無刷雙饋電機齒駐波磁場理論及應用研究
2017-5-22 15:53:13??????點擊：
1研究背景與意義
交流電機是實施電能生產、傳輸、使用和電能特性變換的主要機械裝置，其主要包括異步電機和同步電機兩種類型。由于結構差異和運行原理的區別，兩種電機均具有各自的優缺點。因此，學者們在不斷探索新的電機形式以期具有兩種常規交流電機的優勢，并彌補它們的不足之處。無刷雙饋電機是一種近年來被重點關注的一種新型交流電機。它取消了普通交流勵磁雙饋電機中的電刷與滑環，結構簡單而堅固。無刷雙饋電機定子上一般放置兩套不同極對數的獨立繞組，分別被稱作功率繞組和控制繞組。它們將通過合理設計的轉子使各自磁場間接耦合，進而實現不同繞組間能量的相互流動。控制繞組作為電機的交流勵磁繞組，可以方便的通過電源進行電壓幅值與頻率的調節，來實現電機的同步、雙饋等不同工作狀態的切換。特別的，當控制繞組自短路連接或串接外電阻，無刷雙饋電機將運行于異步狀態，這種狀態可以很好的彌補普通同步電機難以自行啟動的缺陷。綜上所述，無刷雙饋電機工作狀態多樣，兼具異步電機與同步電機的運行特性，能夠很好的適應不同工況對電機的要求。另外，在變速恒頻發電及高壓變頻驅動領域中，無刷雙饋電機亦可有效減小配套變頻器的容量，極大節約了系統成本。
2解決的主要問題
本文以無刷雙饋電機基礎理論與應用為研究對象，深入探究電機合成磁場的變化規律，并解決了以下幾個制約無刷雙饋電機應用與普及的問題：
（1）借助駐波的概念描述由兩個不同極對數磁場分量疊加產生的無刷雙饋電機合成氣隙磁場的變化規律與特征。
（2）利用無刷雙饋電機磁場特點設計出繞線轉子結構，此結構可盡量削弱氣隙磁場中的無用諧波含量且避免磁場各極對數分量的比例隨負荷不斷變化。
（3）利用無刷雙饋電機合成磁場的特點對無刷雙饋電機的設計準則與電磁運行性能進行分析，總結電機的穩態及瞬態性能。
3重點內容
3.1 合成磁場齒駐波特征
通過理論分析與計算對電機的合成磁場隨時間變化的規律進行深入分析，發現了這種磁場與駐波以及交流繞組齒諧波磁場的關聯，提出“齒駐波”磁場概念來描述無刷雙饋電機磁場幅值隨時間的波動規律，并利用有限元仿真方法驗證。
3.2 基于齒駐波磁場特征的無刷雙饋電機結構設計
基于無刷雙饋電機齒駐波磁場特點，利用交流繞組齒諧波原理和不等匝、不等節距等諧波消除方法對轉子繞組結構進行設計。經過磁動勢諧波分析及對比，本文所提的新型繞線轉子結構擁有較低的諧波含量及固定的磁動勢幅值比例關系。與傳統特殊籠型結構相比，這種繞線式結構更符合齒駐波磁場對轉子設計的要求
3.3 基于齒駐波磁場特征的無刷雙饋電機穩態性能研究
利用齒駐波磁場分布特點，對無刷雙饋電機的不平衡磁拉力和電磁轉矩的產生進行研究。由齒駐波磁場的對稱性，無刷雙饋電機極數配合必須滿足|pp?pc|=2k的限制條件才能消除不平衡磁拉力，實現平穩運行。此外，根據齒駐波磁場的同步旋轉特征，本文從電機的能量轉換基本原理出發對無刷雙饋電機的功率角進行定義，并推導出功角特性表達式，將無刷雙饋電機的功率分析方法與普通交流電機相統一。利用30kW、2/6的無刷雙饋電機電動實驗測試和有限元仿真分析，本文所提的功角特性和不平衡磁拉力的消除得到了很好的驗證。
3.4 無刷雙饋電機瞬態過程研究
為了方便分析，本文首先采用等效旋轉的觀點將無刷雙饋電機的控制繞組與功率繞組統一，建立起以功率繞組磁場同步速旋轉的統一dq軸瞬態數學模型。其次，在所建立的數學模型基礎上對繞線轉子無刷雙饋電機的對稱三相短路瞬態過程進行了解析計算，分析了這種電機在低電壓穿越運行中的優勢。再次，針對無刷雙饋電機獨立發電系統，本文分析了電機轉速突變、負載突變的瞬態變化過程并提出保持電壓幅值和頻率恒定的控制策略。最后，對實驗中出現的電壓幅值波動問題進行深入分析，并利用電壓補償的辦法進行消除。經動態仿真和實驗分析，本文所建立的數學模型及解析計算的有效性得到了驗證。
4主要創新點
（1）對無刷雙饋電機合成磁場隨時間變化的規律進行深入分析，發現了這種磁場與駐波以及交流繞組齒諧波磁場的關聯，首次提出“齒駐波”磁場概念。
（2）基于齒駐波磁場的特點，對無刷雙饋電機的定轉子結構設計進行研究，通過諧波分析及對比，指出利用齒諧波原理及不等匝、不等節距等方法所設計的新型繞線轉子結構諧波含量低且各分量比例恒定，是符合齒駐波磁場的理想結構。
（3）利用齒駐波原理對無刷雙饋電機的不平衡磁拉力的產生進行研究。經理論推導及有限元仿真驗證，提出新的無刷雙饋電機的極數配合條件：|pp?pc|=2k。只有滿足此限制條件，才能保證無刷雙饋電機磁場的磁密幅值在氣隙圓周相對圓心對稱，進而完全消除不平衡磁拉力。
（4）經解析計算并結合有限元仿真和實驗測試，根據齒駐波磁場原理提出定、轉子磁動勢軸線夾角即為無刷雙饋電機功角，并據此推導出電機功角特性曲線。
（5）對無刷雙饋電機的瞬態過程進行研究，通過將控制繞組視為等效旋轉的方法建立以功率繞組同步速旋轉的統一dq軸數學模型，并借助此模型分析無刷雙饋電機在功率繞組端發生三相對稱短路的瞬態物理過程。經過解析計算、動態仿真及實驗測試，得到無刷雙饋電機具有較小的短路電流，有利于實現低電壓穿越運行的結論。
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