無(wú)刷雙饋電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

劉鳳瑞（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引 言

我國(guó)是世界上的農(nóng)業(yè)大國(guó)，泵站水利設(shè)施眾多。使用過(guò)程中，一些泵站出現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備老化、產(chǎn)品淘汰嚴(yán)重的問(wèn)題。在一些工況調(diào)節(jié)變化大的地區(qū)，水泵往往無(wú)法在最佳效率區(qū)內(nèi)完成工作，出現(xiàn)了電能消耗大、運(yùn)行效率低的問(wèn)題，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)水泵工作情況的調(diào)節(jié)，降低水泵工作能耗消耗，節(jié)省資源。無(wú)刷雙饋電機(jī)發(fā)展所需變頻容量較小，使用過(guò)程中能夠節(jié)省成本費(fèi)用。但是，無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展還處于初步發(fā)展階段，沒(méi)有被完全應(yīng)用在泵站，需要相關(guān)人員結(jié)合實(shí)際，加強(qiáng)對(duì)無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速技術(shù)的深入研究。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)概述

1.1 原理

無(wú)刷雙饋電機(jī)包含兩個(gè)定子繞組，使用時(shí)類似兩個(gè)交流電機(jī)同軸連接。電機(jī)的定子上包含功率繞組和控制繞組。功率繞組和控制繞組在使用的時(shí)候不存在直接電磁耦合，而是通過(guò)轉(zhuǎn)子傳遞電磁功率。轉(zhuǎn)子構(gòu)造為兩套不同極對(duì)數(shù)繞組，通過(guò)反相序串聯(lián)形成工作。

無(wú)刷雙饋電機(jī)氣隙主要包含功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組。假設(shè)無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組極對(duì)數(shù)是p1，控制繞組的極對(duì)數(shù)是p2，頻率分別是f1和f2，功率繞組的電流角頻率是w1。轉(zhuǎn)子速度達(dá)到nr時(shí)，功率繞組的感應(yīng)電流角頻率是功率繞組電流角頻和無(wú)刷雙饋電機(jī)相乘功率繞組電流角頻率的差。假設(shè)控制繞組相序和功率繞組的相序相同，那么感應(yīng)的電流角頻率=控制繞組電流角頻率-控制繞組極對(duì)數(shù)×功率繞組電流角頻率?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)定子只通有一套電流的時(shí)候，也能夠在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出一個(gè)正方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和一個(gè)反方向的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。可見(jiàn)，無(wú)刷雙饋電機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行，而且能夠確保整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

1.2.1 定子結(jié)構(gòu)

無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上有兩套繞組，一套是功率繞組，一套是控制繞組。兩個(gè)繞組在通電之后電流不會(huì)發(fā)生耦合，在這個(gè)期間會(huì)出現(xiàn)不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)。一般情況下，定子結(jié)構(gòu)可以被制作成雙繞組結(jié)構(gòu)和單繞組結(jié)構(gòu)。第一，雙繞組結(jié)構(gòu)。雙繞組結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，左邊是功率繞組，右邊是控制繞組，兩個(gè)繞組在使用時(shí)一般會(huì)占據(jù)一定的槽層。在使用操作中為了能夠減少諧波對(duì)電機(jī)的影響，功率繞組和控制繞組會(huì)采用Y型方法進(jìn)行連接，之后兩個(gè)繞組產(chǎn)生的電流不發(fā)生耦合。第二，單繞組結(jié)構(gòu)。單繞組結(jié)構(gòu)如圖2所示。該繞組結(jié)構(gòu)彼此對(duì)稱，產(chǎn)生的電流不會(huì)產(chǎn)生干擾[2]。

1.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子也被稱作極數(shù)轉(zhuǎn)換器，在使用的過(guò)程中，和對(duì)數(shù)不同功率繞組和控制繞組耦合，深刻影響電機(jī)的運(yùn)行性能。實(shí)際操作中，不管應(yīng)用何種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子都需要得到特定磁路結(jié)構(gòu)的支持，結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整功率繞組和控制繞組[3]。

2 無(wú)刷雙饋電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展展望

2.1 電極電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

無(wú)刷雙饋電機(jī)電磁優(yōu)化技術(shù)在使用過(guò)程中仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，也缺乏能夠反映電磁特點(diǎn)的模型。從現(xiàn)階段的發(fā)展情況來(lái)看，無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型建設(shè)中的基波等效模型無(wú)法在真正意義上反映空間磁場(chǎng)的作用，需要相關(guān)人員利用最新技術(shù)形式修改等效電路模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁心損耗的精準(zhǔn)計(jì)算。另外，對(duì)于電機(jī)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜和等效電路參數(shù)計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，有學(xué)者采取措施將耦合電路模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N序列分量形式，之后計(jì)算電機(jī)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)參數(shù)的精確計(jì)算，簡(jiǎn)化了等效電路。

圖1 定子雙繞組結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 定子單繞組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)耦合能力和諧波磁的動(dòng)態(tài)

無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)時(shí)需要能夠耦合定子功率繞組和控制繞組的要求。在常見(jiàn)的幾種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，特殊籠型轉(zhuǎn)子在使用的時(shí)候方便加工，且加工成本費(fèi)用較低，電機(jī)的起步和異步運(yùn)行性能良好。繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)繼承了特殊籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)體的高效利用，降低了電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)諧波。有學(xué)者提出了一種能夠計(jì)算定子、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的空間諧波分量分析程序，但在實(shí)際使用中也增加了氣隙磁場(chǎng)的復(fù)雜程度。未來(lái)，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的耦合能力[4]。

2.3 優(yōu)化無(wú)刷雙饋電機(jī)的使用控制策略

為了能夠進(jìn)一步提升無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行性能，需要結(jié)合實(shí)際，進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)刷雙饋電機(jī)使用控制策略，通過(guò)無(wú)刷雙饋電機(jī)的使用優(yōu)化避免以往數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的飽和、非線性問(wèn)題，并加強(qiáng)對(duì)新型控制策略的深入研究，如模糊控制、滑膜結(jié)構(gòu)控制策略等[5]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，未來(lái)發(fā)展中，風(fēng)力、水力發(fā)電是無(wú)刷雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要應(yīng)用障礙。為此，在使用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的時(shí)候，需要相關(guān)人員采取有效措施克服并網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題。根據(jù)以往的實(shí)踐操作情況，有學(xué)者根據(jù)所學(xué)知識(shí)，利用最新技術(shù)形式對(duì)250 kW無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果制定了基于功率繞組磁場(chǎng)定向矢量控制策略。通過(guò)建立有功和無(wú)功控制環(huán)在發(fā)生故障的時(shí)候做出補(bǔ)償，使功率繞組的有功電流縮減到零，無(wú)功功率達(dá)到額定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種控制方式能夠在一定程度上提升電機(jī)電壓的穿越能力和響應(yīng)速度。

從不同的不對(duì)稱電壓跌落情況中比較這種電網(wǎng)故障影響的嚴(yán)重性，提出針對(duì)不對(duì)稱電壓跌落的控制方案。借助變流器控制轉(zhuǎn)子漏磁場(chǎng)，有效抵消定子磁鏈中的暫態(tài)直流和負(fù)序分量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子磁鏈的穩(wěn)定控制。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展下，無(wú)刷雙饋電機(jī)工業(yè)化發(fā)展和并網(wǎng)運(yùn)行成為發(fā)展的必然。從發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，無(wú)刷雙饋電機(jī)低電壓的研究尚處于發(fā)展初始階段，將成為下一個(gè)階段發(fā)展研究的重要內(nèi)容。

3 結(jié) 論

綜上所述，在電機(jī)容量不斷擴(kuò)大的情況下，變頻器容量不斷提升，無(wú)形中增加了變頻器的生產(chǎn)和維護(hù)成本費(fèi)用。無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)的功率比一般電機(jī)功率小，在應(yīng)用過(guò)程中能夠彌補(bǔ)電力系統(tǒng)的使用局限。為此，文章闡述無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際分析無(wú)刷雙饋電機(jī)的使用技術(shù)和未來(lái)發(fā)展展望，旨在能夠更好地發(fā)揮無(wú)刷雙饋電機(jī)的作用，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展建設(shè)。

[1] 焦 輝，闞超豪，任泰安.無(wú)刷雙饋電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].微電機(jī)，2017，50（8）：67-74，83.

[2] 韓 鵬.雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制[D].南京：東南大學(xué)，2017.

[3] 錢(qián) 坤.無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2017.

[4] 張家午.繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 焦 輝.繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及運(yùn)行性能研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.