無刷雙饋電機的功率因數(shù)控制

摘要無刷雙饋電機是一種有著廣闊應(yīng)用前景的新型特種電機。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，無刷雙饋電機的應(yīng)用不僅能夠降低調(diào)速系統(tǒng)的成本，而且實現(xiàn)了無刷化，提高了系統(tǒng)運行的可靠性；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，無刷雙饋電機所具有的功率因數(shù)可調(diào)、效率高，電能質(zhì)量好等優(yōu)點使其受到了廣泛的關(guān)注。因此，無刷雙饋電機的研究不僅具有理論意義也具有重大的實際意義。關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機、功率因素、現(xiàn)狀一、緒論1.1無刷雙饋電機的背景隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運而生。隨著矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)理論的提出，交流傳動技術(shù)從理論層面上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速響應(yīng)以及四象限運行等良好的性能特征。交流傳動系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力傳動技術(shù)的主要發(fā)展方向。在現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中所采用的電動機主要有同步電動機，異步電動機和開關(guān)磁阻電動機。這三種調(diào)速系統(tǒng)雖然仍在不斷的發(fā)展和改進，但是其本身固有的缺陷問題并沒有得到較為完美的克服。例如同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然擁有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點，但是其系統(tǒng)中的集電環(huán)和電刷需要經(jīng)常維護，可靠性較差并且一般情況下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)需要一套勵磁裝置，使得設(shè)備成本相應(yīng)提高；籠型異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護少、控制相對簡單以及運行可靠等優(yōu)點，但是該系統(tǒng)所采用的變頻器的容量須大于電動機的額定功率而導(dǎo)致所需變頻器的價格高，系統(tǒng)成本高；繞線異步電動機雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠利用轉(zhuǎn)差功率，構(gòu)成轉(zhuǎn)差功率饋送型的調(diào)速系統(tǒng)，效率較高。但是其本身具有電刷結(jié)構(gòu)，從而運行可靠性差，相應(yīng)的維護成本提高同時應(yīng)用場合也受到了限制；開關(guān)磁阻變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的交流調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制成本低、系統(tǒng)安全可靠性高等特點，但其電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，振動與噪聲問題較為嚴(yán)重。因此，20世紀(jì)80年代末至90年代初逐漸發(fā)展起來了一種新型的變頻調(diào)速系統(tǒng)—無刷雙饋電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)所采用的無刷雙饋電機不僅有籠型異步電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠的優(yōu)點，又兼具繞線式異步電機的效率較高的優(yōu)點，同時又有同步電機功率因素可調(diào)的優(yōu)點。在無刷雙饋電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，定子功率繞組可以直接由工頻電網(wǎng)供電來承擔(dān)相應(yīng)的輸入電功率，而調(diào)速的系統(tǒng)變頻器只需為定子控制繞組來提供“轉(zhuǎn)差功率”，這樣不僅降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)了無刷化，也提高了系統(tǒng)運行的可靠性。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，為了最大限度地利用風(fēng)能，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)已采用變速恒頻發(fā)電控制技術(shù)而風(fēng)力發(fā)電機組主要采用的是異步發(fā)電機組。近年來隨著風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的深入研究，無刷雙饋發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到研究者的關(guān)注。無刷雙饋電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)具有變頻器所需容量相對較小，無電刷和集電環(huán)，可靠性高；可以通過調(diào)節(jié)勵磁，在轉(zhuǎn)速變化的情況下保證電能輸出的質(zhì)量；可以實現(xiàn)雙饋發(fā)電，具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高，電能質(zhì)量好等優(yōu)點。無刷雙饋電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用必將具有其廣闊的應(yīng)用前景。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大量使用的交流電機主要是同步電機和異步電機。同步電機和線繞式異步電機都采用電刷和滑環(huán)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和外電路的連接，由于滑動接觸和電刷磨損，不僅降低了電機運行的可靠性，而且電刷需要定期維護和更換，增加了運行費用。此外滑動接觸容易產(chǎn)生火花，從而限制了有刷電機在易燃、易爆等場合中的應(yīng)用。鼠籠式異步電機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是它不如繞線式異步電機的控制方便，也不如同步電機運行性能指標(biāo)高。因此，開發(fā)研制一種既無刷(堅固可靠)又通用(能實現(xiàn)多種運行方式)的新型交流電機是電機技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。永磁電機雖然也可以實現(xiàn)無刷化，但由于其勵磁不能調(diào)節(jié)從而限制了它的應(yīng)用范圍。目前在國民經(jīng)濟各部門中，大量應(yīng)用的同步電機和繞線式轉(zhuǎn)子異步電機仍然采用有刷結(jié)構(gòu)，而大中型無刷異同步通用電機具有廣闊的市場。1.2無刷雙饋電機的意義無刷雙饋電機(BDFM)是一種結(jié)構(gòu)簡單、堅固可靠、異同步通用的電機,可在無刷情況下實現(xiàn)雙饋。它具有功率因數(shù)可調(diào)、高效率的特點,可應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中。無刷雙饋電機是由申級感應(yīng)電機發(fā)展而來。串級感應(yīng)電機是將兩臺繞線式異步電機同軸串級連接而獲得的一種運行方式。這種方法首先在1893年由美國的Steinmetz和德國的Gorges所發(fā)現(xiàn)。由于采用這種方法可以獲得低速運行，所以曾引起人們廣泛的注意。為了降低成本和提高運行性能,曾經(jīng)有幾次發(fā)展單一機組串級電機的嘗試,其中貢獻(xiàn)最大的是Hunt。Hunt電機提出了比以前的電機更先進可行的理論。這種電機具有一套轉(zhuǎn)子繞組和一套具有不同極數(shù)的定子繞組,并且具有一個共同的磁路。它可以在電阻控制的方式下獲得高啟動轉(zhuǎn)矩和速度控制,實現(xiàn)了無刷化。后來Greedy對這種電機進行了進一步的改進，為之設(shè)計了精巧的定轉(zhuǎn)子繞組。但是由于定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)配合及繞組設(shè)計上的種種限制，該電機未能進人實用。直到70年代，Broadway等對Hunt電機進行了較大改進，簡化了轉(zhuǎn)子繞組，并使定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)配合的范圍進一步擴大，將自串級無刷異步電機理論向前推進了一大步。后來Broadway又將相調(diào)制理論應(yīng)用到極變換繞組中,從而使定子繞組對稱化,簡化了定子繞組,使之可以通過對普通雙層繞組經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪B接來得到,這為BDFM電機進人實用鋪平了道路。80年代末90年代初，無刷雙饋電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型和兩軸數(shù)學(xué)模型的建立，為BDFM的動態(tài)仿真和控制性能上的優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)。各種控制方法被應(yīng)用于BDFM，如標(biāo)量控制、磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模型參數(shù)自適應(yīng)控制等等。而電力電子器件和微處理器的發(fā)展，如IGBT、8XC196、DSP等，又進一步促進了BDFM的發(fā)展。1.3無刷雙饋電機目前現(xiàn)狀在國內(nèi)，上世紀(jì)80年代末沈陽工業(yè)大學(xué)研究團隊首先開展了無刷雙饋電機的研究工作并獲得了國家自然科學(xué)基金項目的支持，隨后的浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、太原理工大學(xué)也相繼開展了該種電機的相關(guān)研究工作。目前國內(nèi)外對無刷雙饋電機的研究內(nèi)容主要集中于電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機的等效電路模型及參數(shù)計算等方面。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，將無刷雙饋電機應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的控制策略研究也得到了很大一部分的關(guān)注。無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容主要包括電機定子繞組的設(shè)計和電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計。對于無刷雙饋電機的定子繞組設(shè)計，大部分學(xué)者采用兩套不同極對數(shù)的獨立繞組的設(shè)計方案。當(dāng)無刷雙饋電機定子繞組分別采用兩套獨立繞組的設(shè)計時，我們可以通過合理設(shè)計繞組的分布系數(shù)和短距系數(shù)，從而有效地消除特定諧波的影響，這樣繞組設(shè)計保持有很大的靈活性。但是兩套獨立繞組的設(shè)計中，定子每槽中一般采用四層繞組，這樣就使得定子槽的利用率低，導(dǎo)致了電機材料上的浪費。由于定子兩套獨立繞組設(shè)計上的缺點，相關(guān)學(xué)者們提出了定子功率繞組和控制繞組采用一套繞組，以此來提高電機槽的利用率，從而提高電機有效材料的利用率。無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)目前主要有三種基本結(jié)構(gòu)方式，籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。Broadway等人在Hunt的級聯(lián)式電機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種巢式回路籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對電機的轉(zhuǎn)子作用機理進行詳細(xì)地分析，他所提出的“轉(zhuǎn)子極數(shù)轉(zhuǎn)換器”機理一直為后來的研究者所采用。在Broadway后，Wallace教授等人試制了巢式回路鼠籠轉(zhuǎn)子雙饋無刷電機的原型樣機，并在一些細(xì)節(jié)上對該種結(jié)構(gòu)的電機進行了改進。在國內(nèi)，有研究者在結(jié)合籠型轉(zhuǎn)子和磁阻型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點，設(shè)計出了一種新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).隱極籠型轉(zhuǎn)子。該種轉(zhuǎn)子在籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為轉(zhuǎn)子增加個轉(zhuǎn)子深槽，將磁路的不對稱特性移植到籠型轉(zhuǎn)子中，保留籠型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點又提高了磁場轉(zhuǎn)換效率。磁阻型轉(zhuǎn)子的研究則是源于Broadway等人基于籠型轉(zhuǎn)子短路繞組的磁障作用的概念提出的可以用磁阻轉(zhuǎn)子代替短路籠型轉(zhuǎn)子的思想。此后，Heyne等人將新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（ALA軸向疊片轉(zhuǎn)子）用于無刷雙饋電機的樣機設(shè)計中，大大提高了磁場轉(zhuǎn)換效率，引起了研究者們對磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究的興趣。L.Xu等人針對磁阻型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機進行了各種理論分析和應(yīng)用研究，為推動磁阻型無刷雙饋電機的研制做出了較大的貢獻(xiàn)。國內(nèi)的研究者對磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計也進行了深入的研究。近年來，為了提高無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子耦合能力，有研究者將籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)合，設(shè)計出一種混合型轉(zhuǎn)子。該種混合型轉(zhuǎn)子在磁障型轉(zhuǎn)子設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)合籠型轉(zhuǎn)子的設(shè)計思想，在磁障型轉(zhuǎn)子深槽中增加短路導(dǎo)條來產(chǎn)生較大的電流以產(chǎn)生相反的磁通阻止諧波磁場，從而提高轉(zhuǎn)子的耦合作用。繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是華中科技大學(xué)的王雪帆教授在國家自然科學(xué)基金項目的支持下，在無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計中采用“變極”原理設(shè)計繞線式轉(zhuǎn)子繞組并研制繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機樣機。該種電機設(shè)計中可利用交流電機繞組變極理論對定子兩套獨立繞組的極對數(shù)選擇、磁勢相對轉(zhuǎn)向、繞組分布系數(shù)、諧波含量等進行“人工”控制設(shè)計使得無刷雙饋電機能夠有更好的性能。電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型及其對應(yīng)的等效電路模型是對電機特性研究的有效工具。由于無刷雙饋電機的雙邊勵磁并且電機內(nèi)部磁場耦合是通過特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極數(shù)轉(zhuǎn)換作用來實現(xiàn)的，因此動態(tài)數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)交流電機的模型有著很大的區(qū)別。無刷雙饋電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型研究工作率先在國外開展。電機參數(shù)是進行電機特性仿真的基礎(chǔ)，也是間接評價電機性能好壞的重要根據(jù)。電機的參數(shù)計算既可以通過磁場分析來完成，也可以通過磁路計算而獲得。其中磁場分析法計算過程相對復(fù)雜，但精度較高；磁路計算法過程相對簡單，適用于對大量設(shè)計方案進行對比研究的問題，雖然精度方面可能稍差，但一般情況下仍可滿足工程計算精度要求。國內(nèi)外對無刷雙饋電機的電機參數(shù)的研究的文獻(xiàn)總體來說并不多，而且基本上是沿用了傳統(tǒng)交流電機的方法來進行分析計算的。以往無刷雙饋電機的控制策略研究主要集中在提高其調(diào)速性能上，國內(nèi)外研究者們在研究其電動機控制策略上做了不少工作，先后提出了速度與功率因素雙閉環(huán)的標(biāo)量控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，研究者們開始將目光投入到了無刷雙饋電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中無刷雙饋發(fā)電機控制的目標(biāo)主要是：(1)實現(xiàn)變速恒頻運行，滿足電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求：(2)對有功功率P、無功功率Q進行解耦控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的目的。定子磁場定向的功率繞組和控制繞組之間存在交叉耦合,不容易實現(xiàn)完全解耦的問題，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，在dq軸模型下將有功功率和無功功率分解為解耦項和補償項后，實現(xiàn)通過控制繞組d軸電流和q軸電流來實現(xiàn)對功率繞組無功功率Q和有功功率P的控制。將傳統(tǒng)的PI控制用一種新型基于擴張觀測器的非線性PID控制.自抗擾控制器來增強系統(tǒng)的魯棒性和可實行性，并用仿真驗證了控制方法的正確性和有效性。對功率環(huán)采用模糊自適應(yīng)控制，計算機仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID控制器能夠更有效地減少振蕩，增強系統(tǒng)魯棒性，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率和質(zhì)量。將滑模變結(jié)構(gòu)功率解耦控制引入功率環(huán)中，實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電中無刷雙饋發(fā)電機有功功率與無功功率的解耦控制，實現(xiàn)風(fēng)能的最大功率捕獲，并可提供電網(wǎng)所需的無功功率，滿足電力系統(tǒng)的需要。二、無刷雙饋電機的基本結(jié)構(gòu)2.1無刷雙饋電機原理無刷雙饋電機示意圖如圖1所示。定子功率繞組極對數(shù)為pp，在同步運行時直接接電網(wǎng)；定子控制繞組極對數(shù)為pc，同步運行時輸入變頻電源。轉(zhuǎn)子采用類鼠籠式的自行閉合環(huán)路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子極對數(shù)為pr=pp+pc。當(dāng)功率繞組接入電網(wǎng)(頻率為飛fp)、控制繞組接入變頻電源后(頻率為fe，一般情況下fp≠fp)，由于兩套定子繞組同時有電流流過，因此在氣隙中產(chǎn)生兩個不同極對數(shù)的磁場，這兩個磁場通過轉(zhuǎn)子的調(diào)制發(fā)生交叉耦合，構(gòu)成了實現(xiàn)能量傳遞轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，即“極調(diào)制”機理。圖2-1無刷雙饋電機示意圖當(dāng)功率繞組電源正相序聯(lián)接，控制繞組通過變頻器反相序聯(lián)接時，它們產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，，其中np1、nc1分別為功率繞組及控制繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，nr為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，npr、ncr為兩個定子磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速[3]。由電機原理，易知：則功率繞組在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流頻率frp為：當(dāng)電機定子控制繞組接入頻率為的變頻電源，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流頻率frc為：由于轉(zhuǎn)子特殊的同心式結(jié)構(gòu)是一個極數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流頻率frp、frc相等，所以，轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速nr為：由上式可看出，當(dāng)pp、pc、fp一定時，改變控制繞組頻率fc可使電機轉(zhuǎn)速隨之改變，當(dāng)fc=0時的無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速，低于自然同步速的轉(zhuǎn)速稱為亞同步調(diào)速，反之稱為超同步調(diào)速[4]。無刷雙饋電機可實現(xiàn)同步、異步運行。同步運行為雙饋運行，具有自啟動能力，是目前運行較多的方式。BDFM異步運行時，一套端點連到工頻電源上，另一套端點通過滑動變阻器短接，調(diào)節(jié)電阻的大小就可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的速度。同步運行時，功率繞組接電網(wǎng)，控制繞組由變頻電源供電，通過改變功率繞組和控制繞組的供電相序，實現(xiàn)電機的超同步和亞同步調(diào)速，同步運行如圖1所示。通過改變副繞組供電頻率fc以及主副繞組的相序，可使電機的轉(zhuǎn)速高于或者低于同步速。2.2無刷雙饋電機定子結(jié)構(gòu)和繞組的連接要求BDFM的定子的結(jié)構(gòu)尺寸可以按照一般感應(yīng)電機的設(shè)計方法來設(shè)計，與一般的感應(yīng)電機沒有很大的區(qū)別，但是定子繞組的連接卻有較大的不同。BDFM有兩套繞組：功率繞組和控制繞組。BDFM調(diào)速系統(tǒng)一個特點就是能夠降低調(diào)速用的變頻器的容量，這只有將極數(shù)較多的繞組接至電網(wǎng)才能實現(xiàn)。直接接至電網(wǎng)的!極數(shù)較多的繞組為功率繞組；通過變頻器接電網(wǎng)的、極數(shù)較少的為控制繞組。BDFM要將功率繞組和控制繞組放在同一個定子中，就必須考慮幾方面的問題：2.2.1要實現(xiàn)在氣隙中產(chǎn)生不同極數(shù)的磁場，是采用同一套繞組還是采用分別獨立的兩套繞組；2.2.2如何通過兩種繞組合理的排列組合，它們能夠在同一個氣隙中產(chǎn)生兩種不同極對數(shù)的磁場；2.2.3這兩種不同的磁場波形要接近正弦波，并盡量地消除諧波的影響；2.2.4怎樣使能量能在氣隙之間得到有效的傳遞等。對于1）~3)的要求，按照一般的感應(yīng)電機設(shè)計要求就可以完全得到滿足。對4)的要求，實際上也是BDFM的原理性要求。一般地說，BDFM的定子功率繞組和控制繞組不能有直接的電磁禍合。這就要求當(dāng)一組繞組通過電流時，另一組繞的出線端的合成感應(yīng)電動勢為零或出線端之間的線感應(yīng)電動勢為零，反之亦同，以免功率繞組和控制繞組端口通電時引起工頻電源的附加電流。這也是BDFM定子繞組連接的設(shè)計目標(biāo)。此外，繞組在選擇線圈節(jié)距和線圈組排列時，須同時兼顧兩種極對數(shù)下削弱有害諧波的要求。從理論上講,這種要求通?？梢酝ㄟ^以下兩種方法來實現(xiàn):（1）兩套定子繞組方案：在定子上安排兩套分別對應(yīng)于兩種不同極對數(shù)的繞組;（2）單套繞組方案：BDFM的兩套繞組共用一套繞組，通過合理的安排使得氣隙中的磁場為兩個不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場。此外還有另外幾種不同的繞組方案:（1）多并聯(lián)支路單套繞組方案：定子繞組每相有三個或三的倍數(shù)個并聯(lián)支路，通過內(nèi)部對不同相支路的連接，形成另一種極數(shù)的繞組；（2）內(nèi)部交叉連接繞組方案：主要用于極對數(shù)的配合比率為“奇/偶”或“偶/奇”的情況；（3）極幅調(diào)制P(AM)繞組方案：這種繞組每相有兩個并聯(lián)通路，通過對每相一半繞組中的電流反相來得到另一種極數(shù)的繞組。這種繞組適用于任何極數(shù)，但可能會導(dǎo)致調(diào)制后生成的極數(shù)下繞組的分布系數(shù)較低。在對BDFM的研究中，大部分采用前兩種方案。單繞組和雙繞組方案各有其優(yōu)缺點：當(dāng)定子功率繞組和控制繞組采用兩套獨立的繞組時，采用各自的分布和短距繞組，可以使兩套繞組均具有較高的繞組系數(shù)，可以有目的的消除某些諧波的影響，使繞組設(shè)計具有較大的選擇余地，因此，繞組的設(shè)計具有很大的靈活性，這是BDFM在定子繞組設(shè)計中最為簡單的一種方法，但是，采用該類繞組方案時，每槽中往往采用四層繞組，槽的利用率低，從而導(dǎo)致電機的有效材料利用率的降低。當(dāng)定子功率繞組和控制繞組采用一套繞組時，可以大大提高電機槽的利用率，從而大大提高了電機有效材料的利用率。但是，單套繞組方案由于要兼顧功率繞組和控制繞組二者的性能,特別是要求該套繞組在連接成功率繞組和控制繞組時要保持各并聯(lián)支路均具有相同的電勢，從而限制了繞組設(shè)計的靈活性，另外，繞組節(jié)距的選取也要受到限制。三、無刷雙饋電機建模及存在的問題3.1無刷雙饋電機建模及智能控制策略研究無刷雙饋電機作為近年發(fā)展起來的一種新型電機,它由兩套相互獨立的定子功率繞組、定子控制繞組和特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子繞組組成。當(dāng)它作為電動機運行用于交流調(diào)速系統(tǒng)中,利用可逆變頻器調(diào)節(jié)定子控制繞組的電源頻率,實現(xiàn)對BDFM的轉(zhuǎn)速控制。另一方面,BDFM也可作為發(fā)電機運行用于變速恒頻恒壓發(fā)電系統(tǒng)中。BDFM具有無電刷、集電環(huán)、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、變頻器容量小、功率因數(shù)可控制等優(yōu)點。在節(jié)能水泵和風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)中以及水力和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文研究的目的是針對BDFM在三相靜止坐標(biāo)系下和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型建立過程中的不確定性和模型表現(xiàn)出的非線性特性,提出智能控制策略在BDFM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用,以提高控制系統(tǒng)的魯棒性和靜動態(tài)特性。本論文研究的方法是在BDFM的結(jié)構(gòu)分析、電磁關(guān)系分析和運行原理的深入理解的基礎(chǔ)上,對BDFM模型建立方法、電機參數(shù)辨識方法和智能控制方法進行理論研究。由于BDFM的模型建立的不確定性和部分電機參數(shù)的時變性,為了得到較好的BDFM調(diào)速系統(tǒng)的控制特性,一些智能控制算法,如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測控制和支持向量機等,通過計算機仿真進行應(yīng)用研究。在BDFM的控制研究方面，各國學(xué)者提出了多種控制策略，主要有：3.1.1標(biāo)量控制該方法采用靜態(tài)等效電路，算法比較簡單，容易在較低的微處理器上實現(xiàn)，可以在一定程度上提高電機的性能，但其動態(tài)性能不高。3.1.2文獻(xiàn)提出了基于一套繞組的估計磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化的直接轉(zhuǎn)矩控制策略后來在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上提出了一種模型自適應(yīng)控制策略，使BDFM對負(fù)載及電機參數(shù)的變化不敏感，達(dá)到最佳的工作特性。但是直接轉(zhuǎn)矩控制的計算量較大，需要采用高速的微處理器，因而成本較高。3.1.3在BDFM的同步模型基礎(chǔ)上采用了與普通感應(yīng)電機類似的控制方法，實現(xiàn)了BDFM轉(zhuǎn)子磁鏈的定向控制，國外的D.Zhou等人已經(jīng)采用這種方法進行了系統(tǒng)的實驗，效果很好；文獻(xiàn)采用d.q坐標(biāo)，對BDFM進行矢量控制，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩、無功和有功的有效控制。國內(nèi)則還停留在仿真研究階段，如文獻(xiàn)對BDFM轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制策略進行了仿真，從理論上證明了控制策略的有效性。在BDFM的實驗上，只進行了電機的開環(huán)性能實驗，目前國內(nèi)還很少有人進行閉環(huán)控制的實驗。3.1.4相對于無刷雙饋籠型電機來說無刷雙饋磁阻電機有較完整的功率和功率因數(shù)控制方案，從其理論分析和仿真結(jié)果來看，無刷雙饋磁阻電機的功率控制方案達(dá)到了很好的效果，如澳大利亞Aalborg大學(xué)的學(xué)者RobertE.Betz和MilutinJovanovic有關(guān)于功率因數(shù)控制的論著。無刷雙饋籠型電機的各種控制方法(除功率及功率因數(shù)控制方法外)在許多文獻(xiàn)中都可以見到，但是有關(guān)BDFM的功率及功率因數(shù)控制方案卻很少有文章涉及，這是因為與普通類型的電機以及無刷雙饋磁阻電機相比，無刷雙饋籠型電機的電路存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，諧波含量大，控制方程式復(fù)雜，控制方法復(fù)雜，電機的參數(shù)變化對電機的控制影響較大等眾多不利的因素。3.1.5功率繞組模糊功率因數(shù)控制策略該控制思想簡單，硬件實現(xiàn)方便，但是該控制策略存在電機反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使得其應(yīng)用場合受到了限制?？傊珺DFM控制策略計算量大，硬件實現(xiàn)困難，運行過程中轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化仍是影響控制準(zhǔn)確性的一個問題，使得BDFM控制只處于理論仿真和實驗室實驗階段，難以在實際中應(yīng)用。3.2無刷雙饋電機存在的問題BDFM的運行主要存在著以下的幾個問題：3.2.1諧波含量大。3.2.2電機的損耗大因為變頻器輸出的電流存在大量的諧波分量，所以BDFM的損耗就比一般的感應(yīng)電機要大。3.2.3單饋運行時存在著“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩”點在此轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩附近電機的特性性質(zhì)不一樣。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩”，電機相當(dāng)于外極普通感應(yīng)電機；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩”時電機就相當(dāng)于極普通的感應(yīng)電機。實際應(yīng)用中，如果電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩恰好在這個轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩附近變動，則電機運行不穩(wěn)定，易造成事故。3.2.4BDFM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜發(fā)熱量較普通感應(yīng)電機大。3.2.5開環(huán)運行時不能有效地發(fā)揮BDFM的優(yōu)勢。BDFM通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)變頻器輸出壓頻比和功率繞組或控制繞組電壓的相位差來調(diào)節(jié)輸入電機的無功分量以調(diào)節(jié)功率繞組的功率因數(shù)。開環(huán)運行于一定的功率因數(shù)時，所對應(yīng)的變頻器的電壓和相位差計算量大，實際上不容易得到精確的結(jié)果，因此不能有效地控制電機的功率因數(shù)。3.2.6BDFM數(shù)學(xué)模型復(fù)雜具有優(yōu)良動靜態(tài)性能的控制策略和控制方法不夠成熟，目前處于理論研究階段，有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。如電機矢量控制、功率控制、功率因數(shù)控制等，還有電機的參數(shù)如電阻電感等易受外界的影響而改變，參數(shù)的變化和測定的正確與否直接影響控制的成功實現(xiàn)。綜上所述，BDFM作為一種新型電機，結(jié)構(gòu)特殊，運行機理異于傳統(tǒng)電機，在調(diào)速節(jié)能和變速恒頻發(fā)電等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但也存在許多需深入探討的理論與技術(shù)問題。目前，國內(nèi)對BDFM的研究主要還只是對電機的原理、性能以及電機的建模方面進行一些理論研究，很少進入應(yīng)用研究階段。BDFM調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)存在的關(guān)鍵技術(shù)未能得到很好的解決，為使BDFM的研究盡快趕上國際水平，并在我國得到應(yīng)用與推廣，有必要深入開展這方面的研究。四、無刷雙饋電機的運行方式4.1無刷雙饋電機的異步運行無刷雙饋電機的異步運行與兩臺電機構(gòu)成的機組原理上相似，只是分開的定轉(zhuǎn)子繞組被單一定轉(zhuǎn)子繞組所代替，兩磁場共用一個磁路。BDFM異步運行時，功率繞組接到工頻電源上，控制繞組通過滑動變阻器短接，調(diào)節(jié)電阻的大小就可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。如果控制繞組接整流器，可以實現(xiàn)滑差功率的回收。BDFM與傳統(tǒng)繞線電機相比，去掉了電刷，可維護性大大提高，適用范圍進一步擴大。BDFM異步運行具有如下特點:4.1.1定子繞組在接到三相電源時必須產(chǎn)生一個場極的旋轉(zhuǎn)磁場。并且必須提供一個由2極磁場感應(yīng)的電動勢的短接回路，這個回路可以在繞組內(nèi)部短接，也可以通過電阻在外部短接。當(dāng)外接電阻或整流器時，定子繞組必須至少有6個抽頭。其連接示意圖如圖4-1圖4-14.1.2轉(zhuǎn)子繞組必須由串聯(lián)連接的2和2極繞組組成，并且將二者短接。前面的推導(dǎo)表明，在低速運行時，二者必須具有相反的相序，也就是說，兩繞組必須產(chǎn)生方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。4.2無刷雙饋電機的同步運行和雙饋運行同步運行方式是BDFM特有的一種運行方式。在這種運行方式下，定子側(cè)功率繞組直接接到工頻電源上，而控制繞組通過變頻器連接到電源上，如圖4-2.1所示。圖4-2.1BDFM運行示意圖圖涂4-2.2三并聯(lián)通路定子繞組當(dāng)BDFM運行速度在附近時，2極磁場以相對于定子的低滑差速度旋轉(zhuǎn)。如果此時在控制繞組通以直流或一定頻率、一定電壓的交流電，那么電機將被牽入同步速而同步運行。同步運行速度只與電機定子繞組的極數(shù)和定子繞組所通電源的頻率有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。同時，兩組電源不能相互直接影響，這可以通過繞組的適當(dāng)連接來達(dá)到，圖4-2.2所示的多并聯(lián)支路繞組可以達(dá)到這個目的。在無刷雙饋電機內(nèi)部有幾種磁場相互作用，圖4-2.3給出了各旋轉(zhuǎn)磁場之間的關(guān)系。圖4-2.3由電機的基本理論，功率繞組和控制繞組在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流角頻率分別為:(2.14)(2.15)其中、為功率繞組、定子繞組的旋轉(zhuǎn)角速度，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。BDFM在雙饋穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上只有一種電流流過，因此兩定子磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流角頻率應(yīng)該相同，即，因此(2.17)則，BDFM雙饋穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速為：(2.18)式中的“”號取決于兩臺電機的定、轉(zhuǎn)子相對相序。當(dāng)功率繞組電源和控制繞組電源相序相同時取“”號，反之取“.”當(dāng)=0時的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速。前取負(fù)號的調(diào)速，稱為亞同步調(diào)速,反之稱為超同步調(diào)速。從式(2.17)可見，BDFM作電動機運行時,可通過調(diào)節(jié)控制繞組的供電頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，作發(fā)電機運行時，在不同機械轉(zhuǎn)速n；下調(diào)節(jié)控制繞組的供電頻率，可保證定子功率繞組輸出恒定頻率的交流電能，也即實現(xiàn)了交流勵磁變速恒頻發(fā)電。4.3發(fā)電機運行方式當(dāng)無刷雙饋電機作發(fā)電機運行時，通常將副繞組用作交流勵磁繞組，連接提供轉(zhuǎn)差頻率的變頻器，而主繞組用作發(fā)電繞組。發(fā)電運行方式的接線示意圖如圖2.14所示。由于其勵磁繞組也在定子上，故其變速恒頻恒壓發(fā)電是在無刷情況下完成的，運行安全可靠，特別適合于需要長期運行且不便經(jīng)常維護的水力和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。圖2.14發(fā)電運行方式五、無刷雙饋電機功率因數(shù)5.1無刷雙饋電機繞組電流頻率與轉(zhuǎn)差率無刷雙饋電機調(diào)速運行時，主繞組接工頻電源，副繞組則由變頻電源饋電，通過改變副繞組三相電流相序，可以實現(xiàn)電機的超同步和亞同步調(diào)速。假設(shè)電機主、副繞組中的電流頻率分別為幾和關(guān)，設(shè)加在ABC和abc端子上的電流同相序，則定子兩套繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為（2.19）（2.20）設(shè)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為，則主繞組和副繞組在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生電勢的頻率分別為（2.21）（2.22）據(jù)電機轉(zhuǎn)子“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用，在這一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，由定子主繞組和副繞組磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生的運動電動勢的頻率應(yīng)該是一樣的，這是電機得以進行機電能量轉(zhuǎn)換的必要條件，因此，應(yīng)等于，由此可推得電機的轉(zhuǎn)速為（2.23）類比常規(guī)交流電機的轉(zhuǎn)速表達(dá)式，通常稱為無刷雙饋電機的等效極對數(shù)。定義副繞組通直流電(關(guān)=o)時，電機的轉(zhuǎn)速為無刷雙饋電機的自然同步轉(zhuǎn)速：（2.24）式中，當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相反時，取，此時，電機的轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，電機運行于亞同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相同時，取，此時，電機的轉(zhuǎn)速大于，電機運行于超同步轉(zhuǎn)速。特別地，當(dāng)時，此時，電機功率繞組和控制繞組電流產(chǎn)生的磁場的方向和轉(zhuǎn)速都與轉(zhuǎn)子相同，即相對靜止，按上式計算出的電機轉(zhuǎn)速應(yīng)為，稱為“死點”；因為在此轉(zhuǎn)速下，無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組不切割定子繞組電流產(chǎn)生的磁場，從而不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為便于分析無刷雙饋電機的運行狀態(tài)，需要定義三個滑差(轉(zhuǎn)差率)：轉(zhuǎn)子頻率相