无刷双馈电机的转速和功率分析•无刷双馈电机(BrushlessDoubly-FedMachine,BDFM)作为近年发展起来的一种新型交流调速电机,它由两套相互独立的定子绕组(功率绕组和控制绕组)和特殊结构的转子组成,利用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对BDFM的转速控制。BDFM具有无电刷、结构简单坚固、变频器容量小、功率因数可控制、运行可靠等优点,是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者,在大型水泵、风机调速和风力发电领域具有广阔的应用前景。无刷双馈电机的发展历史•BDFM由级联异步电动机发展而来,级联式双馈电机由两台同轴串级而成,如图1所示:•它是由两台绕线转子异步电动机同轴串级连接而构成,具有两套磁路彼此无关的定子绕组和转子绕组,控制绕组由变频电源供电,功率绕组直接由电网供电,改变控制绕组的供电频率就可以调节系统的速度。上世纪初Hunt和后来的Wallace等人在此基础上,提供出在单一铁心中安放两套定子绕组的无刷双馈电机模型,如图2所示:•其中功率绕组的极对数为Pp,直接连接电网,频率为fp;控制绕组极对数为Pc,由变频电源供电,频率为fc。由于定子和转子结构采用合理的设计,使得两套定子绕组产生的磁场只能通过转子间接耦合;同时转子磁场的极对数可以自动转换,分别与定子磁场极对数匹配,因此无刷双馈电机的工作原理与级联式电机的原理相同。无刷双馈电机的转速分析•电机在双馈运行时,定子磁路中同时存在两个旋转磁场。由于电机结构的特殊设计,它们的基波并不交链,分别在转子中产生电磁转矩,共同维持电机稳定运行,具体分析如下:•当功率绕组电源正相序联接,控制绕组通过变频器反相序联接时,它们产生的旋转磁场方向相反,同步转速见图3(a):160pppfnpa)反相序(1)(2)160cccfnp设转子的旋转速度是,则这两个定子磁场在转子中感应电动势的频率分别为:(3)1()60prpprnnpf1()60crccrnnpf(4)它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁场。rn(5)160prpprprpfnnnp而相对于定子的转速是:+=;它与功率绕组电流建立的磁场同步,因此,它们相互作用会产生恒定的电磁转矩。同时,频率为的电流,也会通过与功率绕组极数对应的转子导体,它产生的旋转磁场相对于转子的转速为:pprnrn1pn60crpcrpfnp(6)它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转矩。若得到恒定的电磁转矩,这两个磁场必须同步旋转,比较式(5)和(6),转子电流频率必须相等,即crf当频率为的电流,通过与功率绕组极数对应的转子导体时,产生的旋转磁场相对于转子的转速为:prf(7)prcrff同理,频率为和的电流也会通过与控制绕组极数对应的转子导体,只有在满足式(7)的条件下,产生的旋转磁场与控制绕组电流建立的磁场才会同步,相互作用产生恒定的电磁转矩,从而维持电机稳定运行。因此,联立解式(1)~(4)、(7),可得电机稳态运行的转速prfcrf60()pcrpcffnpp(8)当功率绕组电源正相序连接,控制绕组通过变频器也正相序联接时,同理可得到电机的转速为:可见,当电机运行在电动状态时,通过调节控制绕组的频率,可以很方便的调节电机转速。当=0时的电机转速称为自然同步转速;低于自然同步转速时,称为亚同步调速;高于自然同步转速时称超同步调速。60()pcrpcffnpp(9)cfcf无刷双馈电机的功率分析电机在双馈运行时,功率绕组和控制绕组都会为负载提供电磁功率,此时,电机的等效电路如图4。•其中参数下标为p的电路是功率绕组对应的定子等效电路;下标为c的是控制绕组对应的定子等效电路;参数下标为s的部分是没有经过折算的转子实际等效电路。分析转子等效电路,功率绕组通过气隙传递给转子的转差功率为:222cospspsspmEI(10)控制绕组提供给转子的转差功率为:222coscscsspmEI(12)转子回路的功率平衡方程为:2222pscssppmIr(11)由于此时转子铜耗相对很小,为了分析方便将其忽略,式(12)简化为:0pscspp(13)由式(13)可知,功率绕组和控制绕组提供转差功率大小相等,而功率流向相反,它们互相平衡,即pscssppp(14)根据转差功率与电磁功率的关系,可以求出功率绕组和控制绕组提供的电磁功率分别为spemppps(15)scemcpps(16)两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为:cpempemcemspcssppppss(17)忽略转子铜耗和空载损耗时,总的电磁功率全部作为机械功率输出,即2empp(18)当负载不变时,功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为2cpemcpsppss(19)2pcemcpsppss(20)联立式(8)、(9)和转差率的定义,可以解得功率绕组和控制绕组的转差率分别为()pccppppcfpfpsfpp(22)()()pccpccpcfpfpsfpp(21)功率绕组和控制绕组电源同相序时,式(21)、(22)中取负号,反之取正号。(23)2ppempcfppff(24)2pcempcfppff由式(23)(24)可知,定子绕组提供的电磁功率与电源频率成正比。如果电机拖动恒转矩负载,它在启动时,功率绕组和控制绕组电源频率相等,此时功率绕组提供的电磁功率达到最大值,变频器的容量将较大。为了降低控制绕组变频器的容量,该电机适合拖动启动转矩小的风机和泵类负载。变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计,调速范围越大所需要变频器容量越大,反之越小。由式(19)~(22),可得(电源同相序取“+”,逆相序取“—”)