無(wú)刷雙饋電機(jī)

1、無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率分析,無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Doubly-Fed Machine,BDFM）作為近年發(fā)展起來(lái)的一種新型交流調(diào)速電機(jī)，它由兩套相互獨(dú)立的定子繞組（功率繞組和控制繞組）和特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子組成，利用可逆變頻器調(diào)節(jié)控制繞組的電源頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)BDFM的轉(zhuǎn)速控制。BDFM具有無(wú)電刷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、變頻器容量小、功率因數(shù)可控制、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)交、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，在大型水泵、風(fēng)機(jī)調(diào)速和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。,無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展歷史,BDFM由級(jí)聯(lián)異步電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)，級(jí)聯(lián)式雙饋電機(jī)由兩臺(tái)同軸串級(jí)而成，如圖1所示:,它是由兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)同軸

2、串級(jí)連接而構(gòu)成，具有兩套磁路彼此無(wú)關(guān)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，控制繞組由變頻電源供電，功率繞組直接由電網(wǎng)供電，改變控制繞組的供電頻率就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度。上世紀(jì)初Hunt和后來(lái)的Wallace等人在此基礎(chǔ)上，提供出在單一鐵心中安放兩套定子繞組的無(wú)刷雙饋電機(jī)模型，如圖2所示:,其中功率繞組的極對(duì)數(shù)為Pp，直接連接電網(wǎng)，頻率為fp；控制繞組極對(duì)數(shù)為Pc，由變頻電源供電，頻率為fc。由于定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用合理的設(shè)計(jì)，使得兩套定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)只能通過(guò)轉(zhuǎn)子間接耦合；同時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換，分別與定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)匹配，因此無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理與級(jí)聯(lián)式電機(jī)的原理相同。,無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速分析,電機(jī)在

3、雙饋運(yùn)行時(shí)，定子磁路中同時(shí)存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，它們的基波并不交鏈，分別在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，共同維持電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，具體分析如下： 當(dāng)功率繞組電源正相序聯(lián)接，控制繞組通過(guò)變頻器反相序聯(lián)接時(shí)，它們產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反，同步轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖3（a）：,a)反相序,（1）,（2）,設(shè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是 ，則這兩個(gè)定子磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率分別為：,（3）,（4）,它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流在電機(jī)磁路中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,（5）,而相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速是： + = ;它與功率繞組電流建立的磁場(chǎng)同步，因此，它們相互作用會(huì)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，頻率為 的電流，也會(huì)通過(guò)與功率繞組極數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)

4、子導(dǎo)體，它產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為:,（6）,它與功率繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用也會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。若得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，這兩個(gè)磁場(chǎng)必須同步旋轉(zhuǎn)，比較式（5）和（6），轉(zhuǎn)子電流頻率必須相等，即,當(dāng)頻率為 的電流，通過(guò)與功率繞組極數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：,(7),同理，頻率為 和 的電流也會(huì)通過(guò)與控制繞組極數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，只有在滿足式（7）的條件下，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與控制繞組電流建立的磁場(chǎng)才會(huì)同步，相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而維持電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。 因此，聯(lián)立解式（1）（4）、（7），可得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速,(8),當(dāng)功率繞組電源正相序連接，控制繞組通過(guò)變頻器

5、也正相序聯(lián)接時(shí)，同理可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:,可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組的頻率 ，可以很方便的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng) =0時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速稱(chēng)為自然同步轉(zhuǎn)速；低于自然同步轉(zhuǎn)速時(shí)，稱(chēng)為亞同步調(diào)速；高于自然同步轉(zhuǎn)速時(shí)稱(chēng)超同步調(diào)速。,(9),無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率分析,電機(jī)在雙饋運(yùn)行時(shí)，功率繞組和控制繞組都會(huì)為負(fù)載提供電磁功率，此時(shí)，電機(jī)的等效電路如圖4。,其中參數(shù)下標(biāo)為p的電路是功率繞組對(duì)應(yīng)的定子等效電路；下標(biāo)為c的是控制繞組對(duì)應(yīng)的定子等效電路；參數(shù)下標(biāo)為s的部分是沒(méi)有經(jīng)過(guò)折算的轉(zhuǎn)子實(shí)際等效電路。分析轉(zhuǎn)子等效電路，功率繞組通過(guò)氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率為:,（10）,控制繞組提供給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率為:

6、,（12）,轉(zhuǎn)子回路的功率平衡方程為:,（11）,由于此時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗相對(duì)很小，為了分析方便將其忽略，式（12)簡(jiǎn)化為:,（13）,由式（13）可知，功率繞組和控制繞組提供轉(zhuǎn)差功率大小相等，而功率流向相反，它們互相平衡，即,（14）,根據(jù)轉(zhuǎn)差功率與電磁功率的關(guān)系，可以求出功率繞組和控制繞組提供的電磁功率分別為,（15）,（16）,兩個(gè)繞組通過(guò)氣隙傳遞的總電磁功率為:,(17),忽略轉(zhuǎn)子銅耗和空載損耗時(shí)，總的電磁功率全部作為機(jī)械功率輸出，即,(18),當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，功率繞組和控制繞組電磁功率的分配關(guān)系為,(19),(20),聯(lián)立式（8）、（9）和轉(zhuǎn)差率的定義，可以解得功率繞組和控制繞組的轉(zhuǎn)差率分別為,（22）,（21）,功率繞組和控制繞組電源同相序時(shí)，式（21）、（22）中取負(fù)號(hào)，反之取正號(hào)。,(23),(24),由式（23）（24）可知，定子繞組提供的電磁功率與電源頻率成正比。如果電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它在啟動(dòng)時(shí)，功率繞組和控制繞組電源頻率相等，此時(shí)功率繞組提供的電磁功率達(dá)到最大值，變頻器的容量將較大。為了降低控制繞組變頻器的容量，