无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究-毕业论文.doc
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1、湖南工程学院毕业设计论文目 录摘 要 Abstract主要符号表第1章 无刷双馈电机研究的背景和意义11.1绪论11.2 无刷双馈电机的发展及研究现状11.3 无刷双馈电机的研究意义5第2章 无刷双馈电机转子绕组的原理92.1 定子绕组的结构92.2 转子绕组的结构102.3 笼型转子的“极数转换器”的作用122.4 绕线型转子绕组的结构13第3章 建立笼型转子绕组谐波磁势计算模型173.1“安导波”的概念及其与磁势的关系173.2 单根导体的磁势计算183.3 单个线圈的磁势计算203.4 线圈组的磁势计算223.5 相绕组的磁势计算233.6 整个转子绕组各次谐波的磁势计算24第4章 用M
2、ATLAB编写谐波磁势的通用计算程序264.1 MATLAB简介及其发展历史264.2 用MATLAB语言对转子谐波磁势进行编程274.2.1 磁势计算的流程图274.2.2 对磁势计算进行编程274.2.3 程序的运行31第5章 极对数的功率绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究325.1 转子绕组参数的选取325.2 程序的运行以及计算结果325.3 结果分析40第6章 极对数的控制绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究426.1 转子绕组参数的选取426.2 程序的运行以及计算结果426.3 结果分析51第7章 变转子每相线圈数后转子谐波磁势的分析研究527.1 变功率绕组中转子每相
3、线圈数后转子谐波磁势的分析研究527.1.1 转子绕组参数的选取577.1.2 程序的运行以及计算结果527.1.3 结果分析617.2 变控制绕组中转子每相线圈数后转子谐波磁势的分析研究617.2.1 转子绕组参数的选取617.2.2 程序的运行以及计算结果617.2.3 结果分析70结束语71参考文献72致 谢73无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究摘 要 无刷双馈电机作为一种兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机优点的新型电机,在电机变频调速和变速恒频发电领域中越来越受到重视。本文提出了用MATLAB语言编写无刷双馈电机转子磁动势谐波的计算程序,并且使程序具有一定的通用性。文章的前两章是
4、介绍无刷双馈电机研究的背景和意义与无刷双馈电机转子绕组的原理;然后建立笼型转子绕组的谐波磁势数学模型,并且用MATLAB编写计算程序;最后分别对极对数为的功率绕组和的控制绕组在转子中建立的转子磁动势谐波进行分析研究。关键词 无刷双馈电机 转子绕组 磁动势谐波 分析研究Rotor MMF Harmonic Analysis of Brushless Doubly-FED MachineAbstract:As a new type of electrical machine,combined the merits of the asynchronous motor with the squirre
5、l-cage rotor with and wound-rotor and the electro-excited synchronous motor,the brushless doubly-fed machine(BDFM)has been attracted more and more attention in the field of variable-frequency adjustable-speed motor and variable-speed constant frequency generating.This text brings forward using MATLA
6、B language to compile the account proceeding of the rotor MMF harmonic of the BDFM,and this proceeding had a certainty currency character.The front of tow chapters of the article are introducing the background and significance of the BDFM researching and the theory of the rotor winding of the BDFM ;
7、then the article would establish the harmonic magnetic force mathematical model of the squirrel-cage rotor,also use MATLAB compile the account proceeding;finally the aticale would separate to analysis The Rotor MMF Harmonic of the and the .Keywords:BDFM,Rotor Winding,MMF Harmonic,analysis主 要 符 号 表安导
8、强度安导波单个线圈的安导波单根导体的安导波电角度磁势波单个线圈的磁式波单个线圈的次谐波磁势的幅值相绕组的磁势幅值线圈组的次谐波磁势的幅值单根导体的磁势波相绕组的磁势波无刷双馈电机的定子频率导体电流的瞬时值每相电流的有效值导体电流的有效值次谐波的分布系数次谐波的绕组系数次谐波的短距系数对对极谐波说的线圈短距系数对极谐波的槽口系数气隙旋转磁场同步速,转子绕组的相数单个线圈的匝数转子转速输入功率滑差功率机械功率输出功率基波极对数转子导条数线圈组串联的线圈数,每极每相槽数滑差谐波对基波的次数谐波极对数每相每条并联支路的串联匝数机械弧度每相并联支路的条数电流的角频率电源的角频率共轴转子的机械角速度槽口宽
9、度III第一章 无刷双馈电机研究的背景和意义1.1 绪论无刷双馈调速电机转子结构简单,运行可靠,可以实现自启动、异步、同步、双馈等多种运行方式,即具有异步电机和同步电机的双重优点,在用作变频调速系统时还可以大大降低变频器的容量。在风机和泵类负载的节能调速系统及变速恒频的水力和风力发电系统中具有广阔的应用前景。研究无刷双馈变频调速电机无论是在理论或是实际应用方面都有着很大意义,而目前所研究的无刷双馈电机性能还达不到实际应用要求,有些学者认为,其关键原因在于还没有找到一个合适的转子绕组形式。目前研究采用的磁组转子和特殊笼形转子这两种转子结构形式中笼形转子被认为是最可能应用于大容量电机,但是,现有的
10、特殊笼形转子绕组是“共轭”原理设计的,也即对无刷双馈电机所要求的转子两种极数,设计时保留两种极数下感应电机均同相的笼条导体,去掉不同相的笼条导体,而这样必然会导致转子导体利用率低,谐波含量大,造成电机效率及过载能力较低的结果。由于认为目前制约无刷双馈变频调速电机进入实际应用的瓶颈在于转子绕组的性能,为解决这个问题,有学者提出采用根据“变极”原理设计的特殊绕线转子绕组。鉴于以上的研究情况,本文将设计一笼型和绕线型方案,用Matlab建立笼型转子绕组谐波磁势分析的计算模型,针对所设计的绕组方案,分别得出结果,并且分别改变转子线圈数,从而证明增加转子线圈数可以优化转子绕组的磁势。1.2 无刷双馈电机
11、的发展及研究现状近10年来,随着电力电子技术、计算机技术和现代电机控制技术的迅速发展,电气传动技术面临着一场历史性的变革,以变频调速为代表的交流电气传动以其优异的性能、如调速范围宽、稳速精度高、动态响应快与四象限运行等,在石油、化工、机械、冶金等工业领域得到了广泛的应用,尤其对于大功率的风机或泵类负载,采用交流电机变频调速可节电2030%,具有显著的节能效果。交流调速全面取代直流调速已成为发展趋势。归纳起来,现代交流调速按交流电机类型划分有:(1) 同步电机这是一种转子转速永远等于气隙旋转磁场同步速的电机,即通常仅有改变定子供电频率的变频调速,有称为无换向器电机。根据频率控制信号的来源,同步电
12、机调速又可分为:1. 它控式同步电机变频调速:频率有外界控制,有失步问题;2. 自控式同步电机变频调速:频率由电机转子磁极位置信号控制,无失步问题。(2) 异步电机这是一种转子转速永远不等于同步速、中间存在滑差以使转子产生切割关系,感应电流而产生转矩的交流电机,转速满足。调速时可调节较多,方法总的可分为:1. 变同步速调速具体方法有:A. 变频调速:改变定子供电频率实现同步速变化,适合任何类型异步电机。B. 变极调速:由于要求定、转子极对数同时变化,仅适合鼠笼式异步电机。2. 变滑差s调速实质上是一种转子内滑差功率的调速方法。根据引起滑差功率消耗的具体方法不同,又可细分为:A. 调压调速:通过
13、改变定子电压的幅值(不改变频率)使电磁转矩变化,从而变化滑差。要求采用高转子电阻电机以限制滑差功率消耗产生的发热,适合于鼠笼式及绕线式异步电机。B. 绕线式异步电机特有调速a) 转子串电阻调速:改变转子电阻机械特性硬度,实现滑差的变化,但因滑差功率的不可逆消耗而耗能。采用电力电子技术时可演变为转子串电阻斩波调速,以实现调速过程电子控制。b) 串极调速:定子接固定频率电网,转子接滑差频率反电势以吸收或补充滑差功率,从而实现变滑差调速(一般低于同步速)。c) 双馈调速:定子接固定频率电网,转子接变频电源,改变频率电源的频率、相序可实现同步速上、下的高速调速,并可实现有功、无功控制。近年来还出现了不
14、少电机本体与控制装置紧密结合的调速电机,如开关磁组电机、永磁无刷直流电机,它们的共同特点是实现了半导体变流装置与电机本体一体化,是一类新型调速电机。在所有这些交流电机的调速传动方式中,交流电机的结构不同,个具特色,同时也与外部控制电路的连接,可与定子绕组一起实现双重馈电,能满足大容量、高电压、高转速的性能要求,并具有转速稳定(同步速)、功率因数可调、效率高等方面的优点。然而由于滑环与电刷须经常维护,降低了电机的可靠性,同时滑动接触易产生火花,限制了其使用场合。鼠笼式异步电机(包括开关磁组电机)转子结构简单、无接触,运行可靠、无需维护,但由于异步电机转子需从定子侧获取励磁,功率因数较低,由于变频
15、调速系统时,由于转差的存在使转速与负载直接相关,为了得到精确的调速,还需要加上复杂的闭环控制系统。此外,鼠笼式异步电机变频调速时变频器设置在定子侧,通过全部功率时所需的变频器容量大于电机的额定功率,是整个系统的成本较高。绕线式异步电机可以实现双馈运行,速度、功率因数同时可调:变流装置只需处理滑差功率,因此,变频器容量比电机小,降低了系统成本,但也存在电刷和滑环带来的弊病。所以,虽然目前交流调速技术在不断改进,但是电机本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流电机无刷化并具备双馈运行功能,使交流传动系统具有高效率、高功率因数、高可靠性、低成本已成为电机制造工业和交流传动系统亟待解决的一项技术难题。
16、近年来,为了解决这个问题,国内外许多学者都将目光投向无刷双馈,不仅具有简单的转子结构,而且具有具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性,既可作为交流调速电机,又可作为变频调速发电机。因此作为一种性能优良的新型电机,越来越受到研究者的关注。无刷双馈电机是从串极感应电机发展而来的,它继承了串极电机的一些特性。在串极感应电机中,两台绕线式异步电机机械上同轴联接、转子绕组直接按正或反相序相连,其基本结构如图1.1所示。图1.1 两台感应电机的串极连接串极系统中,若、分别为两台电机的极对数,为共轴转子的机械角速度,为电源的角频率,则在电机稳定运行时,转子的机械角速度,其中+、号分别对应转子反、正相序连
17、接。假定第一台电机的输入功率为,若在某一转速时两台电机的转差率分别为、,那么第一台电机产生的机械功率为:若忽略电机损耗, 则就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率。这样第二台电机轴上产生的机械功率为:在两台电机转子绕组反相序连接的条件下,整个机组的输出功率为:试中:为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 从串极电机的运行过程来看,如果改变第二台电机外接电阻的阻值,消耗在其上的滑差功率就会发生变化。在一定的前提下,机组的转差率将发生变化,电机转速随之发生改变。由于电机采用这种串极方法时可以取消滑环和电刷,并在一定范围内调速,人们曾经将两台电机的定转子安装在同一机座内,使串极电机从外观上
18、看是一台电机从而减小机组的体积和提高运行性能,以Hunt和Creedy为代表的研究者将两个转子合二为一构成一个公用转子,并采用了较以往电机更为先进可行的理论对定子绕组进行重新设计,使之具有一套转子绕组、一套能产生不同极数的定子绕组,且具有一个共同的磁路的单一机组,这就是无刷双馈电机的原型。但由于受当时技术调节限制,该电机未能投入实用研究。 进入70年代后,交流电机的变频调速技术得到了较快的发展,在各行业发挥了越来越大的作用。但随之而来的变频器的高成本、谐波污染等问题也受到了关注。研究者发现在串极电机运行时,当机组的转差率发生变化,第二台电机的定子电流频率也会随之改变。反之,如果改变第二台电机定
19、子绕组的电流频率,电机的转速也将发生变化,且由于通过第二台电机定子绕组的是转差功率,功率大小与调速范围直接相关。在电机调速范围不大的情况下,该功率远小于由第一台电机的定子绕组输入的功率。这样,将变频器代替第二台电机定子所接的电阻,就可采用较小容量的变频器来控制电机的转速。因此,在70年代后期,单一机组串极电机的研究又吸引了很多研究者的注意。对于电机本体,以Braodway为代表的研究者们在Hunt发明的电机结构基础上进行了较大改进。他们在满足无刷双馈电机对转子磁场要求的前提下,将相调制理论应用到极变换绕组,使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大,并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极对数磁场
20、,简化了定子绕组。转子采用了类鼠笼式结构,这些成果将自串极无刷异步电机理论向前推进了一步,得到了目前被称为无刷双馈电机的典型结构形式(如图1.2所示)。其中在气隙中产生极对数磁场的绕组连接称为功率绕组,在气隙中产生极对数磁场的绕组连接称为控制绕组。八十年代后,双励磁磁组式电机成为无刷双馈电机研究的又一个新分支。随着新型电力电子器件和微处理器的飞速发展,各种交流电机的控制策略如标量控制、转子磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等也都开始应用于无刷双馈电机,这一切使无刷双馈电机及其系统的研究呈现出了新的热潮,促使无刷双馈电机从实验室研究阶段迈向实用化应用阶段。1.3 无刷双馈电机的研究意
21、义无刷双馈电机是一种新型的,同时具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机,其结构和运行原来与传统的交流电机有较大的差别,无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三相绕组,分别称为功率绕组和控制绕组,转子采用笼型或磁组型的结构,取消了电刷和滑环。通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。无刷双馈电机是在上世纪初Hunt提出的自级联感应电机的基础上发展起来的,一些学者对该类电机进行了进一步的研究和完善,至上世纪80年代末90年代初发展成为无刷双馈变频调速电
22、机。无刷双馈变频调速电机与转子接串调或双馈装置的绕组电机相似,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调速方案。无刷双馈电机不但和笼型转子或磁组型转子感应电机一样,取消了电刷和滑环,提高了电机运行的可靠性,减小了维护的成本,而且具有良好的启动和运行性能,并可方便的实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式。对该种电机的研究和开发可望有效解决制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关键技术问题,以及水力,风力发电系统的恒频变速问题,因此,对无刷双馈电机进行深入的研究具有十分重要的意义。1.3.1 无刷双馈电机作为变频调速
23、电机,当应用于大容量的电气传动系统时,由于变频器的容量大大减小,从而可以大大降低调速系统的成本。在许许多多的生产应用领域,如发电厂和钢铁企业中,水泵和通风机等负载面广量大,如果采用交流变频调速装置替代阀门,挡板来调节流量,可获得很好的节能效果。然而,不幸的是在风机泵类负载中采用普通的变频调速系统,尽管可以起到良好的节能效果,但是存在的最大问题是变频器(特别是大中容量的变频器)的价格太高,往往使大中型电机的变频调速变得可望不可及,有些观点认为,大中型电机采用变频调速后,一次性投资成本的利息比由节能所省下的钱还多。因此,如何降低所需变频器容量从而降低整个调速系统的成本成为在更大范围内推广变频调节节
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