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無刷雙饋調速電機運行范圍的分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4873


  摘要:無刷雙饋電機通過改變控制繞組上的供屯方式.可以實現自起動同步、異步、雙饋等多種運行方式。文章分析丁無刷雙饋電機在控制繞組上外加的電壓或電流的最大值發生變化時.電機的穩定運行范圍的變化規律.為設計、運行和選用無刷雙饋電機提供了依據。

1前言

   自提出用于感應電動機無刷電阻起動、調速及改善其低速性能的自級聯電機以來,一些學者對該類電機進行了進一步的研究和完善,至80年代束90年代初發展成為無刷雙饋變頻調速電機。無刷雙饋變頻調速電機可以用較小容量的變頻器對較大功率的電機進行調速,特別適合于大功率的風機和泵類負載的調速,是一種很有希望的中壓節能凋速方案。無刷雙饋變頻調速系統與其它調速系統相比,具有以下突出優點:1)通過變頻器的功率僅占電動機總功率的一小部分,大大降低變頻器的容量,降低了調速系統的成本;2)功率因數可調,可以提高調速系統的力能指標;3)取消了電刷和滑環,提高了系統運行的可靠性;4)即使在變頻器發生故障酌情況下,電動機仍然可以運行于感應電動機狀態下;5)電機的運行轉速僅與功率繞組和控制繞組的頻率及其相序有關,而與負載轉矩無關,因此電機具有硬的機械特性。

   無刷雙饋電機定子上有兩套繞組一功率繞組和控制繞組,這兩套繞組沒有直接的電磁耦合,而是通過轉子繞組間接進行電磁功率的傳遞,因此其穩態性能的分析與傳統電機有較大的差別。無刷雙饋電機的功率繞組、控制繞組和轉子繞組中電流的實際頻率不相等,不能直接用向量圖和等效電路的方法來求解電機的穩態運行性能。一些學者對無刷雙饋電機的穩態運行特性進行了分析,歸納起來大體可分為用定、轉子線圈變量表示的模型”和雙軸模型兩種。其中第一種模型求解變量太多,計算工作量大;第二種模型雖然求解變量大大減少,但是,由于無刷雙饋調速電機的控制繞組與變頻器相連,變換為雙軸模型的控制繞組的物理變量不能與變頻器接口變量直接耦合,給變頻器一尤刷雙饋電機調速系統的仿真計算帶來團難。文獻[6]通過頻率的折算,將上述三繞組中的電流頻率等效為同一值,建立電機的數學模型,獲得了電機在穩態運行時的等效電路和向量圖,為無刷雙饋調速電機設計計算提供了有力的理論工具。

2無刷雙饋電機的運行方式

無刷雙饋電機通過改變控制繞組上的供電方式,可以實現自起動、同步、異步、雙饋等多種運行方式。當無刷雙饋電機的控制繞組上通過適當起動電阻短路時,可以實現自起動;電機起動后,切除起動電阻,使控制繞組自行短路,無刷雙饋電機運行在異步電機狀態,等效于一臺2(Pp+Pc)極的異步電動機;當控制繞組上加入直流電勵磁時,無刷雙饋電機運行于同步電機狀態;當控制繞組上加入三相交流電源時,無刷雙饋電機運行于雙饋調速狀態。除此之外,無刷雙饋電機和普通電機一樣,不僅可以運行于電動機狀態,還可以運行于發電機狀態,適合于作變速恒頻發電機運行。

      

(a)定子繞組             (b)轉子繞組

      圖l  無刷雙饋電機定轉子結構示意圖

   無刷雙饋電機的定、轉子基本結構如圖1所示。其中功率繞組的極對數為Pp電流頻率為?p控制繞組的極對數為Pc電流頻率為?c。定義?c>O時功率繞組和控制繞組產生的旋轉磁場方向相反,則功率繞組和控制繞組在轉子繞組中產生的電流頻率分別為?Rp=(?p-Pp?m)?。ǎ保?/span>?Rc=(?c-Pc?m) ?。ǎ玻┦街?/span>?m為轉子運行的頻率。當無刷雙饋電機穩態運行時,?Rp=?Rc。該穩態運行方式稱為雙饋運行方式,此時,轉子的運行頻率為 ?。ǎ常?/span>

   上式中,?p為常數(?p=50Hz),?c可正可負。當控制繞組的電流頻率等于零時(直流),無刷雙饋電機運行于同步電機狀態,此時電機的轉速稱為“自然”同步轉速,其值為:  ?。ǎ矗┊敓o刷雙饋電機的控制繞組短路,即控制繞組上外加電壓為零時,電機運行于異步電動機狀態。

3無刷雙饋電機穩定運行范圍

3.1無刷雙饋電機的運行轉速

   當無刷雙饋電機的控制繞組與功率繞組相序相反時。?c>0,電機的轉速小于?m此時電機運行于“亞自然”同步轉速。當?c=?p時, ?m=0    (5)此時電機靜止不動。

   當無刷雙饋電機的控制繞組與功率繞組相序相同時。?c<0,電機的轉速大于?m此時電機運行于“超自然”同步轉速。其中控制繞組的頻率為  ?。ǎ叮﹦t?Rp=?Rc=0 ?。ǎ罚┐藭r,定子功率繞組、控制繞組以及轉子繞組中產生的磁場相對靜止,電機的定、轉子之間沒有磁的耦合,不會產生電磁轉矩。因此,此時電機的理論轉速為nd=60?pPp稱為無刷雙饋電機“死點”轉速。電機在“死點”轉速足不能穩定運行的,超過或低于“死點”轉速均可穩定運行。

3.2無刷雙饋電機的穩定運行范圍分析

   為了更清楚地分析說明無刷雙饋電機的穩定運行范圍,下面以一個實例來進行分析說明。一臺無刷雙饋電機,定子為48槽,轉子為36槽;功率繞組極數為2Pp=8極,控制繞組極數為2Pc=6極;定子內徑為160mm,鐵心度為273mm;電機的額定功率為16.5kW。其中,功率繞組外加恒頻恒壓電源的相電壓和頻率分別為Up=100V,?p=50Hz;功率繞組和控制繞組所能通過的最大電流均為20A;控制繞組由電壓型逆變器供電。

   圖2給出了當控制繞組相電壓分別為50V,100V和150V時,無刷雙饋電機穩定運行的最大轉矩與轉速之間的關系。

   

圖2無刷雙饋電機穩定運行的最大轉矩和轉速關系

   由圖2可以看出,無刷雙饋電機穩定運行的最大轉矩與控制繞組電壓的大小無關,控制繞組電壓的大小決定了無刷雙饋電機穩定運行的轉速范圍,控制繞組電壓越高,電機穩定運行的范圍越寬。同時可以看出穩定運行范圍基本上以橫軸為對稱軸,這說明了無刷雙饋電機作為電動機和發電機運行時容量基本相同。同時可以看出,穩定運行范圍也基本上對稱于“自然”同步轉速(500r/min),而電機的最大轉速只到“死點”轉速(1500r/min),從理論上來說,超過“死點”轉速后,無刷雙饋電機還有一個較小的穩定運行范圍,但實際情況是無刷雙饋電機作為電動機運

行時無法達到和超越“死點”轉速。

   當控制繞組的最大允許通過的電流為從20A減小到10A時,電機輸出的最大轉矩也相應的從約100Nm減小到約50Nm,如圖2的虛線所示。同時可以看出,控制繞組最大電流的允許值的變化并不影響電機穩定運行的轉速范圍(控制繞組電壓不變)。

   圖3給出了無刷雙饋電機穩定運行的最大輸出功率與轉速之間的關系,外加電壓電流與圖2的一樣。

   從圖3中可以看出,如果控制繞組最大允許電流為20A,當變頻器的容量分別為3kVA,6kVA和9kVA時,無刷雙饋電機對應的最大輸出功率為6.5kW,8.5kW和10kW。從圖3還可以看出,如果控制繞組最大允許電流為10A,控制繞組相電壓為100V,變頻器的容量為3kVA時,電機的運行范圍如圖3中的虛線所示,此時電機的最大輸出功率也是6.5kW,但是比控制繞組最大允許電流為20A、相電壓為50V(變頻器容量3kW)時的穩定運行具有更寬的轉速范圍。

     

圖3無刷雙饋電機穩定運行的最大輸出功率和轉速關系

4結論

   (1)無刷雙饋電機可以實現自起動、同步、異步、雙饋等多種運行方式。在雙饋運行方式下,當電機運行在超同步方式下時,其轉速達不到“死點”轉速。

   (2)當功率繞組上外加恒頻恒壓的三相電源,改變控制繞組上的電壓大小時,無刷雙饋電機穩定運行的最大轉矩不變,但是穩定運行的轉速范圍發生了變化,電壓越高,穩定運行的轉速范圍越寬。

   (3)當功率繞組上外加恒頻恒壓的三相電源,改變控制繞組上最大允許電流時,無刷雙饋電機穩定運行轉速范圍不變,但是穩定運行的最大轉矩發生了變化,允許流過控制繞組的電流越大,穩定運行的最大轉矩越高。

   (4)當功率繞組上外加恒頻恒壓的三相電源時,無刷雙饋電機穩定運行的最大輸出功率與和控制繞組相連的變頻器的容量有關,也就是說,不論電壓電流大小如何變化,只要保持變頻器輸出的容量不變,則電機穩定運行的最大輸出功率就不變。變頻器容量越高,電機穩定運行的最大輸出功率越高。但是,控制繞組的電壓發生變化時,電機穩定運行的轉速范圍發生了變化。

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