无刷双馈电机的转子结构及电机在独立发电系统中的应用

房俊生 张卫冬

摘要：针对其特点，本章介绍了绕线转子无刷双馈发电机的独立发电系统的概念、结构和需要解决的主要问题。并讨论了在发电系统中的应用，处理无刷双馈电机控制问题时面临的主要挑战。为了克服这些问题，需要独立操作无刷双馈线。基于此对电机的数学模型、功率流和运行性能进行了充分的推断和分析。

关键词：无刷双馈电机;电机;系统

前言

无刷双馈电机结构简单，坚固耐用，与有刷双馈电机相比，省去了有刷滑环装置运行速度范围宽。同时无刷双馈电具有使用寿命长、制造成本低和很高的可靠性等优点。

一、无刷双馈独立发电系统概念

无刷双馈电机在独立发电领域应用潜力巨大，但由于电机结构复杂，它的控制带来了很大的问题，同时独立开发的情况不同于并网式的情况，因此必须实现控制来更好的促进无刷双馈独立发电系统的发展。

二、无刷双电机的特点及研究现状

1.无刷双电机的特点

无刷双电机独立于负载转矩，同时电机具有很强的机械性能，因此可以提高速度控制系统的品质因数。无刷电机还有一个特点就是无刷电机可以进行调速，电机是即可轻松实现自启动异步同步和双馈电等多种工作方式，从而兼具良好的启动特性和良好的驱动性能。无刷电机是一种很好发展前景的产品，因此要大力促进无刷电机的应用。

2.无刷双电机研究现状

无刷双电机源于两台感应电机的级联，此类电机系统的深入研究始于1970年代后期。在无刷双电机性能仿真研究领域学者们做了很多。传统无刷双电机的数学模型大多是基于dq-0生物标志物系统。由于精度不够，无刷双电机调速系统的研究在模仿上存在一定的困难。尽管近20年来国内外许多学者在无刷双馈电机的分析研究方面有进展，发表了多篇相关论文，开展了大量的研究工作。但是无刷双馈电机的发展水平稍有落后。国内一些高校和科研院所对这些电机进行了研究并取得了一定的成果，但总的来说国内的无刷双电机研究还处于基础研究阶段。

三、无刷双馈独立发电系统结构

选用极对数少的定子绕组作为动力绕组时无刷双电源发电机的空载电流与并网风电系统类似，网侧变流器的主要功能是维持直流母线应用、电压稳定和无功功率调节。此外，通常将一系列电解电容器并联连接到直流母线进行能量储备。在系统运行的早期阶段，电解电容器由备用电源（例如电池）充电，它可以提供原始的振动力。

极对数的选择。机架尺寸绕线转子无刷双馈电机有：p1=1 和 p2=3 或 p1=3 和 p2=1。因此必须需要先讨论一下。首先，应选用极对数少的定子绕组作为动力绕组时无刷双电源发电机的空载电流比较小，相反，静态电流比较大。同时在控制绕组的场速和旋转场速之间，功率绕组的频率在测试冬季期间应保持在独立发电系统中。这时候按照无刷双馈线电机的工作原理，电机将不能正常的产生电能。相反，如果 p=1，p2=3，出现这种极端情况与之前电机的正对组合相比，无疑仅在 3000 r/min 时，正常工作速度范围大大提高。综上所述，无刷双馈电机选择极对组合时必须加上装置的调速范围和损耗。因此出于考虑，本文使用的实验原型和模拟是 p1=1 和 p2=3 的极对组合。

四、需要解决的主要问题

无刷双馈电机的商业应用尚未完全实现，部分原因是电机控制的复杂性，电机控制的复杂性主要是由于无刷双馈电机结构复杂。因此研究人员需要解决有刷双电机不间断电源系统的问题。

五、无刷双馈独立发电系统控制方法

独立于发电系统运行的无刷双龙头发电机是唯一的发电单元。在这些运行条件下，无法使用典型的风力涡轮机类型的电网电压定向矢量控制方法。

六、无刷双电机的结构特点

1.定子结构

无刷双电机的定子绕组可以由一组或两组相互绝缘的绕组组成，可以减少铜损降低漏抗，所以无刷双馈电机通常使用两组定子绕组。成对绕组（即控制口）当控制口通电时，工频电源中不会产生额外的电流，同样需要P极对旋转的感应电位，而且 P极对绕组的出线端之间不得有电位差，以免定子绕组的磁场在精确控制无刷双馈电机的转速，要求同时达到两个电源相互独立的目的和无动力的目的从而可以直接传输。同时无刷双馈电机在正常运行过程中，如果P、P匹配不当，就会出现磁吸不平衡。

2.转子结构

在确定转子的结构和极数时，转子槽数的选择很重要。在异步电动机中，定子槽与转子槽相交匹配，可以避免因齿槽效应引起的低速转矩脉动。在运行过程中同步增加的扭矩和电机的过度振动和噪音。

七、无刷双馈电机的应用前景

1.无刷双馈电机在高压变频调速系统中的应用前景

如今，电力电子设备的价格比10年前要高很多，这说明该节能技术具有良好的市场前景。然而，目前存在的主要问题是交流变频高速转换器的成本还是比较高的，尤其是在高压、大容量的电机调速系统中变流器造价相对昂贵，控制系统较为复杂，因此阻碍了交流变频调速系统的发展。对于高压大容量电机变频调速系统中的频率调制，可以直接使用高压变频器。除了转换器电压过低外，还存在不可靠、成本高的问题，因此系统中使用的转换器是首选。同时采用无刷双馈电机的转子结构和转子绕组设计，可以实现电机的两个电口。高压低压的特殊结构，实现了通过低压端口控制电机转速的目的。高压电源和电机的控制绕组由低压变流器供电，也可以实现控制绕组。双向能量流动降低了整个速度控制系统的成本，在设备出现故障时，无刷双馈电机也可以通过自动开关切换到异步运行模式，让电机恒速运行。无刷双进给电机无需停机，也提高了系统运行的安全性和可靠性，因此无刷双馈电机在高压变频调速系统中的应用前景广阔。

结束语

本章对无刷双馈独立发电系统进行了理论分析和实验研究，重点研究了独立发电系统。讨论了电力系统在发电中的实际应用，并得出以下结论：无刷双电机虽然电磁结构复杂，但是无刷双电机具有一定的应用潜力。在电力系统或风电系统等情况下，在实际应用中还有一些问题需要解决，因此可能出现的任何问题都應在后续工作中发现并及时的进行解决。

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