無刷雙饋電機的轉子結構及電機在獨立發電系統中的應用

房俊生 張衛冬

摘要：針對其特點，本章介紹了繞線轉子無刷雙饋發電機的獨立發電系統的概念、結構和需要解決的主要問題。并討論了在發電系統中的應用，處理無刷雙饋電機控制問題時面臨的主要挑戰。為了克服這些問題，需要獨立操作無刷雙饋線。基于此對電機的數學模型、功率流和運行性能進行了充分的推斷和分析。

關鍵詞：無刷雙饋電機;電機;系統

前言

無刷雙饋電機結構簡單，堅固耐用，與有刷雙饋電機相比，省去了有刷滑環裝置運行速度范圍寬。同時無刷雙饋電具有使用壽命長、制造成本低和很高的可靠性等優點。

一、無刷雙饋獨立發電系統概念

無刷雙饋電機在獨立發電領域應用潛力巨大，但由于電機結構復雜，它的控制帶來了很大的問題，同時獨立開發的情況不同于并網式的情況，因此必須實現控制來更好的促進無刷雙饋獨立發電系統的發展。

二、無刷雙電機的特點及研究現狀

1.無刷雙電機的特點

無刷雙電機獨立于負載轉矩，同時電機具有很強的機械性能，因此可以提高速度控制系統的品質因數。無刷電機還有一個特點就是無刷電機可以進行調速，電機是即可輕松實現自啟動異步同步和雙饋電等多種工作方式，從而兼具良好的啟動特性和良好的驅動性能。無刷電機是一種很好發展前景的產品，因此要大力促進無刷電機的應用。

2.無刷雙電機研究現狀

無刷雙電機源于兩臺感應電機的級聯，此類電機系統的深入研究始于1970年代后期。在無刷雙電機性能仿真研究領域學者們做了很多。傳統無刷雙電機的數學模型大多是基于dq-0生物標志物系統。由于精度不夠，無刷雙電機調速系統的研究在模仿上存在一定的困難。盡管近20年來國內外許多學者在無刷雙饋電機的分析研究方面有進展，發表了多篇相關論文，開展了大量的研究工作。但是無刷雙饋電機的發展水平稍有落后。國內一些高校和科研院所對這些電機進行了研究并取得了一定的成果，但總的來說國內的無刷雙電機研究還處于基礎研究階段。

三、無刷雙饋獨立發電系統結構

選用極對數少的定子繞組作為動力繞組時無刷雙電源發電機的空載電流與并網風電系統類似，網側變流器的主要功能是維持直流母線應用、電壓穩定和無功功率調節。此外，通常將一系列電解電容器并聯連接到直流母線進行能量儲備。在系統運行的早期階段，電解電容器由備用電源（例如電池）充電，它可以提供原始的振動力。

極對數的選擇。機架尺寸繞線轉子無刷雙饋電機有：p1=1 和 p2=3 或 p1=3 和 p2=1。因此必須需要先討論一下。首先，應選用極對數少的定子繞組作為動力繞組時無刷雙電源發電機的空載電流比較小，相反，靜態電流比較大。同時在控制繞組的場速和旋轉場速之間，功率繞組的頻率在測試冬季期間應保持在獨立發電系統中。這時候按照無刷雙饋線電機的工作原理，電機將不能正常的產生電能。相反，如果 p=1，p2=3，出現這種極端情況與之前電機的正對組合相比，無疑僅在 3000 r/min 時，正常工作速度范圍大大提高。綜上所述，無刷雙饋電機選擇極對組合時必須加上裝置的調速范圍和損耗。因此出于考慮，本文使用的實驗原型和模擬是 p1=1 和 p2=3 的極對組合。

四、需要解決的主要問題

無刷雙饋電機的商業應用尚未完全實現，部分原因是電機控制的復雜性，電機控制的復雜性主要是由于無刷雙饋電機結構復雜。因此研究人員需要解決有刷雙電機不間斷電源系統的問題。

五、無刷雙饋獨立發電系統控制方法

獨立于發電系統運行的無刷雙龍頭發電機是唯一的發電單元。在這些運行條件下，無法使用典型的風力渦輪機類型的電網電壓定向矢量控制方法。

六、無刷雙電機的結構特點

1.定子結構

無刷雙電機的定子繞組可以由一組或兩組相互絕緣的繞組組成，可以減少銅損降低漏抗，所以無刷雙饋電機通常使用兩組定子繞組。成對繞組（即控制口）當控制口通電時，工頻電源中不會產生額外的電流，同樣需要P極對旋轉的感應電位，而且 P極對繞組的出線端之間不得有電位差，以免定子繞組的磁場在精確控制無刷雙饋電機的轉速，要求同時達到兩個電源相互獨立的目的和無動力的目的從而可以直接傳輸。同時無刷雙饋電機在正常運行過程中，如果P、P匹配不當，就會出現磁吸不平衡。

2.轉子結構

在確定轉子的結構和極數時，轉子槽數的選擇很重要。在異步電動機中，定子槽與轉子槽相交匹配，可以避免因齒槽效應引起的低速轉矩脈動。在運行過程中同步增加的扭矩和電機的過度振動和噪音。

七、無刷雙饋電機的應用前景

1.無刷雙饋電機在高壓變頻調速系統中的應用前景

如今，電力電子設備的價格比10年前要高很多，這說明該節能技術具有良好的市場前景。然而，目前存在的主要問題是交流變頻高速轉換器的成本還是比較高的，尤其是在高壓、大容量的電機調速系統中變流器造價相對昂貴，控制系統較為復雜，因此阻礙了交流變頻調速系統的發展。對于高壓大容量電機變頻調速系統中的頻率調制，可以直接使用高壓變頻器。除了轉換器電壓過低外，還存在不可靠、成本高的問題，因此系統中使用的轉換器是首選。同時采用無刷雙饋電機的轉子結構和轉子繞組設計，可以實現電機的兩個電口。高壓低壓的特殊結構，實現了通過低壓端口控制電機轉速的目的。高壓電源和電機的控制繞組由低壓變流器供電，也可以實現控制繞組。雙向能量流動降低了整個速度控制系統的成本，在設備出現故障時，無刷雙饋電機也可以通過自動開關切換到異步運行模式，讓電機恒速運行。無刷雙進給電機無需停機，也提高了系統運行的安全性和可靠性，因此無刷雙饋電機在高壓變頻調速系統中的應用前景廣闊。

結束語

本章對無刷雙饋獨立發電系統進行了理論分析和實驗研究，重點研究了獨立發電系統。討論了電力系統在發電中的實際應用，并得出以下結論：無刷雙電機雖然電磁結構復雜，但是無刷雙電機具有一定的應用潛力。在電力系統或風電系統等情況下，在實際應用中還有一些問題需要解決，因此可能出現的任何問題都應在后續工作中發現并及時的進行解決。

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