综述无刷双馈电机的结构和运行原理

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1.引言

无刷双馈电机（BrushlessDoubly-FedMachines，简称：BDFM）是由Hunt于20世纪初提出的，但是由于当时控制技术的限制，一直未能得到实际应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，使得对双馈电机的控制成为可能。1980年初，Wallace等人在无刷双馈电机的控制绕组上加上频率和电压均可调的交流电源，将该电机与控制系统组成无刷双馈电机调速系统，实现了高效无级调速，而且可以实现变速恒频发电，大范围调节无功功率，改善电网的功率因数。自1980年以来美国、英国等国家对无刷双馈电机进行了深入的研究，并逐步在工业中得到了应用。90年代中期我国许多高校和科研部门也对无刷双馈电机进行了研究。

2.无刷双馈电机的结构原理

图1 无刷双馈电机的基本结构原理图

无刷双馈电机的结构原理图如图1所示，定子侧具有两套绕组，分别为功率绕组和控制绕组。其中功率绕组极对数为p，直接由工频电源为其供电，控制绕组极对数为p，通过变频器为其供电。转子侧具有特殊的结构，极对数为（p+p），有鼠笼式和磁阻式两种形式。

3.无刷双馈电机的运行方式

无刷双馈电机具有以下运行方式：无刷双馈电机的异步运行、同步运行、双馈运行和变速恒频发电状态。

3.1无刷双馈电机的异步运行

无刷双馈电机异步运行时，功率绕组接到工频电源，控制绕组通过滑动变阻器短接。这样无刷双馈电机利用控制绕组串联的滑动变阻器可以实现自启动，还可以调节阻值的大小在一定范围内调节电机的转矩―转速特性。无刷双馈电机与传统绕线式电机相比，去掉了电刷，使得可维护性大大提高，适用范围进一步扩大。无刷双馈电机的异步运行示意图如图2所示。

图2 无刷双馈电机的异步运行示意图

根据无刷双馈电机的双同步模型，在MATLAB中建立模型，此模型中p=2，p=1，J=0.1，根据异步电机的公式可以得出电机稳定转速为1000转每分钟。当功率绕组电压U=380V，f=50hz，控制绕组短接，即U=0，f=0。电机工作在异步状态，其波形如图3所示，与理论分析一致。

图3 异步运行时速度波形图

3.2无刷双馈电机的同步运行

无刷双馈电机在同步运行时，功率绕组直接由工频电源供电，而控制绕组通过变频器接到电源上，如图1所示。当无刷双馈电机运行速度在60f/（p+p）附近时，控制绕组2p极磁场以相对于定子的低滑差速度旋转。如果此时在控制绕组通一直流或者一定频率、一定电压的交流电，那么电机将被牵入同步速而同步运行。同步运行速度只与电机定子绕组的极数和定子绕组所通电源频率有关，与其他因素无关。

功率绕组加380V，50hz交流电，控制绕组在电机运行2分钟后，加上10V的直流电。电机实现异步启动，同步运行。其转速波形如图4所示。稳定同步运行的速度为750转每分钟。

图4 异步启动同步运行时速度波形图

3.3无刷双馈电机的双馈运行

无刷双馈电机双馈运行时，其运行示意图跟同步运行时相同，但控制绕组的变频输入不同，使无刷双馈电机工作在双馈运行状态。无刷双馈电机内部有几种磁场相互作用，图5给出了各旋转磁场之间的关系。

图5 无刷双馈电机内部各旋转磁场之间的关系

无刷双馈电机双馈运行稳定时，转子导条上只有一种电流流过。因此两定子磁场在转子中感应的电流角频率应该相同，即w=w。因此：

w-pw=±w+pw（1）

则，无刷双馈电机双馈稳定运行时的转速为：

n=60*（f±f）/（p+p）（2）

式中的“±”号取决于两台电机的定转子相对相序。当功率绕组电源和控制绕组电源相序相同时取“+”号，反之取“－”；当f=0时的转速称为自然同步速。f前取负号的调速称为亚同步调速；f前取正号的调速称为超同步调速。

功率绕组加380V，50hz交流电，控制绕组在电机运行2分钟后，加上50V，5hz的交流电。电机实现异步启动，双馈运行。其转速波形如图6所示。稳定双馈运行的速度为650转每分钟。

图6 异步启动双馈运行时速度波形图

3.4无刷双馈电机的变速恒频发电状态

无刷双馈电机发电运行时，电机的控制绕组用作交流励磁绕组，功率绕组用于发电。功率绕组的频率为：

f=n*（p+p）/60±f（3）

在不同的机械转速n下调节控制绕组的供电频率f，可以保证定子功率绕组输出恒定频率的交流电能，也实现了交流励磁变速恒频发电。

4.结语

本文主要讲述了无刷双馈电动机的结构和运行原理，通过对无刷双馈电动机原理图的分析，分析了无刷双馈电机的结构原理；通过分别给出直观的仿真运行图，直观地讲解了无刷双馈电动机的运行原理。

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