多相级联型无刷双馈电动机变频调速控制系统研究

.Speed control of fans, pumps and other similar equipment, can effectively saving energy. Now people usually use the method of high-voltage inverter to achieve this goal. Its shortcomings are expensive price and low system efficiency. The brushless doubly-fed motor(BDFM) could realize brushless operation, and its power converters only provide "slip power" of the motor, which has the smaller capacity. Therefore, from all point of view, such as reliability, efficiency and cost, BDFM drive systems have great advantage over high-voltage inverter solutions. .The application proposes a multiphase cascade-type brushless doubly-fed motor frequency control scheme, the design capacity of the system is theoretically infinite, and can achieve low-voltage large-capacity inverter design. BDFM using cascaded solution can overcome the difficult issues of the motor pole pairs number selection. The motors are particularly suitable for high-speed, large-capacity high-voltage speed control system. Design by multiphase motor windings, can significantly reduce the harmonic magnetic potential of the motor..According to the phase shift control of the fundamental wave and the carrier signal of the power converter, the system can run efficiently and effectively reduce the negative effects of higher harmonics...According to the proposed scalar control algorithm, the Power factor can be controlled equal to 1. This control algorithm can achieve decoupling control of the motor. The results of this research project will promote the application of BDFM works in the field of high-voltage large-capacity, but also has high academic value.

对风机、泵类等设备进行调速控制可有效节能，目前多采用高压变频器方案来实现，其缺点有价格昂贵、系统效率低等。无刷双馈电机实现了无刷化，且功率变换器仅需提供电机的“转差功率”，容量较小。因此从可靠性、效率及成本等各方面来看，无刷双馈电动机变频调速系统比高压变频器方案更有优势。本申请书提出了一种多相级联型无刷双馈电动机变频调速方案，其系统设计容量在理论上没有极限，可实现大容量变频器的低压化设计；电机采用级联型方案克服了无刷双馈电机极对数配合困难的问题，特别适合于高转速、高压大容量调速系统。通过电机绕组的多相化设计，可明显减少电机的谐波磁势。通过对功率变换器的基波及载波信号进行移相控制，可实现系统的高效运行，并有效降低高次谐波的不利影响。提出了一种功率因数为1的标量控制算法，可实现电机的解耦控制。本申请项目的研究成果将推动无刷双馈电动机在高压大容量领域的工程应用，同时具有较高的学术价值。

在一些工业应用场合，如风机泵类等设备的调速，往往对调速的精度和调速范围要求不高但对成本很敏感。本项目提出了一种级联型多相无刷双馈电动机，可以低成本的实现电机的变频调速。该电机原理上是两个极对数不同的电机的级联。在定子上除了三相功率绕组外，还有多套控制绕组，取决于相数，一般为双三相，也可设计成更多的如12相。转子上的功率绕组和控制绕组反相序连接，以实现磁场调制。主要研究内容包括：1）针对级联型多相无刷双馈电动机进行原理性研究并依此进行了电机设计；2）研究了电机的数学模型并根据模型进行了计算机仿真；3）研究了无刷双馈电动机的有编码器和无编码器控制算法；4）研究了双三相无刷双馈电动机的电流控制算法；5）设计并制作了2/6极无刷双馈电动机，设计了相应的控制系统，进行了大量的实验研究。.重要研究结果包括：1）所提出的级联型多相无刷双馈电动机从原理上讲是可行的；2）当控制绕组进行多相化设计后，可以得到一些优势，例如如果设计成双三相绕组且两套绕组的电流时序也相差30度，则可以消除气隙磁势中的5次和7次谐波，同时基波磁势达到最大，这有助于提高电机的效率；3）研究了无刷双馈电动机的控制算法，实现了无刷双馈电动机的无编码器控制，可以进一步降低成本，提高可靠性；4）如果多套逆变器之间采用移相控制，可以获得显著的好处，例如两套逆变器的载波移180度，则可以显著消除共模电压中幅值最高的分量。5）设计了30kVA绕线转子双三相无刷双馈电动机及其控制系统，进行了大量仿真和实验研究。仿真和实验结果验证了前述所提出电机的原理和控制方法的正确性。.科学意义：所提出的级联型多相无刷双馈电动机有望应用于风机、泵类等需要电机调速的系统。由于实现了转子无刷化，电机的可靠性比有刷电机要高得多，又由于控制系统的功率可以只占到系统总功率的几分之一，因此系统的成本不会提高太多。另外多相化可以减低转矩纹波，提高系统的电磁兼容能力。