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基于变极绕组的无刷双馈电机的起动特性研究

赵威  
【摘要】:无刷双馈电机是一种新型的交流电机,取消了电刷和滑环。无刷双馈电机定子功率绕组与工频电源连接,控制绕组通过变频器改变励磁电流和频率来实现转子转速的调节。通过转子特殊的结构,使转子分别于定子功率绕组和控制绕组耦合产生两个不同极数且转向相反的磁场。由于其具有结构简单、可靠性强、功率因数可调等优点,可实现同步、异步、双馈等多种运行方式,在变频调速系统、变速恒频发电等领域中有广泛的应用前景。但是作为一种同步化运行的异步电机,无刷双馈电机也具有起动电流大、起动转矩小等不足,无法满足需要重载起动的应用场合。然而,与普通异步电机不同,无刷双馈电机的结构特点是转子绕组自闭合,无滑环电刷对外连接。无法通过电刷在转子电路中串入或切除起动电阻来实现增大起动转矩、减小起动电流和高效率运行的目的。同时无刷双馈电机具有不同极数的两套绕组,这一点也与单一极数的异步电机差别较大。本文以绕线转子无刷双馈电机为研究对象,对这种新型电机进行了深入的理论研究和实验探讨。研究的目的在于将以“齿谐波”原理和“复合线圈”原理设计的转子结构应用于无刷双馈电机改善无刷双馈电机的起动性能,主要内容如下:首先,在回顾国内外无刷双馈电机发展历程的基础上,总结了无刷双馈电机的运行原理和能量流动方式。分析了无刷双馈电机所存在的问题和缺陷,由此引出了本文所提出的变极起动型无刷双馈电机,并对转子绕组所采用的“复合线圈”原理进行详细的阐述。将变极原理引入到定子绕组的设计中,并对定子功率绕组和控制绕组排布方式进行了理论推导与证明。其次,给出了无刷双馈电机绕组自感、互感以及电阻计算公式,查找资料得到双馈模式下通常的等效电路并推导出变极起动模式下的等效电路,然后在Matlab中对变极起动模式和双馈模式下的起动电流和起动转矩进行分析,并通过分析结果反馈对复合线圈的多匝和少匝的匝比进行调整。然后,建立了无刷双馈模式以及变极起动模式在静止坐标系下的数学模型,并在Matlab中分别对两种模式下的空载、负载特性进行仿真计算,得到了电机在起动过程中的瞬态仿真结果。接着,利用有限元法对无刷双馈电机异步起动模式和变极起动模式分别进行空载和负载仿真,并对两种模式下的电机饱和程度和带负载能力进行分析。最后,以本文理论研究的一台36/24槽的4kW无刷双馈电机为试验样机,测试了该样机施加不同负载情况下双馈异步起动模式和变极起动模式的稳定电流和转速。并给出了两种模式空载及满载下的电流曲线并对波形的畸变进行了分析。


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