无刷双馈电机研究综述与展望

无刷双馈电机具有结构可靠、变频器容量小等优势,非常适合灵活运行于防爆、易燃等特殊或极端工况,近年来受到广泛关注。该文根据无刷双馈电机的基本工作原理,明确了该类电机的命名原则与规范名称;总结了现有定转子方案的结构及性能特点,综合考虑性能指标与结构工艺,提出了转子双套绕组的发展方向;梳理了无刷双馈电机的稳态等效电路模型及基于各类数学模型的优化设计方法,针对现存难以完整考虑不同转速工况性能的不足,阐明了利用新型同步-异步相串联等效电路进行优化设计的思路;对比分析了经典及新近出现的无刷双馈电机控制系统拓扑和控制策略特点,面向典型电动、发电工况建立了完整的电机及控制系统。最后,对无刷双馈电机的上述理论研究问题及工业应用的发展方向进行了总结阐述,为该类电机的深入研究及加快推广应用提供参考和指导。

不平衡磁拉力作用下无刷双馈电机的转子振动特性研究

无刷双馈电机长时间运行会出现转轴弯曲、轴承磨损等状况,导致气隙动偏心,并因此产生不平衡磁拉力,影响转子系统动力学特性。为了研究由不平衡磁拉力引起的转子振动特性问题,建立Jeffcott转子动力学模型,得出考虑不平衡磁拉力作用下转子系统的振动微分方程组,并对其自由振动响应进行了计算。以某型号无刷双馈电机的样机尺寸为例,分析气隙动偏心状态下电机气隙长度、转子材料及几何尺寸等对电机振动特性的影响,并利用Runge-Kutta法对振动微分方程组进行分析,结果表明:当转子动偏心率较小时,利用该转子系统的振动微分方程组计算出的解析解与数值计算结果吻合较好,转子的一阶振幅误差仅为0.2%,二阶振幅误差为2%,具有较高的精度且计算较为简便,为电机的高可靠运行提供理论支撑。

不同槽配比下绕线式无刷双馈电机性能对比研究

无刷双馈电机由于结构简单、可靠性高、变频器容量小等优点在恒频变速发电领域受到广泛关注,其定转子的槽数配比对电机性能与振动具有一定程度的影响。为探究这一问题,该文以绕线式无刷双馈电机定转子磁势分析为基础,推导不同槽配合的电磁力波对比以及槽配合对电机性能的影响,给出3种符合要求的槽配比方案,计算出各方案转子绕组谐波,并进行对比分析;利用有限元法对48/36槽、42/36槽与36/30槽3种方案在相同要求下的负载性能进行研究,导出定子齿部电磁力,对电机进行振动响应分析对比;最后,通过样机试验,验证有限元仿真的正确性,同时试验结果也证明所选槽配合下电机具有振动形变量小、转子电流小、系统输出电压和效率高、饱和程度低等优点。

基于直接磁链跟踪控制的无刷双馈电机无Crowbar对称低电压穿越方法

低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)能力是并网型风电机组重要的性能指标之一。该文提出一种基于直接磁链跟踪控制的无刷双馈感应发电机(brushlessdoubly fed induction generator,BDFIG)无Crowbar对称低电压穿越方法。该方法基于开关表,通过直接选定电压空间矢量来控制无刷双馈电机控制绕组(control winding,CW)磁链的幅值和相位,以迅速抑制低电压穿越期间控制绕组的感应过电压和由此导致的过电流,同时快速向电网注入动态无功电流以支撑电压恢复。该方法无需坐标变换、系统结构简单、磁链动态响应迅速。样机实验结果表明,低电压穿越过程中,有功恢复及无功功率动态响应满足国标相关要求,且控制绕组电流得到有效抑制,验证了所提控制策略的有效性。

基于线性自抗扰的无刷双馈电机功率解耦控制策略研究

针对抽水蓄能机组工作环境复杂、温度等扰动较为突出、传统矢量控制对于无刷双馈电机控制精度不足的问题,研究了一种基于线性自抗扰控制的无刷双馈电机功率解耦控制策略,用来降低电机扰动并提高控制精度,提升其运行特性,进而提高其在抽水蓄能系统中的能量转换效率。建立了无刷双馈电机统一坐标系下两相旋转坐标系的数学模型,采用功率绕组定向的方法确定坐标系,推导了功率绕组定向下的电流关系并据此使用控制绕组控制功率绕组的有功和无功,从而实现了功率解耦控制。为提高控制性能,重写转速环和电流环,分析扰动,列写状态方程,设计扩张状态观测器,采用自抗扰技术提升了电机控制性能。进行谐波分析,基于控制绕组电流在同步坐标系下主要谐波为6次谐波的结论,采用重复控制器进行特定频次谐波的抑制。通过Simulink仿真,观察动态响应和d轴绕组电流傅里叶分析,并在电网电压阶跃变化和系统存在白噪声两种状态下与传统PI控制的效果进行对比,验证了所提自抗扰功率解耦控制方法及谐波抑制方法的有效性。

绕线式无刷双馈电机伺服系统的双同步转差型解耦控制研究

针对无刷双馈电机在解耦控制以及整体性能分析方面的不足,首先提出了一种双同步坐标系下无刷双馈电机的转差型解耦控制方案,并分析了该控制实现的必要条件。其次,通过对双同步坐标系下的静态方程求解得到该闭环控制下无刷双馈电机的带载特性。当电机转速和控制电机转子磁链一定时,可求解该工况下电机所能达到的带载边界,通过在负载转矩边界内部取值保证整个伺服系统的稳定运行。最后,通过仿真和实验验证了该控制方案的解耦性能和动态性能,同时也验证了该控制下带载性能分析的正确性和有效性。

绕线转子无刷双馈电机的电磁计算方法

为了快速准确计算绕线转子无刷双馈电机的运行性能,基于无刷双馈电机的等效磁路与电路,提出了一种新型电磁解析快速计算方法。以一台100 kW的绕线转子无刷双馈电机为例,通过对比计算与有限元仿真的结果,证明了此分析方法的快速性与准确性。

一种补偿谐波电流的无刷双馈电机转矩脉动抑制方法

针对无刷双馈电机存在较强转矩脉动的问题,根据旋转坐标系下电流与转矩之间的关系,明确了功率绕组电流中含有的谐波分量会导致电机运行时产生转矩脉动的结论,提出以谐波补偿电流的方式抵消电机运行时产生的谐波分量来抑制无刷双馈电动机转矩脉动,采取了功率绕组谐波电流瞬时检测方法与空间矢量滞环控制方法来满足系统对实时性和准确性的要求。该转矩脉动抑制方法能有效提高无刷双馈电机的机械特性和调速性能,对于降低无刷双馈电机绕组谐波含量提高整机效率提供了参考。最后以一台45 kW的绕线转子无刷双馈电机为例进行了验证,通过对谐波电流补偿法在电机异步、同步以及超同步运行状态下的仿真对比分析,结果表明该方法可有效抑制电机的谐波转矩脉动,提高电机运行性能。

基于改进能量吸收电路的无刷双馈电机异步起动控制方法

在工业应用中,为了保证无刷双馈电机调速系统的经济性,控制侧一般采用小容量变频器,因此通常采用异步起动控制方法进行起动。现有起动控制策略和所需设备较为复杂,或者需要特定的电机结构才能实现。针对这些问题,该文提出一种改进能量吸收电路的调速系统拓扑。并基于无刷双馈电机同步-异步相串联等效电路对电机的异步起动转矩特性进行了分析,推导了新拓扑的等效串联电阻表达式。据此设计了无刷双馈电机定时间定导通比、定转速定导通比的异步起动控制方法,在不增加额外设备的基础上,实现了无刷双馈电机的异步起动控制。仿真和实验结果都证明了控制方法的可行性。该方法简化了无刷双馈电机异步起动控制算法的开发难度,有利于无刷双馈电机调速系统的推广。

基于扩张状态观测器的级联无刷双馈电机并网同步和发电鲁棒预测电流控制

级联无刷双馈电机无需电刷和集电环,具有电流谐波小、维护成本低等优点,在风力发电等领域具有广阔的应用前景。目前,级联无刷双馈电机常用的控制方法有矢量控制和无差拍控制,当控制器中使用的电机参数由于温度、饱和等因素与实际值不同时,控制效果均有不同程度的恶化。为了克服这一问题,该文提出一种基于扩张状态观测器的级联无刷双馈电机鲁棒预测电流控制方法,同时适用于并网同步和发电过程。该方法基于超局部模型使用扩张状态观测器来估计系统的动态部分和总扰动,并进一步结合无差拍控制,实现控制绕组电流的快速准确控制。与传统的矢量控制和无差拍控制进行了比较,实验结果表明,该方法不仅在电机参数准确时有良好的稳态和动态性能,在电机参数变化时同样能保持较好的控制效果,具有较强的参数鲁棒性。

级联式无刷双馈电机基本原理探讨

作为无刷双馈电机的原型,级联式无刷双馈电机对无刷双馈电机的研究具有基础性的指导意义。从交流电机的基本理论出发,详细阐述了级联式无刷双馈电机的基本原理,指出级联式无刷双馈电机与双馈电机是两种截然不同的电机。

基于Elman神经网络控制的无刷双馈电机最大功率点追踪研究

本文以风力发电系统无刷双馈感应电机的最大风能追踪控制为主要研究内容,提出了基于Elman神经网络的最大功率点算法,重点描述了该方法的原理与控制方式,并设计了Elman神经网络的控制器,通过调节桨距角来对无刷双馈电机转矩进行控制,从而实现最大功率点追踪,并具体阐述了神经网络控制的原理以及过程。最后,为了验证最大功率点追踪控制方法的准确性,使用MATLAB/Simulink软件搭建了风力发电系统及Elman神经网络控制器的模型,对5MW风力发电系统进行仿真研究并验证了控制效果。

磁阻型转子无刷双馈电机的功率与转矩分析

从无刷双馈电机的视在功率表达式出发 ,推导了无刷双馈电机的转矩表达式、主辅绕组的有功功率和无功功率表达式 ,分析了三者之间的关系 ,为无刷双馈电机的高性能控制提供了依据。

无刷双馈电机有功和无功功率控制研究

无刷双馈电机(BDFM)在变速恒频恒压发电方面有着广泛的应用前景,而影响其应用的关键在于能否对其有功功率和无功功率进行有效的控制。该文基于 BDFM 的有功和无功功率数学模型提出一种新型的功率控制系统方案,该方案能实现对 BDFM 有功功率和无功功率的独立控制。为了验证所提方案的正确性,文章最后以 BDFM 作为变速恒频恒压发电机运行为例,设计了一套功率控制系统,并对该系统进行了计算机仿真及实验,计算机仿真结果和实验结果表明功率控制系统能实现对 BDFM 的有功功率和无功功率的独立控制,充分证明了该文所提方案的可行性。

无刷双馈电机能量传递关系和功率因数特性的实验研究

在不同的运行方式下,无刷双馈电机控制绕组具有能量双向流动的特点。目前对该课题已有的研究成果中定性分析多、实验数据少,且没有正确反映能量传递关系。提出对应于一定的频率和负载转矩,无刷双馈电机在亚同步电动(或超同步发电)状态下控制绕组的能量并非总是回馈到逆变器,而是与其端电压、相应频率下的开路电压以及逆变器的直流侧电压有关。在此基础上,将电机的功率因数、运行效率以及稳定性与能量传递关系结合起来进行研究。样机实验结果表明,双馈运行状态下对应于某一确定的转速和负载,在满足系统稳定运行的条件下,调节控制绕组电压使其约为对应的开路电压,可以提高电机的运行效率。

基于波波夫超稳定性的无刷双馈电机直接转矩控制

在无刷双馈电机直接转矩控制系统中,定子参数变化会引起电机特性不稳定。基于模型参考自适应控制策略(model reference adoptive strategy,MRAS)设计了一种新型的磁链、速度自适应观测器,以无刷双馈电机的定子电流及磁链为状态变量,将磁链观测和速度辨识结合在一起,定子磁链观测值直接应用于直接转矩控制算法中,构建了无速度传感器无刷双馈电机直接转矩控制系统。采用波波夫超稳定性理论确定速度自适应律,建立了Matlab/Simulink环境下直接转矩控制系统的仿真模型。仿真研究结果表明,所提出的磁链、速度自适应观测器可实现定子磁链、速度的精确辨识,磁链轨迹可以保持容差范围内的圆形,有效减少无刷双馈电机定子电阻变化对系统运行特性的影响,提高了系统的稳定性和鲁棒性。

基于MATLAB的无刷双馈电机建模与仿真

从无刷双馈电机(BDFM)的基本原理出发,利用电机的状态方程组,用MATLAB/SINULINK中的S-Function函数模块,构造了无刷双馈电机数学仿真模型.仿真的结果分析表明了无刷双馈电机原理分析和数学仿真模型的正确性.

不同转子结构无刷双馈电机稳态运行特性的对比实验研究

笼型和磁阻转子是无刷双馈电机常用的两种转子结构型式,为了对比研究不同转子结构对该种电机稳态运行特性的影响,研制了具有同一定子和两个不同结构转子的实验样机,并进行了对比实验研究。实验结果表明,各向异性轴向叠片的ALA(Axially Laminated Anisotropic)磁阻转子无刷双馈电机具有较好的同步和双馈调速特性,而笼型转子无刷双馈电机具有较好的起动和异步运行特性。

无刷双馈电机复合转子结构参数的优化设计

无刷双馈电机在变速恒频风力发电系统和变频节能驱动领域具有广阔的应用前景,其转子耦合能力是影响该种电机出力和功率密度的最重要因素。本文提出一种新型的隔磁磁阻和短路笼条相结合的复合转子结构形式。采用有限元分析法,深入分析了转子极弧系数、导磁层数、导磁层与非导磁层宽度比、有无短路笼条、短路笼条组数及短路笼条层数等结构参数对转子耦合能力的影响,得到了复合转子强耦合能力的结构尺寸。该种新型转子不仅结构简单、加工方便,而且具有强耦合能力和高转矩密度的优点,是无刷双馈电机最具应用潜力的新型转子之一,所研制的样机对转子的耦合能力进行了验证,论文研究工作为该种电机的新型转子设计提供了理论基础。

无刷双馈电机转子磁场定向控制策略的研究

根据无刷双馈电机的特点 ,将功率绕组和控制绕组在各自的同步坐标系下分别进行磁场定向 ,获得了简化的数学模型和转子磁场定向控制策略 ,给出了基于这一方法的系统框图和基于 80 196KC的硬件结构图 ,并对系统进行了仿真和试验研究 。