合肥工业大学阚超豪团队特稿：绕线转子无刷双馈电机多谐波联合起动过程中磁动势及性能分析
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合肥工业大学阚超豪团队目前以阚超豪副教授、程源副教授作为学术带头人的新型电机研究团队，是一支以基础研究为核心、应用研究为驱动的研究团队。新型电机课题组长期从事新型特种电机研制、电机电器优化设计、电机电器故障诊断等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目2项，省自然科学基金面上项目2项、参与国家重点研发计划项目1项、国家重大仪器专项1项。
阚超豪，工学博士，合肥工业大学电气与自动化工程学院副教授，硕士生导师，主要研究方向为新型特种电机研制、电机电磁场计算、电机电器故障诊断等。作为负责人或主研参与20余项科研项目的研究，包括国家自然科学基金面上项目、省自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目子课题、国家重大仪器专项子课题，以及多项来自中科院合肥物质研究院的科研项目。在IEEE Transaction、IET、中国电机工程学报、电工技术学报等国内外学术刊物发表学术论文50余篇。
多谐波联合起动绕线转子无刷双馈电动机通过改变电机定子绕组联结方式，使得励磁电流在气隙中产生基波磁动势以及与基波同转向的不同极对数谐波磁动势。基波磁动势协同这些谐波磁动势与转子上复合线圈绕组相互作用来降低起动电流和增大起动转矩，进而改善电机的起动性能。
该文通过详细的推导建立该电机的定子绕组磁动势数学模型，分析该电机在起动时磁动势谐波含量；分析转子绕组的磁场调制机理及工作特点，并对该电机在起动时的等效电路以及气隙磁通密度进行分析以研究其起动性能。
仿真和试验结果表明，采用多谐波联合起动方式使电机的起动电流降低，起动转矩增大，并且使得电机具有良好的起动性能。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190113
目前，随着油田、煤炭、起重冶金、矿山等行业的电气传动技术的不断发展，大量重型起动机和大中型电动机驱动装置需要起动电流小、起动转矩大的感应电机。因此，电气传动系统对电机提出了更高的要求，如何进一步提高电机起动性能成为本领域的研究热点。
由于普通变频电机的变频器容量大，调速成本高，系统效率低。与普通变频电机相比，BDFM的变频器容量低，调速范围广，效率高。BDFM调速系统中变频器容量约占电机容量的30%，即可满足变频调速要求。若起动时采用变频起动，则变频器容量偏小，无法满足起动转矩要求。
若像普通感应电机一样采用直接起动的方法，电机起动电流较大，可达到额定值的4~7倍，对电网的冲击电流很大。另外，绕线型BDFM由传统绕线转子感应电机演变而来的，无滑环电刷对外连接，将原有绕线转子绕组移到了定子上变为控制绕组，原有的定子绕组为功率绕组。
原来通过转子绕组串联电阻减小起动电流、增加起动转矩的方法现在可由定子控制绕组串联起动电阻或频敏变阻器来实现，但在一些重载起动和频繁起动场合，该方式存在着操作较麻烦，可靠性低，综合成本较大等问题。
多谐波联合起动BDFM控制结构示意图如图1所示，定子上有两套不同的绕组，控制绕组采用Y接法，功率绕组采用大小双Y联结法（Y3Y1/Y3联结）。起动时，将控制绕组接线端短接，功率绕组大星Y3起动接线端接入电网，即同时闭合S0、S1。
闭合开关后接入工频电源，电机开始起动和加速，当转速上升到同步转速附近时，将控制绕组接线端接入变频器，同时将功率绕组上小星Y1运行接线端分别投入起动端所接入的电网中，即闭合S2，同时断开S1，于是便完成起动过程，电机便开始进入双馈运行状态。
通过开关切换，无需变频起动便使得电机由起动状态进入到双馈运行状态，然后可通过变频器调节fc，进而实现有效的变频调速。
图1 多谐波联合起动BDFM控制示意图
由于多谐波联合起动BDFM定子绕组产生较大的磁动势谐波成分（基波，主谐波和多个极对数副谐波），和常规电机的计算不同，这些谐波产生的作用不能当作漏抗处理，而把这些谐波对电机起动时产生的转矩当作起动转矩来计算。
由于其它各极对数磁动势谐波产生的转矩都是小到可以忽略不计，在不考虑其他各极对数谐波转矩之间的相互影响，得出多谐波联合起动时的转矩特性，如图2所示。
图2 多谐波联合起动时的转矩特性
为了验证多谐波联合起动BDFM的优越性。分别对BDFM在不同起动方式下进行了仿真。图3为不同起动方式下功率绕组的相电流仿真波形。图3（a）为控制绕组短接，部分功率绕组励磁的多谐波联合起动方式；图3（b）为控制绕组励磁，功率绕组全部励磁的双馈起动方式；图3（c）为控制绕组短接，功率绕组全部励磁的异步起动方式。
图3 不同起动方式下功率绕组的相电流仿真波形
从图3中可以看出，与异步起动、双馈起动相比，多谐波联合起动大大降低了起动电流，而且在切换过程中，冲击电流较小，进一步说明了采用多谐波联合起动方式在保持较高起动转矩的情况下，有效地抑制了样机的起动电流，提高了样机的起动性能。
本文通过对多谐波联合起动BDFM的工作原理、定转子绕组磁动势、气隙磁通密度以及起动电流的分析，来研究多谐波联合起动 BDFM 的谐波磁场特性及起动性能，得到如下结论：
1）多谐波联合起动 BDFM 转子绕组采用复合线圈结构，增大了起动电阻，从而降低了起动电流，降低了磁场饱和程度。
2）多谐波联合起动 BDFM 在起动时的磁场和气隙磁通密度除基波外，还含有与基波同转向而极对数不同的谐波磁场，由于磁场之间相互作用进一步增大电机的起动转矩。
3）多谐波联合起动 BDFM 在起动时由电网直接供电，完成起动过程后，可通过开关切换至 BDFM双馈运行状态，进而实现变频调速。
阚超豪, 鲍习昌, 金科, 李霄, 王群京. 绕线转子无刷双馈电机多谐波联合起动过程中磁动势及性能分析[J]. 电工技术学报, 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.