无刷双馈电机

无刷双馈电机的转速和功率分析•无刷双馈电机（BrushlessDoubly-FedMachine,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。无刷双馈电机的发展历史•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:•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。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）：160pppfnpa)反相序（1）（2）160cccfnp设转子的旋转速度是，则这两个定子磁场在转子中感应电动势的频率分别为：（3）1()60prpprnnpf1()60crccrnnpf（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。rn（5）160prpprprpfnnnp而相对于定子的转速是：+=;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:pprnrn1pn60crpcrpfnp（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crf当频率为的电流，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：prf(7)prcrff同理，频率为和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prfcrf60()pcrpcffnpp(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:可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频率，可以很方便的调节电机转速。当=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。60()pcrpcffnpp(9)cfcf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:222cospspsspmEI（10）控制绕组提供给转子的转差功率为:222coscscsspmEI（12）转子回路的功率平衡方程为:2222pscssppmIr（11）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:0pscspp（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pscssppp（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spemppps（15）scemcpps（16）两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为:cpempemcemspcssppppss(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功率输出，即2empp(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2cpemcpsppss(19)2pcemcpsppss(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()pccppppcfpfpsfpp（22）()()pccpccpcfpfpsfpp（21）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。(23)2ppempcfppff(24)2pcempcfppff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。由式（19）~（22），可得（电源同相序取“+”，逆相序取“—”）