采用变极法设计的新型无刷双馈电机
图 2 p/q, 3Y+Y/3Y 换相变极异极反相序 串联接的转子绕组 Fig. 2 A wound-rotor p/q-pole winding with 3Y+Y/3Y different pole port negative phase sequence series connections
极对数 p 运行 其适合的调速范围可以为 n=f1/(p+q) 和 n1=f 1/p 之间 在这个范围内 变频器将总是输 出功率 而不会有电能通过变频器反馈到电网 显然 在这种情况下 将特别适合风机水泵类负 载的调速 因为这类负载往往只需要向下调速 调速范围也不太大 对这种负载 选择额定转速 为 n1=f 1/p 这时候无需变频器即可如同普通单速 标准电动机那样正常工作 需要调速时 接入变 频器即可进入调速工作态 这时转速为 n=(f 1+f2)/(p+q) 只要转速不低于 n=f 1/(p+q) 变频 器就将总是输出功率 不会有能量返回到电源 也可以在 3Y 并联绕组的出线端 pa pb pc 和 qa qb qc 分别反相序串联连接极对数为 p 和 q 的 两套三相绕组 如图 3 所示 这种接法的一个好 处是并联部分绕组可以不局限于 3Y 接法 也可以 为 3Y/4Y 或其它多星并联接法
磁阻和特殊笼型两种类型 依据 共轭 原理设计的
其中特殊笼型转子被认为最有 这种特殊笼型转子绕组是 谐波含量大 提出了一 即根据 变 导体利用率低
可能应用于大容量电机 但是 因而性能还达不到实用要求 极法 设计的绕线型转子绕组
为解决这个问题
种不同于上述两种转子结构的新型转子绕组
这种新型绕组利用其中两 重复利用 从而具有较高
•
pc •
显然 与通常无刷双馈电机中的笼形结构转 子绕组相比较 本文转子绕组有更多的特点 笼形转子绕组因为结构的限制 同时产生的极对 数 p 和 q 只能是倍极比的关系 而本文转子绕组 的极对数 p 和 q 则是可以任意选择的 笼形转 子绕组无论是对于极对数 p 或是 q 绕组分布系数 都不太高 谐波含量也较高 这直接限制了其应 用 而本文利用换相变极绕组理论 可以使两种 极数下的绕组分布系数都得到提高 谐波含量则 可降低 笼形转子绕组所产生的极对数 p 和 q 的绕组有效匝数比很难加以调整 本文转子因为 采用的是绕线转子绕组 接线方式要灵活得多 极对数 p 和 q 绕组有效匝数比可以根据需要任意 调整
Wuhan 430074 China
变频器可采用普通变频器 文中列出了这种新型 并对其工作原理进行了说明
绕组几种可能的连接方式
给出了应用这种绕组双馈电机空载下的调速实验结
1 引言
无刷双馈变频调速电机是近年来研究的一种新 型电机[1] 采用电网电源和变频电源同时供电的方 式 它作为变频调速电机应用于电气传动系统时 并不要求变频器提供全功率 只要求提供 转差 功率 即可 这样不仅所要求的变频装置容量小 而且变频器还可采用较低的电压等级 调速系统 的谐波含量也相应较低 这对于采用高压大容量 电机需要变频调速系统的场合是很重要的 因为 在电机容量大 电压等级高的情况下 如果变频 装置对全功率进行变换 将可能产生大量的电力 谐波 给电网造成污染 而如果要进行谐波治理 又会增大成本 系统效率也会降低 这种新型电 机的出现 正好为解决这个问题提供了一条可能 的途径 这种电机源于两台绕线转子感应电动机机械 上同轴串接 转子绕组作反相序联接 以实现调 速的串级方式 后经改进成为在同一定子上装有 两套不同极数的三相对称绕组 其中一套接至工 频电源 另一套作为副绕组接至变频电源 转子 则采用不需引向外部电路的笼型转子或磁阻式特 殊结构 这样整台电机外形与普通电机相同 实 现了交流电机的无刷化 结构上更加安全可靠
ABSTRACT The brushless doubly-fed machine has two types of rotor structures, reluctance and cage rotor. The cage rotor is reckoned to be possible to be used in the high capacity machine, but the cage rotor can’t do this at present because its conductor availability ratio is low and harmonic content is high. A new brushless doubly-fed machine with a new type of rotor structure is presented in this paper. The new machine has a p/q– pole wound-rotor changing-pole winding which is repeatedly used in p or q pole-pair numbers, therefore it has higher rotor conductor availability ratio and low harmonic content. The new machine can operate like a traditional machine yet. Some examples of the new rotor windings are given. Analysis and test results show that the new machine has better performance in speed control. KEY WORDS: Doubly-fed induction machine rotor Frequency control 摘要 无刷双馈变频调速电机的转子结构 目前研究的有 Wound态工作 最后 果 关键词 双馈电机 绕线转子 变频调速
第6期
王雪帆 一种转子绕组采用变极法设计的新型无刷双馈电机
109
运行性能则类似于用交流励磁的同步电机 这种新型电机的理论及应用方面 近十年来 在国内外一些大学及研究机构中的研究甚为活 跃 [2-4] 也取得了相当大的进展[5-6] 但是由于还有 一些诸如转子绕组谐波含量大 导体利用率低 使得电机效率较低及体积较大等问题没有得到很 好解决 因此到目前为止 尚未进入工业应用 不过 国内外的研究者还是认为这种电机无论是 在理论研究或是实际应用方面都将有着好的前景 笔者近几年来为提高这种电机的性能也进行 了研究 笔者认为 无刷双馈电机性能难以提高 目前研究采用的主要 的关键在于转子绕组结构
图 1 p/q, 3Y/3Y 换相变极异极反相序串联接的转子绕组 Fig. 1 A wound-rotor p/q-pole winding with 3Y/3Y different pole port negative phase sequence series connections
从图 1 可以看出 这种接线方式的基本部分 是变极比为 p/q 的 3Y 并联接法换相变极绕组 这 个 3Y 并联接法换相变极绕组有分为两组的 6 个 出线端 每组 3 个出线端 标记为 pa pb pc 和 qa qb qc 分别对应 p 对极和 q 对极 两组出线头之 间按反相序关系联接 即 pa 和 qc pb 和 qb pc 和 qa 分别联接 采用上述联接的工作原理如下 参见图 1, 用 于定子的极对数为 p 和 q 的 3Y 并联接法换相变极 绕组 如果在出线端 pa pb pc 接入三相电源 出 线端 qa qb qc 悬空 则呈现 p 对极 反之 如果 在出线端 qa qb qc 接入三相电源 出线端 pa pb pc 悬空 则呈现 q 对极 现在笔者是将 3Y 并联接 法换相变极绕组用于转子绕组 并且按无刷双馈 电机理论要求[1,5]将出线端 pa pb pc 和 qa qb qc 作异极反相序联接 这样 当定子上放置有极对 数分别为 p 和 q 的两套三相绕组时 若将极对数 为 p 的定子绕组接电网电源 转子绕组因为出线 端 pa pb pc 和 qa qb qc 反相序联接 这时在定 子 p 对极旋转磁场下感应产生的转子电流 除因 从出线端 pa pb pc 流出使转子绕组产生 p 对极旋 转磁势外 还因注入到出线端 qa qb qc 使转子 绕组产生相对 p 对极反向旋转的 q 对极磁势 同 样 当极对数为 q 定子绕组接入变频电源时 转 子绕组也既能产生 q 对极旋转磁势 又能产生反 向旋转的 p 对极旋转磁势 这样 当极对数为 p 的定子绕组接电网电源 同时在极对数为 q 的定 子绕组接入变频电源 两套定子绕组通过转子相 互作用 调节变频电源频率 将可以如同常规无
种不同极对数 p 和 q 对应感应电势在理论上可以有不同电 回路的特点 对转子导体进行 的利用率和低的谐波含量 采用这种绕组的双馈电动机可
以如同常规电机那样运行 只是在需要时才进入变频调速
基金项目 国家自然科学基金项目 50277014 Project Supported by National Natural Science Foundation of China ( 50277014).
一种转子绕组采用变极法设计的 新型无刷双馈电机
王雪帆
(华中科技大学电气学院 湖北 武汉 430074)
A NEW BRUSHLESS DOUBLY-FED MACHINE WITH A WOUND-ROTOR CHANGING-POLE WINDING
WANG Xue-fan Huazhong University of Science and Technology
110
中
国
电 机
工 程
学 报
AI qa • BI CI AII qb • BII CII AIII qc • BIII CIII Ap Bp Cp pa • pb
第 23 卷
刷双馈电机一样进入变频调速工作态 值得注意的是 与通常的笼形结构转子绕组 相比较 本文转子绕组同时产生 p 和 q 对极这两 个旋转方向相反磁势的机理是有所不同的 通常 笼形转子绕组的 p 和 q 对极磁势是相同导体中流 过电流产生的 而本文转子绕组则是在原理上看 作两套不同极对数的三相绕组反相序串联而成 每套绕组导体只产生一种极对数的磁势 只是因 为利用了 3Y 并联接法换相变极绕组的特点 使转 子绕组导体得到重复利用 达到两套绕组的效果 一套绕组就可以完全
无刷双馈电机的设计与有限元分析
ｈ ｅ ｉ ｍｅ ｄ ａ ｄ ａ ａｙ ｅ ｈ ｅ ｆ ｍａ ｃ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ Ｄ Ｍ ｙ ｆ ｔ ｅｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓ ｔ ｏ ｎ ｎ ｌ ｚ ｓ ｔ ｅ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ｄ Ｂ Ｆ ｂ ｉ ｉ ｌ ｍｅ ｔ ｎ ｇ ｈ ｏ ｎ ｅ
中图分类号 Ｔ ０ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ ７ ８ （０ ８ ０ — ０ １— ４ Ｍ３ １ ０ ８— ２ １ ２０ ） １ ０ １ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｎｄ ｎｉｅ Ｅｌ ｍ ｅ ｔＡｎａ ｙ ｉ ｆ Ｂｒ ｓ ｌ ｓ ｕ ｙ－ ｄ Ｍ ａ ｈ ｎ ｓｇ ａ ｔ ｅ ｎ ｌ ｓｓｏ ｕ ｈ ｅｉｏｇＩ ｎ ｕ３ ｅｇＸａ ｍｉ Ｉ ｕ ｎＱｄｎ ａ ｄＬ ｇ
Ａｂｔａ ｔ ｒｓｌｓ Ｄ ｕ ｌ—ｅ ｃ ｉｅ Ｄ Ｍ）ｉ ａｎｗ ａ ｏｏ ｄｖｌｐ ｄｉ ｓ ｃ Ｂ ｕｈｅｓ ｏ ｂｅＦ ｄＭａｈｎ （Ｂ Ｆ ｒ ｓ ｅ ｃｍ ｔ ｅｅ ｅ ｎ ｒ ｏ
的对称三相绕组构成 ， Ｐ Ｐ 分别为功率绕组 、 控 制 绕组 的极 对数 ， 常 Ｐ ≠ｐ ， 通 。 功率 绕组 直 接接 工
频 电源 （ ， ） 控制 绕 组 接 人 变 频 电源 （ ）Ｐ ， Ｐ 、 的关 系如式 （ ） １
ｎ：６ ０ （） １
Ｂｏｄ ａ 等学者在级联式无刷双馈 电机绕组的基 ｒ ｗｙ ａ 础上发明了具有一套转子绕组和一套不同极对数 的定子绕组 ， 并且具有一个共 同磁路的无刷双馈 电机 ， 为无刷双馈 电机的设计与研究奠定了基础 。 本文在分析无刷双馈 电机原理 的基础上 ， 对 无刷双馈电机的设 计方法进行了详细的分析 ， 并 用 Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 工具对其进行了仿真研究。
ｒ ｃ ｎ ｅ ｒ ，ｗｈ ｃ ａ ｒ ａ ｉ ｅ ｅ ｃ ｔ ｒ ｎａ ｙ ａ ｔ ｒｉ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｄｅ ｅ ｅ ｔｙ ａ ｓ ｉｈ ｈ ｓ ａ ｇ ｅ ｔｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｗｉｈ ｏｄｉ ｒ ｃ ｍｏｏ ｎ ｅ ｅ ｔｏ ｇ ｅｉ — ｓｇ ｉｎ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｅａｉ ｎ ｏ ｓ ｄ ｏ ｈ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｒ ｌ ｔ ｆ ＢＤＦＭ ，ｔ ｉ ｐ ｒ ｐ ｒｉｕ ａ ｌ ｅ ｅ ｃ ｅ ｃ ｏ ｈ ｓ ｐａ ｅ ａ ｔｃ ｌ ｒｙ ｒ ｓ ａ ｈ ｓ ｒ
试论无刷双馈电机的工作原理及电磁设计
试论无刷双馈电机的工作原理及电磁设计摘要：无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机。
由于其比普通交流调速系统性能优越，它将在大型风机和水泵的调速节能驱动方面有着广泛的应用前景。
基于此，本文就围绕无刷双馈电机的工作原理及电磁设计展开分析。
关键词：无刷双馈电机；工作原理；电磁设计1、无刷双馈电机的工作原理无刷双馈调速电机工作原理如图1所示。
定子绕组由2套极对数不等（Pp≠Pc）的三相对称绕组构成，分别成为功率绕组和控制绕组。
它们可以是彼此独立的2套绕组组成，也已由1套三相绕组通过变极联结获得两种不同极数的三相对称绕组。
当功率绕组接入工频（fp）电源、控制绕组接入变频（fc）电源后（一般情况下fp≠fc），由于两套定子绕组同时有电流流过，因此在气隙中产生两个不同极对数的磁场，这两个磁场通过转子的调制发生交叉耦合，构成了实现能量传递转换的基础，经分析可得稳态运行时电机的转速与Pp、Pc、fp及fc的关系为：图12、无刷双馈电机的电磁设计2.1概述无刷双馈电机的尺寸计算、电磁负荷计算、槽型的设计和配合等部分，与普通异步电机的电磁设计相似。
由于无刷双馈电机电磁关系的特殊要求，定子绕组、转子绕组以及极对数等必须进行特殊设计。
2.2定子绕组极对数的设计2.2.1为了消除两个定子绕组间的电磁作用极对数应满足不等的条件即Pp≠Pc，当极对数满足时，两个定子绕组产生的基波磁场在空间分布的周期不同，因此相互作用的结果为零。
2.2.2由不同极数的定、转子磁场相互作用会产生径向拉力和脉动电磁转矩，电机的振动与噪声较大。
当极对数Pp和Pc相差越大时，越能降低振动与噪声。
因此，在选择Pp和Pc 时，使它们尽可能相差大些。
2.2.3由电机工作原理可知，转子电流产生的磁场需要转换成不同极对数（Pp和Pc）磁场。
它们是依靠产生谐波磁场来实现的，为了产生较强的对应谐波磁场，极对数Pp和Pc最好满足3倍关系，即Pc=3Pp。
综合考虑上述条件，可以确定本设计的定子绕组极对数为：Pp=1和Pc=3。
《无刷双馈电机》课件
结论
无刷双馈电机具有许多优点，如高效、灵活和可靠。然而，也需要克服一些技术和设计上的挑战。我们 对无刷双馈电机的未来发展充满期望。
控制策略
制定合理的控制策略，可以 实现对无刷双馈电机的精确 控制，提高效率和稳定性。
热学特性分析
热学特性分析是优化无刷双 馈电机设计的重要步骤，以 确保长时间高效运行。
无刷双馈电机的应用实例
电动汽车中的应用
无刷双馈电机在电动汽车 中的应用，提供高效、可 靠的动力输出，推动电动 汽车的发展。
机器人领域中的应用
《无刷双馈电机》PPT课 件
本课件介绍无刷双馈电机的工作原理、应用实例和发展前景。通过深入的分 析和详细的解释，帮助大家全面了解这一新兴的电机技术。
无刷双机技术，利用电磁感应和电子功率转换器实现 高效转换。其独特的组成结构使其具有出色的性能和灵活性。
无刷双馈电机的工作原理
无刷双馈电机在机器人领 域中的应用，实现精确的 运动控制和高效的能量转 换。
家电领域中的应用
无刷双馈电机在家电领域 中的应用，为家电产品带 来更高的效能和更好的用 户体验。
无刷双馈电机的发展前景
1
技术瓶颈和发展机遇
无刷双馈电机面临一些技术挑战，但也有巨大的发展机遇和潜力。
2
未来的运用前景和趋势
无刷双馈电机在未来将有更广泛的应用领域，是电机技术发展的重要方向。
1
控制方法
2
无刷双馈电机采用智能电子控制器进
行精确控制，以提高效率和响应速度。
3
电磁、机械特性
无刷双馈电机利用电磁感应原理实现 动力传输和转换，同时具有良好的机 械特性。
工业应用中的优势
无刷双馈电机在各个工业领域中，如 制造业和能源生产中，具有明显的优 势。
感应电动机参数离线辨识方法实验研究_王高林
中图分类号:T M346 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)0620004204感应电动机参数离线辨识方法实验研究王高林,商 振,于 泳,徐殿国(哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001)摘 要:为进一步提高感应电机矢量调速系统的性能,介绍了一种改进的参数离线辨识方案。
系统通过自动进行直流实验、单相交流实验和空载实验来辨识感应电机的参数。
所提出的改进方案可以有效消除集肤效应和死区效应所产生的辨识误差。
对方案进行了详细分析,介绍了具体实现过程;最后将这种参数辨识方法应用到11k W 感应电机矢量控制系统。
实验结果验证了方案的有效性。
关键词:参数辨识;离线;感应电动机;集肤效应;死区效应;实验Research on O ff 2li n e Param eter I den ti f i ca ti on for I nducti on M otorWANG Gao 2lin,SHANG Zhen,Y U Yong,XU D ian 2guo (Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )Abstract:Pr oposed an i m p r oved inducti on mot or off 2line para meter identificati on sche me f or vect or con 2tr olled AC mot or drives .The inverter drives aut omatically perf or med the DC test,the single 2phase test,and the no 2l oad test t o calculate all the machine para meters during self 2comm issi oning peri od .The p r o 2posed sche me can eli m inate the para meter identificati on err or due t o the skin and dead 2ti m e effects .I n 2tr oduced the scheme p rinci p le and the i m p le ment method in detail .Experi m ental results de monstratedthe feasibility of the para meter identificati on method in 11k W vect or contr olled inducti on mot or drive sys 2te m.Key W ords:Para meter identificati on;Off 2line;I nducti on mot or;Skin effect;Dead 2ti m e effect;Ex 2peri m ent收稿日期:20082092170 引 言在感应电机矢量控制系统中,电机参数的准确性影响到磁链估计以及控制参数调节等重要环节,因此电机参数辨识对于高性能调速系统具有重要的意义[1]。
双馈无刷风力发电机组综述
双馈无刷电机(BDFM)
双馈无刷电机基本原理
在无刷双馈电机的定子上，一般具有各自独立的2 套 三相对称绕组，1 套为2p 极的主绕组，1 套为2q 极 的副绕组，这2 套绕组之间的耦合是通过特殊设计的 转子来实现的。无刷双馈电机的定子主绕组一般由工 频交流电源直接供电。当副绕组短路时，电机将能够 异步起动并工作在异步运行方式；当副绕组由直流电 源馈电（如两并一串），电机将工作在同步运行方式， 该种电机的同步速定义为60（fp+fq) /(p+q）；当副 绕组由变频电源供电时，电机将工作在双馈调速运行 方式。
刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究。
近年来,在英、美等国,基本形成两大流派;其一是以 A.Wallace 教授和R. Spee 教授为首的美国Oregon 州 立大学以及以Williamson 教授为首的英国剑桥大学,他 们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电机(BDFM) ;另一 流派是以T. A. Lipo 教授为首的Wisconsin 大学和以L. Xu 教授为首的Ohin 州立大学,重点研究磁阻转子结构 的双励磁磁阻电机。二派学者对无刷双馈电机的转子结 构各持己见,对两种转子结构的无刷双馈电机的分析方 法有所差异,并且形成了两套不同的分析研究体系。
种转子的结构如图所示。
转子结构
磁阻型双馈无刷电机
磁阻型双馈无刷电机转子结构
双馈无刷电机（笼型转子）
笼型转子结构
笼型转子结构
笼型转子结构
级联式无刷双馈电机
级联式双馈无刷电机，结构上，是相当于将 2 台绕线式异步电机同轴串联接而成，转子 绕组反(同) 相序联接，转子轴机械相联。2 台电机分别称为功率电机( Pp 对极) ，控 制电机( Pc 对极) 。功率电机的定子绕组 直接接工频三相电源，控制电机的定子绕组 接变频器。结构如图所示 。
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。
极对数p p工频电网极对数：Pc转子图2.1原型电机示意图Prototype of brushless doubly 一fed machine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P P ,运行于某一转速时的2台电机转差分别是P s ,C s ,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：mp p p =s P （1-）P （2.1）在忽略了电极损耗的前提下P mp 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。
科技成果——船舶轴带无刷双馈交流发电系统技术
科技成果——船舶轴带无刷双馈交流发电系统技术适用范围交通行业，内河与沿海船舶以及所有采用固定桨的海洋船舶行业现状目前船舶主要靠辅机柴油机组进行发电。
辅机消耗柴油，而负责船舶推进的主机往往有冗余能量，如果主机不在满负荷下运行，则部分有功功率将被白白浪费掉。
应用该技术可实现节能量6万tce/a，减排约16万tCO2/a。
成果简介1、技术原理采用自主创新的无刷双馈电机和控制技术充分利用船舶主机的出力，在船舶主机带动固定螺旋桨推进船舶航行的同时，拖动轴带发电机发电，从而实现船舶正常航行时不使用辅机柴油发电机组发电，达到节省燃油的效果。
该系统针对固定螺距桨推进船舶航行中主机转速不断变化的工况，通过双馈变频控制技术获得并提供稳压稳频的电力保障。
2、关键技术（1）新型无刷双馈电机转子结构形式，采用“变极”法将电机转子不同变极比换相绕组的出线端作异极反相序联接，从而产生不同的反向磁场，并分别与定子两套绕组耦合。
采用“齿谐波”法，根据交流电机绕组理论，利用电机定子绕组的齿谐波磁动势绕组系数与基波磁动势绕组系数相同，低次齿谐波磁动势与基波磁动势旋转方向相反的原理，在满足转子绕组对称性的条件下，选择适宜的定子槽数和槽型，从而达到转子导体利用率高、谐波含量低、电机效率高的目的。
由此可以灵活实现针对不同实际工况需求的无刷双馈电机设计方案。
轴带无刷双馈发电系统原理及架构图（2）采用矢量控制技术，对两个空间旋转磁场进行定向控制，即对无刷双馈电机的功率绕组和变频绕组两个定子绕组的两个空间旋转磁场分别进行解耦控制，并通过两个空间旋转磁场的相互作用，将多个坐标系下的矢量信号归于一个坐标系下，通过对变频绕组的控制，即可分别实现对功率绕组和变频绕组两个定子绕组的频率、电压和电流控制。
（3）采用多频率叠加变频控制技术实现转速变化时稳压稳频。
由于无刷双馈电机的特性决定了变频绕组中存在基波、次基波、谐波等多个不同频率的信号，采用多频率叠加变频控制技术，是对联接变频绕组的变频驱动器同时输出除基波以外的次基波、谐波等多个频率叠加的变频电源，实现转速变化时稳压稳频。
基于一种新型变极无刷双馈电机的控制系统仿真
维普资讯
第４
（
繇 期 ）
（ＰＳＮＰＯＥＣＩ Ａ Ｉ） ＥＬＩ — Ｏ ＥＲ ＣＮ ＸＯＯ Ｒ ＦＬＴＣ ＨＥ Ｍ
防 机 爆电
联接 。这样 ， 当定子上放置有极对数分别为 Ｐ和
ｑ的两套三相绕组时 ， 若将极对数为 Ｐ的定子绕 组接 电网电源 ， 转子绕组 因为 出线端 Ｐ Ｐ 和 Ｐ
ｑ＂ 、 反相序联接 ， ａｑ ｑ ， 这时在定子 Ｐ对极旋转磁 场下感应产生的转子电流 ， 除因从 出线端 Ｐ Ｐ
源频率 ， 将可以如同常规无刷双馈电机一样进入 变频调速工作态。无刷双馈 电机因其变频器提供 的功率只为整个调速系统功率的一小部分这一特
点， 未来一定会在大功率的 电机调速领域获得更 多应用。
绕组和控制绕组 ， 与一般双馈 电机不同的是此 电
机转子为采用变极原理设计的绕线型转子。
在将 ３ Ｙ并联接法换相变极绕组用于转子绕组 ， 并且将出线端 Ｐ 。 和 ｇ ｇ 作异极反相序 ｇ、ｃ
收稿 日 ：０６ １－ ． 期 ２０ ・ ０ ２３ 刘成浩 男 １８ 年生 ； ９２ 华中科技大学硕士研究生 ， 研究方向电力电子与 电力传动 国家 自然科学基金项 目（ ０７ ０ ４ ５ ２７ １ ）
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防 爆 电机
（ Ｘ Ｌ ＳＯ Ｅ Ｐ Ｏ Ｉ Ｎ—Ｐ Ｏ ＦＥ Ｅ Ｔ Ｉ Ｃ Ｉ Ｅ Ｒ Ｏ Ｌ Ｃ Ｒ Ｃ ＭＡ Ｈ Ｎ ）
第 ４０７ ２０
２期 １ ５期 ） ３
卷（
基 于 一 种 新 型 变 极 无 刷 双 馈 电 机 的 控 制 系 统 仿 真
刘成 浩
摘 要
韦忠朝
华 中科 技 大学 电气与 电子 工程 学院 ， 湖北武 ￣． ３０ ４ ．４０ ７ ） （
无刷双馈电机的建模与仿真
无刷双馈电机的建模与仿真靳雷,陆晓强（河南质量工程职业学院,河南平顶山467001）摘要：无刷双馈电机（BDFM ）作为一种新型电机,兼有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性,尤其适合于变速恒频发电领域,通过分析无刷双馈电机的结构及工作原理,建立了基于转子速坐标系的d-q 轴无刷双馈电机数学模型,根据所得的数学模型,对无刷双馈电机的各种运行方式进行了仿真分析,采用M ATLAB/Simulink 进行了计算机仿真研究,得出了各种运行方式下的仿真波形,仿真结果验证了数学模型的正确性和可行性,并得到了一些有益的结论.关键词：无刷双馈电机；转子速；数学模型；仿真中图分类号：TM 301.2文献标志码：A 文章编号：1008-7516（2011）04-0083-05Modeling and simulation of brushless doubly fed machineJin Lei,Lu Xiaoqiang（Henan Quality Polytechnic,Pingdingshan 467001,China ）Abstract:As a new motor,brushless doubly-fed machine （BDFM ）has the excellent performances which include wound rotor induction motor and synchronous motor.It especially suits in the variable speed constant frequency power generation area.This paper briefly introduces the structure and working principle of brushless doubly fed machine.By analyzing the structure and working principle of BDFM,mathematical model based on the rotor speed d-q coordinate has been ing the mathematical model,MATLAB/Simulink has been used to conduct the computer simulation research for the motor running status.The simulation waveforms under various operating mode have been obtained.The simulation results have confirmed the mathematical model's accuracy and some beneficial conclusions have been obtained.Key words:brushless doubly fed machine （BDFM ）,rotor speed,mathematical model,simulatio无刷双馈电机（BDFM ）作为一种新型电机,它与一般电机相比,在运行时要求容量较小的变频器,降低了系统成本,它既可运行于亚同步速也可以运行在超同步速,同时电机本身没有滑环和电刷,既降低了电机的成本,又提高了系统运行的可靠性,比较适合于变速恒频恒压发电领域,特别适用于风力发电、水力发电等可再能源的开发、利用[1-2].1无刷双馈电机的结构及原理1.1无刷双馈电机的基本结构无刷双馈电机的定子上装有两套不同极数的三相对称绕组,一套接至工频电源称为功率绕组（主绕组）；一套接至变频电源称为控制绕组（副绕组）[3].无刷双馈电机结构原理图如图1所示.doi:10.3969/j.issn.1008-7516.2011.04.020第39卷第4期394Vol.No.河南科技学院学报Journal of Henan Institute of Science and Technology 2011年8月2011Aug.收稿日期：2011-05-23作者简介：靳雷（1974-）,男,河南扶沟人,硕士,讲师.主要从事自动控制技术教学与应用研究.P p+P c P c 图1无刷双馈电机结构原理1.2“极调制”原理对无刷双馈电机来说,当功率绕组接入工频（频率为）电源、控制绕组接入变频（频率为）电源后,由于两套定子绕组同时有电流流过,因此在气隙中产生两个不同极对数的旋转磁场,这两个磁场通过转子的调制发生交叉耦合,在转子中产生相同极对数和转速的旋转磁场,从而使两个原本不会发生直接磁耦合的定子磁场通过转子的中介发生了磁耦合,使能量在两不同极对数、不同旋转速度的定子磁场以及转子磁场之间发生传递转换.转子的这种“中介”作用被称为“极调制”机理[4].根据“极调制”原理可知,电机稳定运行时,定子功率绕组和控制绕组在转子绕组中感应的电流频率应相等,因此,转子运行频率为：（1）所以,转子机械转速n r 为：（2）式（2）中的“±”号取决于定子两套绕组的相对相序.当功率绕组电源和控制绕组电源相序相反时取“+”号,反之取“-”.当f c 时的转速称为自然同步速.f c 前取负号的速度,称为亚同步速,反之称为超同步速.由式（2）可以看出,无刷双馈电机作电动机运行时,可通过调节控制绕组的供电频率f c 来调节转子转速,作发电机运行时,在不同机械转速下调节控制绕组的供电频率,可保证定子功率绕组输出恒定频率的交流电能,即实现了变速恒频发电[5].2无刷双馈电机的转子速d-q 模型对无刷双馈电机来说,两个子系统通过转子绕组发生耦合,在转子绕组上建立一个合适的坐标系统将给无刷双馈电机的数学模型的建立和分析带来方便,这样转子速d-q 坐标轴将是最好的选择.假定转子以逆时针方向旋转,由于无刷双馈电机两个子系统中旋转磁场的转向一般不同,为了得到一个统一的转子速d-q 坐标系,在磁场逆时针方向旋转的子系统中,选q 轴与转子第一相绕组的轴线重合,d 轴在旋转方向上落后90°；在磁场顺时针方向旋转的子系统中,q 轴仍与转子第一相绕组的轴线重合,d 轴在旋转方向上超前90°.由于这两个坐标系以同一个转子速度旋转,这两个d-q 轴坐标系可合并为同一个转子速d-q 轴坐标系[6].利用坐标变换理论,并考虑到BDFM 转子采用鼠笼式结构,这样,就得到无刷双馈电机在转子速d-q 坐标系下,以定转子绕组的电流作为状态变量的电压矩阵方程为：ÁÂÃÁÂf f f p p ÁÂÃÁÂ60()f f n p p −2011年河南科技学院学报（自然科学版）式（3）中,r p 、L sp 、M pr 和r c 、L sc 、M cr 分别为功率绕组和控制绕组的电阻、自感和绕组与转子之间的互感；r r 、L r 、分别为转子的电阻、自感和机械角速度；u qp 、u dp 、u qc 、u dc 、i qp 、i dp 、i qc 、i dc 、i qr 、i dr 为电压和电流瞬时值,下标“p ”表示功率绕组,“c ”表示控制绕组,“r ”表示转子,“q ”表示q 轴分量,“d ”表示d 轴分量.电磁转矩方程式如下：（4）机械运动方程如下：（5）式（4）、式（5）中T e 、T ep 、T ec 分别为电磁总转矩、功率绕组产生的转矩和控制绕组产生的电磁转矩,J 、K d 分别为转子机械惯量、转动阻尼系数,T L 为负载转矩.式（3）、式（4）和式（5）就构成了无刷双馈电机在转子速d-q 轴坐标系上的数学模型.3无刷双馈电机的运行仿真采用MATLAB/Simulink 对系统进行仿真研究,仿真所用到的无刷双馈电机模型电机参数为：p p =3,L sp =71.38mH,M p =69.31mH,r p =0.435Ω,p c =1,L sc =65.33mH,M c =60.21mH,r c =0.435Ω,L r =142.8mH,r r =1.63Ω,J =0.03kg·m 2,K d =0.利用无刷双馈电机在转子速d-q 轴坐标系上的数学模型,建立了如图2所示的动态仿真系统模型,它是由多个封装模块（子系统）构成[7].图2BDFM 仿真系统结构以BDFM 封装模块为例,包括6个电压方程和1个转矩方程的封装模块,如图3所示.其中,以Uqp 的封装模块为例,它的构成如图4所示.（3）Á?e ep ec p pr qp dr dp qr c cr qc dr dc qr ()()T T T p M i i i i p M i i i i ??????ÁÂÃÄÁd 1()d T T K t J?−??靳雷等：无刷双馈电机的建模与仿真第4期图3BDFM 封装模型图4BDFM 封装模型（局部）3.1单馈异步运行仿真无刷双馈电机运行在异步模式时,功率绕组星形连接,接380V 、50Hz 工频电源,控制绕组出线端abc 直接短路,即u qc =u dc =0,波形图如图5所示（其中图a 为转速波形,图b 为电磁转矩波形）.开始时,电机空载启动,经过一定时间的震荡后,电机转速稳定在自然同步速750r/min,在1s 时电机突加10Nm 的负载,则电机转速略有下降,稳定后转速大约为710r/min,这体现了无刷双馈电机作为异步电机的特性,与理论值相符.（a ）转速波形（b ）电磁转矩波形图5单馈异步运行动态特性3.2同步运行特性仿真2s 时控制控制绕组突加两并一串（U a =U b =10V,U c =-5V ）的直流励磁电源,则无刷双馈电机牵入同步运行,稳定后电机转速达到自然同步转速750r/min,与式（2）相符.若改变控制绕组直流电压的大小,过渡过程改变,但稳定转速不变.波形图如图6所示（其中图a 为转速波形,图b 为电磁转矩波形）.3s 时负载转矩由10Nm 突增到20Nm,稳定后,无刷双馈电机仍然可以维持同步速运行,也就是说,负载转矩在稳定允许的范围内改变时,对转速没有影响,此时无刷双馈电机显示出同步电机的特性.波形图如图7所示（其中图a 为转速波形,图b 为电磁转矩波形）.（a ）转速波形（b ）电磁转矩波形图6单馈运行状态过渡到同步运行状态的动态特性2011年河南科技学院学报（自然科学版）（a ）转速波形（b ）电磁转矩波形图7同步运行状态负载突变的动态特性3.3双馈运行特性仿真4s 时控制绕组突加同相序三相电压（100V,10Hz ）时,无刷双馈电机由同步运行状态过渡到“超同步”双馈运行状态,稳态转速从750r/min 变为900r/min,无刷双馈电机由空载同步运行状态过渡到“超同步”双馈运行状态,波形图如图8所示（其中图a 为转速波形,图b 为电磁转矩波形）.5s 控制绕组频率突然变为反相序三相电压（100V,10Hz ）时,稳态转速从900r/min 变为600r/min,无刷双馈电机由超同步双馈运行状态过渡到“亚同步”双馈运行状态,波形图如图9所示（其中图a 为转速波形,图b 为电磁转矩波形）.在理论上均与式（2）相符.（a ）转速波形（b ）电磁转矩波形图8同步运行状态过渡到超同步双馈运行状态时的动态特性（a ）转速波形（b ）电磁转矩波形图9超同步双馈运行过渡到亚同步双馈运行的动态特性4结语本文借助电机的坐标变换理论,推导出无刷双馈电机的转子速d-q 数学模型,对无刷双馈电机几种运行方式进行了M ATLAB 仿真研究,仿真结果表明了该模型的正确性,同时也说明无刷双馈电机可实现电机的软起动、异步、同步和双馈等多种运行方式,另外,仿真模型的构建为以后对无刷双馈电机更深入的研究奠定了基础.（下转93页）靳雷等：无刷双馈电机的建模与仿真第4期武艳等：发电机参数聚合及其动态仿真第4期5结论将连续域的变量区域进行网格划分,即可将离散优化问题的蚁群算法拓展应用到连续域寻优中,通过全局搜索和局部搜索两步获得最优解,具备全局寻优能力.同调发电机聚合参数的好坏对等值后系统的动态特性有很大的影响,对复杂大系统而言更为突出,因此对等值机参数的寻优应尽可能与同调机群聚合函数逼近.同调发电机参数的聚合可以表示为连续域的优化问题,因此可将蚁群算法应用于其中,通过算例分析以及与梯度法的效果对比,验证了该方法在同调发电机参数聚合中的良好效果.参考文献：[1]倪以信,陈寿孙,张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社.2002：240-242.[2]许剑冰,薛禹胜,张启平,等.电力系统同调动态等值的述评[J].电力系统自动化.2005,29（14）：91-95.[3]胡杰,余贻鑫.电力系统动态等值参数聚合的实用方法[J].电网技术.2006,30（24）：26-30.[4]李士勇.蚁群算法及其应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2004：1-59.[5]段海滨.蚁群算法原理及其应用[M].北京：科学出版社,2005：24-38.[6]Dorigo M,M aniezzo V,Colorni A.Ant system：optimization by a colony of cooperating agents[J].IEEE Transaction on System,M an,and Cybernetics-Part B,1996,26（1）：29-41.[7]Bilchev G A,Parmee I C.The ant colony metaphor for searching continuous spaces[J].Lecture Notes in Computer Science.1995,993：25-39.[8]Wang L,Wu Q D.Ant system algorithm for optimization in continuous 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无刷双馈电机原理
无刷双馈电机原理无刷双馈电机是一种新型的电机结构，它采用了双馈原理，实现了无刷电机与传统异步电机的结合。
它具有体积小、质量轻、功率密度高、效率高等优点，被广泛应用于各个领域。
无刷双馈电机的原理主要包括电磁场原理、功率流动原理和控制原理。
首先，无刷双馈电机的电磁场原理是基于电磁感应的原理。
当电机的转子旋转时，定子中的定子绕组与永磁体产生磁场。
根据电磁感应的原理，当转子在磁场中旋转时，磁场将产生感应电动势，通过绕组引导电流流动。
这个过程形成的磁场与定子产生的磁场相叠加，产生旋转磁场。
这样，电磁场会把机械能转变为电能，实现了电动机的正常工作。
其次，无刷双馈电机的功率流动原理是在双馈结构的基础上实现的。
传统的异步电机，只有一个电感耦合的传递能量的回路。
而无刷双馈电机通过双馈回路，实现了双向能量传输。
双馈结构包括一个定子绕组和一个转子绕组，分别与电源和电容进行连接。
通过转子绕组将电能从定子传输到转子，再从转子传输到定子，实现了能量的双向转换。
这样，既能够提高电机的效率，又能够减小电机的体积和质量。
最后，无刷双馈电机的控制原理是通过控制电源和电容之间的电流来实现的。
通过改变电流的相位和幅值，可以调节电机的转速和扭矩。
其中，定子绕组与电源的电流相位差决定电机的转速，而转子绕组与电容的电流幅值决定电机的扭矩。
通过控制电流的相位和幅值，可以实现电机的精准控制，满足不同应用的要求。
总之，无刷双馈电机通过电磁场原理、功率流动原理和控制原理的结合，实现了无刷电机与传统异步电机的组合。
它既具有无刷电机高效、高性能的优点，又具有传统异步电机体积小、质量轻的特点。
这使得无刷双馈电机在各个领域的应用具有广阔的前景。