繞線轉子無刷雙饋電機多諧波聯合起動過程中磁動勢及性能的分析

2020-12-14 電氣新科技

團隊介紹

合肥工業大學闞超豪團隊目前以闞超豪副教授、程源副教授作為學術帶頭人的新型電機研究團隊，是一支以基礎研究為核心、應用研究為驅動的研究團隊。新型電機課題組長期從事新型特種電機研製、電機電器優化設計、電機電器故障診斷等方面的研究工作。主持國家自然科學基金項目2項，省自然科學基金面上項目2項、參與國家重點研發計劃項目1項、國家重大儀器專項1項。

闞超豪，工學博士，合肥工業大學電氣與自動化工程學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為新型特種電機研製、電機電磁場計算、電機電器故障診斷等。作為負責人或主研參與20餘項科研項目的研究，包括國家自然科學基金面上項目、省自然科學基金面上項目、國家重點研發計劃項目子課題、國家重大儀器專項子課題，以及多項來自中科院合肥物質研究院的科研項目。在IEEE Transaction、IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內外學術刊物發表學術論文50餘篇。

導語

多諧波聯合起動繞線轉子無刷雙饋電動機通過改變電機定子繞組聯結方式，使得勵磁電流在氣隙中產生基波磁動勢以及與基波同轉向的不同極對數諧波磁動勢。基波磁動勢協同這些諧波磁動勢與轉子上複合線圈繞組相互作用來降低起動電流和增大起動轉矩，進而改善電機的起動性能。

該文通過詳細的推導建立該電機的定子繞組磁動勢數學模型，分析該電機在起動時磁動勢諧波含量；分析轉子繞組的磁場調製機理及工作特點，並對該電機在起動時的等效電路以及氣隙磁通密度進行分析以研究其起動性能。

仿真和試驗結果表明，採用多諧波聯合起動方式使電機的起動電流降低，起動轉矩增大，並且使得電機具有良好的起動性能。

研究背景

目前，隨著油田、煤炭、起重冶金、礦山等行業的電氣傳動技術的不斷發展，大量重型起動機和大中型電動機驅動裝置需要起動電流小、起動轉矩大的感應電機。因此，電氣傳動系統對電機提出了更高的要求，如何進一步提高電機起動性能成為本領域的研究熱點。

由於普通變頻電機的變頻器容量大，調速成本高，系統效率低。與普通變頻電機相比，BDFM的變頻器容量低，調速範圍廣，效率高。BDFM調速系統中變頻器容量約佔電機容量的30%，即可滿足變頻調速要求。若起動時採用變頻起動，則變頻器容量偏小，無法滿足起動轉矩要求。

若像普通感應電機一樣採用直接起動的方法，電機起動電流較大，可達到額定值的4~7倍，對電網的衝擊電流很大。另外，繞線型BDFM由傳統繞線轉子感應電機演變而來的，無滑環電刷對外連接，將原有繞線轉子繞組移到了定子上變為控制繞組，原有的定子繞組為功率繞組。

原來通過轉子繞組串聯電阻減小起動電流、增加起動轉矩的方法現在可由定子控制繞組串聯起動電阻或頻敏變阻器來實現，但在一些重載起動和頻繁起動場合，該方式存在著操作較麻煩，可靠性低，綜合成本較大等問題。

主要內容

多諧波聯合起動BDFM控制結構示意圖如圖1所示，定子上有兩套不同的繞組，控制繞組採用Y接法，功率繞組採用大小雙Y聯結法（Y3Y1/Y3聯結）。起動時，將控制繞組接線端短接，功率繞組大星Y3起動接線端接入電網，即同時閉合S0、S1。

閉合開關後接入工頻電源，電機開始起動和加速，當轉速上升到同步轉速附近時，將控制繞組接線端接入變頻器，同時將功率繞組上小星Y1運行接線端分別投入起動端所接入的電網中，即閉合S2，同時斷開S1，於是便完成起動過程，電機便開始進入雙饋運行狀態。

通過開關切換，無需變頻起動便使得電機由起動狀態進入到雙饋運行狀態，然後可通過變頻器調節fc，進而實現有效的變頻調速。

圖1 多諧波聯合起動BDFM控制示意圖

由於多諧波聯合起動BDFM定子繞組產生較大的磁動勢諧波成分（基波，主諧波和多個極對數副諧波），和常規電機的計算不同，這些諧波產生的作用不能當作漏抗處理，而把這些諧波對電機起動時產生的轉矩當作起動轉矩來計算。

由於其它各極對數磁動勢諧波產生的轉矩都是小到可以忽略不計，在不考慮其他各極對數諧波轉矩之間的相互影響，得出多諧波聯合起動時的轉矩特性，如圖2所示。

圖2 多諧波聯合起動時的轉矩特性

為了驗證多諧波聯合起動BDFM的優越性。分別對BDFM在不同起動方式下進行了仿真。圖3為不同起動方式下功率繞組的相電流仿真波形。圖3（a）為控制繞組短接，部分功率繞組勵磁的多諧波聯合起動方式；圖3（b）為控制繞組勵磁，功率繞組全部勵磁的雙饋起動方式；圖3（c）為控制繞組短接，功率繞組全部勵磁的異步起動方式。

圖3 不同起動下功率繞組的相電流波形

從圖3中可以看出，與異步起動、雙饋起動相比，多諧波聯合起動大大降低了起動電流，而且在切換過程中，衝擊電流較小，進一步說明了採用多諧波聯合起動方式在保持較高起動轉矩的情況下，有效地抑制了樣機的起動電流，提高了樣機的起動性能。

結論

本文通過對多諧波聯合起動BDFM的工作原理、定轉子繞組磁動勢、氣隙磁通密度以及起動電流的分析，來研究多諧波聯合起動 BDFM 的諧波磁場特性及起動性能，得到如下結論：

1）多諧波聯合起動 BDFM 轉子繞組採用複合線圈結構，增大了起動電阻，從而降低了起動電流，降低了磁場飽和程度。2）多諧波聯合起動 BDFM 在起動時的磁場和氣隙磁通密度除基波外，還含有與基波同轉向而極對數不同的諧波磁場，由於磁場之間相互作用進一步增大電機的起動轉矩。3）多諧波聯合起動 BDFM 在起動時由電網直接供電，完成起動過程後，可通過開關切換至 BDFM雙饋運行狀態，進而實現變頻調速。引用本文

闞超豪， 鮑習昌， 金科， 李霄， 王群京. 繞線轉子無刷雙饋電機多諧波聯合起動過程中磁動勢及性能分析[J]. 電工技術學報， 2020, 35(3): 481-493. Kan Chaohao, Bao Xichang, Jin Ke, Li Xiao, Wang Qunjing. Analysis of Magnetomotive Force and Performance during Starting Process of Wound-Rotor Brushless Doubly-Fed Machine with Combined Multi-Harmonic Fields. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 481-493.

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  • 無刷直流電機詳解
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  • ​學習無刷電機,你必須知道的44個常識!
    空載電流是尖頂波形，因為其中有較大的三次諧波。 2 . 直流電機電樞繞組中流動的也是交流電流。但其勵磁繞組中流的是直流電流。直流電動機的勵磁方式有他勵、並勵、串勵、復勵等。 異步電機又稱感應電機，因為異步電機的轉子電流是通過電磁感應而產生的。 7 . 異步電動機降壓起動時，起動轉矩減小，起動轉矩和繞組的起動電流的平方成正比地減小。 8 . 一次側電壓的幅值、頻率不變時，變壓器的鐵心的飽和程度是基本不變的，勵磁電抗也基本不變。
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