无刷双馈电机调速系统浅析

山东科技职业学院机电工程系 王德彬

无刷双馈电机调速系统浅析

山东科技职业学院机电工程系 王德彬

无刷双馈电动机是一种新型的电动机，具有运行可靠、结构简单的特点；它不但具有绕线式感应电机的优点，还具有鼠笼型感应电机的优点，而且具有永磁同步电机的优点，具有很强的无刷可靠性。能够进行频率和电压保持不变而转速改变的运行,非常适合应用在风力发电或水力发电行业。

无刷双馈电机；数学模型；矢量控制

本课题对现有的灌溉设备及机电控制系统进行改造，现有的灌溉动力系统多是直流电动机，虽然直流电动机具有良好的启动、制动性能、良好的调速性能和控制性能，并因为这些优点在需要调速的高性能拖动系统中曾经得到了很多很广的应用。但是普通的直流电动机具有它本身无法克服的因素-----机械换向装置，也就是换向器和电刷。所以直流电动机在运行时会产生火花和电磁干扰，而且电刷易磨损,需定期维护和更换。而无刷双馈电动机则不存在机械换向和电刷的问题。

1.背景情况

随着工业化建设和农产品生成规模进程的不断推进，利用传统的泵机设备抽水灌溉，大功率、低效率的电动泵机使得电力资源耗费严重。

尽管灌溉用的直流电动机具有良好的启动、制动性能，具有良好的调速性能和良好的控制性能的特点，但“高耗低效”的问题也比较突显，“十二五”规划的指示精神和科学发展观的理论思想都强调了我们要高效循环利用不可再生能源。

2.课题研究目的

本课题通过引进无刷双馈电动机作为动力设施，变直流电机为交流电机。现在泵站机组电动机调速运行方案有变级调速和变频调速。变级调速是有极调速，级差较大，得不到平滑调速，调速不太理想。而变频调速，因功率损耗大而且不适合在频繁启动的场合下使用，同时购买变频器投资大、结构复杂。鉴于变级调速和变频调速的缺点，有效地解决泵站系统的调速问题刻不容缓。最先实践应用的是串级调速，由于不能很好地调节电机的功率因数，再加上它要和变频器一起使用；而高电压、大容量的变频器价格昂贵，导致这种方案由于使用成本在很大程度地制约了推广应用。

3.国内外研究现状

最初，串级调速控制系统在企业中广泛运用,并取得了显著的经济效益[1]。美国、英国等国相继开展了对双馈电机的研究。其中以美国的Wisconsin大学、Ohio州立大学、Oregon 州立大学为代表的高等院校和科研机构对无刷双馈电机进行的研究较为深入,其研究内容涉及电机结构的分析、数学模型的建立、控制策略的探讨，时至今日为止,已经对无刷双馈电机的控制方法进行了比较深的研究[2]。

（1）20世纪30年代，日本、前苏联等国家开展双馈控制技术的研究开始地较早，其中最早开展的是日本。日本刚开始对风机、水泵类的负载传动调速控制进行了初步研究[3-6]，最近几年，着力推广飞轮储能发电，来进行调节电网无功功率，还有在扬水电站发电机组进行恒定频率发电，吸收负荷冲击[7-10]。

（2）1981年就已经开始进行变频调速抽水储能发电机组的研究，主要采用转子变频调速，转子铁芯置有三相交流励磁绕组(隐极结构)，转子变频器装置采用 GTO 元件构成交－直－交电流型逆变器或者循环变流器，并在 1995 年首次研究成功采用 GTO的世界最大容量的变速恒频抽水储能发电机组，并投入运行，它的发电机的单机容量可达到345MW，转速为 407-450 转/分，流量为 154 立方米/秒。由此可以看出日本是世界上当时在双馈应用上研究较早、机组较多以及容量较大的国家之一[11-14]。前苏联研发并生产出应用于火力发电站的双馈电动机及控制系统，其容量在325KW～2200KW 之间。

（3）上世纪80年代末，我国对双馈电动机开始研究，沈阳工业大学研究团队首先开展了无刷双馈电机的研究工作并获得了国家自然科学基金项目的支持，随后的浙江大学、重庆大学、西安交通大学、华南理工大学、太原理工大学也相继开展了该种电机的相关研究工作。目前国内外对无刷双馈电机的研究内容主要集中于电机的结构设计、电机的等效电路模型及参数计算等方面[15-17]。

（4）90年代末，冶金部自动化研究院在冷拨机上做了大量双馈调速的工业性实验。该装置中，电动机采用额定功率 80kW，其同步转速为 1000r/min，调速范围在 800～12r/min 之间，转子侧变频器接线方式采用三相零式接线方式，使得该系统功率因数由自然接线时的 0.7 左右提高到 0.9 以上，并可进行调节[18-21]。目前的研究主要也集中在蓄能电站风能双馈发电机和无刷双馈发电机、大型汽轮双馈发电机[22-23]。在泵类设备以及新型无刷双馈电动机研制方面。在国内高校中，沈阳工业大学、华中科技大学，清华大学和哈尔滨工业大学等都有研究成果。其中沈阳工业大学研制出一台无刷双馈电动机的实验样机，并已掌握了高达3 兆瓦双馈式变速恒频风力发电机组的设计[24-29]。目前有重庆大学、湖南大学、福州大学、浙江大学、华中科技大学、沈阳工业大学、湖北工业大学等对此技术有一定研究[30-31]。

4.发展动态

无刷双馈电机具有良好的调速性能、可调节电网的无功和有功功率、效率高、可改善功率因数和提高电网的稳定性等特点,所以是有其广阔的发展前途的高新技术产品,特别适合于风机、水泵、压缩机等机械的调速传动,并可很好的解决水电站水头变化大和我国江河泥沙含量大带来的水轮机发电问题[32-35]。

随着科技的不断进步,电动机异步、同步对定子绕组线圈、极数、转速和频率等条件的要求进一步成熟，无刷双馈电机必将在我国得到很好的推广应用：

（1）风机、泵类机械调速节能是当务之急，由于无刷双馈电机是其较合理的调速方案，因而预计该项目首先会在该类机械交流调速系统中应用[36-38]；

（2）水电开发量大,而河流含泥沙量高,在水电站采用无刷双馈发电机对提高机组效率,减轻气蚀和泥沙磨损有很大价值,预计其在水电上也将得到广泛应用[39]；

（3）我国风能储量大,在风能电站采用无刷双馈发电机可做到变速恒压发电。因此,其在风力发电方面也具有广泛应用前景[40]。

5.工程应用价值

江苏省镇江地区是比较有名的“鱼米之乡”，有不少的排灌站在设计时采用的是固定的扬程,而省内湖泊众多，雨水量丰富，如果一旦发生洪涝灾害，被检测的水位超过设计的扬程时，电机就会被迫的停机，如果能使电机超同步运行,则可以解决泵站因水位过高而被迫停机的问题，但到了秋、冬季节江河湖泊的水位偏低，若感应电机能次同步运行,则可以提高节能的效果,增加经济效益。省内大中型泵站的电机绝大部分是恒速运行的同步电机或异步电机。对泵站中的电机采用变速运行这一要求,其主要目的是缓解机组的效率与水泵的扬程之间的矛盾。无刷双馈电机调速系统矢量解耦控制方案,继承了串级调速效率高的优点,同时克服了变频器选择方面带来的高昂成本的困难,又能实现电机超/低同步无极调速,成为了解决泵站电机调速难题的一个好办法。

该课题的研究和应用可以对无刷双馈电动机矢量解耦控制性能，将调速技术的理论研究与泵机电动系统实现有机地融合起来，解决实际问题，丰富自己的实践教学经验，也使得在以后教授电动机的时候能让学生直接受益。

[1]罗杰.无刷双馈电机运行稳定性研究[D].重庆大学,2012.

[2]胡堃,樊贝,薛冰.不同转子结构无刷双馈电机的电磁和动态特性分析[J].微特电机,2012.

[3]韩力,罗杰,李景灿,潘红.广无刷双馈电机稳定性分析及其影响因素探讨[J].电机与控制学报,2013.

[4]潘红广.无刷双馈电机无源性控制方法研究[D].重庆大学,2012.

[5]程源.绕线转子无刷双馈电机特性研究[D].华中科技大学,2012.

[6]韩力,潘红广,刘航航,罗杰,王华.无刷双馈电机转矩和转速的无源性控制[J].电机与控制学报,2011.

[7]王华.无刷双馈电机谐波损耗数值分析与电磁方案优化设计[D].重庆大学,2012.

[8]林健华,杨俊华,张有松,吕惠子.基于模型参考自适应的无刷双馈电机控制系统[J].电机与控制应用,2008.

[9]王秀平,张凤阁.新型转子无刷双馈电机电磁设计[J].电机与控制应用,2012.

[10]焦卫星,程小华.无刷双馈电机智能控制策略综述[J].微电机,2011.

[11]吴聂根,程小华.无刷双馈电机数学模型研究(第一部分:数学建模)[J].防爆电机,2010.

[12]罗杰,韩力,王华,潘红广.无刷双馈电机稳态数学模型和运行特性研究[J].重庆市电机工程学会学术会议,2012.

[13]王乐英.无刷双馈电机直接反馈控制系统分析与设计方法的研究[D].天津大学,2011.

[14]薛冰,胡堃,樊贝.深槽式凸极转子无刷双馈电机有限元分析[J].微特电机,2012.

[15]姜文强.基于TMS320F2812的级联无刷双馈电机控制器的设计与实现[D].天津大学,2011.

[16]焦卫星,程小华.无刷双馈电机工作原理和数学模型的研究[J].微电机,2012.

[17]罗杰,韩力,王华,潘红广.无刷双馈电机稳态数学模型和运行特性研究[J].重庆市电机工程学会学术会议,2012.

[18]王乐英.无刷双馈电机直接反馈控制系统分析与设计方法的研究[D].天津大学,2011.

[19]陈坚,许建中.无刷双馈电机变频调速系统在泵站中的应用优势及前景[J].中国水利,2012.

[20]纪梁洲,杨向宇.无刷双馈电机的转子结构优化设计[J].微电机,2011.

[21]韩力,焦晓艳,李景灿,王华.无刷双馈电机全域多工况温度场的分析与计算[J].电机与控制学报,2013.

[22]焦卫星,程小华.无刷双馈电机智能控制策略综述[J].微电机,2011.

[23]吴聂根,程小华.无刷双馈电机数学模型研究(第一部分:数学建模)[J].防爆电机,2010.

[24]赵荣理,王昕,张爱玲.无刷双馈电机数学模型的研究和分析[J].微特电机,2013.

[25]阚超豪.绕线转子无刷双馈电机转子绕组设计和运行特性研究[D].华中科技大学,2010.

[26]樊贝,胡堃,薛冰.不同转子结构的无刷双馈电机磁场调制的分析[J].防爆电机,2012.

[27]赵铮,刘慧娟,张千.径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的电磁场及温度场分析[J].微电机,2011.

[28]王秀平,郭瑞,王东瑞.无刷双馈电机的转子结构及其应用前景[J].硅谷,2012.

[29]姜文强,吴庆勋,孙红飞,蒋波.基于TMS320F2812的无刷双馈电机控制器的设计与实现[J].天津理工大学学报,2011.

[30]刘航航,王华,罗杰.无刷双馈电机功率流向分析[J].微特电机,2011.

[31]邓先明,方荣惠,王抗,张晓.等距笼型转子无刷双馈电机的有限元分析[J].电机与控制学报,2009.

[32]焦卫星,程小华.无刷双馈电机运行特性的研究与仿真[J].防爆电机,2011.

[33]龚晟,杨向宇,纪梁洲.凸极转子无刷双馈电机的电感参数计算及转子设计[J].电机与控制学报,2013.

[34]邵宗凯.无刷双馈电机建模及智能控制策略研究[D].华中科技大学,2010.

[35]姚兴佳,石磊,郭庆鼎.基于模糊控制的无刷双馈电机直接转矩控制[J].电源学报,2011.

[36]侯春.综述无刷双馈电机的结构和运行原理[J].考试周刊,2011.

[37]靳雷,陆晓强.无刷双馈电机的建模与仿真[J].电机技术,2011.

[38]韩力,高强,罗辞勇,谢李丹.无刷双馈电机笼型转子结构对磁场调制的影响[J].电机与控制学报,2009.

[39]周赞强.基于DSP的无刷双馈电机直接转矩控制系统的研究与实现[D].太原理工大学,2010.

[40]刘航航,韩力.无刷双馈电机控制策略发展综述[J].微特电机,2010.