无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究(编辑修改稿)

无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究(编辑修改稿)内容摘要：

电阻上消耗的电功率。 从串极电机的运行过程来看，如果改变第二台电机外接电阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就会发生变化。 在 NP 一定的前提下，机组的转差率将发生变化，电机转速随之发生改变。 由于电机采用这种串极方法时可以取消滑环和电刷，并在一定范围内调速，人们曾经将两台电机的定转子安装在同一机座内，使串极电机从外观上看是一台电机从而减小机 组的体积和提高运行性能，以 Hunt 和 Creedy 为代表的研究者将两个转子合二为一构成一个公用转子，并采用了较以往电机更为先进可行的理论对定子绕组进行重新设计，使之具有一套转子绕组、一套能产生不同极数的定子绕组，且具有一个共同的磁路的单一机组，这就是无刷双馈电机的原型。 但由于受当时技术调节限制，该电机未能投入实用研究。 进入 70 年代后，交流电机的变频调速技术得到了较快的发展，在各行业发挥了越来越大的作用。 但随之而来的变频器的高成本、谐波污染等问题也受到了关注。 研究者发现在串极电机运行时，当机组的转差 率发生变化，第二台电机的定子电流频率也会随之改变。 反之，如果改变第二台电机定子绕组的电流频率，电机的转速也将发生变化，且由于通过第二台电机定子绕组的是转差功率，功率大小与调速范围直接相关。 在电机调速范围不大的情况下，该功率远小于由第一台电机的定子绕组输入的功率。 这样，将变频器代替第二台电机定子所接的电阻，就可采用较小容量的变频器来控制电机的转速。 因此，在 70 年代后期，单一机组串极电机的研究又吸引了很多研究者的注意。 对于电机本体，以 Braodway 为代表的研究者们在 Hunt 发明的电机结构基础上进行了较大改进。 他们在满足无刷双馈电机对转子磁场要求的前提下，将相调制理论应用到极变换绕组，使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极对数磁场，简化了定子绕组。 转子采用了类鼠笼式结构，这些成果将自串极无刷异步电机理论向前推进了一步，得到了目前被称为无刷双馈电机的典型结构形式（如图 所示）。 其中在气隙中产生 p 极对数磁场的绕组连接称为功率绕组，在气隙 5 中产生 cp 极对数磁场的绕组连接称为控制绕组。 八十年 代后，双励磁磁组式电机成为无刷双馈电机研究的又一个新分支。 随着新型电力电子器件和微处理器的飞速发展，各种交流电机的控制策略如标量控制、转子磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等也都开始应用于无刷双馈电机，这一切使无刷双馈电机及其系统的研究呈现出了新的热潮，促使无刷双馈电机从实验室研究阶段迈向实用化应用阶段。 无刷双馈电机的研究意义 无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，其结构和运行原来与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三相 绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁组型的结构，取消了电刷和滑环。 通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。 如果改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。 无刷双馈电机是在上世纪初 Hunt 提出的自级联感应电机的基础上发展起来的，一些学者对该类电机进行了进一步的研究和完善，至上世纪 80年代末 90 年代初发展成为无刷双馈变频调速电机。 无刷双馈变频调速电机与转子接串调或双馈装置的绕组电机相似，可以用较小容量 的变频器对较大功率的电机进行调速，特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速，是一种很有希望的中压节能调速方案。 无刷双馈电机不但和笼型转子或磁组型转子感应电机一样，取消了电刷和滑环，提高了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，而且具有良好的启动和运行性能，并可方便的实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式。 对该种电机的研究和开发可望有效解决制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关键技术问题，以及水力，风力发电系统的恒频变速问题，因此，对无刷双馈电机进行深入的研究具有十分重要的意义。 无刷双馈电机作为变 频调速电机，当应用于大容量的电气传动系统时，由于变频器的容量大大减小，从而可以大大降低调速系统的成本。 在许许多多的生产应用领域，如发电厂和钢铁企业中，水泵和通风机等负载面广量大，如果采用交流变频调速装置替代阀门，挡板来调节流量，可获得很好的节能效果。 然而，不幸的是在风机泵类负载中采用普通的变频调速系统，尽管可以起到良好的节能效果，但是存在的最大问题是变频器（特别是大中容量的变频器）的价格太高，往往使大中型电机的变频调速变得可望不可及，有些观点认为，大中型电机采用变频调速后，无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究 6 一次性投资成本的利息比由节能所 省下的钱还多。 因此，如何降低所需变频器容量从而降低整个调速系统的成本成为在更大范围内推广变频调节节能技术的关键所在。 在变频调速系统中一般采用笼型感应电机，由于所需变频器的容量大于电机的额定功率，而变频器的价格一般要高出同容量电机的 3~4 倍，因此整个调速系统的成本很高，从而限制了该类变频调速系统在更大范围内的推广应用。 近些年来，一些学者对绕线式感应电机转差频率控制系统 —— 有刷双馈调速系统进行了分析和研究，由于该类调速系统可以通过控制转差功率的转子电流来实现电机的调速，因此所需变频器的容量只是有定子绕组提供 给系统的功率的一小部分。 在风机和泵类负载中，一般调速范围在70~100%额定转速之间，所需变频器的功率很小，因此绕线式感应电机双馈调速驱动系统与笼型电机的变频调速系统相比只需一个较小的变频器，因而大大降低了变频器的容量和造价，减小了调速系统的成本。 但是，绕线式感应电机具有电刷和滑环，其运行的可靠性差，需要经常维护，特别在某些易燃易爆和多灰的场合难以推广应用。 当采用无刷双馈电机调速系统时，承担主要输入电功率的定子功率绕组可以直接由工频电网供电，而变频器只需为定子控制绕组提供“转差功率”，不仅降低了调速系统的 成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性。 无刷双馈变频调速系统与其他调速系统相比，具有以下突出优点： 1) 通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本； 2) 功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标； 3) 与有刷双馈和串调系统相比，取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性； 4) 即使在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状态下； 5) 电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。 用无刷双馈电机取 代常规的高压感应电机，可以有效解决高压电机变频调速系统中存在的技术难题。 实现高压电机的变频调速一般有两种方法：一种是采用高压变频器；另一种是采用高 — 低 — 高变频方案。 当采用高压直接变频时，由于需要采用多器件的串并联，线路复杂，技术难度大，系统的可靠性差，而且高压变频器的价格比同容量的普通低压变频器要高得多；当采用高 — 低 — 高变频方案时，需要先用降压变压器把高压变为低压，经低压变频后，再用生压变压器生压，该方案的优点是可采用普通的低压变频器，缺点是多了两台同容量的变压器，增加了调速系统的成本。 如果采 用无刷双馈电机的调速系统，功率绕组可以由高压电源供电，控制绕组由 7 普通的低压变频器供电，则高压电机变频调速系统存在的上述问题可以得到有效的解决。 作为异步和同步通用的电机，无刷双馈电机可以实现无刷化和通用化，既具有感应电机良好的自启动性能，又具有同步电机优良的运行性能。 目前应用于工农业生产中面大量广的交流电机主要是同步电机和感应电机，由于电机结构上的差异，同步电机和感应电机一般是不能兼用的，而它们各有自己的优缺点。 同步电机和绕线式感应电机都采用电刷和滑环来实现转子绕组与外部电路的连接，由于滑动触头和电 刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用。 此外滑动接触容易产生火花，从而限制了有刷电机在含有易燃和易爆气体的饿环境中的应用。 普通笼型感应电机虽然结构简单，但是它又不如绕线式转子感应电机的控制那么方便，也不如同步电机的运行性能指标高。 因此，开发研制一种集各种电机优势，既无刷化（坚固可靠）又通用化（能实现多种运行方式）的新型交流电机是电机的一个重要发展方向，也是当前我国电机制造业亟待解决的一项重大技术难题，目前在部分同步电机中采用的无刷励磁虽然取消了滑环和电刷，但并未使电 机的到简化，而是将励磁控制元件固定在转子上随电机一起旋转，增加了电机结构的复杂性和制造成本，并未从根本上解决电机的运行可靠性问题，因为随转子一起高速旋转的电子元件和控制电路增加了转子运行的不可靠因数。 永磁电机虽然可以实现无刷化，但是由于其励磁不能调节从而限制了它的应用范围。 目前在国民经济各部门中大量应用的同步电机和绕线式转子感应电机仍然采用有刷结构。 而大中型异同步无刷通用交流电机具有广阔的市场。 无刷双馈调速电机从根本上解决了无刷化问题，除了无刷可靠外，该类电机的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁 同步电机的共同优点。 通过简单的改变控制绕组的联接与馈电方式，可以方便的实现自启动、异步、同步和双馈等多种运行方式，使其竟既具有良好的启动特性，又具有优良的运行性能。 无刷双馈电机作为变速恒频交流发电机，应用于水力或风力发电系统时，可以大大提高发电系统的可靠性。 水力或风力发电机一般极数较多，特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了很高的要求。 近年来，将绕线式转子感应电机用于交流了励磁发电机的研究工作已引起国内外众多学者研究兴趣，取得了学多研究成果并已成功的应用于生产实际。 但绕线式感应电机具有电刷和滑环，可靠 性差是其致命的弱点。 无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究 8 无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适合于多极低速水力或风力发电系统。 无刷双馈电机的功率绕组用于发电，控制绕组用作交流励磁，根据原动机的转速变化调节励磁电流的频率便可实现变速恒频发电，通过改变励磁电流的幅值和相位可以实现无功调节。 因此在水力和风力变速恒频发电系统中，无刷双馈电机具有广阔的应用前景。 在我国，已经将“交流励磁变速发电机的研究”列为三峡工程水力发电机组技术急需进一步研究的几项关键技术的首位。 有理由相信，在对无刷双馈的研究取得重大进展和突破以后，将其 用于抽水蓄能电站机组以取代绕线式感应电机，从而提高电机的运行可靠性，也是无刷双馈电机一个很有发展前景的应用领域。 上述应用展示了无刷双馈电机广阔的应用前景。 但是，任何事物都具有两面性，无刷双馈电机也有其固有的缺点。 由于该种电机的定子内同时嵌有两套对称的三相绕组，因此，与常规的交流电机相比，其功率密度较低，体积较大。 但与串级联接的两台感应电机相比，体积要小得多。 在无刷双馈调速系统中，虽然电机的成本稍高一些，但所需变频器容量和价格的下降，仍能使这个系统的成本大大降低。 9 第二章 无刷双馈电机转子绕组的原理 无刷双馈 电机定子上有两套不同极对数绕制的绕组 ,分别流过不同频率的三相对称电流 ,气隙中存在几种不同极对数的磁场，与传统电机相比有很大差异 ,采用传统交流电机的基本理论难以解释其转矩产生的机理和电机能量的转换过程。 本章首先简单介绍一下定子绕组的结构 ,然后讨论转子绕组的结构和原理。 定子绕组的结构 无刷双馈电机的定子铁芯即为一般异步电机铁芯 ,但起定子绕组需要能在同一气隙中产生两种不同极对数的磁场。 从理论上讲，这种要求可以通过以下集中方法来实现： 独立的定子绕组：在定子上安排两套分别对应于两种不同极对数的绕 组； 多并联支路单套绕组：定子绕组每相有三个或三的倍数个并联支路，通过内部对不同相支路的连接，形成另一种极数的绕组； 内部交叉连接绕组：主要用于极对数的配合比率为“奇：偶”或“偶：奇”的情况； 极幅调制（ PAM）绕组：这种绕组每相有两个并联通路，通过对每相一半绕组中的电流反相来得到另一种极数的绕组。 这种绕组适用于任何极数，但可能会导致调制后生成的极数下绕组的分布系数较低。 由于方案 4 在实现过程中有很大的局限性 ,本文就根据方案 2 把无刷双馈电机的定子绕组分为单绕组和双绕组两种方案。 单绕组方 案即从单一的定子绕组中引出两个端口 (如 3Y),从不同端口看进去时 ,绕组应呈现不同的极数 p2 和 q2。 这样单一的定子绕组同时起到了主、副绕组的作用。 两种不同频率的电流同时流入不同的端口时 ,在电机内形成不同极数、不同转速的旋转磁场。 设计的单定子绕组对于 p2 极和 q2 极必须是各自对称的。 对于单定子绕组的无刷双馈电机来说，一套定子绕组应有 6 个出线端，分别 作为工频和变频电源的入口，当两个端口同时供电时，回产生两个独立的、不同极对数的旋转磁场。 为了是两个电源互不干扰，由功率绕 p 对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势，应在 cp 对极控制绕组的 3个出线端之间不出现电势差，以避免控制端口通电时引起工频电源的附加电流；同理，有控制绕组 cp 对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势也应在 p 对极功率绕组的出线 端间不产生电势差，不引起变频电源的附加电流。 此外绕组在选择线圈节距和线圈组排列时，须同时兼顾两种极对数下消弱不必要的谐波的要求。 根据这个原理，定子绕组无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究 10 需要采用多并联支路方式进行连接，并尽可能使三相绕组实现最佳分布，图 就是一台 36 槽 （ 6+2） 极的无刷双馈电机的一种绕组方案，该方案中采用的是 120176。 相带双层分布叠绕组，从 abc 端口看进去时呈现 2 极，从 ABC 端口呈现 6 极。 图 36 槽（ 6+2）极的无刷双馈电机的绕组方案之一 双绕组方案是采取在同一定子铁心上安放两套相对独立绕组的方式。 也是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法。 由于两套绕组相互独立，可按各自要求选取最佳的绕组节距和绕组排列，特别可有目的地消除某些谐波影响，使设计具有较大的选择余地，定子绕组的设计具有灵活性。 有上可知，采用单绕组的好处是定子槽和绕组的利用率高，铜损耗相对小些，单设计困难，不易得到主、副绕组两全其美的方案。 双绕组方案虽然槽利用率低些，但设计容易，便于获得主、副绕组之间较理想的耦合关系。 转子绕组的结构 笼型无刷双馈电机中不同极数定子磁场 p2 和 cp2 之间的耦合是通过转子磁势波的调制作用实现的，提升转子磁势中有用的 p2 和 cp2 次谐波分量，同时抑制其它次谐波就成为转子结构设计的主要目标。 根据前面的分析可知，若转子导条数 cp ppQ 2 ，由于齿槽的作用，转子会同时产生两个极对数分别为 p 和 cp 对极的磁场，满足对定子磁场的极对数转换。 但 从电机设计的角度来看，按此原则设计出的一些实用 p 和 cp 对极组合，转子所对应的导条数太少，转子槽漏抗将很大，同时会出现大量谐波，将严重损 11 坏电机的性能。 因此在保证电机结构满足机电能量转换要求的前提下，还需采取措施减小转子漏抗，优化电机特性。 从电机学可知，导条数为 2Q 的鼠笼转子可以看成是 2Q 相的转子绕组。 从绕组的角度看，一个 2Q 相绕组与 2Q 根鼠笼导条的区别在于每相中线圈的分布。 换言之，如果在不改变转子绕组相数的条件下增加转子的槽数，槽漏抗将大大降低，这样在保证无刷双馈电机运行原理对转子结构基本要求的情况下，可以有效的优化电机的运行特性。 由于无刷双馈电机具有自起动性能，因此不需要在转子上装设起动笼。 总的说来，转子结构可分为磁组式和笼型两大类。 图 示出了无刷双馈电机通常采用的 4种转子结构型式（其中 4rp ）。 在图 中， 1 转子结构与常规的感应电机的笼型转子相类似，如果不考虑短路笼条的作用，定子电流产生的不同极数的磁动势可以在任何方向上随意流动。 然而在 rp 组同心式短路线圈的作用下，除恒定磁通外，交变磁通并不能只有流通。 由于感应的转子电流阻止磁通通过短路线圈，定子磁动势在线圈中心线处遇到了较大的“磁阻”，而相邻线圈组分界处的“磁阻”较小。 1 转子制造容易。