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无刷双馈调速电机运行范围的分析

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:669


  摘要:无刷双馈电机通过改变控制绕组上的供屯方式.可以实现自起动同步、异步、双馈等多种运行方式。文章分析丁无刷双馈电机在控制绕组上外加的电压或电流的最大值发生变化时.电机的稳定运行范围的变化规律.为设计、运行和选用无刷双馈电机提供了依据。

1前言

   自提出用于感应电动机无刷电阻起动、调速及改善其低速性能的自级联电机以来,一些学者对该类电机进行了进一步的研究和完善,至80年代束90年代初发展成为无刷双馈变频调速电机。无刷双馈变频调速电机可以用较小容量的变频器对较大功率的电机进行调速,特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速,是一种很有希望的中压节能凋速方案。无刷双馈变频调速系统与其它调速系统相比,具有以下突出优点:1)通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分,大大降低变频器的容量,降低了调速系统的成本;2)功率因数可调,可以提高调速系统的力能指标;3)取消了电刷和滑环,提高了系统运行的可靠性;4)即使在变频器发生故障酌情况下,电动机仍然可以运行于感应电动机状态下;5)电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关,而与负载转矩无关,因此电机具有硬的机械特性。

   无刷双馈电机定子上有两套绕组一功率绕组和控制绕组,这两套绕组没有直接的电磁耦合,而是通过转子绕组间接进行电磁功率的传递,因此其稳态性能的分析与传统电机有较大的差别。无刷双馈电机的功率绕组、控制绕组和转子绕组中电流的实际频率不相等,不能直接用向量图和等效电路的方法来求解电机的稳态运行性能。一些学者对无刷双馈电机的稳态运行特性进行了分析,归纳起来大体可分为用定、转子线圈变量表示的模型”和双轴模型两种。其中第一种模型求解变量太多,计算工作量大;第二种模型虽然求解变量大大减少,但是,由于无刷双馈调速电机的控制绕组与变频器相连,变换为双轴模型的控制绕组的物理变量不能与变频器接口变量直接耦合,给变频器一尤刷双馈电机调速系统的仿真计算带来团难。文献[6]通过频率的折算,将上述三绕组中的电流频率等效为同一值,建立电机的数学模型,获得了电机在稳态运行时的等效电路和向量图,为无刷双馈调速电机设计计算提供了有力的理论工具。

2无刷双馈电机的运行方式

无刷双馈电机通过改变控制绕组上的供电方式,可以实现自起动、同步、异步、双馈等多种运行方式。当无刷双馈电机的控制绕组上通过适当起动电阻短路时,可以实现自起动;电机起动后,切除起动电阻,使控制绕组自行短路,无刷双馈电机运行在异步电机状态,等效于一台2(Pp+Pc)极的异步电动机;当控制绕组上加入直流电励磁时,无刷双馈电机运行于同步电机状态;当控制绕组上加入三相交流电源时,无刷双馈电机运行于双馈调速状态。除此之外,无刷双馈电机和普通电机一样,不仅可以运行于电动机状态,还可以运行于发电机状态,适合于作变速恒频发电机运行。

      

(a)定子绕组             (b)转子绕组

      图l  无刷双馈电机定转子结构示意图

   无刷双馈电机的定、转子基本结构如图1所示。其中功率绕组的极对数为Pp电流频率为ƒp控制绕组的极对数为Pc电流频率为ƒc。定义ƒc>O时功率绕组和控制绕组产生的旋转磁场方向相反,则功率绕组和控制绕组在转子绕组中产生的电流频率分别为ƒRp=(ƒp-Ppƒm) (1) ƒRc=(ƒc-Pcƒm)  (2)式中ƒm为转子运行的频率。当无刷双馈电机稳态运行时,ƒRp=ƒRc。该稳态运行方式称为双馈运行方式,此时,转子的运行频率为  (3)

   上式中,ƒp为常数(ƒp=50Hz),ƒc可正可负。当控制绕组的电流频率等于零时(直流),无刷双馈电机运行于同步电机状态,此时电机的转速称为“自然”同步转速,其值为:   (4)当无刷双馈电机的控制绕组短路,即控制绕组上外加电压为零时,电机运行于异步电动机状态。

3无刷双馈电机稳定运行范围

3.1无刷双馈电机的运行转速

   当无刷双馈电机的控制绕组与功率绕组相序相反时。ƒc>0,电机的转速小于ƒm此时电机运行于“亚自然”同步转速。当ƒc=ƒp时, ƒm=0    (5)此时电机静止不动。

   当无刷双馈电机的控制绕组与功率绕组相序相同时。ƒc<0,电机的转速大于ƒm此时电机运行于“超自然”同步转速。其中控制绕组的频率为   (6)则ƒRp=ƒRc=0  (7)此时,定子功率绕组、控制绕组以及转子绕组中产生的磁场相对静止,电机的定、转子之间没有磁的耦合,不会产生电磁转矩。因此,此时电机的理论转速为nd=60ƒpPp称为无刷双馈电机“死点”转速。电机在“死点”转速足不能稳定运行的,超过或低于“死点”转速均可稳定运行。

3.2无刷双馈电机的稳定运行范围分析

   为了更清楚地分析说明无刷双馈电机的稳定运行范围,下面以一个实例来进行分析说明。一台无刷双馈电机,定子为48槽,转子为36槽;功率绕组极数为2Pp=8极,控制绕组极数为2Pc=6极;定子内径为160mm,铁心度为273mm;电机的额定功率为16.5kW。其中,功率绕组外加恒频恒压电源的相电压和频率分别为Up=100V,ƒp=50Hz;功率绕组和控制绕组所能通过的最大电流均为20A;控制绕组由电压型逆变器供电。

   图2给出了当控制绕组相电压分别为50V,100V和150V时,无刷双馈电机稳定运行的最大转矩与转速之间的关系。

   

图2无刷双馈电机稳定运行的最大转矩和转速关系

   由图2可以看出,无刷双馈电机稳定运行的最大转矩与控制绕组电压的大小无关,控制绕组电压的大小决定了无刷双馈电机稳定运行的转速范围,控制绕组电压越高,电机稳定运行的范围越宽。同时可以看出稳定运行范围基本上以横轴为对称轴,这说明了无刷双馈电机作为电动机和发电机运行时容量基本相同。同时可以看出,稳定运行范围也基本上对称于“自然”同步转速(500r/min),而电机的最大转速只到“死点”转速(1500r/min),从理论上来说,超过“死点”转速后,无刷双馈电机还有一个较小的稳定运行范围,但实际情况是无刷双馈电机作为电动机运

行时无法达到和超越“死点”转速。

   当控制绕组的最大允许通过的电流为从20A减小到10A时,电机输出的最大转矩也相应的从约100Nm减小到约50Nm,如图2的虚线所示。同时可以看出,控制绕组最大电流的允许值的变化并不影响电机稳定运行的转速范围(控制绕组电压不变)。

   图3给出了无刷双馈电机稳定运行的最大输出功率与转速之间的关系,外加电压电流与图2的一样。

   从图3中可以看出,如果控制绕组最大允许电流为20A,当变频器的容量分别为3kVA,6kVA和9kVA时,无刷双馈电机对应的最大输出功率为6.5kW,8.5kW和10kW。从图3还可以看出,如果控制绕组最大允许电流为10A,控制绕组相电压为100V,变频器的容量为3kVA时,电机的运行范围如图3中的虚线所示,此时电机的最大输出功率也是6.5kW,但是比控制绕组最大允许电流为20A、相电压为50V(变频器容量3kW)时的稳定运行具有更宽的转速范围。

     

图3无刷双馈电机稳定运行的最大输出功率和转速关系

4结论

   (1)无刷双馈电机可以实现自起动、同步、异步、双馈等多种运行方式。在双馈运行方式下,当电机运行在超同步方式下时,其转速达不到“死点”转速。

   (2)当功率绕组上外加恒频恒压的三相电源,改变控制绕组上的电压大小时,无刷双馈电机稳定运行的最大转矩不变,但是稳定运行的转速范围发生了变化,电压越高,稳定运行的转速范围越宽。

   (3)当功率绕组上外加恒频恒压的三相电源,改变控制绕组上最大允许电流时,无刷双馈电机稳定运行转速范围不变,但是稳定运行的最大转矩发生了变化,允许流过控制绕组的电流越大,稳定运行的最大转矩越高。

   (4)当功率绕组上外加恒频恒压的三相电源时,无刷双馈电机稳定运行的最大输出功率与和控制绕组相连的变频器的容量有关,也就是说,不论电压电流大小如何变化,只要保持变频器输出的容量不变,则电机稳定运行的最大输出功率就不变。变频器容量越高,电机稳定运行的最大输出功率越高。但是,控制绕组的电压发生变化时,电机稳定运行的转速范围发生了变化。

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