无刷双馈电机的电磁设计特点

无刷双馈电机的电磁设计特点
摘  要：在无刷双馈电机运行原理的基础上，分析了其电磁设计特点，主要的内容包括如何确定电机的计算功率及主要尺寸，如何选择电机的电磁负荷及定子两套绕组的极对数。
    关键词：无刷双馈电机  电磁设计  自级联电机
1 引言
　　本世纪初Hunt提出自级联（self－cascade）电机改善了感应电动机的低速和起动性能［1］，后在Broad way等人的研究下简化了电机的结构，拓宽了电机的应用范围，使该类电机具有同步电机的特性，并可使其运行于变速恒频发电状态或高频发电状态［2］。80年代初wallace等人提出在该电机控制绕组上加频率和电压幅值可变的电源后，将其构成无刷双馈变频调速系统［3］。该调速系统由于变频器容量远小于电机的额定容量，系统有成本低、对供电系统谐波污染小、治理费用低等优点；且由于调速系统的结构改变后，系统运行的可靠性高、功率因数可调、调速性能好等特点。因此，无刷双馈调速电机有良好的应用前景。
    文［4］研究了无刷双馈电机定、转子绕组构成的原则，文［5］建立了d－q双轴模型及三相系统下电机参数的计算方法，文［6］讨论了无刷双馈电机稳态性能的计算方法。本文将讨论该类电机计算功率，主要尺寸的确定，以及极对数、电磁负荷的选择原则，与文［4～6］一起构成无刷双馈电机的设计方法。
2 无刷双馈调速电机的电气特点
   无刷双馈调速电机电气结构如图1所示。
     无刷双馈电机定子绕组由2套极对数不等的对称三相绕组（即pP≠pc）构成，它们可以是彼此独立的2套绕组或在一定的pP、pc下可由1套三相绕组通过变极联结获得2套对称三相绕组。接入工频（fp）电源的对称三相绕组称为“功率”绕组，接入变频（fc）电源的对称三相绕组称为“控制”绕组，一般情况下fP≠fc。经研究，可得稳态运行时电机的转速与pp、pc、fp及fc的关系为［2
    式中　n的单位为r／min；fc前取正号时表示控制绕组的三相电源相序与功率绕组三相电源相序相同；fc前取负号时表示两个绕组外加电源相序相反。
    式（1）表明，当pp、pc、fp一定时，改变fc可使电机转速随fc改变；当fc=0时的电机转速称为自然同步转速。fc前取负号的调速，称为亚同步调速，反之称为超同步调速。

3 电磁设计要求

    该类电机电磁设计，除应满足国家标准对一般三相交流电机的技术要求外，还应特别注意以下3点：
    (1) 调速范围
    明确电机转速运行的最大区间，并应指明电机的常用转速区间，以便选择合适的电机数据，获得良好的力能指标。
    (2) 负载的性质
    明确负载需要恒功率调速或恒转矩调速，或在整个调速范围内部分转速区为恒功率、部分转速区为恒转矩。这对选择自然同步转速（即确定pp、pc之和）及控制绕组电源在调速范围内是否需要改变相序十分重要。
    (3) 通风冷却系统
    一般交流电机包括同步电机和感应电机，转子不计算铁耗，然而该类电机正常稳态运行时，定子绕组产生的2个旋转磁场转速与转子本体转速存在较大的转差，转子铁芯损耗不容忽视。不仅电磁设计时，其电磁负荷的选择应与常规电机有所区别，而且对通风冷却结构设计应予足够的重视。
4 电机的计算功率与主要尺寸
4.1 计算功率
    (1) 转差率与电机极对数及供电频率的关系
　　当电机按式(1)转速稳定运行时，设pp对极系统的转差率为sp；pc对极系统的转差率为sc。下面导出它们与pp、pc、fp及fc的关系。
    pp对极绕组通入频率为fp的三相对称电流时，其产生的旋转磁场的角速度ωp为
于是sp可表示为
由于控制绕组与功率绕组反相序，其产生旋转磁场的角速度为
由于控制绕组的供电相序与功率绕组供电相序相同，因此ωc应为
由式(4)、式(6)和式(9)可知：当电机稳态运行时，定子2个不同极数的旋转磁场在转子绕组中感应电流的频率是相同的。
    (2)电机的功率关系
    为了近似而清晰地得出该电机的定子2套绕组功率与轴输出功率的关系，当忽略电机机械损耗时，有

式中　PN为电机轴输出功率；Pmec．p为pp对极电机产生的机械功率；Pmec．c为pc对极电机产生的机械功率。
　　文［2］指出
亚同步调速时，忽略定子铜耗，定子输入的电功率等于气隙的电磁功率，功率绕组吸收的电功率为　　
    结论：①稳态亚同步运行时，电机控制绕组向系统反馈电功率，超同步运行时，控制绕组从系统吸收电功率，这一结论对控制系统设计极为重要；②这里推导的电机功率关系可作为确定计算功率的依据；
(3)计算功率的确定
分析上节的推导结果，选择式（10）的Pp作为确定电机主要尺寸的依据，它可同时满足自然同步转速上、下调节时对功率的要求。由于电机有损耗存在，因此计算功率可由下式确定
式中 ηN、cosφN可根据功率绕组极对数按标准选取，或按用户要求选，fc按调速范围要求确定。
4.2主要尺寸的确定
   文［7］以功率绕组的计算功率为无刷双馈电机主要尺寸的依据，即
5无刷双馈电机的电磁负荷
5.1 磁负荷Bδ的确定
(1)pP对极系统与pc对极系统气隙磁密的关系
由电机原理可知，鼠型转子电机的稳态电磁转矩，可表示为
式（17）表明：当设计定子绕组时，必须使2套绕组产生的气隙磁密的比值，近似等于2套绕组极对数的比值。
    (2)磁负荷Bδ的确定
    由于2套绕组共用1个定子、气隙及转子，电机中存在2个不同转速的旋转磁场，它们时而相加，时而相减。由前面功率、转矩与极对数的关系，可得如下近似关系
该类电机有较大的转子铁耗，在考虑主要尺寸确定时，可选Bδ（即BδP＋Bδc）值适当小于常规电机的Bδ值。
5.2电负荷A的确定
    定子2套绕组均匀分布在定子铁芯槽内，该电机正常工作时，2套绕组同时通电，因此，该电机的电负荷应为
A＝AP＋Ac     （20）
AP、Ac应根据2套绕组的数据计算，由于AΔ（电密）是热负荷，考虑该电机发热问题，一般而言A的取值不应大于常规电机的取值。
　　以上仅从发热的角度给出了A、Bδ选择的原则，至于BδP、Bδc、AP及Ac的合理值与电机运行性能密切相关，应通过性能计算最终确定，这里的讨论主要针对在确定主要尺寸时，如何初选A、Bδ。

6  定子2套绕组极对数的选择原则
由式（1）可知，功率绕组由工频电源供电时，（pp＋pc）的大小决定了电机的调速范围,结合负载的性质来确定（pp＋pc）。当（pp＋pc）确定后，在具体确定pp和pc时，还应充分注意以下几点：
    (1) 应使pp≠pc成立。pp对极的磁密基波Bsin（pp，θ）与pc对极正弦分布的绕组sin（pc，θ）的磁链可表示为
由正弦函数的正交可知，只有当pp≠pc成立时，积分结果为零，即保证2套绕组基波磁场不交链。
    (2) pp／pc的最简分式中，分子分母最好是一奇一偶。满足该条件时，可使2套绕组的各次谐波不互相交链；如不能满足该条件时，则需通过绕组设计削弱较强的谐波。
    (3) 由不同极数的定、转子磁场相互作用会产生径向磁拉力，该类电机不同极数磁场数量较常规电机更多，参考常规电机的研究结果，应使｜pp－pc｜≥2，｜pp－pc｜越远离2，越能降低电机的振动与噪声。
    (4) 由式(3)和式(7)可以看出，当电机处于自然同步转速（即fc＝0）稳定运行时，功率绕组旋转磁场与转子的转差率为
上述推导说明，在(pp+pc)一定时，pp、pc的选择直接影响转子损耗的大小，对pp、pc已确定的电机利用上述关系计算转子铁耗，该类电机的铁耗不仅与电机所加的电压，也与电机的转速（即fc）大小密切相关，这与常规的恒速电机是不同的。
7结论
    本文从该类电机的运行原理出发，深入分析了电机内部的电磁关系，建立了电机的计算功率、主要尺寸、转子感应频率的算式，讨论了pp、pc及电磁负荷的选择原则，本文的讨论与有关文献的结论共同构成无刷双馈电机的设计基础，为该类电机的设计提供理论依据。