1、目 录摘 要 Abstract 主要符号表 第 1 章 无 刷 双 馈 电 机 研 究 的 背 景 和 意 义 11.1 绪论 11.2 无刷双馈电机的发展及研究现状 11.3 无 刷 双 馈 电 机 的 研 究 意 义 5第 2 章 无 刷 双 馈 电 机 转 子 绕 组 的 原 理 92.1 定子绕组的结构 92.2 转子绕组的结构 102.3 笼型转子的“极数转换器”的作用 122.4 绕线型转子绕组的结构 13第 3 章 建立笼型转子绕组谐波磁势计算模型 173.1“安导波”的概念及其与磁势的关系 173.2 单 根 导 体 的 磁 势 计 算 183.3 单个线圈的磁势计算 203.
2、4 线圈组的磁势计算 223.5 相 绕 组 的 磁 势 计 算 233.6 整 个 转 子 绕 组 各 次 谐 波 的 磁 势 计 算 24第 4 章 用 MATLAB 编写谐波磁势的通用计算程序 264.1 MATLAB 简 介 及 其 发 展 历 史 264.2 用 MATLAB 语 言 对 转 子 谐 波 磁 势 进 行 编 程 274.2.1 磁势计算的流程图 274.2.2 对磁势计算进行编程 274.2.3 程 序 的 运 行 31第 5 章 极对数 的功率绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究 324p5.1 转 子 绕 组 参 数 的 选 取 325.2 程 序 的 运 行
3、 以 及 计 算 结 果 325.3 结 果 分 析 40第 6 章 极对数 的控制绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究 422p6.1 转 子 绕 组 参 数 的 选 取 426.2 程 序 的 运 行 以 及 计 算 结 果 426.3 结 果 分 析 51第 7 章 变转子每相线圈数后转子谐波磁势的分析研究 527.1 变 功 率 绕 组 中 转 子 每 相 线 圈 数 后 转 子 谐 波 磁 势 的 分 析 研 究 527.1.1 转子绕组参数的选取 577.1.2 程 序 的 运 行 以 及 计 算 结 果 527.1.3 结 果 分 析 617.2 变 控 制 绕 组 中 转
4、子 每 相 线 圈 数 后 转 子 谐 波 磁 势 的 分 析 研 究 617.2.1 转子绕组参数的选取 61无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究7.2.2 程 序 的 运 行 以 及 计 算 结 果 617.2.3 结 果 分 析 70结 束 语 71参 考 文 献 72致 谢 73I无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究摘 要 无刷双馈电机作为一种兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机优点的新型电机，在电机变频调速和变速恒频发电领域中越来越受到重视。本文提出了用MATLAB 语言编写无刷双馈电机转子磁动势谐波的计算程序，并且使程序具有一定的通用性。文章的前两章是介绍无刷双馈电机研究的背景和意
5、义与无刷双馈电机转子绕组的原理；然后建立笼型转子绕组的谐波磁势数学模型，并且用 MATLAB 编写计算程序；最后分别对极对数为 的功率绕组和 的控制绕组在转子中建立的转子磁4p2p动势谐波进行分析研究。关键词 无刷双馈电机 转子绕组 磁动势谐波 分析研究无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究IIRotor MMF Harmonic Analysis of Brushless Doubly-FED MachineAbstract:As a new type of electrical machine,combined the merits of the asynchronous motor with
6、 the squirrel-cage rotor with and wound-rotor and the electro-excited synchronous motor,the brushless doubly-fed machine(BDFM)has been attracted more and more attention in the field of variable-frequency adjustable-speed motor and variable-speed constant frequency generating.This text brings forward
7、 using MATLAB language to compile the account proceeding of the rotor MMF harmonic of the BDFM,and this proceeding had a certainty currency character.The front of tow chapters of the article are introducing the background and significance of the BDFM researching and the theory of the rotor winding o
8、f the BDFM ;then the article would establish the harmonic magnetic force mathematical model of the squirrel-cage rotor,also use MATLAB compile the account proceeding;finally the aticale would separate to analysis The Rotor MMF Harmonic of the and the .4p2pKeywords:BDFM,Rotor Winding,MMF Harmonic,ana
9、lysisIII主 要 符 号 表安导强度A安导波)(x单个线圈的安导波c单根导体的安导波)(s电角度a磁势波)(xF单个线圈的磁式波c单个线圈的 次谐波磁势的幅值vv相绕组的磁势幅值m线圈组的 次谐波磁势的幅值qvF单根导体的磁势波)(xs相绕组的磁势波,at无刷双馈电机的定子频率1f导体电流的瞬时值i每相电流的有效值I导体电流的有效值c 次谐波的分布系数qvk 次谐波的绕组系数w 次谐波的短距系数yv对 对极谐波说的线圈短距系数k 对极谐波的槽口系数sv气隙旋转磁场同步速，转子绕组的相数m单个线圈的匝数cN转子转速n输入功率P滑差功率s机械功率w输出功率出基波极对数p无刷双馈电机转子磁动势
10、谐波分析研究IV转子导条数2Q线圈组串联的线圈数，每极每相槽数q滑差s谐波对基波的次数v谐波极对数每相每条并联支路的串联匝数w机械弧度x每相并联支路的条数电流的角频率电源的角频率1共轴转子的机械角速度r槽口宽度s- 1 -第一章 无刷双馈电机研究的背景和意义1.1 绪论无刷双馈调速电机转子结构简单，运行可靠，可以实现自启动、异步、同步、双馈等多种运行方式，即具有异步电机和同步电机的双重优点，在用作变频调速系统时还可以大大降低变频器的容量。在风机和泵类负载的节能调速系统及变速恒频的水力和风力发电系统中具有广阔的应用前景。研究无刷双馈变频调速电机无论是在理论或是实际应用方面都有着很大意义，而目前所
11、研究的无刷双馈电机性能还达不到实际应用要求，有些学者认为，其关键原因在于还没有找到一个合适的转子绕组形式。目前研究采用的磁组转子和特殊笼形转子这两种转子结构形式中笼形转子被认为是最可能应用于大容量电机，但是，现有的特殊笼形转子绕组是“共轭”原理设计的，也即对无刷双馈电机所要求的转子两种极数，设计时保留两种极数下感应电机均同相的笼条导体，去掉不同相的笼条导体，而这样必然会导致转子导体利用率低，谐波含量大，造成电机效率及过载能力较低的结果。由于认为目前制约无刷双馈变频调速电机进入实际应用的瓶颈在于转子绕组的性能，为解决这个问题，有学者提出采用根据“变极”原理设计的特殊绕线转子绕组。鉴于以上的研究情
12、况，本文将设计一笼型和绕线型方案，用 Matlab 建立笼型转子绕组谐波磁势分析的计算模型，针对所设计的绕组方案，分别得出结果，并且分别改变转子线圈数，从而证明增加转子线圈数可以优化转子绕组的磁势。1.2 无刷双馈电机的发展及研究现状近 10 年来，随着电力电子技术、计算机技术和现代电机控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史性的变革，以变频调速为代表的交流电气传动以其优异的性能、如调速范围宽、稳速精度高、动态响应快与四象限运行等，在石油、化工、机械、冶金等工业领域得到了广泛的应用，尤其对于大功率的风机或泵类负载，采用交流电机变频调速可节电 2030%，具有显著的节能效果。交流调速全面取
13、代直流调速已成为发展趋势。归纳起来，现代交流调速按交流电机类型划分有：（1） 同步电机这是一种转子转速 永远等于气隙旋转磁场同步速 的电机，即nmpfn160无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究- 2 -通常仅有改变定子供电频率 的变频调速，有称为无换向器电机。1f根据频率控制信号的来源，同步电机调速又可分为：1. 它控式同步电机变频调速：频率有外界控制，有失步问题；2. 自控式同步电机变频调速：频率由电机转子磁极位置信号控制，无失步问题。（2） 异步电机这是一种转子转速 永远不等于同步速 、中间存在滑差 以使转子产生切割关n1ns系，感应电流而产生转矩的交流电机，转速满足。pfss1160)(
14、)(调速时可调节较多，方法总的可分为：1. 变同步速 调速1n具体方法有：A. 变频调速：改变定子供电频率 实现同步速变化，适合任何类型异步电机。1fB. 变极调速：由于要求定、转子极对数同时变化，仅适合鼠笼式异步电机。2. 变滑差 s 调速实质上是一种转子内滑差功率 的调速方法。根据引起滑差功率消耗的具sPM体方法不同，又可细分为：A. 调压调速：通过改变定子电压的幅值（不改变频率）使电磁转矩变化，从而变化滑差。要求采用高转子电阻电机以限制滑差功率消耗产生的发热，适合于鼠笼式及绕线式异步电机。B. 绕线式异步电机特有调速a) 转子串电阻调速：改变转子电阻机械特性硬度，实现滑差的变化，但因滑差
15、功率的不可逆消耗而耗能。采用电力电子技术时可演变为转子串电阻斩波调速，以实现调速过程电子控制。b) 串极调速：定子接固定频率电网，转子接滑差频率反电势以吸收或补充滑差功率，从而实现变滑差调速（一般低于同步速） 。c) 双馈调速：定子接固定频率电网，转子接变频电源，改变频率电源的频率、相序可实现同步速上、下的高速调速，并可实现有功、无功控制。近年来还出现了不少电机本体与控制装置紧密结合的调速电机，如开关磁组电机、永磁无刷直流电机，它们的共同特点是实现了半导体变流装置与电机本体一体化，是一类新型调速电机。在所有这些交流电机的调速传动方式中，交流电机的结构不同，- 3 -个具特色，同时也与外部控制电
16、路的连接，可与定子绕组一起实现双重馈电，能满足大容量、高电压、高转速的性能要求，并具有转速稳定（同步速） 、功率因数可调、效率高等方面的优点。然而由于滑环与电刷须经常维护，降低了电机的可靠性，同时滑动接触易产生火花，限制了其使用场合。鼠笼式异步电机（包括开关磁组电机）转子结构简单、无接触，运行可靠、无需维护，但由于异步电机转子需从定子侧获取励磁，功率因数较低，由于变频调速系统时，由于转差的存在使转速与负载直接相关，为了得到精确的调速，还需要加上复杂的闭环控制系统。此外，鼠笼式异步电机变频调速时变频器设置在定子侧，通过全部功率时所需的变频器容量大于电机的额定功率，是整个系统的成本较高。绕线式异步
17、电机可以实现双馈运行，速度、功率因数同时可调：变流装置只需处理滑差功率，因此，变频器容量比电机小，降低了系统成本，但也存在电刷和滑环带来的弊病。所以，虽然目前交流调速技术在不断改进，但是电机本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流电机无刷化并具备双馈运行功能，使交流传动系统具有高效率、高功率因数、高可靠性、低成本已成为电机制造工业和交流传动系统亟待解决的一项技术难题。近年来，为了解决这个问题，国内外许多学者都将目光投向无刷双馈，不仅具有简单的转子结构，而且具有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机，又可作为变频调速发电机。因此作为一种性能优良的新型电机，越来越受到研究
18、者的关注。无刷双馈电机是从串极感应电机发展而来的，它继承了串极电机的一些特性。在串极感应电机中，两台绕线式异步电机机械上同轴联接、转子绕组直接按正或反相序相连，其基本结构如图 1.1 所示。图 1.1 两台感应电机的串极连接无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究- 4 -串极系统中，若 、 分别为两台电机的极对数， 为共轴转子的机械角速度，pq r为电源的角频率，则在电机稳定运行时，转子的机械角速度 ，其中1 )1(qp+、号分别对应转子反、正相序连接。假定第一台电机的输入功率为 ，若在某一NP转速时两台电机的转差率分别为 、 ，那么第一台电机产生的机械功率为：psqNpwPs)1(若忽略电机损耗
19、， 则 就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率。NpP这样第二台电机轴上产生的机械功率为： Npqwqs)1(在两台电机转子绕组反相序连接的条件下，整个机组的输出功率为： qpqpPP)(出试中： 为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。NqpPs从串极电机的运行过程来看，如果改变第二台电机外接电阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就会发生变化。在 一定的前提下，机组的转差率将发生变化，电机转速N随之发生改变。由于电机采用这种串极方法时可以取消滑环和电刷，并在一定范围内调速，人们曾经将两台电机的定转子安装在同一机座内，使串极电机从外观上看是一台电机从而减小机组的体积和提高运行性能，以 Hun
20、t 和 Creedy 为代表的研究者将两个转子合二为一构成一个公用转子，并采用了较以往电机更为先进可行的理论对定子绕组进行重新设计，使之具有一套转子绕组、一套能产生不同极数的定子绕组，且具有一个共同的磁路的单一机组，这就是无刷双馈电机的原型。但由于受当时技术调节限制，该电机未能投入实用研究。进入 70 年代后，交流电机的变频调速技术得到了较快的发展，在各行业发挥了越来越大的作用。但随之而来的变频器的高成本、谐波污染等问题也受到了关注。研究者发现在串极电机运行时，当机组的转差率发生变化，第二台电机的定子电流频率也会随之改变。反之，如果改变第二台电机定子绕组的电流频率，电机的转速也将发生变化，且由
21、于通过第二台电机定子绕组的是转差功率，功率大小与调速范围直接相关。在电机调速范围不大的情况下，该功率远小于由第一台电机的定子绕组输入的功率。这样，将变频器代替第二台电机定子所接的电阻，就可采用较小容量的变频器来控制电机的转速。因此，在 70 年代后期，单一机组串极电机的研究又吸引了很多研究者的注意。对于电机本体，以 Braodway 为代表的研究者们在 Hunt 发明的电机结构基础上进行了较大改进。他们在满足无刷双馈电机对转子磁场要求的前提下，将相调制理论应用到极变换绕组，使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极对数磁场，简化了定子绕组。转子采用了类鼠笼式结
