發(fā)布時間：2020-04-11 02:07

【摘要】：無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machine,BDFM)作為一種新型交流電機,因其結(jié)構(gòu)上具有諸多優(yōu)點,近年來得到了迅速發(fā)展。這種電機定子上布置有兩套彼此絕緣的繞組,所以需要一個經(jīng)過特殊設計的轉(zhuǎn)子以完成它們之間的耦合。無刷雙饋電機能夠在幾種不同的運行模式下運行,表現(xiàn)出某些與傳統(tǒng)異步電機或同步電機相似的運行特性。此外,這種電機既能作發(fā)電狀態(tài)運行,實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電,也能作電動狀態(tài)運行,實現(xiàn)變頻調(diào)速。本文重點研究無刷雙饋電機作為電動機在交流調(diào)速領(lǐng)域的應用,主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:首先,分析了無刷雙饋電機的基本運行原理,推導得出電機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的表達式,并且對兩套定子繞組間的功率分配規(guī)律和電機不同運行狀態(tài)下兩套定子繞組的功率流向進行了研究。推導了無刷雙饋電機在功率繞組同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型,通過該模型,可以方便進行電機瞬態(tài)過程的仿真分析和進一步的控制算法設計。本章以無刷雙饋電機在同步運行模式下的穩(wěn)態(tài)等效電路為基礎,分析了電機在這種運行模式下具有的轉(zhuǎn)矩角特性和無功功率的調(diào)節(jié)特性。其次,在上述同步運行等效電路的基礎上,進一步發(fā)展得到了無刷雙饋電動機在兩種異步運行模式下的等效電路,即單饋異步和雙饋異步。以此為基礎,對電機在這兩種異步運行模式下的機械特性進行了詳細地分析。分析得到電機在單饋異步運行模式下,控制繞組勵磁電感需算作轉(zhuǎn)子的漏感,電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力極為有限,因此這種運行模式并不具有實用意義。而雙饋異步運行模式可以有兩個方面的作用:一是用于無刷雙饋電動機的異步啟動;再就是在控制繞組側(cè)變頻器故障后通過運行模式切換保證電機的繼續(xù)運行。通過對電機控制繞組側(cè)變頻器逆變橋工作狀態(tài)的研究,提出了幾種適用于無刷雙饋電動機的異步啟動方法,以滿足不同應用場合的需求。通過在Matlab/Simulink中建立相應的仿真模型,對比分析了無刷雙饋電動機在這幾種啟動方法下的啟動性能。第三,在無刷雙饋電機功率繞組同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下數(shù)學模型的基礎上,通過采用功率繞組電壓矢量定向,可以進一步簡化電機的數(shù)學模型,設計得到一種適用于無刷雙饋電動機的矢量控制策略。通過該控制策略,可以實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)矩和功率繞組無功功率的解耦控制,具體為通過控制控制繞組的d軸電流分量,可以實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制,而通過控制控制繞組的q軸電流,可以實現(xiàn)對電機功率繞組無功功率(或功率因數(shù))的控制。推導了一種軟件鎖相環(huán)算法,以獲得電機控制算法中所需要的功率繞組電壓矢量的相位。通過在Matlab/Simulink中建立相應的仿真模型,對該電機控制算法的控制效果進行了仿真驗證。第四,通過對無刷雙饋電機內(nèi)部磁場分布的特點進行研究,分析得出了電機鐵心容易出現(xiàn)局部飽和原因。局部飽和會增大電機的鐵耗,降低電機的效率,還會使氣隙磁通密度波形出現(xiàn)畸變,進而在轉(zhuǎn)子繞組中感應出諧波電流。轉(zhuǎn)子諧波電流產(chǎn)生的諧波磁場切割兩套定子繞組,再在其中感應出相應頻率的諧波電動勢和電流。通過對一臺繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機樣機進行有限元仿真分析驗證了這一推論。最后,以一臺30kW繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機為基礎,配以相關(guān)的外圍設備,建立了無刷雙饋電動機變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)。通過大量實驗驗證了本文所提無刷雙饋電動機異步啟動和同步運行相關(guān)控制算法的有效性。通過對實驗樣機在不同運行條件下定子電流波形中的諧波含量進行分析,驗證了前面所提諧波分析方法的正確性。
【圖文】：

就能相應的改變電機的運行速度。這種電機即是無刷雙饋電機的起源，其結(jié)構(gòu)原理如圖1.1 所示。圖 1.1 級聯(lián)感應電機原理圖在上述串級聯(lián)接感應電機的基礎上，在隨后的 1902 年，，Siemens 兄弟和 Lydall在英國申請了一項專利，在這項專利中他們提出一種改進的感應電動機[2]。這種電機將兩臺不同極對數(shù)的感應電機融合在一起，具有兩套獨立的定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組間通過電刷和滑環(huán)連接在一起，實現(xiàn)了自串級聯(lián)接的運行方式。通過采用這一結(jié)構(gòu)，電機能夠運行在三種不同的轉(zhuǎn)速之下。在這一時期，其他一些學者也進行了類似的嘗試，以減小電機的體積和成本，提高電機的性能[3]。1907 年到 1914 年，Hunt 對 Lydall 提出的電機進行了改進，他取消了 Lydall 設計方案中的雙轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，而只采用一套轉(zhuǎn)子繞組，不過這一轉(zhuǎn)子能夠同時產(chǎn)生兩種不同極對數(shù)的磁場，分別與定子繞組極對數(shù)磁場進行作用，并且這兩個磁場共用一個磁路[4]。這種電機通過采用一套轉(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。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，所以當負載出現(xiàn)短路等故障時，變頻器有充足的時間進行保護動作，具有較高的安全性。其次，這種變頻器的功率器件通常會采用晶閘管，因為晶閘管具有高電壓、大電流的特點，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。但是，其問題也比較多，例如變頻器輸入側(cè)對電網(wǎng)的功率因數(shù)較低；因為電抗器電感值很大
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM34

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 萬山明;吳芳;王雪帆;;4/8極無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組設計[J];微電機;2015年06期

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3 王雪帆;;繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機氣隙磁動勢波研究[J];華中科技大學學報(自然科學版);2013年09期

4 熊飛;王雪帆;程源;;不等匝線圈轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機研究[J];中國電機工程學報;2012年36期

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10 闞超豪;王雪帆;;齒諧波法設計的無刷雙饋發(fā)電機運行范圍[J];中國電機工程學報;2011年24期

相關(guān)博士學位論文 前5條

1 闞超豪;繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組設計和運行特性研究[D];華中科技大學;2010年

2 熊飛;繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機建模分析和電磁設計研究[D];華中科技大學;2010年

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5 張鳳閣;磁場調(diào)制式無刷雙饋電機研究[D];沈陽工業(yè)大學;1999年

相關(guān)碩士學位論文 前1條

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

本文編號：2623007