绕线转子无刷双馈电机及其在独立电源系统中的应用研究

无刷双馈电机(BDFM)取消了电刷和滑环,不仅具有结构简单,运行可靠的优点,而且可以有效降低变频装置的容量和电压等级,因此被认为在变速驱动(ASD)和变速恒频发电(VSG)中有广泛的应用前景,但是由于受到性能的制约,目前为止尚未进入工业应用。制约无刷双馈电机性能的主要原因在于转子的结构。特殊笼型转子被认为最有可能应用于大容量电机,但是存在谐波含量大,导体利用率低等缺点,导致电机体积大、效率低。相对而言,绕线转子接线灵活,可以通过合理的设计,提高两种基波极对数的绕组系数,削弱或消除其它谐波,从而克服特殊笼型转子的固有缺点,因此有望取代特殊笼型转子推动无刷双馈电机进入工业应用。本文针对绕线转子的设计方法、绕线转子无刷双馈电机的理论建模和发电运行特性展开了如下几个方面的工作： 首先,从谐波分析的角度探讨了无刷双馈电机转子的结构特点和设计要求,归纳总结了现有绕线转子的三种设计方法,即“共轭法”、“变极法”和“齿谐波法”,提出了一种采用“极幅调制法”的三相绕线转子设计方法。 其次,详细推导了绕线转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型,在此基础上建立了基于F-B-O坐标系统的复数分析模型。根据绕线转子产生的磁动势的特点,将转子绕组等效为两套正弦分布的绕组,建立了电机的三相分析模型,给出了电感参数的计算方法。探讨了互感矩阵的常数化与参照坐标系选取的关系,通过选取转子速坐标系,对转子电量只需采用一套独立的常数变换矩阵即可实现互感矩阵的常数化。在此基础上,推导了基于F-B-O坐标系统的复数分析模型。 在上述的F-B-O复数分析模型基础之上,建立了基于功率绕组频率的稳态耦合电路,经过绕组折算得到无刷双馈电机同步运行时的稳态等效电路,探讨了该等效电路的参数计算方法,提出了一种实验与遗传算法相结合的参数估算方法。 然后,在无刷双馈电机稳态等效电路的基础上,探讨了无刷双馈发电机稳态运行时的调整特性和外特性。在绕线转子无刷双馈电机d-q数学模型的基础上,推导了该电机应用于独立电源系统时在空载和带载两种情况下的数学模型。 根据绕线转子无刷双馈发电机应用于独立电源系统时的特点,探讨了该类电机设计时的若干问题,包括极对数的选择,计算功率和电磁负荷的选择,以及转子绕组对于两种基波极对数的绕组系数之比的优选等。 最后,介绍了绕线转子无刷双馈发电机实验系统的构成,计算了样机的参数,仿真了该样机应用于独立电源系统时,在电压和频率闭环控制下的动态响应特性,通过与实验结果的对比,验证了本文建模和参数计算的正确性。