1、無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速和功率分析,無刷雙饋電機（Brushless Doubly-Fed Machine,BDFM）作為近年發(fā)展起來的一種新型交流調(diào)速電機，它由兩套相互獨立的定子繞組（功率繞組和控制繞組）和特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子組成，利用可逆變頻器調(diào)節(jié)控制繞組的電源頻率實現(xiàn)對BDFM的轉(zhuǎn)速控制。BDFM具有無電刷、結(jié)構(gòu)簡單堅固、變頻器容量小、功率因數(shù)可控制、運行可靠等優(yōu)點，是傳統(tǒng)交、直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者，在大型水泵、風機調(diào)速和風力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。,無刷雙饋電機的發(fā)展歷史,BDFM由級聯(lián)異步電動機發(fā)展而來，級聯(lián)式雙饋電機由兩臺同軸串級而成，如圖1所示:,它是由兩臺繞線轉(zhuǎn)子異步電動機同軸

2、串級連接而構(gòu)成，具有兩套磁路彼此無關(guān)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，控制繞組由變頻電源供電，功率繞組直接由電網(wǎng)供電，改變控制繞組的供電頻率就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度。上世紀初Hunt和后來的Wallace等人在此基礎(chǔ)上，提供出在單一鐵心中安放兩套定子繞組的無刷雙饋電機模型，如圖2所示:,其中功率繞組的極對數(shù)為Pp，直接連接電網(wǎng)，頻率為fp；控制繞組極對數(shù)為Pc，由變頻電源供電，頻率為fc。由于定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用合理的設計，使得兩套定子繞組產(chǎn)生的磁場只能通過轉(zhuǎn)子間接耦合；同時轉(zhuǎn)子磁場的極對數(shù)可以自動轉(zhuǎn)換，分別與定子磁場極對數(shù)匹配，因此無刷雙饋電機的工作原理與級聯(lián)式電機的原理相同。,無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速分析,電機在

3、雙饋運行時，定子磁路中同時存在兩個旋轉(zhuǎn)磁場。由于電機結(jié)構(gòu)的特殊設計，它們的基波并不交鏈，分別在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，共同維持電機穩(wěn)定運行，具體分析如下： 當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，同步轉(zhuǎn)速見圖3（a）：,a)反相序,（1）,（2）,設轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是 ，則這兩個定子磁場在轉(zhuǎn)子中感應電動勢的頻率分別為：,（3）,（4）,它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流在電機磁路中也會產(chǎn)生相應的旋轉(zhuǎn)磁場。,（5）,而相對于定子的轉(zhuǎn)速是： + = ;它與功率繞組電流建立的磁場同步，因此，它們相互作用會產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。同時，頻率為 的電流，也會通過與功率繞組極數(shù)對應的轉(zhuǎn)

4、子導體，它產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為:,（6）,它與功率繞組電流產(chǎn)生的磁場相互作用也會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。若得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，這兩個磁場必須同步旋轉(zhuǎn)，比較式（5）和（6），轉(zhuǎn)子電流頻率必須相等，即,當頻率為 的電流，通過與功率繞組極數(shù)對應的轉(zhuǎn)子導體時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：,(7),同理，頻率為 和 的電流也會通過與控制繞組極數(shù)對應的轉(zhuǎn)子導體，只有在滿足式（7）的條件下，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與控制繞組電流建立的磁場才會同步，相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而維持電機穩(wěn)定運行。 因此，聯(lián)立解式（1）（4）、（7），可得電機穩(wěn)態(tài)運行的轉(zhuǎn)速,(8),當功率繞組電源正相序連接，控制繞組通過變頻器

5、也正相序聯(lián)接時，同理可得到電機的轉(zhuǎn)速為:,可見，當電機運行在電動狀態(tài)時，通過調(diào)節(jié)控制繞組的頻率 ，可以很方便的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。當 =0時的電機轉(zhuǎn)速稱為自然同步轉(zhuǎn)速；低于自然同步轉(zhuǎn)速時，稱為亞同步調(diào)速；高于自然同步轉(zhuǎn)速時稱超同步調(diào)速。,(9),無刷雙饋電機的功率分析,電機在雙饋運行時，功率繞組和控制繞組都會為負載提供電磁功率，此時，電機的等效電路如圖4。,其中參數(shù)下標為p的電路是功率繞組對應的定子等效電路；下標為c的是控制繞組對應的定子等效電路；參數(shù)下標為s的部分是沒有經(jīng)過折算的轉(zhuǎn)子實際等效電路。分析轉(zhuǎn)子等效電路，功率繞組通過氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率為:,（10）,控制繞組提供給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率為:

6、,（12）,轉(zhuǎn)子回路的功率平衡方程為:,（11）,由于此時轉(zhuǎn)子銅耗相對很小，為了分析方便將其忽略，式（12)簡化為:,（13）,由式（13）可知，功率繞組和控制繞組提供轉(zhuǎn)差功率大小相等，而功率流向相反，它們互相平衡，即,（14）,根據(jù)轉(zhuǎn)差功率與電磁功率的關(guān)系，可以求出功率繞組和控制繞組提供的電磁功率分別為,（15）,（16）,兩個繞組通過氣隙傳遞的總電磁功率為:,(17),忽略轉(zhuǎn)子銅耗和空載損耗時，總的電磁功率全部作為機械功率輸出，即,(18),當負載不變時，功率繞組和控制繞組電磁功率的分配關(guān)系為,(19),(20),聯(lián)立式（8）、（9）和轉(zhuǎn)差率的定義，可以解得功率繞組和控制繞組的轉(zhuǎn)差率分別為,（22）,（21）,功率繞組和控制繞組電源同相序時，式（21）、（22）中取負號，反之取正號。,(23),(24),由式（23）（24）可知，定子繞組提供的電磁功率與電源頻率成正比。如果電機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，它在啟動時，功率繞組和控制繞組電源頻率相等，此時功率繞組提供的電磁功率達到最大值，變頻器的容量將較大。為了降低控制繞組變頻器的容量，