繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機研究中文摘要

脈沖發(fā)電機既具有儲能密度大和功率密度高的綜合特性，又具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、連續(xù)運行可靠、可調(diào)幅度大等優(yōu)點。因此，它是高功率脈沖電源實現(xiàn)小型化的較好的解決方案。但是在高速、高儲能的脈沖交流發(fā)電機中，隨著轉(zhuǎn)速的升高和功率的加大，電刷滑環(huán)也成為脈沖發(fā)電機的一個瓶頸問題，不僅要承受高轉(zhuǎn)速、高線速度，還要傳導(dǎo)大的電流和功率，并且還會因為電刷與滑環(huán)的摩擦帶來嚴(yán)重的發(fā)熱和功率損耗，消耗轉(zhuǎn)子儲存的動能，也不經(jīng)濟。因此，本文將脈沖電機的運行方式與繞線式無刷雙饋電機的特點相結(jié)合，提出了一種新型的無電刷結(jié)構(gòu)的脈沖發(fā)電機--繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機。該電機在無刷的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)變速下的主繞組輸出電能的恒壓恒頻，在連發(fā)脈沖時波形具有良好的一致性。本質(zhì)問題是要研究繞線式無刷雙饋電機的原理和結(jié)構(gòu)特點，建立一套根據(jù)脈沖負載要求設(shè)計配套的電機的理論，通過模型的仿真和樣機的試驗研究，來驗證理論研究的結(jié)果。

慣性儲能脈沖發(fā)電機由于其體積小、重量輕、儲能密度大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)運行可靠等優(yōu)點在脈沖功率領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是在高速、高儲能的脈沖發(fā)電機中，隨著轉(zhuǎn)速的升高和功率的逐漸增高，電刷滑環(huán)不僅要承受高轉(zhuǎn)速、高線速度，還要傳導(dǎo)大電流和大功率，電刷與滑環(huán)的摩擦?xí)韲?yán)重的發(fā)熱和功率損耗，消耗轉(zhuǎn)子儲能，所以電刷滑環(huán)成為了限制脈沖發(fā)電機發(fā)展的一個瓶頸。已有的相對成熟的取消電刷滑環(huán)的方案是利用感應(yīng)子電機作為給移動式電容快速充電的脈沖功率電源使用。感應(yīng)子電機轉(zhuǎn)子為一個實心體，強度高，轉(zhuǎn)動慣量大，電機可以做到較高的轉(zhuǎn)速以及儲能密度來滿足脈沖發(fā)電的需求。但是感應(yīng)子電機也正是因其獨特的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使得電機的功率密度較低，只有同轉(zhuǎn)速下普通同步電機的二分之一左右，這一特點也制約了感應(yīng)子電機向更高功率等級應(yīng)用方向的發(fā)展。本研究試圖將無刷雙饋電機引入到脈沖功率場合，以取代現(xiàn)有感應(yīng)子電機來作為移動式電容快速充電電源，實現(xiàn)整套系統(tǒng)向更高功率等級的發(fā)展。無刷雙饋電機定子有兩套極對數(shù)不同的繞組：功率繞組和控制繞組。本身兩套繞組間不存在直接耦合，而是通過特殊設(shè)計的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)間接耦合，從而實現(xiàn)電機的無刷勵磁。并且無刷雙饋電機可以通過調(diào)節(jié)控制繞組端電壓的頻率來調(diào)節(jié)功率繞組輸出電壓的頻率，從而實現(xiàn)單次放電，轉(zhuǎn)速下降后連發(fā)脈沖波形的一致性。無刷雙饋電機具有轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)可靠性高、功率密度適中等優(yōu)點，從而可以用于大功率電容快速充電電源的應(yīng)用。通過本項目的研究，詳細分析了無刷雙饋電機的本質(zhì)原理和運行機制，建立了全新的無刷雙饋電機等效電路模型。并將其應(yīng)用到電容快速充電系統(tǒng)的建模分析中。并采用場、路耦合的多種分析方法，結(jié)合系統(tǒng)模型的構(gòu)建和電機的設(shè)計，進行了全系統(tǒng)的性能仿真研究。在此基礎(chǔ)上加工制造出能滿足脈沖能量輸出要求的繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機樣機并搭建了電容快速充電電源系統(tǒng)，實驗結(jié)果證明了該方案的可行性。通過該項目的研究，得到了電容快速充電用無刷雙饋脈沖發(fā)電機及其電容負載系統(tǒng)的分析和優(yōu)化設(shè)計理論。

“注意，“Fed”并不確指電能的交換方向（輸出還是輸入），所以，雙饋既有雙饋發(fā)電機，亦有雙饋電動機。對于繞線轉(zhuǎn)子的異步電機，除了定子必然和電源相聯(lián)之外，轉(zhuǎn)子也可以和電源相聯(lián)，于是，當(dāng)電機作為發(fā)電機時，稱之為雙饋異步發(fā)電機；反之作為電動機時，則稱為雙饋異步電動機，而只有一端和電源相聯(lián)的普通電機則屬于“單饋”。

還要指出，雙饋發(fā)電或雙饋電動均屬于和外部電源的電能交換，因此，雙饋（Double Fed）以及串級（Cascade Control）都應(yīng)歸屬于外饋。

本申請擬研究一種世界首創(chuàng)的無刷雙饋雙機械端口電機(BL-DF-EVT)。該電機有兩個轉(zhuǎn)速獨立變化的機械轉(zhuǎn)子，分別接原動機和機械負載。定子鐵心內(nèi)有兩套繞組用于控制轉(zhuǎn)速。該電機的原理建立在有刷雙機械端口電機和無刷雙饋電機原理的基礎(chǔ)上,并有所創(chuàng)新。其特點是：原動機的機械功率大部分通過雙轉(zhuǎn)子直接傳遞到負載端，轉(zhuǎn)差功率可通過定子繞組和雙向變換器傳遞給負載，因而功率變換器的容量大大減小。原動機和負載之間的不平衡功率可以通過向蓄電池充放電進行平衡。本申請?zhí)岢龅腂L-DF-EVT和傳統(tǒng)EVT電機相比省去了滑環(huán)電刷和內(nèi)、外轉(zhuǎn)子位置傳感器，需要根據(jù)新電機結(jié)構(gòu)特點深入研究電機內(nèi)部的電磁關(guān)系、運行模式、控制策略并解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。本研究將對機械變速領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，使EVT電機具有機械結(jié)構(gòu)更簡單、磨損小、運行更可靠等優(yōu)點，并擁有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)。因此，本項目的研究具有重要的科學(xué)意義和理論價值。 2100433B