无刷双馈电机及其关键技术发展研究

刘凤瑞（辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112000）

0 引 言

我国是世界上的农业大国，泵站水利设施众多。使用过程中，一些泵站出现了机械设备老化、产品淘汰严重的问题。在一些工况调节变化大的地区，水泵往往无法在最佳效率区内完成工作，出现了电能消耗大、运行效率低的问题，需要相关人员加强对水泵工作情况的调节，降低水泵工作能耗消耗，节省资源。无刷双馈电机发展所需变频容量较小，使用过程中能够节省成本费用。但是，无刷双馈变频调速技术的应用发展还处于初步发展阶段，没有被完全应用在泵站，需要相关人员结合实际，加强对无刷双馈变频调速技术的深入研究。

1 无刷双馈电机概述

1.1 原理

无刷双馈电机包含两个定子绕组，使用时类似两个交流电机同轴连接。电机的定子上包含功率绕组和控制绕组。功率绕组和控制绕组在使用的时候不存在直接电磁耦合，而是通过转子传递电磁功率。转子构造为两套不同极对数绕组，通过反相序串联形成工作。

无刷双馈电机气隙主要包含功率绕组、控制绕组和转子绕组。假设无刷双馈电机的功率绕组极对数是p1，控制绕组的极对数是p2，频率分别是f1和f2，功率绕组的电流角频率是w1。转子速度达到nr时，功率绕组的感应电流角频率是功率绕组电流角频和无刷双馈电机相乘功率绕组电流角频率的差。假设控制绕组相序和功率绕组的相序相同，那么感应的电流角频率=控制绕组电流角频率-控制绕组极对数×功率绕组电流角频率。可以发现，当定子只通有一套电流的时候，也能够在转子绕组中感应出一个正方向旋转的转子磁场和一个反方向的转子磁场。可见，无刷双馈电机不仅可以实现电动运行，而且能够确保整个系统的发电运行[1]。

1.2 结构形式

1.2.1 定子结构

无刷双馈电机定子上有两套绕组，一套是功率绕组，一套是控制绕组。两个绕组在通电之后电流不会发生耦合，在这个期间会出现不同极对数的磁场。一般情况下，定子结构可以被制作成双绕组结构和单绕组结构。第一，双绕组结构。双绕组结构如图1所示。图1中，左边是功率绕组，右边是控制绕组，两个绕组在使用时一般会占据一定的槽层。在使用操作中为了能够减少谐波对电机的影响，功率绕组和控制绕组会采用Y型方法进行连接，之后两个绕组产生的电流不发生耦合。第二，单绕组结构。单绕组结构如图2所示。该绕组结构彼此对称，产生的电流不会产生干扰[2]。

1.2.2 转子结构

无刷双馈电机转子也被称作极数转换器，在使用的过程中，和对数不同功率绕组和控制绕组耦合，深刻影响电机的运行性能。实际操作中，不管应用何种结构的转子都需要得到特定磁路结构的支持，结合实际情况调整功率绕组和控制绕组[3]。

2 无刷双馈电机的关键技术和发展展望

2.1 电极电磁设计优化技术

无刷双馈电机电磁优化技术在使用过程中仍然存在一些亟待解决的问题，也缺乏能够反映电磁特点的模型。从现阶段的发展情况来看，无刷双馈电机数学模型建设中的基波等效模型无法在真正意义上反映空间磁场的作用，需要相关人员利用最新技术形式修改等效电路模型，实现对磁心损耗的精准计算。另外，对于电机模型结构复杂和等效电路参数计算复杂的问题，有学者采取措施将耦合电路模型转变为一种序列分量形式，之后计算电机的参数，实现对无刷双馈电机参数的精确计算，简化了等效电路。

图1 定子双绕组结构示意图

图2 定子单绕组结构示意图

2.2 转子结构耦合能力和谐波磁的动态

无刷双馈电机转子在设计时需要能够耦合定子功率绕组和控制绕组的要求。在常见的几种转子结构中，特殊笼型转子在使用的时候方便加工，且加工成本费用较低，电机的起步和异步运行性能良好。绕线转子电机继承了特殊笼型转子电机的优势，实现了对导体的高效利用，降低了电机磁动势谐波。有学者提出了一种能够计算定子、转子磁场的空间谐波分量分析程序，但在实际使用中也增加了气隙磁场的复杂程度。未来，需要相关人员加强对转子结构的优化设计，增强转子结构的耦合能力[4]。

2.3 优化无刷双馈电机的使用控制策略

为了能够进一步提升无刷双馈电机的运行性能，需要结合实际，进一步优化无刷双馈电机使用控制策略，通过无刷双馈电机的使用优化避免以往数学模型构建的饱和、非线性问题，并加强对新型控制策略的深入研究，如模糊控制、滑膜结构控制策略等[5]。

随着社会经济和科技的发展，未来发展中，风力、水力发电是无刷双馈电机稳定运行的重要应用障碍。为此，在使用双馈风力发电机的时候，需要相关人员采取有效措施克服并网运行问题。根据以往的实践操作情况，有学者根据所学知识，利用最新技术形式对250 kW无刷双馈风力发电机的电压进行实验操作，根据实验操作结果制定了基于功率绕组磁场定向矢量控制策略。通过建立有功和无功控制环在发生故障的时候做出补偿，使功率绕组的有功电流缩减到零，无功功率达到额定值。实验结果证明，这种控制方式能够在一定程度上提升电机电压的穿越能力和响应速度。

从不同的不对称电压跌落情况中比较这种电网故障影响的严重性，提出针对不对称电压跌落的控制方案。借助变流器控制转子漏磁场，有效抵消定子磁链中的暂态直流和负序分量，实现了对电子磁链的稳定控制。

在社会经济和科技的不断发展下，无刷双馈电机工业化发展和并网运行成为发展的必然。从发展实际情况来看，无刷双馈电机低电压的研究尚处于发展初始阶段，将成为下一个阶段发展研究的重要内容。

3 结 论

综上所述，在电机容量不断扩大的情况下，变频器容量不断提升，无形中增加了变频器的生产和维护成本费用。无刷双馈变频调速系统的功率比一般电机功率小，在应用过程中能够弥补电力系统的使用局限。为此，文章阐述无刷双馈电机的工作原理和组成结构，结合实际分析无刷双馈电机的使用技术和未来发展展望，旨在能够更好地发挥无刷双馈电机的作用，促进社会发展建设。

[1] 焦 辉，阚超豪，任泰安.无刷双馈电机及其关键技术发展综述[J].微电机，2017，50（8）：67-74，83.

[2] 韩 鹏.双定子无刷双馈电机设计与驱动控制[D].南京：东南大学，2017.

[3] 钱 坤.无刷双馈电机调速技术及应用研究[D].扬州：扬州大学，2017.

[4] 张家午.绕线转子无刷双馈电机的仿真与实验研究[D].合肥：合肥工业大学，2016.

[5] 焦 辉.绕线转子无刷双馈电机电磁设计及运行性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2017.