多相电机简介

电机

diànjī

[electricmachinery]泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。

[编辑本段]电机及电机学概念

（electricmachineandelectricmachinetheoryconcept）

电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

[编辑本段]电动机的种类

1．按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2．按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3．按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5．按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。

同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。2100433B

前言

符号表

第1章　绪论1

1.1　双绕组发电机产生背景和意义1

1.2　国内外研究现状及存在问题3

1.2.1　多相电机及发电机整流系统研究3

1.2.2　双绕组发电机研究7

1.2.3　双绕组发电机突然短路研究8

1.3　本书主要内容11

第2章　基本电磁关系和电路模型14

2.1　概述14

2.1.1　结构特点14

2.1.2　基本假设14

2.1.3　正方向选择15

2.2　基本方程15

2.2.1　简化假设16

2.2.2　定子方程16

2.2.3　转子方程20

2.3　耦合关系20

2.4　十二相整流绕组的等效23

2.4.1　基本思想23

2.4.2　等效后的电磁量23

2.4.3　等效后的基本方程23

2.5　等效整流绕组的折算24

2.5.1　折算后的电磁量24

2.5.2　折算后的基本方程25

2.6　等效电路和运算电抗26

2.6.1　磁链等效电路26

2.6.2　电压等效电路28

2.6.3　参数换算关系29

2.6.4　运算电抗29

2.6.5　超瞬变、瞬变和同步电抗32

2.6.6　时间常数32

2.7　输出功率和电磁转矩33

2.7.1　输出功率33

2.7.2　电磁转矩34

2.8　电路仿真模型34

2.8.1　基本方程和等效电路35

2.8.2　电路仿真模型38

2.9　本章小结43

第3章　交直流同时突然短路过渡过程分析46

3.1　引言46

3.2　短路后的基本方程47

3.2.1　稳态空载运行47

3.2.2　突然短路后的基本方程47

3.3　定转子短路时间常数48

3.3.1　特征方程48

3.3.2　定子时间常数50

3.3.3　转子时间常数51

3.4　短路电流52

3.4.1　短路电流的运算表达式52

3.4.2　运算式的展开54

3.4.3　短路电流表达式55

3.5　线路电阻对短路电流的影响64

3.5.1　交流侧线路电阻的影响64

3.5.2　直流侧线路电阻的影响66

3.5.3　线路电阻对交直流同时短路电流影响的仿真研究68

3.6　交直流同时短路电流与交流、直流单独短路电流的关系70

3.6.1　交流侧短路电流关系70

3.6.2　直流侧短路电流关系71

3.7　交直流同时突然短路的电磁转矩73

·Ⅵ· 双绕组交直流发电机过渡过程分析及应用

3.7.1　交变转矩74

3.7.2　平均转矩75

3.7.3　总电磁转矩77

3.7.4　最大转矩估算77

3.8　突然短路工况下的仿真与试验79

3.8.1　交流三相突然短路的仿真与试验研究79

3.8.2　直流侧突然短路仿真与试验研究81

3.8.3　交直流同时突然短路仿真与试验研究83

3.8.4　电磁转矩的仿真与试验87

3.9　本章小结90

第4章　交流侧带负载时直流侧突然短路过渡过程分析92

4.1　短路前稳态运行92

4.1.1　负载方程92

4.1.2　交流绕组稳态电流92

4.1.3　整流绕组稳态电压93

4.1.4　矢量图93

4.2　直流侧短路后的基本方程94

4.3　定转子短路时间常数95

4.3.1　特征方程95

4.3.2　定子时间常数97

4.3.3　转子时间常数99

4.4　短路电流99

4.4.1　短路电流变化量的运算表达式99

4.4.2　d、q轴短路电流变化量的展开式100

4.4.3　abc坐标系短路电流101

4.4.4　交流侧电压的变化104

4.4.5　整流绕组交流侧短路电流近似式106

4.4.6　直流侧最大短路电流106

4.5　电磁转矩107

4.5.1　交变转矩107

4.5.2　平均转矩108

4.5.3　总电磁转矩109

4.6　仿真与试验验证110

目　录·Ⅶ

4.6.1　短路电流110

4.6.2　电磁转矩111

4.7　交流负载对短路电流的影响113

4.7.1　负载大小对短路电流的影响114

4.7.2　负载功率因数对短路电流的影响115

4.7.3　与空载短路的比较117

4.8　本章小结118

第5章　直流侧带负载时交流侧突然短路的过渡过程分析120

5.1　对称短路120

5.2　不对称短路121

5.3　说明122

第6章　短路电流和电磁转矩综合分析126

6.1　等互感与不等互感模型对短路电流的影响126

6.1.1　对交流侧和直流侧电流的影响126

6.1.2　对整流绕组交流侧电流的影响129

6.2　典型双绕组发电机额定电压下突然短路冲击电流比较130

6.3　典型双绕组发电机额定电压下突然短路冲击转矩比较133

6.4　本章小结136

附录139

附录A　样机的主要参数139

附录B　运算式展开及短路电流计算140

参考文献148

符　号　表2100433B

随着经济社会的发展，轨道交通在我国运输体系中扮演着越来越重要的作用。目前，轨道交通大功率牵引传动系统中普遍使用工频牵引变压器，其庞大的体积和重量无法适应我国铁路轻量化、小型化、节能环保的发展目标。本项目研究的无变压器牵引传动系统融合了级联H桥变换器和多相电机在大功率场合的应用优势，具有结构简单、模块化程度高、易于控制等特点，是一种有应用前景的拓扑结构。课题针对传动系统中级联型H桥有源前端的电流控制策略、电容电压平衡算法、稳定工作域以及双定子感应电机低开关频率条件下控制和调制、多电机协同控制方面的关键问题展开研究。在级联H桥整流器方面，课题详细分析了虚拟矢量电流控制策略的稳定性问题，提出了一种调节能力更强的直流侧电容电压平衡算法。此外，课题还给出了一种多级级联H桥整流器稳定运行区域的通用分析方法。在双定子感应电机控制方面，课题结合轨道交通等大功率牵引传动系统高电压大电流、低开关频率的特点，提出了双定子感应电机在全速度范围内的矢量控制策略及多模式SVPWM调制策略，可以实现牵引电机在整个调速范围内的可靠运行。课题最终实现了一整套基于无变压器H桥级联型整流器和双定子感应电机的系统样机，并进行了实验验证。本课题的研究成果可以为其以后在我国铁路牵引传动系统的推广应用奠定技术基础。 2100433B

为降低传统铁路大功率牵引传动系统庞大的体积和重量，实现我国高速铁路轻量化、小型化、节能环保的发展目标，本课题研究了一种无变压器牵引传动系统，具有结构简化、模块化程度高、易于控制等特点，同时融合了多相电机固有的优点，是一种非常实用化的拓扑结构。针对我国轨道交通牵引传动系统的特殊应用背景，本课题对H桥级联型有源前端的调制策略、电容电压平衡控制算法以及低开关频率条件下六相异步电机的矢量控制策略和调制策略等关键问题展开研究，拟采用基于维持各级悬浮电容输入输出功率平衡的方法，实现悬浮电容电压平衡控制；同时利用三相异步电机成熟的矢量控制技术和调制技术，实现六相异步电机的高性能矢量控制和调制控制。最终目标是实现一整套基于无变压器H桥级联型多电平变换器和六相异步电机的性能好、效率高、成本低、可靠性高且控制功能完善的高压大容量变频调速系统，为其以后在我国铁路牵引传动系统的推广应用奠定技术基础。