无刷双馈电机的工作原理解析

无刷双馈电机源于感应电机的串级连接，从运行特点上来说，无刷双馈电机不仅可以有效降低变频装置的容量和电压等级，而且可以方便地实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式。

图5-6　无刷双馈电机的原型电机示意图

无刷双馈电机是由串级异步电动机组发展而来。所谓两台电机级联，就是将两台绕线型电机的同轴互相连接，这种级联系统的结构如图5-6所示。从结构简图可以看出，这种串级异步电机系统从第一台电机的定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机的原边，第二台电机的副边绕组（即其定子绕组）通过外接电阻短接。这样就省去了滑环，该系统通过改变外接电阻大小就可以改变电机转速。下面详细分析原型的运行原理。

在分析中，忽略两台电机的损耗，如果第一台电机的定子输入的电功率是P1，当运行于某一转速时两台电机的转差率分别是sp和sc，可以得到第一台电机的机械功率为

忽略电机的其他损耗，spP1就成为第一台电机通过转子传给第二台电机的电功率，由于第二台电机的功率来源于它的转子，第二台电机的转子按变压器原理为原边，而第二台电机的定子为副边。第二台电机轴上产生的机械功率为

整个级联系统轴上的输出机械功率为

式（5-4）的spscP1就是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。如果改变第二台电机副边电阻的阻值，则消耗在其上的功率spscP1将发生变化。在P1一定的前提下，spsc将发生变化，即等效滑差率s=spsc发生变化，相应的第二台电机的副边电流频率也会随之变化。因此，如果能够改变第二台电机副边的电流频率，就可以反过来改变电机的转速。无刷双馈电机即用变频器来替代原理电机中的外接电阻，通过对第二台副变电流频率的调节来改变整个等效滑差率，如图5-7所示。

下面仍以无刷双馈电机电动运行为例，分析这种电机怎样通过调节变频器的频率来达到调速的目的。

假定转子电流频率为fr，第一台电机的定子电流频率是fp，第二台电机的定子电流频率是fc，则电机的转速为

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图5-7　级联式无刷双馈电机示意图

第二台电机的转子转速为

因为两台电机机械同轴，电路相连，故转子电流频率fr相同，转子转速相同。即nr=np=nc。由式（5-5）和式（5-6）可求得转速为

式中的“±”号取决于两台电机的定子、转子相对相序。一般采用反相序接法，称为和调制。采用和调制的转速表达式为

式中　Ω——电机转子机械角速度；

ωp——定子功率绕组旋转磁场角速度；

ωc——定子控制绕组旋转磁场角速度。

无刷双馈发电机运行如图5-8所示。原动机拖动无刷双馈发电机转子以转速nr旋转。两套定子绕组功率绕组和控制绕组之间没有直接电磁耦合，转子经特殊设计实现两套定子绕组之间能量传递的中介作用。

无刷双馈电机作为发电机运行时，原动机提供机械功率输入，当转速较低时可以由控制绕组端提供一部分能量，保证功率绕组端电压恒定。原动机转速较高时，可由功率绕组端和控制绕组端同时向电网馈能，这种特性特别适合风力发电等场合。