無刷雙饋電機及其關鍵技術發展研究

劉鳳瑞（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引 言

我國是世界上的農業大國，泵站水利設施眾多。使用過程中，一些泵站出現了機械設備老化、產品淘汰嚴重的問題。在一些工況調節變化大的地區，水泵往往無法在最佳效率區內完成工作，出現了電能消耗大、運行效率低的問題，需要相關人員加強對水泵工作情況的調節，降低水泵工作能耗消耗，節省資源。無刷雙饋電機發展所需變頻容量較小，使用過程中能夠節省成本費用。但是，無刷雙饋變頻調速技術的應用發展還處于初步發展階段，沒有被完全應用在泵站，需要相關人員結合實際，加強對無刷雙饋變頻調速技術的深入研究。

1 無刷雙饋電機概述

1.1 原理

無刷雙饋電機包含兩個定子繞組，使用時類似兩個交流電機同軸連接。電機的定子上包含功率繞組和控制繞組。功率繞組和控制繞組在使用的時候不存在直接電磁耦合，而是通過轉子傳遞電磁功率。轉子構造為兩套不同極對數繞組，通過反相序串聯形成工作。

無刷雙饋電機氣隙主要包含功率繞組、控制繞組和轉子繞組。假設無刷雙饋電機的功率繞組極對數是p1，控制繞組的極對數是p2，頻率分別是f1和f2，功率繞組的電流角頻率是w1。轉子速度達到nr時，功率繞組的感應電流角頻率是功率繞組電流角頻和無刷雙饋電機相乘功率繞組電流角頻率的差。假設控制繞組相序和功率繞組的相序相同，那么感應的電流角頻率=控制繞組電流角頻率-控制繞組極對數×功率繞組電流角頻率。可以發現，當定子只通有一套電流的時候，也能夠在轉子繞組中感應出一個正方向旋轉的轉子磁場和一個反方向的轉子磁場。可見，無刷雙饋電機不僅可以實現電動運行，而且能夠確保整個系統的發電運行[1]。

1.2 結構形式

1.2.1 定子結構

無刷雙饋電機定子上有兩套繞組，一套是功率繞組，一套是控制繞組。兩個繞組在通電之后電流不會發生耦合，在這個期間會出現不同極對數的磁場。一般情況下，定子結構可以被制作成雙繞組結構和單繞組結構。第一，雙繞組結構。雙繞組結構如圖1所示。圖1中，左邊是功率繞組，右邊是控制繞組，兩個繞組在使用時一般會占據一定的槽層。在使用操作中為了能夠減少諧波對電機的影響，功率繞組和控制繞組會采用Y型方法進行連接，之后兩個繞組產生的電流不發生耦合。第二，單繞組結構。單繞組結構如圖2所示。該繞組結構彼此對稱，產生的電流不會產生干擾[2]。

1.2.2 轉子結構

無刷雙饋電機轉子也被稱作極數轉換器，在使用的過程中，和對數不同功率繞組和控制繞組耦合，深刻影響電機的運行性能。實際操作中，不管應用何種結構的轉子都需要得到特定磁路結構的支持，結合實際情況調整功率繞組和控制繞組[3]。

2 無刷雙饋電機的關鍵技術和發展展望

2.1 電極電磁設計優化技術

無刷雙饋電機電磁優化技術在使用過程中仍然存在一些亟待解決的問題，也缺乏能夠反映電磁特點的模型。從現階段的發展情況來看，無刷雙饋電機數學模型建設中的基波等效模型無法在真正意義上反映空間磁場的作用，需要相關人員利用最新技術形式修改等效電路模型，實現對磁心損耗的精準計算。另外，對于電機模型結構復雜和等效電路參數計算復雜的問題，有學者采取措施將耦合電路模型轉變為一種序列分量形式，之后計算電機的參數，實現對無刷雙饋電機參數的精確計算，簡化了等效電路。

圖1 定子雙繞組結構示意圖

圖2 定子單繞組結構示意圖

2.2 轉子結構耦合能力和諧波磁的動態

無刷雙饋電機轉子在設計時需要能夠耦合定子功率繞組和控制繞組的要求。在常見的幾種轉子結構中，特殊籠型轉子在使用的時候方便加工，且加工成本費用較低，電機的起步和異步運行性能良好。繞線轉子電機繼承了特殊籠型轉子電機的優勢，實現了對導體的高效利用，降低了電機磁動勢諧波。有學者提出了一種能夠計算定子、轉子磁場的空間諧波分量分析程序，但在實際使用中也增加了氣隙磁場的復雜程度。未來，需要相關人員加強對轉子結構的優化設計，增強轉子結構的耦合能力[4]。

2.3 優化無刷雙饋電機的使用控制策略

為了能夠進一步提升無刷雙饋電機的運行性能，需要結合實際，進一步優化無刷雙饋電機使用控制策略，通過無刷雙饋電機的使用優化避免以往數學模型構建的飽和、非線性問題，并加強對新型控制策略的深入研究，如模糊控制、滑膜結構控制策略等[5]。

隨著社會經濟和科技的發展，未來發展中，風力、水力發電是無刷雙饋電機穩定運行的重要應用障礙。為此，在使用雙饋風力發電機的時候，需要相關人員采取有效措施克服并網運行問題。根據以往的實踐操作情況，有學者根據所學知識，利用最新技術形式對250 kW無刷雙饋風力發電機的電壓進行實驗操作，根據實驗操作結果制定了基于功率繞組磁場定向矢量控制策略。通過建立有功和無功控制環在發生故障的時候做出補償，使功率繞組的有功電流縮減到零，無功功率達到額定值。實驗結果證明，這種控制方式能夠在一定程度上提升電機電壓的穿越能力和響應速度。

從不同的不對稱電壓跌落情況中比較這種電網故障影響的嚴重性，提出針對不對稱電壓跌落的控制方案。借助變流器控制轉子漏磁場，有效抵消定子磁鏈中的暫態直流和負序分量，實現了對電子磁鏈的穩定控制。

在社會經濟和科技的不斷發展下，無刷雙饋電機工業化發展和并網運行成為發展的必然。從發展實際情況來看，無刷雙饋電機低電壓的研究尚處于發展初始階段，將成為下一個階段發展研究的重要內容。

3 結 論

綜上所述，在電機容量不斷擴大的情況下，變頻器容量不斷提升，無形中增加了變頻器的生產和維護成本費用。無刷雙饋變頻調速系統的功率比一般電機功率小，在應用過程中能夠彌補電力系統的使用局限。為此，文章闡述無刷雙饋電機的工作原理和組成結構，結合實際分析無刷雙饋電機的使用技術和未來發展展望，旨在能夠更好地發揮無刷雙饋電機的作用，促進社會發展建設。

[1] 焦 輝，闞超豪，任泰安.無刷雙饋電機及其關鍵技術發展綜述[J].微電機，2017，50（8）：67-74，83.

[2] 韓 鵬.雙定子無刷雙饋電機設計與驅動控制[D].南京：東南大學，2017.

[3] 錢 坤.無刷雙饋電機調速技術及應用研究[D].揚州：揚州大學，2017.

[4] 張家午.繞線轉子無刷雙饋電機的仿真與實驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2016.

[5] 焦 輝.繞線轉子無刷雙饋電機電磁設計及運行性能研究[D].合肥：合肥工業大學，2017.