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1、华中科技大学 硕士学位论文 无刷双馈变速恒频发电机 姓名：吕贝 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：黄声华 20080609 I 摘 要 无刷双馈电机是一种新型的电机，它是由级联感应电机发展而来。国内外的许多 学者对于电机结构、数学模型、控制策略等方面进行了深入地研究。它既可以作为电 动机运用于交流调速传动系统，也可以作为发电机运用于变速恒频恒压发电系统。本 文主要研究其变速恒频发电方面的应用。国际能源的紧张使人们将目光越来越多的投 向风能、水能等绿色能源。在风力、水力等变速恒频发电领域，无刷双馈电机与其他 电机相比有着明显的优势：通过调节控制励磁侧的频率可以实现变速恒频发电；所需
2、 的变频器容量小，降低了系统成本；在结构上实现了无刷化，提高了系统的可靠性。 因此，对于无刷双馈电机变速恒频发电方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文首先以级联式无刷双馈电机为例，分析了电机的运行机理、数学模型以及发 电矢量控制策略，利用 MATLAB/SIMULINK 的 S 函数对电机进行建模仿真。再构筑 以风力机为原动机的无刷双馈发电控制系统的仿真模型，对其动态调节特性进行了仿 真研究，为开发实用的风力发电系统奠定了基础。此外，本文还研究了笼型转子无刷 双馈电机，详细推导了其在双同步MT坐标系下的功率控制策略，并通过仿真验证了 控制策略的正确性。 最后，利用一台无刷双馈样机构建了
3、实验平台，对电机的各种发电运行工况进行 实验研究，验证了无刷双馈电机变速恒频发电的基本理论，为后续的工作打下了坚实 的基础。 关键词： 无刷双馈电机 变速恒频 S 函数 矢量控制 II Abstract Brushless Doubly-Fed Machine (BDFM), which developed from Cascade induction machine, is a new kind of machine. Deeply researches have been carried out by scholars both at home and aboard on many asp
4、ects, such as the structures, mathematic models and control strategies. The BDFM can be used not only in the Adjustable-Speed AC Drive Systems as a motor, but also as a generator in the variable-speed constant-frequency (VSCF) system. In this thesis, the mainly research is about the application of B
5、DFM as a generator. The green energy such as wind power, water power has been concerned a lot with the shortage of the energy all around the world. The BDFM has shown conspicuous advantages in the VSCF area by using wind and water power. Such as VSCF can be realized by adjusting the voltage frequenc
6、y of the control winding; small inverter is needed, so the cost can be reduced; the reliability will be improved with the omission of the brushes. Consequently, the research on BDFM in the VSCF area means a lot. In this thesis, the cascade BDFM has been set to an example in order to analyze the oper
7、ation theories, mathematic models and vector control strategies. By using the S-Function of MATLAB/SIMULINK, the mathematic model of BDFM has been established; also, the behaviors in dynamic operation have been simulated, which set a stable foundation for the development of the wind generation syste
8、m. Meanwhile, the research on the squirrel cage BDFM has also been carried out. The control strategies under the appropriate synchronous reference frame have been deduced in detail. The simulations have shown the correctness. Finally, we established a laboratory platform of BDFM, on which different
9、generating operation conditions have been tested, the results proved the basic theory of BDFM. All the works mentioned above have set a solid foundation for the future study. Keywords: BDFM, VSCF, S-Function, Vector control 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任
10、何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学
11、位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机（BDFM）源自于级联感应电机。级联感应电机运行是将两台绕线 式感应电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在 1893 年由美国的 Steinmetz 和德国的 Gorges 所发现。后来朝着单一机组串级电机的方向发展，Hunt 发 明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论，这种电机具有一套转子绕组和一 套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路1。后来 Creedy 对这种电机进 行了进一步的改进2，为之设计了合理的定转子绕组。但是由于定转子
12、绕组极数配合 及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。 直到 20 世纪 70 年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展。但是调速系 统的成本高昂，而其中变频器在总成本占较大比重。变频器的成本基本上与容量成正 比，因此降低变频器的容量就具有很大的意义，而且使用变频器给电网带来了谐波污 染，因此从确保电网供电质量方面，也要求降低变频器的容量。由于 BDFM 在运行时 所需的变频器装置容量较小，只占调速系统总功率较小的一部分，而且通过调节控制 绕组就可以达到控制电机转速与功率因数的目的， 因此 BDFM 的研究重新引起了人们 的广泛兴趣。Broadway 等对 Hunt 发明的电机进行了较
13、大改进3,4，简化了转子绕组， 使之具有笼型转子的坚固性与可靠性， 又能满足 BDFM 对转子磁场的要求， 并使定转 子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自级联无刷感应电机理论向前推进了一大步。 在近三十年的时间中，以美国 Wisconsin 大学、Ohio 州立大学、Oregon 州立大学 为代表的高等院校和科研机构对无刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究，其研究 内容涉及电机结构的分析、数学模型的建立、BDFM 控制策略的探讨。无刷双馈电机 动态数学模型和两轴数学模型的建立5,6， 为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的 优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制、磁
14、场定 向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等。而电力电子器件和微处理器的发展 又进一步促进了无刷双馈电机的发展。 2 1.2 无刷双馈电机的国内外研究现状 目前，国外对无刷双馈电机的研究己从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立 比较准确实用的数学模型，找到适用于无刷双馈电机的控制方法，从而使无刷双馈电 机达到实用化的阶段。近来无刷双馈电机应用方面的研究也比较热门，如风力发电、 中高压调速系统等。但是，应当看到，这些研究都是建立在线性化及简化数学模型的 基础上，尚未建立电机完整的、精确的场路结合数学模型，对电机饱和及谐波也没有 进行深入研究。 国内对无刷双馈电机研究总体起步较晚， 90 年代
15、以来，国内一些高等院校和科研 机构对该种电机进行了研究，取得了一些成果。但总的来说，国内对无刷双馈电机的 研究尚处于基础研究阶段，还未推广应用到实际生产中。因此，对该种电机的研究开 发还有许多的工作要做。综合国内外的研究情况，目前对于无刷双馈电机的研究主要 在下面几个方面上展开。 1.2.1 无刷双馈电机结构的研究 BDFM 是在级联感应电机发展起来的，其运行原理与常规电机有较大的差别。早 期文献中 Hunt 和 Greedy 分别研究了自级联电机的运行原理及其结构上的改进，提出 了将同轴串级联接的两台感应电机合二为一的方案单一定转子铁心的自串级电 机。20 世纪 60 年代末，Broadwa
16、y 等人用转子槽矢量图详细研究了级联电机的笼型转 子和绕线转子对定子两套绕组的“极数转换器”调制作用后7，奠定了 BDFM 运行理 论的分析基础。后来的研究者大多数沿用这种分析方法来分析 BDFM 的运行原理。 BDFM 在定子上安放两套不同极对数绕组或者通过不同的出线而得到两种极对 数的一套变极绕组。 电机在定子上实现双馈， 两种极对数绕组将产生各自相应的磁场。 当采用一套绕组产生双磁场时，为使绕组在产生两种极对数磁场时都能对称分布，往 往采用 Y 型多并联支路形式。 当采用两套绕组产生双磁场时， 方案具有较大的灵活性， 不存在绝缘和对称的问题，可根据谐波要求对绕组进行独立设计。 BDFM 转子可分为笼型转子和磁阻转子结构。Oregon 州立大学的 A.K. Wallace 3 教授和 R. Spee
