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1、无刷双馈电机的转速和功率分析无刷双馈电机（无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Brushless Doubly-Fed Machine,BDFMMachine,BDFM）作为近年发展起来的一种新型交）作为近年发展起来的一种新型交流调速电机，它由两套相互独立的定子绕组（功流调速电机，它由两套相互独立的定子绕组（功率绕组和控制绕组）和特殊结构的转子组成，利率绕组和控制绕组）和特殊结构的转子组成，利用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对BDFMBDFM的转速控制。的转速控制。BDFMBDFM具有无电刷、结构简单具有无电刷、结构简单坚固、变
2、频器容量小、功率因数可控制、运行可坚固、变频器容量小、功率因数可控制、运行可靠等优点，是传统交、直流电机调速系统的强有靠等优点，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，在大型水泵、风机调速和风力发电领力竞争者，在大型水泵、风机调速和风力发电领域具有广阔的应用前景。域具有广阔的应用前景。无刷双馈电机的发展历史BDFM由级联异步电动机发展而来，级联式双馈电机由两台同轴串级而成，如图1所示:它是由两台绕线转子异步电动机同轴串级连接而构成，具有两套磁路彼此无关的定子绕组和转子绕组，控制绕组由变频电源供电，功率绕组直接由电网供电，改变控制绕组的供电频率就可以调节系统的速度。上世纪初Hunt和后来的Wa
3、llace等人在此基础上，提供出在单一铁心中安放两套定子绕组的无刷双馈电机模型，如图2所示: 其中功率绕组的极对数为其中功率绕组的极对数为PpPp，直接连接电网，频率为，直接连接电网，频率为fpfp；控制绕组极对数为控制绕组极对数为PcPc，由变频电源供电，频率为，由变频电源供电，频率为fcfc。由于。由于定子和转子结构采用合理的设计，使得两套定子绕组产生定子和转子结构采用合理的设计，使得两套定子绕组产生的磁场只能通过转子间接耦合；同时转子磁场的极对数可的磁场只能通过转子间接耦合；同时转子磁场的极对数可以自动转换，分别与定子磁场极对数匹配，因此无刷双馈以自动转换，分别与定子磁场极对数匹配，因此
4、无刷双馈电机的工作原理与级联式电机的原理相同。电机的工作原理与级联式电机的原理相同。 无刷双馈电机的转速分析无刷双馈电机的转速分析电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。电机在双馈运行时，定子磁路中同时存在两个旋转磁场。由于电机结构的特殊设计，它们的基波并不交链，分别在由于电机结构的特殊设计，它们的基波并不交链，分别在转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行，具体分析转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行，具体分析如下：如下：当功率绕组电源正相序联接，控制绕组通过变频器反相序当功率绕组电源正相序联接，控制绕组通过变频器反相序联接时，它们产生的旋转磁场方向相反，同步转速见图联接时，它
5、们产生的旋转磁场方向相反，同步转速见图3 3（a a）：）： a)a)反相序反相序 （1 1）（2 2） 设转子的旋转速度是设转子的旋转速度是 ，则这两个定子磁场在转子中感，则这两个定子磁场在转子中感应电动势的频率分别为：应电动势的频率分别为： （3 3） （4 4） 它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁它们产生的转子电流在电机磁路中也会产生相应的旋转磁场。场。 （5 5） 而相对于定子的转速是：而相对于定子的转速是： + + = = ; ;它与功率绕组电流建它与功率绕组电流建立的磁场同步，因此，它们相互作用会产生恒定的电磁转立的磁场同步，因此，它们相互作用会产生恒定的电磁转矩。
6、同时，频率为矩。同时，频率为 的电流，也会通过与功率绕组极数对的电流，也会通过与功率绕组极数对应的转子导体，它产生的旋转磁场相对于转子的转速为应的转子导体，它产生的旋转磁场相对于转子的转速为: : （6 6） 它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转它与功率绕组电流产生的磁场相互作用也会产生电磁转矩。若得到恒定的电磁转矩，这两个磁场必须同步旋转，矩。若得到恒定的电磁转矩，这两个磁场必须同步旋转，比较式（比较式（5 5）和（）和（6 6），转子电流频率必须相等，即），转子电流频率必须相等，即 当频率为当频率为 的电流，通过与功率绕组极数对应的转子导体时，的电流，通过与功率绕组极数对应的转
7、子导体时，产生的旋转磁场相对于转子的转速为：产生的旋转磁场相对于转子的转速为： (7) (7) 同理，频率为同理，频率为 和和 的电流也会通过与控制绕组极数对应的电流也会通过与控制绕组极数对应的转子导体，只有在满足式（的转子导体，只有在满足式（7 7）的条件下，产生的旋转磁）的条件下，产生的旋转磁场与控制绕组电流建立的磁场才会同步，相互作用产生恒定场与控制绕组电流建立的磁场才会同步，相互作用产生恒定的电磁转矩，从而维持电机稳定运行。的电磁转矩，从而维持电机稳定运行。 因此，联立解式（因此，联立解式（1 1） （4 4）、（）、（7 7），可得电机稳态运行），可得电机稳态运行的转速的转速 (8)
8、 (8) 当功率绕组电源正相序连接，控制绕组通过变频器也正相当功率绕组电源正相序连接，控制绕组通过变频器也正相序联接时，同理可得到电机的转速为序联接时，同理可得到电机的转速为: : 可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频率可见，当电机运行在电动状态时，通过调节控制绕组的频率 ，可以很方便的调节电机转速。当，可以很方便的调节电机转速。当 =0 =0时的电机转速称为时的电机转速称为自然同步转速；低于自然同步转速时，称为亚同步调速；高自然同步转速；低于自然同步转速时，称为亚同步调速；高于自然同步转速时称超同步调速。于自然同步转速时称超同步调速。(9)(9)无刷双馈电机的功率分析无刷双馈电
9、机的功率分析 电机在双馈运行时，功率绕组和控制绕组都会为负载提供电机在双馈运行时，功率绕组和控制绕组都会为负载提供电磁功率，此时，电机的等效电路如图电磁功率，此时，电机的等效电路如图4 4。 其中参数下标为其中参数下标为p p的电路是功率绕组对应的定子等效电路；的电路是功率绕组对应的定子等效电路；下标为下标为c c的是控制绕组对应的定子等效电路；参数下标为的是控制绕组对应的定子等效电路；参数下标为s s的部分是没有经过折算的转子实际等效电路。分析转子等的部分是没有经过折算的转子实际等效电路。分析转子等效电路，功率绕组通过气隙传递给转子的转差功率为效电路，功率绕组通过气隙传递给转子的转差功率为:
10、 :（10） 控制绕组提供给转子的转差功率为:（12） 转子回路的功率平衡方程为:（11） 由于此时转子铜耗相对很小，为了分析方便将其忽略，式由于此时转子铜耗相对很小，为了分析方便将其忽略，式（12)12)简化为简化为: :（1313） 由式（由式（1313）可知，功率绕组和控制绕组提供转差功率大小）可知，功率绕组和控制绕组提供转差功率大小相等，而功率流向相反，它们互相平衡，即相等，而功率流向相反，它们互相平衡，即（1414） 根据转差功率与电磁功率的关系，可以求出功率绕组和控根据转差功率与电磁功率的关系，可以求出功率绕组和控制绕组提供的电磁功率分别为制绕组提供的电磁功率分别为（1515） （
11、1616） 两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为两个绕组通过气隙传递的总电磁功率为: :(17)(17) 忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械忽略转子铜耗和空载损耗时，总的电磁功率全部作为机械功率输出，即功率输出，即 (18)(18)当负载不变时，功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为当负载不变时，功率绕组和控制绕组电磁功率的分配关系为(19)(19)(20)(20) 联立式（联立式（8 8）、（）、（9 9）和转差率的定义，可以解得功率绕组）和转差率的定义，可以解得功率绕组和控制绕组的转差率分别为和控制绕组的转差率分别为 （2222） （2121） 功率绕组和控制绕组电源同相序时
12、，式（功率绕组和控制绕组电源同相序时，式（2121）、（）、（2222）中）中取负号，反之取正号。取负号，反之取正号。(23)(23)(24)(24) 由式（由式（2323）（）（2424）可知，定子绕组提供的电磁功率与电源频）可知，定子绕组提供的电磁功率与电源频率成正比。如果电机拖动恒转矩负载，它在启动时，功率绕率成正比。如果电机拖动恒转矩负载，它在启动时，功率绕组和控制绕组电源频率相等，此时功率绕组提供的电磁功率组和控制绕组电源频率相等，此时功率绕组提供的电磁功率达到最大值，变频器的容量将较大。为了降低控制绕组变频达到最大值，变频器的容量将较大。为了降低控制绕组变频器的容量，该电机适合拖动启动转矩小的风机和泵类负载。器的容量，该电机适合拖动启动转矩小的风机和泵类负载。变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计，调速范围越变频器的容量可以根据系统的调速范围来设计，调速范围越大所需要变频器容量越大，反之越小。大所需要变频器容量越大，反之越小。由式（由式（1919） （2222），可得（电源同相序取），可得（电源同相序取“+”“+”，逆相序，逆相序取取“”“”）
