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1、中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 无刷双馈电机的发展和研究现状31.2 无刷双馈电机的应用前景62 无刷双馈电机的结构和基本原理92.1 无刷双馈电机基本结构92.2 无刷双馈发电机的运行原理123 船舶电力系统的分析、设计及保护183.1 船舶电力系统的基本参数183.2 船舶电力系统电源装置的选择193.3 船舶电力系统的短路电流计算233.4 船舶电力系统保护及断路器的选型313.5 船用电缆选型及敷设35结论40谢辞41参考文献421无刷双馈单机发电系统研究摘 要：目前交流励磁双馈电机在变速恒频发电系统中应用广泛，但多为有刷结构，而无刷双馈电机省去电刷和滑环结构，其维护方便，性能更
2、加可靠，因而具有广泛的应用前景。本文以无刷双馈电机为研究对象，主要研究其运行原理和方式，介绍了其在船舶上作为船舶轴带发电机的基本概况，并以福建自动化实训电站为例阐述了船舶电力系统的设计过程和元器件优化选型及保护。首先，分析了船舶电力系统的特点和基本参数，并对电源装置进行了选择；接着，对船舶电力系统短路电流进行计算，并对施耐德MerlinGerin品牌Compact NS系列塑壳式断路器的选型作了论述；最后，阐述了船用电缆的选型及敷设。关键词：无刷双馈电机 船用轴带发电 船舶电力系统 短路电流计算 继电保护Abstract：AC excitation current of doubly fed
3、variable speed constant frequency electrical power generation system has in the widely been used,but mostly with brush structure,which the BDFM eliminates brush and slip ring stucture. It has easy maintenance, more reliable, so it has broad application prospects.In this paper, BDFM as the research o
4、bject, the main principles and methods of its operation, described the ship in the ship shaft generator as a basic overview and an example of Fujian power plant automation training ship power system described Optimization of the design process and component selection and protection. First, it analyz
5、es the characteristics of the ship power system and the basic parameters, and power supply units were selected; then the ship power system short-circuit current calculation, and Schneider MerlinGerin brand Compact NS Series MCCB selection made Discourse; Finally, described the selection and laying m
6、arine cables.朗读Keywords：Brushless Doubly-Fed Machion, Marine Shaft Generator System,Ship Power System, Short-circuit Current Calculation,Relay Protection显示对应的拉丁字符的拼音1 绪论无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机，它取消了电刷和滑片，不仅具有结构简单、运行可靠的优点，而且可以有效的降低变频装置的容量和电压等级，因此被认为在调速驱动和变速发电领域中有广泛的应用前景，通常用在孤岛系统中。本章回顾了无刷双馈电机的发展和研究现状，并分析
7、了其应用前景。1.1 无刷双馈电机的发展和研究现状1.1.1 无刷双馈电机的发展无刷双馈电机发展至今，经历了上百年的历史。20世纪初随着交流输电技术的发展，感应电机以其结构简单、坚固耐用等优点逐渐在工业中获得广泛的应用。但是在许多场合中，常常要求电机具有几种不同的转速或者在一定转速范围内可以连续地调节，因此感应电机的调速成为鱼待解决的一个问题。早期的感应电机调速主要是采用转子串电阻调速的方法，这种方法只适用于绕线转子感应电机，而且损耗大、效率低，容易使电动机的机械特性变软1。在这种背景下，串级感应电机应运而生。串级感应电机是一种将两台绕线式感应电机同轴相连，转子绕组同相序或者反相序连接的电机，
8、有时候也被称为级联感应电机。串级感应电机在串级运行时，一套定子绕组接工频电源，角速度为，另外一套通过可调电阻短接，若两台感应电机的极对数分别为和，则可以获得的同步转速(转子绕组反相序相连时取“+”，同相序相连时取“-”)，改变外接电阻的大小，可以实现一定转速范围内的调速。由于这种串级连接的方法可以取消绕线转子串电阻调速时的滑环和电刷，并在一定的转速范围内实现调速，因此曾引起人们的广泛注意。后来为了减小体积，提高性能，简化安装，人们尝试将两台电机的定转子安装在同一机座内，使得从外观上可将串级感应电机看成一台电机，但从结构上来说定转子绕组仍然是独立的。无刷双馈电机是在串级感应电机的基础上发展而成的
9、。1907年，L.J.Hunt提出了将同轴串级连接的两台感应电机合二为一的方案，形成了单一定转子铁心的自串级电机，不仅能满足串级感应电机调速的要求，而且能减少用铜量和相应的铜耗2，实际形成了无刷双馈电机的雏形。1920年，F.Creedy在L.J.Hunt的基础上，总结了一些极对数配合的规律，设计了一台6/2极的自串级感应电机并获得很大的成功，这种极数的配合一直延用至今，但是受到当时技术条件的限制，该电机未能投入实用研究。1966年B.H.Smith分析了串级感应电机的运行方式，第一次提出如果在第二套定子绕组上外接一个低频电源，串级感应电机将具有同步运行的方式，而且第二套定子绕组能吸收第一套定
10、子绕组提供的转差功率3。1970年A.R.W.Broadway和L.Burbridge改进了L.J.Hunt电机的转子结构，他们进一步扩大了极对数配合的范围，并且用导条取代了绕组线圈，提出了一种类似于鼠笼转子的巢形转子结构，也即特殊笼型转子结构，总结出了其“巢”数应该等于定子两套绕组的极对数之和。这种特殊笼型转子以其结构简单坚固成为现代无刷双馈电机的经典转子结构，被广为研究，成为无刷双馈电机研究的一个主要分支。1971年A.R.W.Broadway又提出可以用磁阻转子代替特殊笼型转子。1984年，C.J.Heyne和A.M.EI-Antably提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机的实验结果，该
11、电机将用于自串级电机的隐极式绕线转子用新型磁阻转子结构(ALA轴向叠片转子)代替，提高了电机的性能指标4。这种新型磁阻转子电机以其较高的效率和较好的同步性能成为无刷双馈电机研究的另外一个分支。至此，无刷双馈电机的结构发展趋于稳定，后续文献对无刷双馈电机的结构，特别是转子结构的改进甚少。上世纪80年代中期，美国的Oregon州立大学的学者对这种电机进行了一些研究，并且正式将它命名为无刷双馈电机(Brushiess Doubly-Fed Machine，简称BDFM)。自此，随着世界各国对绿色能源和可持续发展的日益重视，无刷双馈电机作为一种用途广泛、意义深远的新型电机成为国内外研究的一个热点。1.
12、1.2无刷双馈电机的研究现状上世纪70年代，无刷双馈电机的结构基本定型，特别是转子结构。此时，一批学者开始注意到了无刷双馈电机的潜在价值。80年代中期，出于商业利益的考虑，以A.K.Wallace，R.spee，G.C.Alexander等为代表的美国Oregon州立大学的学者开展了对无刷双馈电机的研究，取得了一系列的重要成果。1989年，A.K.Wa11ace等学者较早地阐述了这一新型电机在调速驱动(ASD)、变速发电(VSG)和抽水蓄能中的应用前景，并较早地以BDFM来命名这种新型电机，此外还从电路的观点对无刷双馈电机展开了建模和仿真。1991年，R.Li等人在文献中首次建立了一台6/2极
13、、转子24槽的特殊笼型转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型，并成功地对该电机的起动和运行进行了仿真分析。随后，M.Boger等人推广了该d-q轴数学模型至任意极对数。1992年，R.Li等人研究了无刷双馈电机稳态运行时的特性，提出了无刷双馈电机同步运行时的等效电路，并绘制了相应的向量图。B.V.Gorti等人从该等效电路出发，分析了无刷双馈电机在不同运行状态下的能量平衡关系。与此同时，与电机本体相关的其它理论成果也比较丰硕。以D.Zhou为代表的学者对无刷双馈电机的控制方法展开了卓有成效的研究，他较早在1993年提出了一种所谓的标量控制方法，它包含两个PI控制器，实现了转速和功率绕组侧功率因数的
14、闭环控制。1994年，D.Zhou提出了一种基于双同步速旋转坐标系的d-q轴数学模型5，实现了功率绕组和控制绕组中电压和电流的d-q轴分量的常数化，并相应地提出了一种基于转子磁场定向的控制方法(RFOC)，在此基础上他又提出了一种简化的、无位置传感器的控制方法。此外，W.R.Brassfield等人于1996年提出了无刷双馈电机的直接转矩控制(DTC)6。进入二十世纪，英国剑桥大学的学者对无刷双馈电机的研究异常活跃。从收集的文献来看，S.Wiiliamson等人较早地概述总结了无刷双馈电机研究的理论成果和建模方法，利用有限元分析的方法研究了铁心的饱和与损耗，并结合实验，验证和分析了样机的性能7
15、。P.C.Roberts等学者对比分析了五种不同转子的无刷双馈电机的性能差异，并公布了实验数据8。他们还建立了无刷双馈电机的稳态等效电路，提出了基于目标函数优化的参数估算方法。在此基础上，文献9分析总结了无刷双馈电机作为发电机和电动机运行时的特性，包括转矩的计算，电磁负荷的选取，转子匝比的优选等，并与同等尺寸大小的双馈电机和串级感应电机进行了容量的对比。此外，他们还对相关的一些问题，比如转子电流的测量方法、变频器容量的选择、控制策略和电机的设计与优化等展开了广泛的探讨。与此同时，国外其它的一些学术机构也对无刷双馈电机或者串级感应电机开展了一些研究。值得说明的是，上述研究工作所涉及的电机一般采用
16、的是特殊笼型转子或者级联转子，以Ohio州立大学为代表的国外其它一些研究机构的学者也对采用磁阻转子的无刷双馈电机展了一些研究10。自从20世纪90年代开始，国内的重庆大学、沈阳工业大学、浙江大学、华南理工大学、湖南大学、华中科技大学以及其它一些高校或科研机构相续开展了一些研究工作，取得了一些创新成果11。总结目前国内外在无刷双馈电机研究方面的进展：(1)从电机的结构上来说，目前无刷双馈电机的定子绕组主要采用双绕组方案，与单绕组方案相比，其优点是接线灵活，可以消除环流，有效地减少谐波影响，可以灵活的调整两套绕组的节距和匝数，其缺点是，相对而言，导体利用率和槽满率较低。转子主要采用特殊笼型转子，常用的极数配合为6/2，8/4等，与此同时，绕线转子设计思想和方法有了长足的进步，初步的实验不仅验证了绕线转子的合理性，而且表明采用绕线转子的无刷
