電氣自動化————無刷雙饋電機結構設計分析(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 運行特性提供了一種簡便的工具，而且對于完善該種電機的設計手段、分析方法和仿真計算等都具有重要的指導意義。 (2)無刷雙饋電機特性仿真與參數計算方法的研究現狀?，F代化的仿真技術是研究和設計新型電機的一種有效的途徑和方法，通過仿真研究可以預測所設計電機的各種瞬態和穩態性能，為進一步改進電機設計、提高電機性能提供依據，特別是對于結構和原理上與常規電機相比具有較大不同的新型無刷雙饋電機，仿真研究尤為重要。在無 刷雙饋電機的性能仿真研究領域，國內外學者做了許多工作。分別建立了同步和雙饋運行的無刷雙饋電機在 dq0坐標系統中的數學模型，并進行了仿真研究。而且還建立了無刷雙饋電機在dq0 坐標系下的通用數學模型，并給出了不同運行方式下的動態仿真結果?？梢钥闯?，現有的無刷雙饋電機的數學模型大多建立在 dq0坐標系基礎之上，雖然參數計算簡單一些，但模型中的電壓、電流等狀態變量與電機繞組中的中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 5 頁 實際電壓電流不同，計算值需要通過坐標變換方可與測試值相比較，另外，其電壓、電流變量也不能與變頻器電壓、電流變量直接耦合，給變頻器 ——無刷雙饋電 機系統的仿真研究帶來一定的困難。因而，上述數學模型不夠直觀，使用起來也不夠方便。上述的不同轉子結構無刷雙饋電機的數學模型，不僅形式各異，而且在仿真研究中大多忽略了電感參數脈動和諧波的影響，因此缺乏準確性。此外，未見無刷雙饋電機控制繞組由 SPWM 電源供電的雙饋運行方式特性仿真的文獻報道。因此，研制一套能用于無刷雙饋電機多種運行方式（異步、同步和雙饋運行）穩態和動態性能仿真計算的軟件包，對于研究無刷雙饋電機的運行性能、提高該種電機的設計水平以及推進其實用化進程均具有十分重要的意義。電機的繞組參數是進行特性仿真計 算的基礎，也是間接評價電機性能優劣的重要依據。電機的參數計算可以由磁場分析來完成，也可以通過磁路計算而獲得。磁場分析法比較復雜，但精度較高：磁路計算法相對簡單，便于對大量設計方案進行對比研究，盡管精度稍差，但一般仍可滿足工程計算精度要求。已有人用有限元法分析了無刷雙饋磁阻電機的氣隙磁場；還有人提出并運用繞組函數法導出了凸極磁阻轉子無刷雙饋電機電感參數計算的簡便公式，但忽略了電感參數的諧波成分。 無刷雙饋電機的應用前景 無刷雙饋電機是一種結構相對簡單，加工比較方便，堅固可靠的電機。它具有異、同步通用的特 點，可以在沒有電刷的情況下實現雙饋，從而具有轉速穩定 (同步速 )、更加安全等優點。如果變頻器用于無刷雙饋電機極數較少的定子繞組，那么不僅可以實現電機轉速的平滑調節，更重要的是大大降低了變頻器的容量，極大地克服傳統變頻調速系統中由于變頻器的容量、諧波污染、可靠性以及控制復雜等帶來的問題。對于那些中、高壓的場合，傳統調速系統必須采用耐高壓的 GTO 或 GTR，開關頻率不能過高，因此性能不夠理想。如果采用 BDFM，那么就可以使用 IGBT，開關頻率可以大大提高，系統性能得到優化。而且在變頻器出現故障的情況下， BDFM 可以 作為普通異步電機運行，這對于那些絕對不允許停機的場合十分重要。由此看來，BDFM 將在一定程度上取代傳統電機。無刷雙饋電機的功率繞組頻率、控制繞組頻率以及轉子旋轉頻率之間存在著互相依賴的關系。在發電情況下，如果將轉差頻率的電流或電壓加到控制繞組中，就可以實現功率繞組的恒頻輸出。這對于轉子速度經常變化的系統，例如風力發電、水力發電等，十分有效。無刷的簡單結構和無需機械轉速調節 (恒頻 )裝置的特點，使 BDFM 更能滿足那些無、少維護的野外環境的需要?？傊瑹o刷雙饋電機作為一種新型中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 6 頁 電機，由于它可以在無刷的情況下實現雙饋 ，速度可調，既可同步運行又可異步運行，且變流裝置只需處理滑差功率，裝置容量比電機容量小得多，減小了對電網的污染，因此它必將在不久的將來，在中、大容量調速系統和變速恒頻發電系統中獲得廣泛的應用，取得較大的經濟和社會效益。 無刷雙饋電機研究目的和意義 無刷雙饋電機不但取消了電刷和滑環，提高了電機運行的可靠性，減小了維護的成本，而且可方便地實現異步、同步、雙饋和變速恒頻發電等多種運行方式；同時還與轉子接串調或雙饋裝置的繞線電機相似，可用較小容量的變頻器對功率較大的電機進行調速，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能調速方案，而且對該種電機的進一步研究和開發可能會有效解決制約傳統交流電機及其調速系統發展的某些關鍵技術問題，以及水力、風力發電系統的恒頻變速問題。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。 圖 12 無刷雙饋電機的機構圖 (1)無刷雙饋電機可以有效解決高壓電機變頻調速系統中的技術難題。實現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，線路復雜，技術難度 大，系統的可靠性較差，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為低壓，經低壓變頻后，再用升壓變壓器升壓，該方案的優點是可采用普通的低壓變頻器，缺點是多了兩臺同容量的變壓器，增加了調速系統的成本。如果采用無刷雙饋電機的調速系統，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，則高壓電機變頻中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 7 頁 調速系統存在的上述問題可以得到有效的解決。 (2)無刷雙饋電機可以大大降低調速系統的成本。在許許多多的生產應用領域，如發電廠和鋼鐵企業中，水泵和 通風機等負載量大，如果采用交流變頻調速裝置替代閥門、擋板來調節流量，可獲得很好的節能效果。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，盡管可以起到良好的節能效果，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而不可及。因此，如何降低所需變頻器容量從而降低整個調速系統的成本成為在更大范圍內推廣變頻調速節能的關鍵所在。在風機和泵類負載中，一般調速范圍在 70～ 100％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與籠型電機的變頻調 速系統相比只需一個較小的變頻器，大大降低了變頻器的容量和造價，減小了調速系統的成本。但是，繞線式感應電機具有電刷和滑環，其運行的可靠性差，需要經常維護，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的成本，而且實現了無刷化，提高了系統運行的可靠性。無刷雙饋變頻調速與其它調速系統相比，具有以下突出的優點： a 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的成本。 b 與有刷雙饋和串調速系統相比，取消了電刷和滑環，提高了系統運行的可靠性。 c 即使在變頻器發生故障的情況下，電動機仍然可以運行于感應電動機狀態下。 d 電機的運行轉速僅與功率繞組和控制繞組的頻率及其相序有關，而與負載轉矩無關，因此電機具有硬的機械特性。 (3)無刷雙饋電機可以大大提高水力、風力發電系統的可靠性。水力或風力發電機一般極數較多，特殊的運行工況對發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勵磁發電機的研究工作已引起國內外眾多學者研究興趣， 取得了許多研究成果并己成功地應用于生產實際。但繞線式感應發電機具有電刷和滑環，故可靠性差是其致命的弱點。無刷雙饋電機作為交流勵磁發電機，可以實現變速恒頻恒壓運行，特別適合于多極低速水力或風力發電系統。無刷雙饋電機的功率繞組用于發電，控制繞組用作交流勵磁，根據原動機的轉速變化調節勵磁電流的頻率便可實現變速中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 8 頁 恒頻發電，通過改變勵磁電流的幅值和相位可以實現無功調節。因此在水力和風力變速恒頻發電系統中，無刷雙饋電機具有廣闊的應用前景。在我國，已經將“交流勵磁變速發電機的研究”列為三峽工程水力發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，在對無刷雙饋電機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展前景的應用領域。 (4)無刷雙饋電機可作為異步和同步通用電機。目前應用于工農業生產中面廣量大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，它們各有自己的優缺點。同步電機和繞線式感應電機都采用電刷和滑環來實現轉子繞組與外部電路的連接，由于滑動接觸和電刷磨損，不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生火花，從而限制了有刷電機在含有易燃易爆氣體環境中的應用。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樣方便，也不如同步電機的運行性能指標高。因此，開發研制一種集各種電機優勢于一體，既無刷（堅固可靠）又通用（能實現多種運行方式）的新型交流電機是一個重要的發展方向，也是當前我國電機制造業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和電刷，但并未使電機結構得到簡化，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素。永磁電機雖然可以實現無刷化，但是由于其勵磁不能調節從而限制了它的應用范圍。目前在國民經濟各部門中大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。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點。通過簡單的改變控制繞組聯接與饋電方式，可以方便地實現自起動、異步、同 步和雙饋等多種運行方式，使其既具有良好的啟動特性，又具有優良的運行性能。 本論文所做的工作 通過上面所述的關于無刷雙饋電機的發展歷史、研究現狀和應用前景，可以對無刷雙饋電機的過去、現在和將來有一個比較清晰得了解和認識。通過對這些背景知識的了解，本文在前人的基礎上，以無刷雙饋電機為研究對中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 9 頁 象，結合國內、外有關文獻，對 無刷電機與原理相關的基本理論，定、轉子結構，參數計算，穩態運行進行了研究 ，主要的研究內容包括： (1)對無刷雙饋電機的原理進行了分析。從功率角度分析了無刷雙饋電機的變頻調速原理，并得到了轉速公 式，發現當定子兩套繞組的相序相反（亞同步）時電磁轉矩同向，從而得到了進一步的無刷雙饋電機的轉速公式。 (2)進行了無刷雙饋電機的功率分析。最終得到定子繞組中功率繞組及控制繞組各自的電磁功率公式，為了降低功率繞組變頻器的容量，降低運行成本，這類無刷雙饋電機適合拖動啟動轉矩較小的風機和泵類負載。 (3)分析了無刷雙饋電機的結構。無刷雙饋電機的定子結構較其它電機比較特殊，它是由兩套繞組 —— 功率繞組和控制繞組構成的，產生兩套繞組有單繞組和雙繞組兩種形式，從特點上講，單套繞組和雙套繞組各有優缺點。單套繞組可以增加導體 截面積，銅損耗和漏抗相對得到減少，因此無刷雙饋電機有較好的效率及堵轉力矩，但繞組設計困難，兩繞組之間干擾較大。雙套繞組會降低定子槽的利用率、材料的利用率及電機效率，但設計比較簡單，定子繞組設計有較大的靈活性，便于獲得主、副繞組之間較理想的耦合關系。本文側重單繞組進行了分析，采用單套繞組時定子依然引出六根接線端，其中三根功率繞組，三根控制繞組，而其從不同繞組端口看入時會呈現出不同的極對數，本文為了能夠進一步明確的分析這種單繞組結構，將定子繞組中的功率繞組和控制繞組分別拆出一相，進行解剖分析，這樣就能夠對單繞組結構有了一個十分明確的認識。此后，對轉子的基本形式、籠形轉子繞組的形式、導條數的選取、短路線圈槽數的選取分別進行了分析，從而為無刷雙饋電機設計和參數優化提供了理論依據。 (4)對無刷雙饋電機的定、轉子參數進行了計算。無刷雙饋電機定子繞組的參數計算中，單繞組與普通的異步電機基本相同；雙繞組除槽漏抗外，其余與普通的異步電機基本相同。計算雙繞組的槽漏抗時，將功率繞組和控制繞組所占槽面積求出后進行計算。無刷雙饋電機轉子繞組的參數計算時，需要將轉子繞組折算成三相，然后計算功率繞組與轉子之間的互感、轉子繞組的自感和轉子 繞組的電阻。 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 10 頁 第二章 無刷雙饋電機的基本原理 無刷雙饋電機的結構 無刷雙饋電機的基本結構形式如圖所示，電機的定子側有獨立的兩套繞組，分別為功率繞組和控制繞組；轉子是經過特殊設計的結構，通常有兩種形式，即鼠籠式和磁組式。 (1) 定子結構和繞組連接 BDFM 的定子尺寸可以按照一般感應電機的設計方法來設計，與一般的感應電機沒有很大的區別，但是由于定子中存在兩套不同極對數的繞組，定子繞組的連接型式存在較大的差異。 BDFM 調速系統一個特點就是能夠降低調速時所需變頻器的容量，這只有在極數較多的 繞組接至電網、極數少的繞組由變頻器供電的前提上才能實