无刷双馈电机
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制无刷双馈风力发电机（Brushless Double-fed Wind Power Generator，BDWG）由于其具有高效、稳定、可靠的特点，在风电发电产业的快速发展中得到了广泛应用。
其核心部件是无刷双馈电机（Brushless Double-fed Induction Machine，BDFIM），由于其内外转子之间通过转子侧电容连接，使其具有一定的电磁转矩特性。
因此，在BDWG中基于实时控制的电压源逆变器的功率控制策略中，可以通过控制转子的电压和电流使得BDFIM适应风机不同的转速变化（也即风速的变化）现象，从而在风力发电过程中实现良好的功率控制性能。
本文旨在对BDWG的设计原理和控制策略进行分析和探讨，主要从以下几个方面进行讨论。
1. BDWG的设计分析（1）结构和工作原理BDWG由涉及双馈电机转子部分（即有刷子组合，转子侧电容器等）和无刷直流电机（一般用于调节转子电容器电压的空间矢量调制控制）经由转子上的能量转换器进行变换，在输出端带有无功功率控制的PWM逆变器进行功率输出。
BDFIM相较于一般异步电机，其内部转子电流被划分为主磁通和次磁通两个部分，转子上的电容器则通过变压器与电网连接。
在风机转速发生变化时，由于双馈电机的特殊结构，主磁通和次磁通之间会产生一定的漏电感，从而使得转子上的电流产生相应的变化。
（2）参数设计和优化在BDWG的设计上，关键的参数设计主要包括了转子电容器的容量、变压比等。
为了实现风能的最大利用效率，需要在保证性能的前提下尽可能减小转子电容器的容量，同时在变压器的设计上注重其高效、轻便的特性。
以上两者则需要依据技术手段来进行有效的优化设计。
2. BDWG的控制策略（1）转子电压交换控制BDWG的控制策略之一是通过转子侧的能量转换器实现交换控制，从而在转速变化的情况下实现电极磁势的平衡控制。
该控制策略主要由节拍控制和逆变控制两个部分组成，其中节拍控制主要通过时序触发器和计数器实现；逆变控制则主要通过高功率开关管实现，其控制基础是PWM控制。
无刷双馈电机的控制方法研究
无刷双馈电机的控制方法研究一、本文概述随着电机技术的不断发展和应用领域的日益扩大，无刷双馈电机作为一种高效、节能的电机类型，受到了广泛关注。
无刷双馈电机以其独特的结构和工作原理，在风力发电、泵类负载、电动汽车等领域展现出显著的优势。
然而，无刷双馈电机的控制方法一直是研究领域的热点和难点。
因此，本文旨在深入探讨无刷双馈电机的控制方法，以提高其运行性能，推动其在各个领域的广泛应用。
本文首先介绍了无刷双馈电机的基本结构和工作原理，为后续的控制方法研究奠定基础。
接着，文章综述了目前无刷双馈电机控制方法的研究现状，包括传统的控制方法和近年来新兴的控制策略。
在此基础上，文章重点分析了无刷双馈电机的数学模型和控制系统设计，详细阐述了各种控制方法的实现原理和应用效果。
本文还探讨了无刷双馈电机控制方法在实际应用中的挑战和解决方案，如参数辨识、动态性能优化等问题。
通过案例分析，文章展示了无刷双馈电机控制方法在具体领域的应用实例，验证了其可行性和有效性。
本文总结了无刷双馈电机控制方法的研究成果和发展趋势，展望了未来可能的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为无刷双馈电机的控制方法提供理论支持和实践指导，推动无刷双馈电机技术的持续发展和应用推广。
二、无刷双馈电机的工作原理无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine, BDFM）是一种特殊的电机类型，它结合了异步电机和同步电机的特点，具有独特的运行方式和控制策略。
无刷双馈电机的工作原理主要基于电磁感应和电磁场理论，其内部包含两套极数不同的绕组，分别称为功率绕组和控制绕组。
功率绕组通常与电源直接相连，负责传递主要的电能和转矩。
控制绕组则通过变频器或其他电力电子设备进行控制，用于调节电机的运行状态。
这两套绕组在电机内部产生不同的旋转磁场，通过磁场相互作用实现电机的转矩传递和转速控制。
无刷双馈电机的独特之处在于其不需要机械换向器或电刷来实现电流换向，从而提高了电机的可靠性和维护便利性。
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。
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制无刷双馈风力发电机是一种新型的风力发电机，其设计与控制技术对于提高风力发电机的效率和性能具有重要的意义。
本文将围绕无刷双馈风力发电机的设计原理、分析方法以及控制技术展开探讨，旨在提高读者对于这一新型风力发电技术的理解。
一、无刷双馈风力发电机的设计原理无刷双馈风力发电机是在传统的双馈风力发电机基础上进行了改进，其设计原理主要包括无刷化技术和双馈技术。
无刷化技术是指将传统双馈风力发电机中的差动转子绕组和励磁绕组由刷子式调速器改为电子式调速器，从而实现了发电机的无刷化运行，即无需使用碳刷和滑环，减少了摩擦损耗和维护成本，提高了发电机的可靠性和稳定性。
双馈技术是指在发电机的转子上设置一个差动绕组和一个励磁绕组，分别接通到转子外的两个变频器上，这样可以实现发电机的双馈运行，从而提高了发电机的自起动能力和低速区的发电效率。
无刷双馈风力发电机不仅具备了传统双馈风力发电机的优点，还具有了无刷化的优势，使得其在风力发电领域具有了更广阔的应用前景。
1. 发电机的结构设计无刷双馈风力发电机的结构设计主要包括转子结构、定子结构和冷却系统。
在转子结构设计上，需要考虑差动绕组和励磁绕组的布局，以及电子式调速器和转子温度的控制。
在定子结构设计上，需要考虑定子绕组的布局和传热系统，以及发电机的外部接线和绝缘系统。
在冷却系统设计上，需要考虑发电机在不同工况下的热特性，选择合适的冷却介质和冷却方式，以确保发电机在长时间运行中不会因发热而出现故障。
2. 发电机的电磁设计无刷双馈风力发电机的电磁设计是其设计的关键部分，主要包括磁场分析、电路设计和电磁计算。
在磁场分析中，需要通过有限元分析软件对发电机的磁场进行分析，以优化磁路设计和减小磁损。
在电路设计中，需要根据磁场分析结果设计差动绕组和励磁绕组的电路，以实现双馈运行和无刷化控制。
在电磁计算中，需要进行电磁场和热场的耦合计算，以验证发电机设计的合理性和可靠性。
《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。
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。
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。
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由式（19）~（22），可得（电源同相序取“+”，逆相序 取“—”）
p pem
fp
f p fc
p2
(23)
pcem
fp f p fc
p2
(24)
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。
• 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）：
当频率为f pr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：
nppr
60 f pr pp
np1 nr
（5）
n 而相对于定子的转速是：ppr + nr= n p1;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 f cr 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:
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:
（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
pps pcs ps
（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
ps p pem sp ps pcem sc
（15）
（16）
两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为:
pem p pem pcem
功率输出，即
sc s p s p sc
ps
(1Байду номын сангаас)
忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械
pem p2
p pem sc p2 sc s p
sp sc s p p2
(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
n pcr
60 f cr pp
（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
f pr f cr
(7)
同理，频率为f pr 和 f cr 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
nr
60( f p fc ) p p pc
(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:
nr
60( f p fc ) p p pc
(9)
可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频 率 f c，可以很方便的调节电机转速。当 fc =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。
• 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:
无刷双馈电机的转速和功率 分析
无刷双馈电机的发展历史
• 无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed
Machine,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。
n p1
60 f p pp
a)反相序
（1）
nc1
60 f c pc
(n p1 nr ) p p
（2）
设转子的旋转速度是nr ，则这两个定子磁场在转子中感 应电动势的频率分别为：
f pr
f cr
（3）
60 ( nc1 nr ) pc 60
（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。
（10）
pps m2 Eps I2s cos2
控制绕组提供给转子的转差功率为:
pcs m2 Ecs I2s cos2
p p m I r
转子回路的功率平衡方程为: 2 ps cs 2 2s 2
（11）
（12）
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:
p ps pcs 0
(19)
pcem
(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
sp
f p pc f c p p f p ( p p pc )
（21）
sc
( f p pc f c p p ) fc ( p p pc )
（22）
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。