團(tuán)隊(duì)介紹

合肥工業(yè)大學(xué)闞超豪團(tuán)隊(duì)目前以闞超豪副教授、程源副教授作為學(xué)術(shù)帶頭人的新型電機(jī)研究團(tuán)隊(duì)，是一支以基礎(chǔ)研究為核心、應(yīng)用研究為驅(qū)動(dòng)的研究團(tuán)隊(duì)。新型電機(jī)課題組長(zhǎng)期從事新型特種電機(jī)研制、電機(jī)電器優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)電器故障診斷等方面的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家重大儀器專項(xiàng)1項(xiàng)。

闞超豪，工學(xué)博士，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)研制、電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算、電機(jī)電器故障診斷等。作為負(fù)責(zé)人或主研參與20余項(xiàng)科研項(xiàng)目的研究，包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題、國(guó)家重大儀器專項(xiàng)子課題，以及多項(xiàng)來(lái)自中科院合肥物質(zhì)研究院的科研項(xiàng)目。在IEEE Transaction、IET、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

導(dǎo)語(yǔ)

多諧波聯(lián)合起動(dòng)繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)通過改變電機(jī)定子繞組聯(lián)結(jié)方式，使得勵(lì)磁電流在氣隙中產(chǎn)生基波磁動(dòng)勢(shì)以及與基波同轉(zhuǎn)向的不同極對(duì)數(shù)諧波磁動(dòng)勢(shì)?；ù艅?dòng)勢(shì)協(xié)同這些諧波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子上復(fù)合線圈繞組相互作用來(lái)降低起動(dòng)電流和增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而改善電機(jī)的起動(dòng)性能。

該文通過詳細(xì)的推導(dǎo)建立該電機(jī)的定子繞組磁動(dòng)勢(shì)數(shù)學(xué)模型，分析該電機(jī)在起動(dòng)時(shí)磁動(dòng)勢(shì)諧波含量；分析轉(zhuǎn)子繞組的磁場(chǎng)調(diào)制機(jī)理及工作特點(diǎn)，并對(duì)該電機(jī)在起動(dòng)時(shí)的等效電路以及氣隙磁通密度進(jìn)行分析以研究其起動(dòng)性能。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，采用多諧波聯(lián)合起動(dòng)方式使電機(jī)的起動(dòng)電流降低，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，并且使得電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能。

研究背景

目前，隨著油田、煤炭、起重冶金、礦山等行業(yè)的電氣傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量重型起動(dòng)機(jī)和大中型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置需要起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的感應(yīng)電機(jī)。因此，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)提出了更高的要求，如何進(jìn)一步提高電機(jī)起動(dòng)性能成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

由于普通變頻電機(jī)的變頻器容量大，調(diào)速成本高，系統(tǒng)效率低。與普通變頻電機(jī)相比，BDFM的變頻器容量低，調(diào)速范圍廣，效率高。BDFM調(diào)速系統(tǒng)中變頻器容量約占電機(jī)容量的30%，即可滿足變頻調(diào)速要求。若起動(dòng)時(shí)采用變頻起動(dòng)，則變頻器容量偏小，無(wú)法滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。

若像普通感應(yīng)電機(jī)一樣采用直接起動(dòng)的方法，電機(jī)起動(dòng)電流較大，可達(dá)到額定值的4~7倍，對(duì)電網(wǎng)的沖擊電流很大。另外，繞線型BDFM由傳統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)演變而來(lái)的，無(wú)滑環(huán)電刷對(duì)外連接，將原有繞線轉(zhuǎn)子繞組移到了定子上變?yōu)榭刂评@組，原有的定子繞組為功率繞組。

原來(lái)通過轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻減小起動(dòng)電流、增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法現(xiàn)在可由定子控制繞組串聯(lián)起動(dòng)電阻或頻敏變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在一些重載起動(dòng)和頻繁起動(dòng)場(chǎng)合，該方式存在著操作較麻煩，可靠性低，綜合成本較大等問題。

主要內(nèi)容

多諧波聯(lián)合起動(dòng)BDFM控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，定子上有兩套不同的繞組，控制繞組采用Y接法，功率繞組采用大小雙Y聯(lián)結(jié)法（Y3Y1/Y3聯(lián)結(jié)）。起動(dòng)時(shí)，將控制繞組接線端短接，功率繞組大星Y3起動(dòng)接線端接入電網(wǎng)，即同時(shí)閉合S0、S1。

閉合開關(guān)后接入工頻電源，電機(jī)開始起動(dòng)和加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速附近時(shí)，將控制繞組接線端接入變頻器，同時(shí)將功率繞組上小星Y1運(yùn)行接線端分別投入起動(dòng)端所接入的電網(wǎng)中，即閉合S2，同時(shí)斷開S1，于是便完成起動(dòng)過程，電機(jī)便開始進(jìn)入雙饋運(yùn)行狀態(tài)。

通過開關(guān)切換，無(wú)需變頻起動(dòng)便使得電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入到雙饋運(yùn)行狀態(tài)，然后可通過變頻器調(diào)節(jié)fc，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的變頻調(diào)速。

圖1 多諧波聯(lián)合起動(dòng)BDFM控制示意圖

由于多諧波聯(lián)合起動(dòng)BDFM定子繞組產(chǎn)生較大的磁動(dòng)勢(shì)諧波成分（基波，主諧波和多個(gè)極對(duì)數(shù)副諧波），和常規(guī)電機(jī)的計(jì)算不同，這些諧波產(chǎn)生的作用不能當(dāng)作漏抗處理，而把這些諧波對(duì)電機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩當(dāng)作起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算。

由于其它各極對(duì)數(shù)磁動(dòng)勢(shì)諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是小到可以忽略不計(jì)，在不考慮其他各極對(duì)數(shù)諧波轉(zhuǎn)矩之間的相互影響，得出多諧波聯(lián)合起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，如圖2所示。

圖2 多諧波聯(lián)合起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性

為了驗(yàn)證多諧波聯(lián)合起動(dòng)BDFM的優(yōu)越性。分別對(duì)BDFM在不同起動(dòng)方式下進(jìn)行了仿真。圖3為不同起動(dòng)方式下功率繞組的相電流仿真波形。圖3（a）為控制繞組短接，部分功率繞組勵(lì)磁的多諧波聯(lián)合起動(dòng)方式；圖3（b）為控制繞組勵(lì)磁，功率繞組全部勵(lì)磁的雙饋起動(dòng)方式；圖3（c）為控制繞組短接，功率繞組全部勵(lì)磁的異步起動(dòng)方式。

圖3 不同起動(dòng)方式下功率繞組的相電流仿真波形

從圖3中可以看出，與異步起動(dòng)、雙饋起動(dòng)相比，多諧波聯(lián)合起動(dòng)大大降低了起動(dòng)電流，而且在切換過程中，沖擊電流較小，進(jìn)一步說明了采用多諧波聯(lián)合起動(dòng)方式在保持較高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，有效地抑制了樣機(jī)的起動(dòng)電流，提高了樣機(jī)的起動(dòng)性能。

結(jié)論

本文通過對(duì)多諧波聯(lián)合起動(dòng)BDFM的工作原理、定轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì)、氣隙磁通密度以及起動(dòng)電流的分析，來(lái)研究多諧波聯(lián)合起動(dòng) BDFM 的諧波磁場(chǎng)特性及起動(dòng)性能，得到如下結(jié)論：

• 1）多諧波聯(lián)合起動(dòng) BDFM 轉(zhuǎn)子繞組采用復(fù)合線圈結(jié)構(gòu)，增大了起動(dòng)電阻，從而降低了起動(dòng)電流，降低了磁場(chǎng)飽和程度。
• 2）多諧波聯(lián)合起動(dòng) BDFM 在起動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)和氣隙磁通密度除基波外，還含有與基波同轉(zhuǎn)向而極對(duì)數(shù)不同的諧波磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)之間相互作用進(jìn)一步增大電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
• 3）多諧波聯(lián)合起動(dòng) BDFM 在起動(dòng)時(shí)由電網(wǎng)直接供電，完成起動(dòng)過程后，可通過開關(guān)切換至 BDFM雙饋運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

引用本文

闞超豪, 鮑習(xí)昌, 金科, 李霄, 王群京. 繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)多諧波聯(lián)合起動(dòng)過程中磁動(dòng)勢(shì)及性能分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 481-493. Kan Chaohao, Bao Xichang, Jin Ke, Li Xiao, Wang Qunjing. Analysis of Magnetomotive Force and Performance during Starting Process of Wound-Rotor Brushless Doubly-Fed Machine with Combined Multi-Harmonic Fields. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 481-493.