綜述無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

　　1.引言
　　無刷雙饋電機(jī)（BrushlessDoubly-FedMachines，簡稱：BDFM）是由Hunt于20世紀(jì)初提出的，但是由于當(dāng)時(shí)控制技術(shù)的限制，一直未能得到實(shí)際應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，使得對雙饋電機(jī)的控制成為可能。1980年初，Wallace等人在無刷雙饋電機(jī)的控制繞組上加上頻率和電壓均可調(diào)的交流電源，將該電機(jī)與控制系統(tǒng)組成無刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效無級調(diào)速，而且可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，大范圍調(diào)節(jié)無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。自1980年以來美國、英國等國家對無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行了深入的研究，并逐步在工業(yè)中得到了應(yīng)用。90年代中期我國許多高校和科研部門也對無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行了研究。
　　2.無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理
　　圖1 無刷雙饋電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理圖
　　無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，定子側(cè)具有兩套繞組，分別為功率繞組和控制繞組。其中功率繞組極對數(shù)為p，直接由工頻電源為其供電，控制繞組極對數(shù)為p，通過變頻器為其供電。轉(zhuǎn)子側(cè)具有特殊的結(jié)構(gòu)，極對數(shù)為（p+p），有鼠籠式和磁阻式兩種形式。
　　3.無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行方式
　　無刷雙饋電機(jī)具有以下運(yùn)行方式：無刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行、同步運(yùn)行、雙饋運(yùn)行和變速恒頻發(fā)電狀態(tài)。
　　3.1無刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行
　　無刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)，功率繞組接到工頻電源，控制繞組通過滑動變阻器短接。這樣無刷雙饋電機(jī)利用控制繞組串聯(lián)的滑動變阻器可以實(shí)現(xiàn)自啟動，還可以調(diào)節(jié)阻值的大小在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性。無刷雙饋電機(jī)與傳統(tǒng)繞線式電機(jī)相比，去掉了電刷，使得可維護(hù)性大大提高，適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。無刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行示意圖如圖2所示。
　　圖2 無刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行示意圖
　　根據(jù)無刷雙饋電機(jī)的雙同步模型，在MATLAB中建立模型，此模型中p=2，p=1，J=0.1，根據(jù)異步電機(jī)的公式可以得出電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每分鐘。當(dāng)功率繞組電壓U=380V，f=50hz，控制繞組短接，即U=0，f=0。電機(jī)工作在異步狀態(tài)，其波形如圖3所示，與理論分析一致。
　　圖3 異步運(yùn)行時(shí)速度波形圖
　　3.2無刷雙饋電機(jī)的同步運(yùn)行
　　無刷雙饋電機(jī)在同步運(yùn)行時(shí)，功率繞組直接由工頻電源供電，而控制繞組通過變頻器接到電源上，如圖1所示。當(dāng)無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行速度在60f/（p+p）附近時(shí)，控制繞組2p極磁場以相對于定子的低滑差速度旋轉(zhuǎn)。如果此時(shí)在控制繞組通一直流或者一定頻率、一定電壓的交流電，那么電機(jī)將被牽入同步速而同步運(yùn)行。同步運(yùn)行速度只與電機(jī)定子繞組的極數(shù)和定子繞組所通電源頻率有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。
　　功率繞組加380V，50hz交流電，控制繞組在電機(jī)運(yùn)行2分鐘后，加上10V的直流電。電機(jī)實(shí)現(xiàn)異步啟動，同步運(yùn)行。其轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。穩(wěn)定同步運(yùn)行的速度為750轉(zhuǎn)每分鐘。
　　圖4 異步啟動同步運(yùn)行時(shí)速度波形圖
　　3.3無刷雙饋電機(jī)的雙饋運(yùn)行
　　無刷雙饋電機(jī)雙饋運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行示意圖跟同步運(yùn)行時(shí)相同，但控制繞組的變頻輸入不同，使無刷雙饋電機(jī)工作在雙饋運(yùn)行狀態(tài)。無刷雙饋電機(jī)內(nèi)部有幾種磁場相互作用，圖5給出了各旋轉(zhuǎn)磁場之間的關(guān)系。
　　圖5 無刷雙饋電機(jī)內(nèi)部各旋轉(zhuǎn)磁場之間的關(guān)系
　　sx7BVu7cnFlN/u1ih9FOPUOTMZKKfu+iRvFmWg3IyUI=無刷雙饋電機(jī)雙饋運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上只有一種電流流過。因此兩定子磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流角頻率應(yīng)該相同，即w=w。因此：
　　w-pw=±w+pw（1）
　　則，無刷雙饋電機(jī)雙饋穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為：
　　n=60*（f±f）/（p+p）（2）
　　式中的“±”號取決于兩臺電機(jī)的定轉(zhuǎn)子相對相序。當(dāng)功率繞組電源和控制繞組電源相序相同時(shí)取“+”號，反之取“－”；當(dāng)f=0時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速。f前取負(fù)號的調(diào)速稱為亞同步調(diào)速；f前取正號的調(diào)速稱為超同步調(diào)速。
　　功率繞組加380V，50hz交流電，控制繞組在電機(jī)運(yùn)行2分鐘后，加上50V，5hz的交流電。電機(jī)實(shí)現(xiàn)異步啟動，雙饋運(yùn)行。其轉(zhuǎn)速波形如圖6所示。穩(wěn)定雙饋運(yùn)行的速度為650轉(zhuǎn)每分鐘。
　　圖6 異步啟動雙饋運(yùn)行時(shí)速度波形圖
　　3.4無刷雙饋電機(jī)的變速恒頻發(fā)電狀態(tài)
　　無刷雙饋電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的控制繞組用作交流勵磁繞組，功率繞組用于發(fā)電。功率繞組的頻率為：
　　f=n*（p+p）/60±f（3）
　　在不同的機(jī)械轉(zhuǎn)速n下調(diào)節(jié)控制繞組的供電頻率f，可以保證定子功率繞組輸出恒定頻率的交流電能，也實(shí)現(xiàn)了交流勵磁變速恒頻發(fā)電。
　　4.結(jié)語
　　本文主要講述了無刷雙饋電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，通過對無刷雙饋電動機(jī)原理圖的分析，分析了無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理；通過分別給出直觀的仿真運(yùn)行圖，直觀地講解了無刷雙饋電動機(jī)的運(yùn)行原理。