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无刷双馈电机的基本理论
第二章无刷双馈电机的基本理论
2-1无刷双馈电机的基本架构
近年来,国内外许多学者将目光投向无刷双馈电机。
出于这种电机在定子上实现了双馈。
不仅具有简单的转子结构,而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性,既可作为交流调速电动机,又可作为变速恒频发电,特别适合用于风力发电,变落差水力发电,潮汐发电等可再生能源的开发利用,因此无刷双馈电机的应用越来越受到瞩目,作为一种新型电机的研究也正在获得不断发展。
无刷双馈带年纪的结构相当于2台绕线式异步电机同轴串级而成,具有2套分离的定子绕组。
因此,在中高压、大容量变频调速系统中可由工频电网向定子功率绕组提供额定功率,而由变频器仅向定子控制绕组提供转差功率,这样就可以降低变频器的容量,从而降低调速系统的成本,有效地解决了中高压,大容量变频调速系统中的技术难题。
另外,在水力或风力等可再生能源发电系统中,有级联式无刷双馈电机控制的绕组做交换励磁,发电系统根据原动机的转速来调节励磁电流的频率,从而实现变速恒频发电,并通过改变励磁点流的幅值和相位来独立调节发电机的有功,无功功率。
因此吗,无刷双馈电机在变频调速和变频恒速发电领域中有着广泛的应用前景,引起了越来越多学者们的关注和研究。
2-1-1无刷双馈电机的演变过程无刷双馈电动机是由串级异步电动机组发展而来。
所谓两台电机级联,就是将2台绕线式电机的同轴互相连接。
如图2.1。
从结构上看,我们看出:
这个系统从第一台定子方输入电功率,通过转子传递给第二台电机的原边,第二胎电机的副边绕组(定子绕组)通过外接电阻短接。
这样就省去了滑环,该系统通过改变外接电阻大小就可以改变电机转速。
下面详细分析原型的运行原理。
图2.1原型电机示意图
Prototypeofbrushlessdoubly一fedmachine
在分析中忽略了2台电机的损耗,假设第一台电机的定子输入的电功率为PP,运行于某一转速时的2台电机转差分别是SP,sC,由电机学基本知识我们可以得出第一台电机产生的机械功率为:
(2.1)
Pmp=(1-SP)PP
在忽略了电极损耗的前提下Pmp就成为第一台电机通过气隙传递给第二台电机的电功率,由于第二台电机的功率源于他的转子,因此我们称第二台电机的转子为原边,而第二台电机的定子为副边。
第二台电机轴上的机械功率就是:
(2.2)
PmC=(1-SC)SPPP
因此,整套级联式异步电机系统轴上输出功率在两台电机转子绕组反相序对接的情况下为:
式中SCSpPp是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率
现在如果改变第二台电机副边电阻的阻值。
则消耗在其上的功率ScSpPp将会发生变化。
在系统输入功率一定的前提下,scsp竟会发生变化,相应的第二台电机的定子侧电流频率将会发生变化。
因此,如果我们能够改变第二台电机的定子侧电流的频率,就会反过来改变电机的转速。
实际应用中,用变频器来取代原型电机中的外接电阻,既可实现电压
频率调节的目的又可以实现能量的传递以提高系统效率,其示意图如图2.2
所示,下面我们就来看看这种电机怎样通过调节变频器的频率来达到调速的目的。
图2.2级联式无刷双馈电机示意图
Fig2.2Sketchfigurebrushlesseaseadedoubly-fedmachine
假设转子电流的频率为fr,第一台定子的电流频率为fp,第二台电机的副边绕组的电流频率为fc,则第一台电机转速为
60(fp_fr)
"=Pp皆)
第二台电机转速:
60(fc_fr)
ncPc(2.5)
因为两台电机相连,机械上同轴,所以转子电流fr也相同,转子转速
也相同。
即np=nc,因此以上两式联立得:
(2.6)
60(fp_fc)nc=
Pc+Pp
式中的“土”号取决于两台电机的定、转子相对的相序。
结合级联系统中,两台电机的机械功率表达式通过级联系统在不同的转速运行区间的各种相序配合的分析,计算,发现只有当两台电机转子反相序连接时候,两台电机电磁转矩才同方向,反之则相反。
因此,无刷电机电磁转矩真正高效、使用的结构方式是转子反相序连接。
在此基础上的写出的转速表达式是:
(2.7)
•■p二,•■CG=
PpPc
门一一电机转子角速度
■p――钉子功率绕组旋转磁场角度
'c――定子控制绕组磁场角度
2-1-2无刷双馈电机定子结构和绕组连接形式、
无刷双馈电机的定子结构尺寸可以按照一般的异步电机的设计方法来设计,与一般的异步电机没大的区别,但是定子绕组的连接却有较大的区别。
无刷双馈电机有两套绕组,功率绕组和控制绕组。
无刷双馈电机的一个特点就是能降低变频去的容量,这只有将极数较多的绕组接至电网才能实现。
在图1.9中,直接接至电网的、极数较大的绕组的功率为绕组,通过变频器接电网的、极数较少的为控制绕组无刷双馈电机要将功率绕组和控制绕组放在同一个定子中,就必须考虑几方面的问题[39,40,41,42,43]:
(a)要是现在气隙中产生不同极数的磁场,是采用同一套绕组还是采用分别独立的两套绕组
(b)如何通过两种绕组合理的排列组合,它们在同一气隙中产生两种不同极对数的磁场
(c)这两种磁场波形要接近正弦波,并尽量消除其他谐波的影响
(d)怎样使能量在气隙之间的有效传递
对于条件(a)(b)(c),的要求,按照传统的电机设计要求就可以满足要求。
条件(d)实际上也是无刷双馈电机的原理性要求。
一般的说,无刷双馈电机的定子功率绕组和控制绕组不能有直接的电磁耦合,这就要求当一组绕组通过电流时,另一组的出现端的合成感应电动势为零或者出现端之间的感应电动势为零反之亦同。
以避免功率绕组和控制绕组端口通电时引起工频电源的附加电流,这也是无刷双馈电机定子绕组连接的设计目标。
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削弱有害谐波的要求[51]。
从理论上讲,这种要求通常可以通过以下两套方法实现
(a)两套定子绕组方案:
在定子上安排两套分别对应两种不同极对数的绕组。
(b)单套定子绕组方案:
无刷双馈电机的两套绕组共同用一套绕组,通过合理安排使得气隙中的磁场为两个不同极对数的旋转磁场。
此外还有其他几种的绕组方案:
(c)多并联支路单套绕组方案:
定子绕组每项有3个或是3的倍数个并联支路,通过内部不同相支路的连接,形成另一种级数的绕组。
(d)内部交叉连接绕组方案:
主要用于极对数的配合比率为奇/偶或偶/奇的情况。
(e)极幅调制(PAM)绕组方案:
这种绕组有两个并联通路,通过对每一相一半绕组中的电流反相得到另一种级数的绕组。
这种绕组适用于任何级数,但可能会导致调制后生成的级数下绕组的分布系数较低。
对无刷双馈电机的研究中,大部分采用前两种方案。
单绕组和双绕组两种方案各有优缺点:
1)双绕组方案当定子功率绕组和控制绕组采用两套独立的绕组时,采用各自的分布和短距绕组。
可以使两套绕组均具有较高的绕组系数,可以有目的的消除某些谐波的影响。
使绕组设计及有较大的选择余地。
因此,绕组的设计及有很大灵活性,是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法,但是,采用该类绕组设计方案时,每槽中往往采用四层绕组,槽的利用率很低,从而导致电机的有效材料利用率降低。
(2)单绕组方案当定子功率绕组和控制绕组采用一套绕组时候,可以大大提高电机的有效材料利用率。
但是,单套绕组方案要兼顾功率绕组和控制绕组二者的性能,特别是要求该绕组在连接成功率绕组和连接成控制绕组时要保持各并联支路均具有相同的电势,从而限制要受到限制了绕组设计的灵活性,另外,绕组节距的选择也受到了限制。
单绕组方案是采用同一套绕组经不同的出现端供电以产生出不同的极对数磁场的方案,已在单绕组多速电机中得到成功的应用。
为使一套定子绕组采用两套电源馈电同时产生两种不同极对数的磁场的磁场保护并保持两磁场激励源相互独立,定子绕组的构成就需要做出特别的安排,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个出现端,分别作为工频和变频的接入口,当两个端口同时供电时,会产生连个独立的、不同极对数的旋转磁场。
为了是两个电源互不干扰,有功率绕组pr对旋转磁场在定
子绕组中产生的感应电动势,应在pc对极控制绕组的3个出现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,由控制绕组Pc对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电动势也应在Pp对极功率绕
组的出现端间不产生电势差,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削弱不必要谐波的要求。
根据这个原则,定子绕组学要采用多并联多支路方式进行连接,尽可能
使三相绕组实现最佳分布。
根据以上分析,较为理想的功率/控制绕组连接方式可为“3Y/3Y”和“4Y/3Y”
两种接线方式。
这两种接线方式分别如图,2.3所示,在图2.3中,A、
B、C接电源时产生2pp极基波旋转磁场,ab、c接电源时产生2pc极基波旋转磁场。
图2.3(a)中,绕组为9个线圈组,图2.3(b)中,绕组为12个线圈组。
图2.3单套定子绕组的连接方法
(a)3Y/3Y接法(b)4Y/3Y接法
Fig2.3Wiringdiagramonesetofstatorwinding
2-2无刷双馈电机的异步运行原理
2.2.1无刷双馈电机的异步运行原理
无刷双馈电机的异步运行原理与两台电机构成的机组原理相似,只是分
开的定转子绕组被单一转子绕组所代替,两个磁场共用一个磁路。
无刷双馈电机异步运行时候,功率绕组接到工频电源上,控制绕组通
过滑动变阻器短接,调节电阻的大小就可以在一定范围内调节电机的转速-
转矩特性。
如果控制绕组接整流器,可以实现滑差功率的回收。
无刷双馈电机与传统绕线式电机相比,去掉了电刷,可维护性大大的提高,适用范围进一步扩大。
无刷双馈电机异步运行具有如下特点:
1、定子绕组在接到三相电源是必须产生一个2pp极的的旋转磁场,并且必须提供一个由2pc极磁场感应的的短接回路,这个回路可以在绕组内部短接,也可以通过电阻在外部短接。
当外接电阻或整流器时,定子绕组必须至少6个抽头。
其连接示意如图2.4所示。
Fig.2.4Sketehfigurebrushlessdoubly-fedmaehinerunasasynehronousmachine
2转子绕组必须由串联连接的极绕组2pp和极绕组2pc组成,并将二者短接。
前面的推到表明,在低速运行时,二者必须有相反的相序,也就是说,绕组必须产生方向相反的旋转磁场。
2-2-2无刷双馈电机的同步运行原理
同步运行方式是无刷双馈电机的特有运行方式。
在这种运行方式下,定子侧功率绕组直接接到工频电源上,而控制绕组通过变频器连接到电源上,如图2.5所示。
Fig.2.4Sketehfigurebrushlessdoubly-fedmachinerunassynehronousmachine
当无刷双馈电机运行速度在60fp(pp+pc)附近时,2pc极磁场以相对于定子的低滑差速度旋转。
如果此时在控制绕组统一直流或一定频率、一定电压的交流电,那么电机将被牵入同步速而同步运行。
同步运行速度只与电机绕
组的极数和定子绕组所通过的电源频率有关,与其他因素无关,具体表达时间后面的推导。
同时,两组电源应该不能相互直接影响。
在无刷双馈电机内部有几种磁场相互作用,图2.6给出了旋转磁场之间的关系。
图2.6各旋转磁场之间的关系
Fig2.6Relationofroundmagneticfields
由电机基本理论,功率绕组和控制绕组在转子中感应电流的电流频率分别为:
⑷pr=⑷p-pp灼r(2.8)
尬cr=±05p+卩謂r(2.9)
其中=2-fp/pp、•■c=2二fc/pc为为功率绕组、定子绕组的旋
转角速度,为」r转子旋转角速度。
无刷双馈电机的在双馈稳定运行时,转子导条上只有一种电流流过,因此两定子磁场在转自中感应出的电流频率应该相同,即''p^''r因此
Pp①r=-°c+pc⑷r(2.10)
则,电机双馈稳定运行时的转速为:
60(fp±fc)
n=Pc+Pp(2.11)
式中“土”取决于两台电机的定子、转子相对相序。
当功率绕组电源和控制绕组电源相序相同时取为“+”,反之取为“-”。
当fc=0时的转速称为自然同步速,当取正号时,成为超同步运行,取负号时为亚同步运行
从上式可以看出,无刷双馈电机作电动机运行时,可以通过调节控制绕
组的供电频率fc来调节转速。
223无刷双馈电机变速恒频发电原理[16]
发电机之所以能实现变速恒频发电,在于其励磁电流能根据转速的变化而变化,保持旋转磁场与“功率绕组”的相对转速恒定。
根据以上的分析及式2.11我们可以得出发电机定子绕组的电频率为:
由式(2.12)可知,当风车转速n变化时,只要控制励磁绕组的输入电流频率fc,即可使发电机输出电频率fP不变,从而实现变速恒频发电运行。
2.3无刷双馈电机各种工作状况下的能量关系
2.3.1无刷双馈电机的能量关系[53]
无刷双馈电机稳定运行时,两定子绕组,转子上各时间变量的频率互不相同。
为了从等效电路对其中的能量关系进行分析,首先需要对不同频率的电量进行频率折算。
设定Sp=(np-nr)/np为转子相对于功率绕组磁场的转差
Sc=n/cn为控制绕组磁场相对于功率绕组磁场的转差s=spsc=fc/fp将控制绕以及转子上各电量的频率折算为功率绕组频率,无刷双馈电机稳态时的电压方程为:
VP=(RPjpLp)IjpLrpI
(2.13)
-jpLrcIr
Vc/S=(Rc/SjpLc)IC-j■pLrcI
0=(Rr/SPjpLc)IcjpLrpI
其中功率绕组和控制绕组所加电压通过频率折算后保持恒定的相位差①,即
(2.14)
(2.佝
Vp二VpmeJ0
Vc=VcmeJ'
对应单相等效电路如图2.7所示:
图2.7无刷双馈电机等效电路
Fig.2.7Equivalentcircuitbrushlessdoubly-fedmachine
利用以上等效电路,对无刷双馈电机的有功功率进行分析。
忽略励磁电流,假定功率组侧功率因数角为①,从功率绕组每相等效功率为
22rr2rcVcIp
(2.16)
Pi(p)=VplpCOS「=lp2rpIp2rpIp2cos(「)
SpspscSp&
对上式进行一些处理:
IpIp=Ip2rp
cos牡+©)=VpIpcos什+©)+
SpSc-Sp99一
将(2.17)代入(2.16)得
小21—Sp2rcrrVcf丄
Pl(p)=VpIpcos=Ip(rprrrc){Ip(rr)rpIpcos(')}
SpScSpSc
1_Sc2
{IprcVc|pcos(丨:
'';)}Vc|pcos(〔:
'";)
Sc
(2.18)可以看出上式中,第一项代表了电机的定子总的铜耗,后三项反映了能量在功率绕组,控制绕组以及转子间的分布。
假定忽略电阻的影响,意义进一步分析这几个功率的关系,很明显,当
式中各项前符号均为正的情况下,忽略电阻的影响,绕组输入的有功功率全部传递到转子。
i“、VcIPCOS(®+幻丄“、VcIPcos(®+©)丄VcIPCOS(®+幻
Pl(p)=(1一sp)(1-Sc)SPSPSC-
SPScSPScSPSc
(2.19)该电磁功率的一部分转化为机械功率从电机轴输出;另一部分为滑差电功率向控制绕组输出。
它们之间的关系为:
Pc(p)通过转子向控制绕组传递时,一部分成为电功率Pc(c),从变频器输出;另一部分有作为机械能返回向转子,从轴上输出,它们之间的关系满足:
在忽略定转子铜耗情况下,功率绕组和控制绕组输出机械能之比为
P叫P)
Pm(C)
1一s?
Pp
1sPp与他们的极对数成正比。
(1-sp)a?
Pc
无刷双馈电机总的输出功率为:
Pmec=Pm(p)Pm(c)
=(1—SP)Pcm(p)+(1_Sc)SpPem(p)(?
22)
=(1-SpSc)Pi(p)
通过以上的分析可以看出,无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组输出的机械能基本上与它们的极对数成正比。
无刷双馈电机运行时,从总的机械功
率来看,其特征可以等效于定子绕组为功率绕组。
转子转差等于SpSc的普
通线异步电动机。
无刷双馈电机运行在不同工况下将具有不同的能量关系。
在代表功率传
递一般形式的式2.23中。
除p(p)、p(c)、p(r)分别代表定子侧与功率绕组、控制绕组有关的损耗,前面符号恒为正外,其余各项前的符号,代表了功率的不同流向,将随着工作状况的不同变化而变化。
pqp)二Pm(p)Pm(c)p(p)p(c)p(r)(2.23)
下面对双馈运行进行简单的理论分析:
双馈是一个电机控制的概念,必须放到电机
运行系统中去理解和使用。
双馈运行包括双馈调速和双馈发电两种运行方式。
在双馈调速方式下,就是将电能分别馈入绕线式转子异步电机的定子和转子绕组,定子绕组接入工频电源:
转子绕组接入频率、幅值、相位都可以调节的交流电源,即采用交交变频器或双向交直交变频器给转子绕组供电。
其中,必须保证的是在任何情况下转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。
当改变转子外加电压的幅值和相位就可以调节异步电机的转速、转矩、转速,也可以调节定子侧的功率因数。
双馈调速的异步电动机不但可以在亚同步转速区运行,而且可以在超同步转速区运转。
2-3-2变速恒频无刷双馈发电机中不同运行状态下的功率流向[52,53]
电机是一种机电能量转换装置,各种电机中都存在一个机电祸合场一气隙磁场。
对于发电机来说,从转子输入机械能,克服气隙磁场中导体所受的电磁力而做功,使导体不断感应电动势,从而源源不断的发出电能,实现机械能到电能的转换,其能量传递关系如图2.8所示。
根据2-3-1节的分析,来具体分析控制绕组与功率绕组反相序连接时无刷双馈发电机的能量传输
情况
由转速的表达式:
60(fp一fc)
n=(2.24)
pppc
当控制绕组通入直流电,即fc=0时,此时的转子转速定义为无刷双馈发电机的自同步转速no,其表达式为:
60fp
no(2.25)
pppc
按风力机转速n的大小,可将发电机的运行分为几个不同的转速区:
n
(1)低速区(n 即1>sp>0,1>sc>0,n>np,控制绕组磁场与风力机相反。 图2.8(a) 为无刷双馈发动机在低速区运行时的能量传递图。 其中,Pp、Pc、Pr分别 代表发电机功率绕组、控制绕组有关的损耗以及转子侧的损耗,Pm为发电 机输入机械功率,PeP为发电机的输出电功率,Pec为控制绕组电功率。 由图2.8(a)可见,风力机轴上输入的机械功率和变频器输入的电功率扣除转子侧损耗、发电机功率绕组、控制绕组上有关的损耗后,转换成电功率从发电机功率绕组输出。 (2)中速区(no 即1>sp>0,Sc<0,控制绕组磁场与风力机相同。 从图2.8(b)可见,风力机轴上输入的机械功率扣除转子侧损耗、发电机功率绕组、控制绕组上有关的损耗后,从发电机功率绕组输出,并从控制绕组通过变频器向电网回馈能量。 (3)高速区(n>n卩) 即: s)<0,sc>0,n>np,控制绕组磁场与风力机相同,且n>n。 高速区运行时的能量传输情况与中速区的情况基本相同,控制绕组上连接的变频器的能量传输方向也是从电机侧传向电网侧。 (b) 图2.8无刷双馈电机能量传递图 (a)低速区(b)中、高速区 Fig.2.8Powerflowschemebrushlessdoubly-fedmaehine 由前面论述及能量流图可以看出,无刷双馈电机的控制绕组能量是在电网和电机之间双向流动的,因此接于控制绕组,用于励磁电源的必须是一个能量能够双向流动的变频器。 当前技术可以满足要求的变频器主要有交一交变频器和双PWM的交直交变频器及最新发展起来的矩阵式能器。 高质量的励磁变频电源是实现无刷双馈发电机控制的核心部件。 因此,它对变速恒频风力发电至关重要的。
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