无刷双馈电机控制技术讲义2015.doc

1 无刷双馈电机控制技术?无刷双馈电机的发展历史和研究现状?无刷双馈电机的运行与控制原理?绕线式转子无刷双馈电机的数学模型?绕线式转子无刷双馈电机控制系统分析 0 无刷双馈电机的发展历史和研究现状 20 世纪初, 随着交流电在工业中的使用越来越广泛, 感应电机以其结构简单、坚固耐用等优点得到推广应用。但是交流电机的转速单一也促使速度范围较为宽广的变速电机的研究。但是在许多场合中,感应电机的调速技术已经成为亟待解决的一个问题:常常有用户要求电机具有几种不同的转速或者在一定转速范围内可以连续地调节的性能。早期国外学者提出一种绕线式感应电机采用转子串电阻调速的方法来实现电机一定范围内的调速。这种转子绕组串入电阻的方法固然能实现变速运行,然而由于这种方法使得电机损耗大并且效率低下,因此促使人们寻求一种低耗能的新型调速电机。在这种背景下,一种新型串级联接绕线转子感应电机应运而生。无刷双馈电机便起源于这种串级联接绕线转子感应电机, 其工作原理与绕线式电机通过改变滑动变阻器能在一定范围内调速的系统相似, 这里是将两台绕线式感应电机同轴串级连接构成一个系统,如下图所示。 2 图串级联接绕线转子感应电机的结构示意图由于取消绕线转子串电阻调速时的滑环和电刷,且这种串级联接的方法可以在一定的转速范围内实现调速,因此,在当时引起了许多学者的广泛关注。在此基础上,20世纪初叶的 1902 年 F. Lydall 提出了一种自级联感应电机,把两台绕线式感应电机同轴相连,这种电机能够在多种不同的转速下运行,实现电机自串级联接的运行方式。同一时期,也有一些学者提出其它的观点,如 P. Thompso n 于1901 年利用定子绕组排布在不同空间以保证定子无直接耦合。美国学者 Steinmet z和德国学者 Melle r也分别于190 3年、190 4 年提出了相似的观点[ 2]。190 7 年 L. J. Hunt 提出两台感应电机的转子绕组相互连接,去掉了转子绕组的滑环和电刷,形成现代无刷双馈电机的雏形。它的形成标志是“A new type of induction motor ”一文的发表。通过调节第二台电机定子绕组上串接的电阻, 能实现电机的连续调速,此时第二台电机相当于绕线式转子异步电机的转子的作用。这种结构的电机作用和一台普通的异步机相似,但可以降低成本,减小铜耗,提高起动性能,获得更低的转速和较硬的机械特性。 Hunt 还发现通过合适的定子绕组和转子绕组设计能减少用铜量和相应的铜耗, 使这种电机具有一定的实用价值[ 3]。这种早期的调速电机转子采用双层结构,且排布不规则,对极对数限制严格,对无刷双馈电机的发展产生了不利的影响。 1920 年, Greedy 进一步改进了电机的定转子结构,研制一台 3/1极对数的自串级感应电机并获得很大的成功[ 4], 使这种电机在电阻调节的控制方式下能够获得高起动转矩,速度控制的精确度也比较高,这种极数的配合一直延用至今,但是受到当时技术条件的限制,导致这种电机的发展一度停滞,其主要原因是当时电力电子技术还不够成熟。 3 无刷双馈电机的进一步发展是在上世纪 70 年代, A. R. W. Boradwa y 对电机的转子作了较大的改进,简化了结构,极对数的配合上的要求也进一步放宽, 为无刷双馈电机的发展铺平了道路。 Boradway 提出所谓的“ Boradway 转子”, 即现在的特殊笼型转子结构,这种转子结构既具有普通三相异步电机的笼型转子的可靠性和坚固性,又使得这一转子结构能够满足无刷双馈电机的特殊要求,奠定了现代无刷双馈电机设计的基本思想。理论上, Boradway 提出了稳态等效电路模型,并由此推导出无刷双馈电机在原理上等效于两台普通异步电机同轴相连。同时期的 Smith 于1967 年研究了自级联感应电机的同步运行特性,从两个分离的感应电机观点出发,获得一个简易的等效电路,并由此提出电机的稳态同步运行特性。到了 20世纪 80年代中期, Heyne 和 El-A ntably 提出了基于磁阻式转子的新型电机,样机采用 2/4 极对数结构,电机的性能指标有了较大的提高[8,9] 。以其较高的效率和较好的同步性能,这种新型磁阻转子无刷双馈电机成为无刷双馈电机研究的一个重要的分支。上世纪 80年代中期,美国的 Oregon 州立大学对特殊笼型转子结构的无刷双馈电机展开了系统深入的研究,直到此时, 无刷双馈电机( Brushless Doubly-Fed Machine ,简称 BDFM )才得以被正式命名为无刷双馈电机。自此无刷双馈电机作为一种应用前景广阔的新型交流感应电机成为国内外学者研究的一个热点。无刷双馈发电机的技术瓶颈主要在于转子结构,从国外研究的情况来看,转子结构可分为两种,一种为“同心笼”式,