。在變頻調速系統(tǒng)中一般采用籠型感應電機，由于

24、所需變頻器的容量大于電機的額定功率，而變頻器的價格一般要高出同容量電機的34倍，因此整個調速系統(tǒng)的成本很高，從而限制了該類變頻調速系統(tǒng)在更大圍的推廣應用。近些年來，一些學者對繞線式感應電機轉差頻率控制系統(tǒng)有刷雙饋調速系統(tǒng)進行了分析和研究，由于該類調速系統(tǒng)可以通過控制轉差功率的轉子電流來實現(xiàn)電機的調速，因此所需變頻器的容量只是有定子繞組提供給系統(tǒng)的功率的一小部分。在風機和泵類負載中，一般調速圍在70100%額定轉速之間，所需變頻器的功率很小，因此繞線式感應電機雙饋調速驅動系統(tǒng)與籠型電機的變頻調速系統(tǒng)相比只需一個較小的變頻器，因而大大降低了變頻器的容量和造價，減小了調速系統(tǒng)的成本。但是，繞線式感應

25、電機具有電刷和滑環(huán)，其運行的可靠性差，需要經(jīng)常維護，特別在某些易燃易爆和多灰的場合難以推廣應用。當采用無刷雙饋電機調速系統(tǒng)時，承擔主要輸入電功率的定子功率繞組可以直接由工頻電網(wǎng)供電，而變頻器只需為定子控制繞組提供“轉差功率”，不僅降低了調速系統(tǒng)的成本，而且實現(xiàn)了無刷化，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。無刷雙饋變頻調速系統(tǒng)與其他調速系統(tǒng)相比，具有以下突出優(yōu)點：1) 通過變頻器的功率僅占電動機總功率的一小部分，可以大大降低變頻器的容量，從而降低了調速系統(tǒng)的成本；2) 功率因數(shù)可調，可以提高調速系統(tǒng)的力能指標；3) 與有刷雙饋和串調系統(tǒng)相比，取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)運行的可靠性；4) 即使在變頻器發(fā)生故

26、障的情況下，電動機仍然可以運行于感應電動機狀態(tài)下；5) 電機的運行轉速僅與功率繞組和控制繞組的頻率與其相序有關，而與負載轉矩無關，因此電機具有硬的機械特性。1.3.2 用無刷雙饋電機取代常規(guī)的高壓感應電機，可以有效解決高壓電機變頻調速系統(tǒng)中存在的技術難題。 實現(xiàn)高壓電機的變頻調速一般有兩種方法：一種是采用高壓變頻器；另一種是采用高低高變頻方案。當采用高壓直接變頻時，由于需要采用多器件的串并聯(lián)，線路復雜，技術難度大，系統(tǒng)的可靠性差，而且高壓變頻器的價格比同容量的普通低壓變頻器要高得多；當采用高低高變頻方案時，需要先用降壓變壓器把高壓變?yōu)榈蛪海?jīng)低壓變頻后，再用生壓變壓器生壓，該方案的優(yōu)點是可采用

27、普通的低壓變頻器，缺點是多了兩臺同容量的變壓器，增加了調速系統(tǒng)的成本。如果采用無刷雙饋電機的調速系統(tǒng)，功率繞組可以由高壓電源供電，控制繞組由普通的低壓變頻器供電，則高壓電機變頻調速系統(tǒng)存在的上述問題可以得到有效的解決。1.3.3 作為異步和同步通用的電機，無刷雙饋電機可以實現(xiàn)無刷化和通用化，既具有感應電機良好的自啟動性能，又具有同步電機優(yōu)良的運行性能。目前應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面大量廣的交流電機主要是同步電機和感應電機，由于電機結構上的差異，同步電機和感應電機一般是不能兼用的，而它們各有自己的優(yōu)缺點。同步電機和繞線式感應電機都采用電刷和滑環(huán)來實現(xiàn)轉子繞組與外部電路的連接，由于滑動觸頭和電刷磨損，不

28、僅降低了電機運行的可靠性，而且電刷需要定期維護和更換，增加了運行費用。此外滑動接觸容易產(chǎn)生火花，從而限制了有刷電機在含有易燃和易爆氣體的餓環(huán)境中的應用。普通籠型感應電機雖然結構簡單，但是它又不如繞線式轉子感應電機的控制那么方便，也不如同步電機的運行性能指標高。因此，開發(fā)研制一種集各種電機優(yōu)勢，既無刷化（堅固可靠）又通用化（能實現(xiàn)多種運行方式）的新型交流電機是電機的一個重要發(fā)展方向，也是當前我國電機制造業(yè)亟待解決的一項重大技術難題，目前在部分同步電機中采用的無刷勵磁雖然取消了滑環(huán)和電刷，但并未使電機的到簡化，而是將勵磁控制元件固定在轉子上隨電機一起旋轉，增加了電機結構的復雜性和制造成本，并未從根

29、本上解決電機的運行可靠性問題，因為隨轉子一起高速旋轉的電子元件和控制電路增加了轉子運行的不可靠因數(shù)。永磁電機雖然可以實現(xiàn)無刷化，但是由于其勵磁不能調節(jié)從而限制了它的應用圍。目前在國民經(jīng)濟各部門量應用的同步電機和繞線式轉子感應電機仍然采用有刷結構。而大中型異同步無刷通用交流電機具有廣闊的市場。無刷雙饋調速電機從根本上解決了無刷化問題，除了無刷可靠外，該類電機的另一個特點是兼有籠型、繞線式感應電機和電勵磁同步電機的共同優(yōu)點。通過簡單的改變控制繞組的聯(lián)接與饋電方式，可以方便的實現(xiàn)自啟動、異步、同步和雙饋等多種運行方式，使其竟既具有良好的啟動特性，又具有優(yōu)良的運行性能。1.3.4 無刷雙饋電機作為變速

30、恒頻交流發(fā)電機，應用于水力或風力發(fā)電系統(tǒng)時，可以大大提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。水力或風力發(fā)電機一般極數(shù)較多，特殊的運行工況對發(fā)電機的可靠性提出了很高的要求。近年來，將繞線式轉子感應電機用于交流了勵磁發(fā)電機的研究工作已引起國外眾多學者研究興趣，取得了學多研究成果并已成功的應用于生產(chǎn)實際。但繞線式感應電機具有電刷和滑環(huán)，可靠性差是其致命的弱點。無刷雙饋電機作為交流勵磁發(fā)電機，可以實現(xiàn)變速恒頻恒壓運行，特別適合于多極低速水力或風力發(fā)電系統(tǒng)。無刷雙饋電機的功率繞組用于發(fā)電，控制繞組用作交流勵磁，根據(jù)原動機的轉速變化調節(jié)勵磁電流的頻率便可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，通過改變勵磁電流的幅值和相位可以實現(xiàn)無功調節(jié)。因此在

31、水力和風力變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，無刷雙饋電機具有廣闊的應用前景。在我國，已經(jīng)將“交流勵磁變速發(fā)電機的研究”列為三峽工程水力發(fā)電機組技術急需進一步研究的幾項關鍵技術的首位。有理由相信，在對無刷雙饋的研究取得重大進展和突破以后，將其用于抽水蓄能電站機組以取代繞線式感應電機，從而提高電機的運行可靠性，也是無刷雙饋電機一個很有發(fā)展前景的應用領域。上述應用展示了無刷雙饋電機廣闊的應用前景。但是，任何事物都具有兩面性，無刷雙饋電機也有其固有的缺點。由于該種電機的定子同時嵌有兩套對稱的三相繞組，因此，與常規(guī)的交流電機相比，其功率密度較低，體積較大。但與串級聯(lián)接的兩臺感應電機相比，體積要小得多。在無刷雙饋調速系

32、統(tǒng)中，雖然電機的成本稍高一些，但所需變頻器容量和價格的下降，仍能使這個系統(tǒng)的成本大大降低。第二章 無刷雙饋電機轉子繞組的原理無刷雙饋電機定子上有兩套不同極對數(shù)繞制的繞組,分別流過不同頻率的三相對稱電流,氣隙中存在幾種不同極對數(shù)的磁場，與傳統(tǒng)電機相比有很大差異,采用傳統(tǒng)交流電機的基本理論難以解釋其轉矩產(chǎn)生的機理和電機能量的轉換過程。本章首先簡單介紹一下定子繞組的結構,然后討論轉子繞組的結構和原理。2.1 定子繞組的結構無刷雙饋電機的定子鐵芯即為一般異步電機鐵芯,但起定子繞組需要能在同一氣隙中產(chǎn)生兩種不同極對數(shù)的磁場。從理論上講，這種要求可以通過以下集中方法來實現(xiàn)：1、獨立的定子繞組：在定子上安排

33、兩套分別對應于兩種不同極對數(shù)的繞組；2、多并聯(lián)支路單套繞組：定子繞組每相有三個或三的倍數(shù)個并聯(lián)支路，通過部對不同相支路的連接，形成另一種極數(shù)的繞組；3、部交叉連接繞組：主要用于極對數(shù)的配合比率為“奇：偶”或“偶：奇”的情況；4、極幅調制（PAM）繞組：這種繞組每相有兩個并聯(lián)通路，通過對每相一半繞組中的電流反相來得到另一種極數(shù)的繞組。這種繞組適用于任何極數(shù)，但可能會導致調制后生成的極數(shù)下繞組的分布系數(shù)較低。由于方案3、4在實現(xiàn)過程中有很大的局限性,本文就根據(jù)方案1、2把無刷雙饋電機的定子繞組分為單繞組和雙繞組兩種方案。單繞組方案即從單一的定子繞組中引出兩個端口(如3Y),從不同端口看進去時,繞組

34、應呈現(xiàn)不同的極數(shù)和。這樣單一的定子繞組同時起到了主、副繞組的作用。兩種不同頻率的電流同時流入不同的端口時,在電機形成不同極數(shù)、不同轉速的旋轉磁場。設計的單定子繞組對于極和極必須是各自對稱的。對于單定子繞組的無刷雙饋電機來說，一套定子繞組應有6個出線端，分別作為工頻和變頻電源的入口，當兩個端口同時供電時，回產(chǎn)生兩個獨立的、不同極對數(shù)的旋轉磁場。為了是兩個電源互不干擾，由功率繞對極旋轉磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應電勢，應在對極控制繞組的3個出線端之間不出現(xiàn)電勢差，以避免控制端口通電時引起工頻電源的附加電流；同理，有控制繞組對極旋轉磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應電勢也應在對極功率繞組的出線端間不產(chǎn)生電勢差

35、，不引起變頻電源的附加電流。此外繞組在選擇線圈節(jié)距和線圈組排列時，須同時兼顧兩種極對數(shù)下消弱不必要的諧波的要求。根據(jù)這個原理，定子繞組需要采用多并聯(lián)支路方式進行連接，并盡可能使三相繞組實現(xiàn)最佳分布，圖2.1就是一臺36槽（6+2）極的無刷雙饋電機的一種繞組方案，該方案中采用的是120°相帶雙層分布疊繞組，從abc端口看進去時呈現(xiàn)2極，從ABC端口呈現(xiàn)6極。圖2.1 36槽（6+2）極的無刷雙饋電機的繞組方案之一雙繞組方案是采取在同一定子鐵心上安放兩套相對獨立繞組的方式。也是無刷雙饋電機在定子繞組設計中最為簡單的一種方法。由于兩套繞組相互獨立，可按各自要求選取最佳的繞組節(jié)距和繞組排列，

36、特別可有目的地消除某些諧波影響，使設計具有較大的選擇余地，定子繞組的設計具有靈活性。有上可知，采用單繞組的好處是定子槽和繞組的利用率高，銅損耗相對小些，單設計困難，不易得到主、副繞組兩全其美的方案。雙繞組方案雖然槽利用率低些，但設計容易，便于獲得主、副繞組之間較理想的耦合關系。2.2 轉子繞組的結構籠型無刷雙饋電機中不同極數(shù)定子磁場和之間的耦合是通過轉子磁勢波的調制作用實現(xiàn)的，提升轉子磁勢中有用的和次諧波分量，同時抑制其它次諧波就成為轉子結構設計的主要目標。根據(jù)前面的分析可知，若轉子導條數(shù)，由于齒槽的作用，轉子會同時產(chǎn)生兩個極對數(shù)分別為和對極的磁場，滿足對定子磁場的極對數(shù)轉換。但從電機設計的角

37、度來看，按此原則設計出的一些實用和對極組合，轉子所對應的導條數(shù)太少，轉子槽漏抗將很大，同時會出現(xiàn)大量諧波，將嚴重損壞電機的性能。因此在保證電機結構滿足機電能量轉換要求的前提下，還需采取措施減小轉子漏抗，優(yōu)化電機特性。從電機學可知，導條數(shù)為的鼠籠轉子可以看成是相的轉子繞組。從繞組的角度看，一個相繞組與根鼠籠導條的區(qū)別在于每相中線圈的分布。換言之，如果在不改變轉子繞組相數(shù)的條件下增加轉子的槽數(shù)，槽漏抗將大大降低，這樣在保證無刷雙饋電機運行原理對轉子結構基本要求的情況下，可以有效的優(yōu)化電機的運行特性。由于無刷雙饋電機具有自起動性能，因此不需要在轉子上裝設起動籠?？偟恼f來，轉子結構可分為磁組式和籠型兩

38、大類。圖2.2示出了無刷雙饋電機通常采用的4種轉子結構型式（其中）。在圖2.2中，#1轉子結構與常規(guī)的感應電機的籠型轉子相類似，如果不考慮短路籠條的作用，定子電流產(chǎn)生的不同極數(shù)的磁動勢可以在任何方向上隨意流動。然而在組同心式短路線圈的作用下，除恒定磁通外，交變磁通并不能只有流通。由于感應的轉子電流阻止磁通通過短路線圈，定子磁動勢在線圈中心線處遇到了較大的“磁阻”，而相鄰線圈組分界處的“磁阻”較小。#1轉子制造容易。#2轉子實際上就是用在常規(guī)同步電機上的普通凸極轉子，具有簡單可靠的結構且制造容易。然而它的所有磁極間并不是磁隔離的，既可認為是4極的也可認為是2極的，這取決于釘子邊的磁動勢極數(shù)。#3

39、轉子是帶磁隔離層的磁障轉子，目的在于增大交軸磁阻。該轉子并不能為2極磁動勢提供通路，是一個純粹的4極轉子。顯然該轉子制造工藝比較復雜。#4轉子是軸向疊片的ALA（Axially Laminated Anisotropic）磁阻轉子，在結構型式上可以認為是#3轉子的特例，該轉子比較難于制造。無論那種轉子結構，其作用均是通過“限定磁通路徑”，以產(chǎn)生交直軸方向的磁阻差別，從而使主副繞組產(chǎn)生不同極數(shù)的氣隙磁場得以調制，在已查閱到的有關無刷雙饋電機的國外文獻中，這幾種轉子均有采用，但#1、#3和#4號轉子用的較多。圖2.2 無刷雙饋電機常用轉子結構型式2.3 籠型轉子的“極數(shù)轉換器”作用以轉子為36槽的

40、（8+4）極無刷雙饋電機為例（主繞組極數(shù)，副繞組極數(shù)），采用“和調制”時，同心式轉子繞組的組數(shù)等于6。當其工作在雙饋調速運行時，主副繞組中不同頻率的電流將在電機中形成兩個不同極數(shù)、不同轉速的旋轉磁場時處于兩種極數(shù)磁場下的轉子槽電勢矢量圖如圖2.3所示。在圖2.3中，外環(huán)是相對于定子4極磁場的轉子槽電勢矢量，環(huán)是相對于定子8極磁場的轉子槽電勢矢量。外環(huán)上的矢量按相反方向編號是考慮到不同極數(shù)的兩個定子磁場相對于轉子按相反的方向旋轉。用黑體（加粗）標識的槽電勢（1，7，13，19，25，31）表示8極和4極磁場在這些導條中產(chǎn)生的感應電勢在任何瞬時都方向一致，所以這6個導條可以形成共用籠條。在兩個鄰近

41、導條（如1和7）之間的導條（即2，3，4，5，6），無論對于8極還是4極磁場，矢量+2和-6、+3和-5的合成矢量都處在同一方向上，所以2和6、3和5導條可以簡單地聯(lián)接成同心式短路線圈，對于8極和4極磁場這些短路線圈的作用是一樣的。合成矢量的位置相對于8極是+,相對于4極是-，這與兩個磁場相對于轉子按相反方向旋轉的關系是一致的。用類似方法聯(lián)接，可以形成6組同樣結構的同心式短路線圈。正好處于兩個鄰近導條中間的導體（標號帶方框的4，10，16，22，28，34），其8極和4極槽電勢矢量恰好方向相反，因此在這些槽中的導體不會起到有效作用，為省銅起見這些槽可空下不用。按此規(guī)律，36槽的導條可以形成6組

42、同樣結構的導條連接，從而得到了如圖2.4所示聯(lián)成的單5C42分布籠型轉子繞組。圖2.3（8+4）極無刷雙饋電機轉子槽電勢矢量（轉子槽數(shù)為36）圖2.4 （8+4）極無刷雙饋電機單層分布轉子繞組所謂電機轉子“極數(shù)轉換器”作用，就是靠圖2.4所示的特殊形式的轉子繞組結構實現(xiàn)定子兩套不同極數(shù)繞組之間的耦合關系。當電機雙饋運行時，副繞組中電流產(chǎn)生極磁場，在某一特定轉速下，轉子繞組切割這一磁場后在其各槽導體中產(chǎn)生轉子電流，由這些電流所產(chǎn)生的磁場也正好滿足在極繞組中產(chǎn)生同頻率速度電動勢的需要，從而實現(xiàn)電機的機電能量轉換。2.4繞線型轉子結構如圖2.3所示籠型轉子雖然能耦合傳遞主、副繞組的磁場作用，其主要的

43、理論依據(jù)是p、q對極磁場在同心線圈產(chǎn)生同相位電勢，這些線圈得以利用，但去掉了電勢不同相的導條。顯然，這種籠型轉子繞組系數(shù)低，諧波含量大，造成電機效率與過載能力低。單一極的對數(shù)的繞線形轉子，其諧波系數(shù)可有效的控制，繞組系數(shù)也可以確定，如果既保證上述特征，又能耦合傳遞主、副繞組磁場的關系。那么繞線型轉子將大大改善無刷發(fā)電機的性能。這種轉子繞組換相法變極獲得。這種新型轉子繞組接線方式更靈活，可利用交流電機繞組理論對對p和q兩種極對數(shù)選擇、磁勢相對轉向、繞組分布系數(shù)、諧波含量等進行“人工”控制設計，因而用于無刷雙饋電機可能更好的性能。60°相帶繞組由于分布系數(shù)教大、諧波含量較少和接線簡單是三

44、相電機中性能最好的繞組。用對稱軸線法換向變極。以2p=6,2q=2,槽數(shù)為36的轉子繞組為實例。其中，6極和2極都為60°相帶。36槽6極60°相帶繞組三相所占的槽號：由此畫出按2極相位排列的6極三相槽號表和變后極的三相相位圖： 變前極每相三段槽號為：A相：1，2，-19，-20；13，14，-31，-32；25，26，-7，-8。B相：5，6，-23，-24；17，18，-35，-36；29，30，-11，-12。C相：9，10，-27，-28；21，22，-3，-4；33，34，-15，-16。 變后極每相三段螬號為：a相：1，2，-19，-20；5，6，-23，-24

45、；-21，-22，3，4。b相：-32，-31，14，13；17，18，-35，-36；-33，-34，15，16。c相：-8，-7，26，25；-12，-11，29，30；-9，-10，27，28。依據(jù)“變極”原理設計無刷電機轉子繞組基本思想仍源于由兩臺轉子繞組做反相序串極聯(lián)結繞線型感應電機構成的雙饋調速機組，其原理上可看成兩套極對數(shù)不同，反相序聯(lián)結的多相子繞組構成。當然，如果只是簡單將兩者加以連接，那么轉子槽導體的實際利用率很難高于現(xiàn)有籠型繞組的。為提高轉子槽導體的實際利用率，還必須使得轉子槽導體做到“來復利用”，使得同一套繞組對兩種極數(shù)既能感應電勢又能互相作為激磁源。若實現(xiàn)上述構想，必須

46、還要有能具體實現(xiàn)的接線方式。為此，筆者提出可用于無刷雙饋電機的“變級”繞線轉子繞組的一種接線方式。如圖2.5所示。圖2.5 p/q,3Y/3Y換相變極異極反相序串聯(lián)接的轉子繞組 從圖2.5可以看出，這種接線方式的基本部分是變極比為p/q的3Y并聯(lián)接法換相變極繞組。這個3Y并聯(lián)接法換相變極繞組有分為兩組的6個出現(xiàn)端，每組3個出線端，標記為pa、pb、pc和qa、qb、qc,分別對應p對極和q對極，兩組出線頭之間反相序關系聯(lián)結，即pa和qc、pb和qb、pc和qc分別聯(lián)結。 采用上述聯(lián)結的工作原理如下。參見圖2.4，用于定子的極對數(shù)為p和q的3Y并聯(lián)接法換相變極繞組，如果出線端pa、pb、pc接如

47、三相電源，出線端qa、qb、qc,懸空，則呈現(xiàn)P對極；反之，如果在出險端qa、qb、qc，接如三相電源，出線端pa、pb、pc懸空，則呈現(xiàn)q對極?，F(xiàn)在將3Y并聯(lián)接法換相變極繞組用于轉子繞組，并且按無刷雙饋電機理論要求將出線端pa、pb、pc和qa、qb、qc作異極反相序聯(lián)結。這樣，當定子上放置有極對數(shù)分別為p和q的兩套三相繞組時，若將極對數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，轉子繞組因為出險線端pa、pb、pc和qa、qb、qc反相序聯(lián)接，這時在定子p對極旋轉磁場下感應產(chǎn)生的轉子電流，除因從出線端pa、pb、pc流出使轉子繞組產(chǎn)生p對極旋轉磁勢外，還因注入到出線端qa、qb、qc使轉子繞組產(chǎn)生相對p對極

48、反相旋轉的q對極磁勢。同樣，當極對數(shù)為q定子繞組接入變頻電源時，轉子繞組也既能產(chǎn)生q對極旋轉磁勢，又能產(chǎn)生反相旋轉的p對極旋轉磁勢。這樣，當極對數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，同時在極對數(shù)為q的定子繞組接入變頻電源，兩套定子繞組通過轉子相互作用，調節(jié)變頻電源頻率，將可以如同常規(guī)無刷雙饋電機一樣進入變頻調速工作狀態(tài)。 值得注意的是，與通常的籠型轉子繞組相比較，本文轉子繞組同時產(chǎn)生p和q對極這兩個旋轉方向相反磁勢的機理是有所不同的，通?；\型轉子繞組的p和q對極磁勢是一樣導體中流過電流產(chǎn)生的，而繞線型轉子繞組則是雜原理上看作是兩套不同極對數(shù)的三相繞組反相序串聯(lián)而成，每套繞組導體只產(chǎn)生一種極對數(shù)的磁勢。只

49、是因為利用了3Y并聯(lián)接法換相變極繞組的特點，使轉子繞組導體得到重復利用，一套繞組就可以完全達到兩套繞組的效果。顯然，與通常無刷雙饋電機中籠形結構轉子繞組相比較，繞線型轉子繞組有更多的特點：籠形轉子繞組因為結構的限制，同時產(chǎn)生的極對數(shù)p和q只能是倍極比的關系，而繞線型轉子繞組的極對數(shù)p和則是可以任意選擇的；籠形轉子繞組無論是對于極對數(shù)p或是q，繞組分布系數(shù)都不太高，諧波含量也較高，這直接限制了其應用，而本文利用換相變極繞組理論，可以使兩種極數(shù)下的繞組分布系數(shù)都得到提高，諧波含量則可降低；籠形轉子繞組所產(chǎn)生的極對數(shù)p和q的繞組有效匝數(shù)比更難加以調整，繞線型轉子繞組接線方式要靈活的多，極對數(shù)p和q繞

50、組有效匝數(shù)比可以根據(jù)需要任意調整。以實例說明上述連接。圖2.6所示為2p=6,2q=2,槽數(shù)為36的轉子繞組實例。其中6極和2極都為60°相帶，且都為3Y接法。圖2.6 36槽的繞線型轉子繞組第三章 建立籠型轉子繞組諧波磁勢計算模型3.1 “安導波”的概念與其與磁勢的關系電機繞組最基本的特征之一是通以電流便產(chǎn)生磁場，因而沿氣隙周圍分布著磁勢。所謂氣隙周圍某點的磁勢就是指該點的氣隙磁壓降。我們把這種磁勢稱為繞組磁勢。電機繞組的中心容就是研究繞組磁勢的分布、變化規(guī)律與其相對大小。 電機繞組是由一些沿電機氣隙周圍分布的導體以某種方式連接在一起而形成的。當繞組通以電流時，沿氣隙周圍就出現(xiàn)了電

51、流層。所謂“安導波”就是來描述這個電流層的分布情況。其意義是：以單層繞組為例，設氣隙周圍上某一槽口寬度為（弧度）即的槽嵌有根導體，每根導體有電流（安），假定電流均勻分布于槽口上，則氣隙周圍該寬度上的安導強度為（安/弧度）。如果是雙層繞組，則應為上、下層安導的代數(shù)和（上、下層電流方向一樣時相加，否則相減）。顯然，在齒頂處的安導強度應為零。由此可知“安導波”嚴格的說應為“安導強度分布波”，實際上就是沿氣隙周圍的電流層強度分布波，也叫電流負荷分布波。用來代表安導波，其中變量的單位是弧度，全圓周是。 如果認為槽的安導集中在槽口正中一點上，則而。這時每個槽產(chǎn)生的安導波變成一個脈沖函數(shù)，該函數(shù)沿氣隙周圍的

52、積分等于槽的安導。 根據(jù)上述安導波的意義可見，安導波沿氣隙周圍某一段弧的積分等于該段弧上的凈有總安導，即該段弧上所有各槽安導的代數(shù)和。 現(xiàn)取氣隙圓周上磁場強度為零的一點作為坐標原點。通過原點和坐標為的任意一點取一閉合回路如圖3.1中的虛線所示。則從全電流定律可知，沿閉合回路的總磁壓降應等于回路的總電流，即安導波沿弧段的積分為。于是，由于點的磁場強度為零，隨之該點的氣隙磁壓降等于零，在假定鐵心的相對磁導率為無窮大，因而鐵心中的磁壓降就等于點處氣隙的磁壓降，稱為點的磁勢，用符號表示。這樣可得磁勢波和安導波之間的關系為（3-1）圖3.1 磁勢和安導的關系3.2 單根導體的磁勢計算 如上所述，電機繞組

53、是由導體構成的，因此只要首先分析單根導體的安導波和磁勢波，就可以進一步得出整個繞組的安導波和磁勢波。 首先我們來求單根導體的安導波（這里所說的單根導體也可以看作是由線圈組成的單邊線圈）。設有單根導體嵌于槽中，并通過電流（瞬時值，有正、負，以流出紙面為正）如圖3.2a）所示，則可畫出該導體產(chǎn)生的安導波如圖3.2b）中的實線矩形波?，F(xiàn)把該波分解為兩個分量：一是沿周圍的平均值（圖3.2b中的虛線），另一個是圖3.2c）所示的曲線。其中，平均值對整個周圍來說是一個常數(shù)，稱為常數(shù)分量，其大小與電流成正比。在實際電機中，決大多數(shù)是從電機的同一個端部出線，當沿繞組首端至末端行進時，由某一導體進入，必從另一導

54、體出來，因此所有導體電流瞬時值的代數(shù)和必為零。這就是說從整個繞組來看，單根導體產(chǎn)生的安導波中的常數(shù)分量恰好互相抵消，合成結果為零。正因為這樣，在分析單根導體的安導波時可以不考慮常數(shù)分量，并不影響對整個繞組的分析結果。 如上分析，可把圖3.2c）曲線當作單跟導體的安導波。把坐標原點取在槽口的正中，按傅立葉級數(shù)展開的單根導體的安導波式中表示諧波的極對數(shù)，即=1的諧波波長等于整個圓周。在下面的分析中，我們用來表示相對于基波的“次數(shù)”，即，次諧波的極對數(shù)為。本文中的“對極諧波”和“次諧波”是兩種不同的表示方法，要注意區(qū)別。由圖3.2c）可得出對極諧波的幅值為圖3.2 單根導體的安導波由此可得單根導體產(chǎn)

55、生的安導波為（3-2）其中決定于槽口寬度，成為對極諧波的槽口系數(shù)，假設電流集中于槽口正中一點，即時，則故得（3-3）由式（3-1）和（3-3）可得單根導體的磁勢波（3-4）3.3 單個線圈的磁勢計算 大多數(shù)電機繞組都是由匝數(shù)一樣、節(jié)距相等的線圈構成，稱為“等元件繞組”，對這種繞組，以線圈為基本單元來分析繞組較為簡單。圖3.3 單個線圈的安導波設有匝數(shù)的單個線圈嵌于相距（弧度）的兩個槽中，如圖3.3a）所示。則當電流（瞬時值，有正、負，以圖中所示方向為正）通過線圈時，可得出圖3.3b）所示的安導波。把坐標原點取在該線圈的軸線上，有式（3-3）可得線圈邊1和線圈邊2的安導波分別為；。 由此可的整個線圈的安導波為故得單個線圈的安導波（3-5）式中的（3-6）為對對極諧波說的線圈短距系數(shù)。. 已知安導波則從式（3-1）可得單個線圈產(chǎn)生的磁式波為省掉與無關的常數(shù)項，則表征磁勢諧波分量為（3-7） 將前面敘述的代入上式，則其中（3-8）式中和分別為線圈節(jié)距和極距，用一樣單位表示?，F(xiàn)在來證明式（3-8），證明如下：因為，所以，即的出式（3-8）。 設電機極距為，以槽數(shù)計算時極距為（槽）當時，稱為整距繞組；當或時，分別稱為長距或短距繞組。為了改善電勢波形以與節(jié)省材料，通常采用短距繞組。當時，式中為導體電流的有效值，為電流的角頻率，并且把空間坐標（機械弧度）用對基波的電角度表示，則單個線圈磁勢的表