Performance Description of Brushless Doubly-Fed Induction Machine in Its Asynchronous and Variable Speed Synchronous Modes

Brushless Doubly-Fed Machine has attracted considerable attention in recent years due to its advantages. It has the robustness of the squirrel cage induction machine, and the speed and power factor controllability of the synchronous machine as well as the absence of brushes and slip rings, and using a fractionally rated frequency converter. Hence, there are considerable benefits over the conventional machines, when the machine is applied to applications such as a wind turbine generator or high power adjustable speed drive. However, these benefits are obtained in slightly more complex structure, higher cost and larger dimensions in comparison to the conventional induction machine. This paper presents fundamental aspects of the three modes of operation of brushless doubly fed machine, i.e. simple induction mode, cascade induction mode, and synchronous mode. The investigation is performed by analyzing the spatial harmonic contents of the rotor magnetic flux density. The direct cross couplings between stator and rotor fields as well as, indirect cross coupling between stator fields by the special rotor of this machine is described. Furthermore, loss analysis of the machine in various modes is presented and the torque-speed curves for asynchronous modes are obtained. A 2-D magnetodynamic finite element model based on the D-180 4/8 pole prototype machine is extracted and simulated to verify the results.

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。

转子绕组星-环形拓扑结构无刷双馈电机

磁阻式和特殊笼型是目前无刷双馈电机常用的两种转子结构,但采用这两种转子结构的电机导体利用率低、谐波含量大,导致电机性能达不到工业应用要求。提出一种转子绕组采用星-环形接法的绕线式无刷双馈电机,星-环形结构可以提高绕组的导体利用率,这种电机可以作为发电机或电动机。引入基尔霍夫(Kirchhoff)定律用以说明星-环形结构的工作原理,并通过列举绕组实例说明了方法的有效性,同时对所选方案的磁势谐波进行分析。样机实验结果表明,基于星-环形原理设计的绕线式无刷电机具有优良的性能。

笼型转子无刷双馈电机d-q模型与控制特性仿真

无刷双馈电机是一种新型的适于变频调速系统使用的电机,其结构型式和工作原理与传统交流电机相比具有较大的区别.针对转子结构为笼型短路绕组的无刷双馈电机,建立了其在转子旋转坐标轴下的d-q数学模型,导出了电磁转矩表达式,并应用该模型对该类电机的控制特性进行了仿真研究,仿真结果验证了模型的正确性.

绕线转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型

在阐述绕线转子无刷双馈电机的定子绕组、转子绕组结构和静止a-b-c轴数学模型的基础上,推导出电机的d-q轴数学模型。这种电机模型建立在一个任意d-q轴坐标系下,使用起来方便,消除定子绕组和转子绕组之间互感矩阵的时变系数,缩短计算时间,有利于控制方法的实现,适用于绕线转子无刷双馈电机动态和稳态性能的分析研究。d-q轴数学模型的参数能根据电机的设计几何尺寸和经验公式得到。通过仿真分析结果和实验数据的对比,验证了任意d-q轴数学模型的正确性。绕线转子无刷双馈电机任意d-q轴数学模型的建立为电机性能分析和控制策略的研究奠定基础。

转子绕组星-三角接法的无刷双馈电机设计优化

基于星-三角原理设计转子绕组的绕线式无刷双馈电机是在风力发电等领域具有良好应用前景的新型无刷双馈电机。合理地在定子功率绕组和控制绕组之间分配磁负荷和电负荷可以获得最大的输出转矩,降低损耗,提高其性能指标。本文根据电机的等效电路,在优化电机参数时,采用了一种改进的粒子群优化算法,粒子通过同时追随自己找到的最优解、随机的其它粒子同维度的最优解和整个群的最优解来完成速度更新,通过判别区域边界来完成位置优化更新。并把这种改进的算法与模拟退火机制相结合,既实现了进化算法全局优化的特性,又保持了优化算法的快速收敛速度。样机实验结果表明,基于星-三角原理的绕线式无刷电机具有优良的稳态特性,经过优化处理后其性能得到进一步改善。

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。

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。

级联式无刷双馈电机的建模与仿真

无刷双馈电机是一种适应风机、水泵调速节能驱动最有效的电机形式 ,有着很好的应用前景。针对级联式无刷双馈电机 ,详尽地推导了实用的数学模型 ,并采用数字仿真验证了该模型的正确性 。

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 。

绕线转子无刷双馈电机的链型等效电路模型

为了建立准确的无刷双馈电机等效电路和分析谐波对电机性能的影响,从该类电机的基本电磁关系出发,在其基波等效电路的基础上,提出谐波等效电路,建立考虑谐波影响后的链型等效电路模型,并给出该等效电路模型中参数的计算公式和状态方程。以一台实际的绕线转子无刷双馈电机为例,利用链型等效电路模型,对样机的机械特性进行计算,并和基波等效电路模型的计算结果、实验结果进行对比分析。样机的计算结果和实验结果对比表明,本文给出的等效电路模型和计算方法是正确的。

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。

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。