无刷双馈电机的功率因数控制.docVIP

摘要 无刷双馈电机是一种有着广阔应用前景的新型特种电机。在变频调速系统中，无刷双馈电机的应用不仅能够降低调速系统的成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性；在风力发电领域，无刷双馈电机所具有的功率因数可调、效率高，电能质量好等优点使其受到了广泛的关注。因此，无刷双馈电机的研究不仅具有理论意义也具有重大的实际意义。 关键词：无刷双馈电机、功率因素、现状 一、绪论 1.1 无刷双馈电机的背景 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，高性能交流调速系统应运而生。随着矢量控制技术和直接转矩控制技术理论的提出，交流传动技术从理论层面上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题，使得交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳态精度、快速响应以及四象限运行等良好的性能特征。交流传动系统已经成为当前电力传动技术的主要发展方向。在现代交流变频调速系统中所采用的电动机主要有同步电动机，异步电动机和开关磁阻电动机。这三种调速系统虽然仍在不断的发展和改进，但是其本身固有的缺陷问题并没有得到较为完美的克服。例如同步电动机变频调速系统虽然拥有结构简单、易于维护、动态及稳态性能好等优点，但是其系统中的集电环和电刷需要经常维护，可靠性较差并且一般情况下系统的转子侧需要一套励磁装置，使得设备成本相应提高；笼型异步电动机变频调速系统拥有结构简单、价格低廉、维护少、控制相对简单以及运行可靠等优点，但是该系统所采用的变频器的容量须大于电动机的额定功率而导致所需变频器的价格高，系统成本高；绕线异步电动机双馈变频调速系统能够利用转差功率，构成转差功率馈送型的调速系统，效率较高。但是其本身具有电刷结构，从而运行可靠性差，相应的维护成本提高同时应用场合也受到了限制；开关磁阻变频调速系统是一种新型的交流调速系统，该系统具有控制成本低、系统安全可靠性高等特点，但其电磁转矩脉动较大，振动与噪声问题较为严重。因此，20 世纪 80 年代末至 90 年代初逐渐发展起来了一种新型的变频调速系统—无刷双馈电机变频调速系统。该系统所采用的无刷双馈电机不仅有笼型异步电机结构简单、运行可靠的优点，又兼具绕线式异步电机的效率较高的优点，同时又有同步电机功率因素可调的优点。在无刷双馈电机变频调速系统中，定子功率绕组可以直接由工频电网供电来承担相应的输入电功率，而调速的系统变频器只需为定子控制绕组来提供“转差功率”，这样不仅降低了调速系统的成本，实现了无刷化，也提高了系统运行的可靠性。 在风力发电领域，为了最大限度地利用风能，国内外风力发电现已采用变速恒频发电控制技术而风力发电机组主要采用的是异步发电机组。近年来随着风力发电领域应用的深入研究，无刷双馈发电机在风力发电领域的应用越来越受到研究者的关注。无刷双馈电机变速恒频发电系统具有变频器所需容量相对较小，无电刷和集电环，可靠性高；可以通过调节励磁，在转速变化的情况下保证电能输出的质量；可以实现双馈发电，具有功率因数可调、效率高，电能质量好等优点。无刷双馈电机变速恒频发电系统在风力发电领域的应用必将具有其广阔的应用前景。 在工农业生产中，大量使用的交流电机主要是同步电机和异步电机。同步电机和线绕式异步电机都采用电刷和滑环来实现转子和外电路的连接，由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用。此外滑动接触容易产生火花，从而限制了有刷电机在易燃、易爆等场合中的应用。鼠笼式异步电机虽然结构简单，但是它不如绕线式异步电机的控制方便，也不如同步电机运行性能指标高。 因此，开发研制一种既无刷(坚固可靠)又通用(能实现多种运行方式)的新型交流电机是电机技术的一个重要发展方向。永磁电机虽然也可以实现无刷化，但由于其励磁不能调节从而限制了它的应用范围。目前在国民经济各部门中，大量应用的同步电机和绕线式转子异步电机仍然采用有刷结构，而大中型无刷异同步通用电机具有广阔的市场。 1.2 无刷双馈电机的意义 无刷双馈电机(BDFM)是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机,可在无刷情况下实现双馈。它具有功率因数可调、高效率的特点,可应用于调速系统和变速恒频发电系统中。 无刷双馈电机是由申级感应电机发展而来。串级感应电机是将两台绕线式异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在1893年由美国的Steinmetz和德国的Gorges所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能,曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试,其中贡献最大的是Hunt。Hunt电机提出了比以前的电机更先进可行的理论。这种电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组,并且具有一个共同的磁路。它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩