【摘要】：無(wú)刷雙饋電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Machine,BDFM)作為一種新型交流電機(jī),因其結(jié)構(gòu)上具有諸多優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。這種電機(jī)定子上布置有兩套彼此絕緣的繞組,所以需要一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子以完成它們之間的耦合。無(wú)刷雙饋電機(jī)能夠在幾種不同的運(yùn)行模式下運(yùn)行,表現(xiàn)出某些與傳統(tǒng)異步電機(jī)或同步電機(jī)相似的運(yùn)行特性。此外,這種電機(jī)既能作發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電,也能作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。本文重點(diǎn)研究無(wú)刷雙饋電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)在交流調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用,主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:首先,分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的基本運(yùn)行原理,推導(dǎo)得出電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的表達(dá)式,并且對(duì)兩套定子繞組間的功率分配規(guī)律和電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下兩套定子繞組的功率流向進(jìn)行了研究。推導(dǎo)了無(wú)刷雙饋電機(jī)在功率繞組同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)該模型,可以方便進(jìn)行電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的仿真分析和進(jìn)一步的控制算法設(shè)計(jì)。本章以無(wú)刷雙饋電機(jī)在同步運(yùn)行模式下的穩(wěn)態(tài)等效電路為基礎(chǔ),分析了電機(jī)在這種運(yùn)行模式下具有的轉(zhuǎn)矩角特性和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)特性。其次,在上述同步運(yùn)行等效電路的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展得到了無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)在兩種異步運(yùn)行模式下的等效電路,即單饋異步和雙饋異步。以此為基礎(chǔ),對(duì)電機(jī)在這兩種異步運(yùn)行模式下的機(jī)械特性進(jìn)行了詳細(xì)地分析。分析得到電機(jī)在單饋異步運(yùn)行模式下,控制繞組勵(lì)磁電感需算作轉(zhuǎn)子的漏感,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力極為有限,因此這種運(yùn)行模式并不具有實(shí)用意義。而雙饋異步運(yùn)行模式可以有兩個(gè)方面的作用:一是用于無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng);再就是在控制繞組側(cè)變頻器故障后通過(guò)運(yùn)行模式切換保證電機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。通過(guò)對(duì)電機(jī)控制繞組側(cè)變頻器逆變橋工作狀態(tài)的研究,提出了幾種適用于無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng)方法,以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。通過(guò)在Matlab/Simulink中建立相應(yīng)的仿真模型,對(duì)比分析了無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)在這幾種啟動(dòng)方法下的啟動(dòng)性能。第三,在無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)采用功率繞組電壓矢量定向,可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)得到一種適用于無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略。通過(guò)該控制策略,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和功率繞組無(wú)功功率的解耦控制,具體為通過(guò)控制控制繞組的d軸電流分量,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制,而通過(guò)控制控制繞組的q軸電流,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率繞組無(wú)功功率(或功率因數(shù))的控制。推導(dǎo)了一種軟件鎖相環(huán)算法,以獲得電機(jī)控制算法中所需要的功率繞組電壓矢量的相位。通過(guò)在Matlab/Simulink中建立相應(yīng)的仿真模型,對(duì)該電機(jī)控制算法的控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。第四,通過(guò)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)進(jìn)行研究,分析得出了電機(jī)鐵心容易出現(xiàn)局部飽和原因。局部飽和會(huì)增大電機(jī)的鐵耗,降低電機(jī)的效率,還會(huì)使氣隙磁通密度波形出現(xiàn)畸變,進(jìn)而在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出諧波電流。轉(zhuǎn)子諧波電流產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)切割兩套定子繞組,再在其中感應(yīng)出相應(yīng)頻率的諧波電動(dòng)勢(shì)和電流。通過(guò)對(duì)一臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析驗(yàn)證了這一推論。最后,以一臺(tái)30kW繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)為基礎(chǔ),配以相關(guān)的外圍設(shè)備,建立了無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)和同步運(yùn)行相關(guān)控制算法的有效性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不同運(yùn)行條件下定子電流波形中的諧波含量進(jìn)行分析,驗(yàn)證了前面所提諧波分析方法的正確性。
【圖文】：

就能相應(yīng)的改變電機(jī)的運(yùn)行速度。這種電機(jī)即是無(wú)刷雙饋電機(jī)的起源，其結(jié)構(gòu)原理如圖1.1 所示。圖 1.1 級(jí)聯(lián)感應(yīng)電機(jī)原理圖在上述串級(jí)聯(lián)接感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上，在隨后的 1902 年，，Siemens 兄弟和 Lydall在英國(guó)申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，在這項(xiàng)專(zhuān)利中他們提出一種改進(jìn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[2]。這種電機(jī)將兩臺(tái)不同極對(duì)數(shù)的感應(yīng)電機(jī)融合在一起，具有兩套獨(dú)立的定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組間通過(guò)電刷和滑環(huán)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了自串級(jí)聯(lián)接的運(yùn)行方式。通過(guò)采用這一結(jié)構(gòu)，電機(jī)能夠運(yùn)行在三種不同的轉(zhuǎn)速之下。在這一時(shí)期，其他一些學(xué)者也進(jìn)行了類(lèi)似的嘗試，以減小電機(jī)的體積和成本，提高電機(jī)的性能[3]。1907 年到 1914 年，Hunt 對(duì) Lydall 提出的電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，他取消了 Lydall 設(shè)計(jì)方案中的雙轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，而只采用一套轉(zhuǎn)子繞組，不過(guò)這一轉(zhuǎn)子能夠同時(shí)產(chǎn)生兩種不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)，分別與定子繞組極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)進(jìn)行作用，并且這兩個(gè)磁場(chǎng)共用一個(gè)磁路[4]。這種電機(jī)通過(guò)采用一套轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)

1. 電流源型高壓變頻器電流源型高壓變頻器結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，其變換方式與電壓源型變頻器相同，也為交-直-交間接變換，只是其中直流濾波環(huán)節(jié)采用的是電感元件，因此變頻器輸出具有電流源特性。圖 1.2 電流源型變頻器原理圖這種結(jié)構(gòu)變頻器具有其一定的優(yōu)勢(shì)。首先，變頻器直流濾波環(huán)節(jié)使用了大電感，由于電感電流不能突變，所以當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路等故障時(shí)，變頻器有充足的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，具有較高的安全性。其次，這種變頻器的功率器件通常會(huì)采用晶閘管，因?yàn)榫чl管具有高電壓、大電流的特點(diǎn)，所以這種變頻器很容易向超大功率的方向發(fā)展，比如8000kW往上的這種功率等級(jí)。但是，其問(wèn)題也比較多，例如變頻器輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)的功率因數(shù)較低；因?yàn)殡娍蛊麟姼兄岛艽?
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM34

【參考文獻(xiàn)】

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3 王雪帆;;繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)氣隙磁動(dòng)勢(shì)波研究[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年09期

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1 闞超豪;繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性研究[D];華中科技大學(xué);2010年

2 熊飛;繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)建模分析和電磁設(shè)計(jì)研究[D];華中科技大學(xué);2010年

3 吳濤;變速恒頻無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行控制研究[D];華中科技大學(xué);2009年

4 楊俊華;無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究[D];華南理工大學(xué);2006年

5 張鳳閣;磁場(chǎng)調(diào)制式無(wú)刷雙饋電機(jī)研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);1999年

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1 王昌盛;無(wú)刷雙饋電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D];華中科技大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2623007