第1章 无刷双馈电机及其控制概述
1.1 无刷双馈电机本体研究概述
无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM）本体研究起源于自级联双馈感应电机。自级联双馈感应电机是由两台传统双馈感应电机级联而成，级联的形式有多种，但最典型的联结形式是将两台双馈感应电机的转轴机械硬连接，转子绕组反相序连接，两台双馈感应电机的定子绕组分别称为功率绕组（Power Winding，PW）和控制绕组（Control Winding，CW）[1]。自级联双馈感应电机中每台双馈感应电机的转子绕组均带有电刷和集电环。BDFM发展的一个重要转折点是Hunt设计出了单定子级联双馈感应电机，去除了转子上的电刷和集电环，并将两套转子绕组合并为一套转子绕组，这一套转子绕组可以对两个不同极对数的定子气隙磁场进行耦合[2，3]，图1.1为单定子级联双馈感应电机结构示意图。而后，Creedy对Hunt所提出的极对数配置规则进行了改进[4]。在1966年，Smith提出了一种与Hunt不同的BDFM设计方法，该方法依靠空间隔离来避免两套定子绕组之间的直接耦合，而且Smith首次注意到了BDFM的同步运行模式，也称双馈运行模式，这是BDFM的最优运行模式[5]。BDFM发展的第二个重要转折点是Broadway和Burbridge于1970年提出了一种同心环式的特殊笼型转子[6]，在降低电机功率损耗的同时增强了结构的可靠性。随后，Broadway于1971年又提出了无刷双馈磁阻电机设计方法[7]，并在参考文献[8]中讨论了两个不同极对数的磁场共享铁心磁路的问题以及磁饱和问题。
图1.1 单定子级联双馈感应电机结构示意图
进入20世纪80年代，国际上对BDFM的研究变得异常活跃。F. Shibata、T. Kohrin和K. Taka等人首次实现了BDFM的级联运行模式和双馈运行模式[9，10]。在20世纪80年代中期，受美国能源部委托，俄勒冈州立大学的Wallace、Spee以及Li等人在Broadway和Burbridge的研究基础上对BDFM的笼型转子进行了进一步的优化设计[11，12]。值得注意的是，Hunt、Creedy、Broadway和Burbridge等人所提出的BDFM设计方法均采用了单套定子绕组。俄勒冈州立大学的Rochelle等人研究后发现，单套定子绕组中容易产生环路电流[13]，于是，在此之后的BDFM设计方法中均采用了两套独立的定子绕组。
图1.2 BDFM的常见转子结构
自20世纪末开始，国外对BDFM本体的研究逐渐形成了两大类，即磁阻转子BDFM和特殊笼型转子BDFM。磁阻转子BDFM含有两套不同极对数的定子绕组和一个与同步磁阻电机类似的凸极转子，转子的极对数是两套定子绕组极对数之和的一半。丹麦奥尔堡大学的R. E. Betz和M. G. Jovanovic对磁阻转子BDFM进行了较深入的研究，参考文献[14]提出了磁阻转子BDFM的基本设计原理，参考文献[15]与参考文献[16]将磁阻转子BDFM与同步磁阻电机进行了对比研究，参考文献[17]和参考文献[18]分析了磁阻转子BDFM的特性，参考文献[19]对BDFM的磁阻转子进行了优化设计。以美国俄亥俄州立大学的L. Xu为代表的一些学者也对磁阻转子BDFM进行了多方面研究，包括磁阻转子BDFM的设计方法[20]、有限元分析方法[21]、损耗估计[22]以及与笼型转子BDFM在参数和性能方面的对比研究等[23]。国外对特殊笼型转子BDFM的研究主要集中在剑桥大学与俄勒冈州立大学。剑桥大学的S. Williamson与俄勒冈州立大学的A. C. Ferreira对无刷双馈感应发电机（Brushless Doubly-Fed Induction Generator，BDFIG）的同步运行模式进行了详细的分析与探讨，并结合实验验证了样机的性能[24，25]。S. Williamson与A. C. Ferreir还利用有限元分析方法研究了BDFM铁心的损耗与饱和现象[26，27]。剑桥大学的P. C. Roberts博士对五种不同转子BDFM的性能进行了对比研究[28，29]。此外，R. A. McMahon等人分析了BDFM作为发电机和电动机的性能，经过数学推导，他们将BDFM的容量表达为磁负载和电负载的函数，并与同等尺寸大小的双馈电机和级联感应电机进行了容量的对比，另外还分析了无功功率对BDFM性能的影响[30，31]。此外，他们还对相关的一些问题，比如转子电流的测量方法[32，33]、电机的设计与优化等展开了广泛的探讨[34]。图1.2给出了几种常见无刷双馈感应电机和无刷双馈磁阻电机的转子结构。
国内对BDFM的研究始于20世纪80年代末期，相关的研究机构有华中科技大学、重庆大学、湖南大学、沈阳工业大学和中国矿业大学等：参考文献[35，36]较早地研究了BDFM的结构特点与设计原则，参考文献[37-40]分析了BDFM的电磁设计特点，参考文献[41，42]对不同转子结构的BDFM进行了对比研究。另外还有学者还对BDFM的参数计算[43]、铁心损耗[44]、稳态特性[45-48]、运行范围[49]、运行效率[50]以及转矩特性[51]等方面进行了研究。前面所述的这些研究工作都采用了同心环笼型或磁阻式转子，由于这两种转子结构所限，导致电机磁动势的谐波含量大，且会随负荷或磁路饱和情况的变化而变化，这无疑增加了BDFM控制系统的设计难度。近年来，华中科技大学对绕线转子BDFM的设计方法进行了深入研究[52-57]，研究结果表明绕线转子可有效地消除电机磁动势中的谐波含量，同时能大幅提高导体利用率[58]，绕线转子BDFM的结构如图1.3所示。此外，华中科技大学还对绕线转子BDFM的运行稳定性[59，60]、空载电流[61]以及参数辨识[62，63]等方面进行了研究。
图1.3 绕线转子BDFM结构示意图