【文章內(nèi)容簡介】 電阻上消耗的電功率。 從串極電機的運行過程來看，如果改變第二臺電機外接電阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就會發(fā)生變化。在 NP 一定的前提下，機組的轉(zhuǎn)差率將發(fā)生變化，電機轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生改變。由于電機采用這種串極方法時可以取消滑環(huán)和電刷，并在一定范圍內(nèi)調(diào)速，人們曾經(jīng)將兩臺電機的定轉(zhuǎn)子安裝在同一機座內(nèi)，使串極電機從外觀上看是一臺電機從而減小機 組的體積和提高運行性能，以 Hunt 和 Creedy 為代表的研究者將兩個轉(zhuǎn)子合二為一構(gòu)成一個公用轉(zhuǎn)子，并采用了較以往電機更為先進可行的理論對定子繞組進行重新設計，使之具有一套轉(zhuǎn)子繞組、一套能產(chǎn)生不同極數(shù)的定子繞組，且具有一個共同的磁路的單一機組，這就是無刷雙饋電機的原型。但由于受當時技術(shù)調(diào)節(jié)限制，該電機未能投入實用研究。 進入 70 年代后，交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)得到了較快的發(fā)展，在各行業(yè)發(fā)揮了越來越大的作用。但隨之而來的變頻器的高成本、諧波污染等問題也受到了關注。研究者發(fā)現(xiàn)在串極電機運行時，當機組的轉(zhuǎn)差 率發(fā)生變化，第二臺電機的定子電流頻率也會隨之改變。反之，如果改變第二臺電機定子繞組的電流頻率，電機的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生變化，且由于通過第二臺電機定子繞組的是轉(zhuǎn)差功率，功率大小與調(diào)速范圍直接相關。在電機調(diào)速范圍不大的情況下，該功率遠小于由第一臺電機的定子繞組輸入的功率。這樣，將變頻器代替第二臺電機定子所接的電阻，就可采用較小容量的變頻器來控制電機的轉(zhuǎn)速。因此，在 70 年代后期，單一機組串極電機的研究又吸引了很多研究者的注意。對于電機本體，以 Braodway 為代表的研究者們在 Hunt 發(fā)明的電機結(jié)構(gòu)基礎上進行了較大改進。 他們在滿足無刷雙饋電機對轉(zhuǎn)子磁場要求的前提下，將相調(diào)制理論應用到極變換繞組，使定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)配合的范圍進一步擴大，并通過對普通雙層繞組的適當連接獲得了兩種極對數(shù)磁場，簡化了定子繞組。轉(zhuǎn)子采用了類鼠籠式結(jié)構(gòu)，這些成果將自串極無刷異步電機理論向前推進了一步，得到了目前被稱為無刷雙饋電機的典型結(jié)構(gòu)形式（如圖 所示）。其中在氣隙中產(chǎn)生 p 極對數(shù)磁場的繞組連接稱為功率繞組，在氣隙 5 中產(chǎn)生 cp 極對數(shù)磁場的繞組連接稱為控制繞組。 八十年 代后，雙勵磁磁組式電機成為無刷雙饋電機研究的又一個新分支。隨著新型電力電子器件和微處理器的飛速發(fā)展，各種交流電機的控制策略如標量控制、轉(zhuǎn)子磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模型參數(shù)自適應控制等也都開始應用于無刷雙饋電機，這一切使無刷雙饋電機及其系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)出了新的熱潮，促使無刷雙饋電機從實驗室研究階段邁向?qū)嵱没瘧秒A段。 無刷雙饋電機的研究意義 無刷雙饋電機是一種新型的，同時具有同步電機和異步電機特點的交流調(diào)速電機，其結(jié)構(gòu)和運行原來與傳統(tǒng)的交流電機有較大的差別，無刷雙饋電機的定子上具有兩套極數(shù)不同的對稱三相 繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子采用籠型或磁組型的結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)。通過電機轉(zhuǎn)子的磁動勢諧波或磁導諧波對定子不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場進行調(diào)制來實現(xiàn)電機的機電能量轉(zhuǎn)換。如果改變控制繞組的連接方式及其外加電源的頻率、幅值和相位可以實現(xiàn)無刷雙饋電機的多種運行方式。 無刷雙饋電機是在上世紀初 Hunt 提出的自級聯(lián)感應電機的基礎上發(fā)展起來的，一些學者對該類電機進行了進一步的研究和完善，至上世紀 80年代末 90 年代初發(fā)展成為無刷雙饋變頻調(diào)速電機。無刷雙饋變頻調(diào)速電機與轉(zhuǎn)子接串調(diào)或雙饋裝置的繞組電機相似，可以用較小容量 的變頻器對較大功率的電機進行調(diào)速，特別適合于大功率的風機和泵類負載的調(diào)速，是一種很有希望的中壓節(jié)能調(diào)速方案。 無刷雙饋電機不但和籠型轉(zhuǎn)子或磁組型轉(zhuǎn)子感應電機一樣，取消了電刷和滑環(huán)，提高了電機運行的可靠性，減小了維護的成本，而且具有良好的啟動和運行性能，并可方便的實現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運行方式。對該種電機的研究和開發(fā)可望有效解決制約傳統(tǒng)交流電機及其調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的某些關鍵技術(shù)問題，以及水力，風力發(fā)電系統(tǒng)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。 無刷雙饋電機作為變 頻調(diào)速電機，當應用于大容量的電氣傳動系統(tǒng)時，由于變頻器的容量大大減小，從而可以大大降低調(diào)速系統(tǒng)的成本。 在許許多多的生產(chǎn)應用領域，如發(fā)電廠和鋼鐵企業(yè)中，水泵和通風機等負載面廣量大，如果采用交流變頻調(diào)速裝置替代閥門，擋板來調(diào)節(jié)流量，可獲得很好的節(jié)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(diào)速系統(tǒng)，盡管可以起到良好的節(jié)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(diào)速變得可望不可及，有些觀點認為，大中型電機采用變頻調(diào)速后，無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子磁動勢諧波分析研究 6 一次性投資成本的利息比由節(jié)能所 省下的錢還多。因此，如何降低所需變頻器容量從而降低整個調(diào)速系統(tǒng)的成本成為在更大范圍內(nèi)推廣變頻調(diào)節(jié)節(jié)能技術(shù)的關鍵所在。 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中一般采用籠型感應電機，由于所需變頻器的容量大于電機的額定功率，而變頻器的價格一般要高出同容量電機的 3~4 倍，因此整個調(diào)速系統(tǒng)的成本很高，從而限制了該類變頻調(diào)速系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的推廣應用。近些年來，一些學者對繞線式感應電機轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng) —— 有刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)進行了分析和研究，由于該類調(diào)速系統(tǒng)可以通過控制轉(zhuǎn)差功率的轉(zhuǎn)子電流來實現(xiàn)電機的調(diào)速，因此所需變頻器的容量只是有定子繞組提供 給系統(tǒng)的功率的一小部分。在風機和泵類負載中，一般調(diào)速范圍在70~100%額定轉(zhuǎn)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(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)與籠型電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)相比只需一個較小的變頻器，因而大大降低了變頻器的容量和造價，減小了調(diào)速系統(tǒng)的成本。但是，繞線式感應電機具有電刷和滑環(huán)，其運行的可靠性差，需要經(jīng)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(diào)速系統(tǒng)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(wǎng)供電，而變頻器只需為定子控制繞組提供“轉(zhuǎn)差功率”，不僅降低了調(diào)速系統(tǒng)的 成本，而且實現(xiàn)了無刷化，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。 無刷雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)與其他調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下突出優(yōu)點： 1) 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(diào)速系統(tǒng)的成本； 2) 功率因數(shù)可調(diào)，可以提高調(diào)速系統(tǒng)的力能指標； 3) 與有刷雙饋和串調(diào)系統(tǒng)相比，取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)運行的可靠性； 4) 即使在變頻器發(fā)生故障的情況下，電動機仍然可以運行于感應電動機狀態(tài)下； 5) 電機的運行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩無關，因此電機具有硬的機械特性。 用無刷雙饋電機取 代常規(guī)的高壓感應電機，可以有效解決高壓電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的技術(shù)難題。 實現(xiàn)高壓電機的變頻調(diào)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(lián)，線路復雜，技術(shù)難度大，系統(tǒng)的可靠性差，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?yōu)榈蛪?，?jīng)低壓變頻后，再用生壓變壓器生壓，該方案的優(yōu)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(diào)速系統(tǒng)的成本。 如果采 用無刷雙饋電機的調(diào)速系統(tǒng)，功率繞組可以由高壓電源供電，控制繞組由 7 普通的低壓變頻器供電，則高壓電機變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的上述問題可以得到有效的解決。 作為異步和同步通用的電機，無刷雙饋電機可以實現(xiàn)無刷化和通用化，既具有感應電機良好的自啟動性能，又具有同步電機優(yōu)良的運行性能。 目前應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面大量廣的交流電機主要是同步電機和感應電機，由于電機結(jié)構(gòu)上的差異，同步電機和感應電機一般是不能兼用的，而它們各有自己的優(yōu)缺點。 同步電機和繞線式感應電機都采用電刷和滑環(huán)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部電路的連接，由于滑動觸頭和電 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(chǎn)生火花，從而限制了有刷電機在含有易燃和易爆氣體的餓環(huán)境中的應用。普通籠型感應電機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是它又不如繞線式轉(zhuǎn)子感應電機的控制那么方便，也不如同步電機的運行性能指標高。 因此，開發(fā)研制一種集各種電機優(yōu)勢，既無刷化（堅固可靠）又通用化（能實現(xiàn)多種運行方式）的新型交流電機是電機的一個重要發(fā)展方向，也是當前我國電機制造業(yè)亟待解決的一項重大技術(shù)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(huán)和電刷，但并未使電 機的到簡化，而是將勵磁控制元件固定在轉(zhuǎn)子上隨電機一起旋轉(zhuǎn)，增加了電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)的電子元件和控制電路增加了轉(zhuǎn)子運行的不可靠因數(shù)。永磁電機雖然可以實現(xiàn)無刷化，但是由于其勵磁不能調(diào)節(jié)從而限制了它的應用范圍。目前在國民經(jīng)濟各部門中大量應用的同步電機和繞線式轉(zhuǎn)子感應電機仍然采用有刷結(jié)構(gòu)。而大中型異同步無刷通用交流電機具有廣闊的市場。 無刷雙饋調(diào)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(yōu)點。通過簡單的改變控制繞組的聯(lián)接與饋電方式，可以方便的實現(xiàn)自啟動、異步、同步和雙饋等多種運行方式，使其竟既具有良好的啟動特性，又具有優(yōu)良的運行性能。 無刷雙饋電機作為變速恒頻交流發(fā)電機，應用于水力或風力發(fā)電系統(tǒng)時，可以大大提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。 水力或風力發(fā)電機一般極數(shù)較多，特殊的運行工況對發(fā)電機的可靠性提出了很高的要求。近年來，將繞線式轉(zhuǎn)子感應電機用于交流了勵磁發(fā)電機的研究工作已引起國內(nèi)外眾多學者研究興趣，取得了學多研究成果并已成功的應用于生產(chǎn)實際。但繞線式感應電機具有電刷和滑環(huán)，可靠 性差是其致命的弱點。 無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子磁動勢諧波分析研究 8 無刷雙饋電機作為交流勵磁發(fā)電機，可以實現(xiàn)變速恒頻恒壓運行，特別適合于多極低速水力或風力發(fā)電系統(tǒng)。無刷雙饋電機的功率繞組用于發(fā)電，控制繞組用作交流勵磁，根據(jù)原動機的轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率便可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，通過改變勵磁電流的幅值和相位可以實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。因此在水力和風力變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，無刷雙饋電機具有廣闊的應用前景。 在我國，已經(jīng)將“交流勵磁變速發(fā)電機的研究”列為三峽工程水力發(fā)電機組技術(shù)急需進一步研究的幾項關鍵技術(shù)的首位。有理由相信，在對無刷雙饋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(fā)展前景的應用領域。 上述應用展示了無刷雙饋電機廣闊的應用前景。但是，任何事物都具有兩面性，無刷雙饋電機也有其固有的缺點。由于該種電機的定子內(nèi)同時嵌有兩套對稱的三相繞組，因此，與常規(guī)的交流電機相比，其功率密度較低，體積較大。但與串級聯(lián)接的兩臺感應電機相比，體積要小得多。在無刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)中，雖然電機的成本稍高一些，但所需變頻器容量和價格的下降，仍能使這個系統(tǒng)的成本大大降低。 9 第二章 無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組的原理 無刷雙饋 電機定子上有兩套不同極對數(shù)繞制的繞組 ,分別流過不同頻率的三相對稱電流 ,氣隙中存在幾種不同極對數(shù)的磁場，與傳統(tǒng)電機相比有很大差異 ,采用傳統(tǒng)交流電機的基本理論難以解釋其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理和電機能量的轉(zhuǎn)換過程。本章首先簡單介紹一下定子繞組的結(jié)構(gòu) ,然后討論轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)和原理。 定子繞組的結(jié)構(gòu) 無刷雙饋電機的定子鐵芯即為一般異步電機鐵芯 ,但起定子繞組需要能在同一氣隙中產(chǎn)生兩種不同極對數(shù)的磁場。 從理論上講，這種要求可以通過以下集中方法來實現(xiàn)： 獨立的定子繞組：在定子上安排兩套分別對應于兩種不同極對數(shù)的繞 組； 多并聯(lián)支路單套繞組：定子繞組每相有三個或三的倍數(shù)個并聯(lián)支路，通過內(nèi)部對不同相支路的連接，形成另一種極數(shù)的繞組； 內(nèi)部交叉連接繞組：主要用于極對數(shù)的配合比率為“奇：偶”或“偶：奇”的情況； 極幅調(diào)制（ PAM）繞組：這種繞組每相有兩個并聯(lián)通路，通過對每相一半繞組中的電流反相來得到另一種極數(shù)的繞組。這種繞組適用于任何極數(shù)，但可能會導致調(diào)制后生成的極數(shù)下繞組的分布系數(shù)較低。 由于方案 4 在實現(xiàn)過程中有很大的局限性 ,本文就根據(jù)方案 2 把無刷雙饋電機的定子繞組分為單繞組和雙繞組兩種方案。 單繞組方 案即從單一的定子繞組中引出兩個端口 (如 3Y),從不同端口看進去時 ,繞組應呈現(xiàn)不同的極數(shù) p2 和 q2 。這樣單一的定子繞組同時起到了主、副繞組的作用。兩種不同頻率的電流同時流入不同的端口時 ,在電機內(nèi)形成不同極數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場。設計的單定子繞組對于 p2 極和 q2 極必須是各自對稱的。對于單定子繞組的無刷雙饋電機來說，一套定子繞組應有 6 個出線端，分別 作為工頻和變頻電源的入口，當兩個端口同時供電時，回產(chǎn)生兩個獨立的、不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場。為了是兩個電源互不干擾，由功率繞 p 對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應電勢，應在 cp 對極控制繞組的 3個出線端之間不出現(xiàn)電勢差，以避免控制端口通電時引起工頻電源的附加電流；同理，有控制繞組 cp 對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應電勢也應在 p 對極功率繞組的出線 端間不產(chǎn)生電勢差，不引起變頻電源的附加電流。此外繞組在選擇線圈節(jié)距和線圈組排列時，須同時兼顧兩種極對數(shù)下消弱不必要的諧波的要求。根據(jù)這個原理，定子繞組無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子磁動勢諧波分析研究 10 需要采用多并聯(lián)支路方式進行連接，并盡可能使三相繞組實現(xiàn)最佳分布，圖 就是一臺 36 槽 （ 6+2） 極的無刷雙饋電機的一種繞組方案，該方案中采用的是 120176。相帶雙層分布疊繞組，從 abc 端口看進去時呈現(xiàn) 2 極，從 ABC 端口呈現(xiàn) 6 極。 圖 36 槽（ 6+2）極的無刷雙饋電機的繞組方案之一 雙繞組方案是采取在同一定子鐵心上安放兩套相對獨立繞組的方式。也是無刷雙饋電機在定子繞組設計中最為簡單的一種方法。由于兩套繞組相互獨立，可按各自要求選取最佳的繞組節(jié)距和繞組排列，特別可有目的地消除某些諧波影響，使設計具有較大的選擇余地，定子繞組的設計具有靈活性。 有上可知，采用單繞組的好處是定子槽和繞組的利用率高，銅損耗相對小些，單設計困難，不易得到主、副繞組兩全其美的方案。雙繞組方案雖然槽利用率低些，但設計容易，便于獲得主、副繞組之間較理想的耦合關系。 轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu) 籠型無刷雙饋電機中不同極數(shù)定子磁場 p2 和 cp2 之間的耦合是通過轉(zhuǎn)子磁勢波的調(diào)制作用實現(xiàn)的，提升轉(zhuǎn)子磁勢中有用的 p2 和 cp2 次諧波分量，同時抑制其它次諧波就成為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計的主要目標。根據(jù)前面的分析可知，若轉(zhuǎn)子導條數(shù) cp ppQ ??2 ，由于齒槽的作用，轉(zhuǎn)子會同時產(chǎn)生兩個極對數(shù)分別為 p 和 cp 對極的磁場，滿足對定子磁場的極對數(shù)轉(zhuǎn)換。但 從電機設計的角度來看，按此原則設計出的一些實用 p 和 cp 對極組合，轉(zhuǎn)子所對應的導條數(shù)太少，轉(zhuǎn)子槽漏抗將很大，同時會出現(xiàn)大量諧波，將嚴重損 11 壞電機的性能。因此在保證電機結(jié)構(gòu)滿足機電能量轉(zhuǎn)換要求的前提下，還需采取措施減小轉(zhuǎn)子漏抗，優(yōu)化電機特性。 從電機學可知，導條數(shù)為 2Q 的鼠籠轉(zhuǎn)子可以看成是 2Q 相的轉(zhuǎn)子繞組。從繞組的角度看，一個 2Q 相繞組與 2Q 根鼠籠導條的區(qū)別在于每相中線圈的分布。換言之，如果在不改變轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)的條件下增加轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，槽漏抗將大大降低，這樣在保證無刷雙饋電機運行原理對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本要求的情況下，可以有效的優(yōu)化電機的運行特性。 由于無刷雙饋電機具有自起動性能，因此不需要在轉(zhuǎn)子上裝設起動籠?？偟恼f來，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為磁組式和籠型兩大類。圖 示出了無刷雙饋電機通常采用的 4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式（其中 4?rp ）。 在圖 中， 1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與常規(guī)的感應電機的籠型轉(zhuǎn)子相類似，如果不考慮短路籠條的作用，定子電流產(chǎn)生的不同極數(shù)的磁動勢可以在任何方向上隨意流動。然而在 rp 組同心式短路線圈的作用下，除恒定磁通外，交變磁通并不能只有流通。由于感應的轉(zhuǎn)子電流阻止磁通通過短路線圈，定子磁動勢在線圈中心線處遇到了較大的“磁阻”，而相鄰線圈組分界處的“磁阻”較小。 1 轉(zhuǎn)子制造容易。